CN113922346A - 一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统 - Google Patents

一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统，包括获取故障信息，判断故障类型；对于三相及两相相间短路故障，利用短路点两侧两个相邻检测点的故障相电流瞬时值在短路时突变方向相反这一暂态特征实现故障定位，并对故障相电流进行小波变换实现突变方向的辨识。对于单相接地和两相接地短路故障，利用系统零序电流的分布特征，实现故障定位。本发明有效弥补了中压孤岛微电网中分布式电源提供的短路电流基频分量幅值不大、相位变化复杂，难以利用其进行故障定位的问题，适用于工程实际，定位准确率高，具有很好的学术价值及实用性。

Description

一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，更具体地，涉及一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统。
背景技术
近年来，为了使太阳能和风能等绿色能源得到充分利用，微电网得到了广泛的发展，其接入10～35kV电网十分普遍，中压微电网将成为电网未来发展的重要方向。微电网具有线路组成灵活多样、线路长度较短、测量设备多、电源接入灵活、运行方式灵活等特点，与传统配电网有很大区别。
微电网的运行模式可以分为并网运行和孤岛运行两种，当微电网发生短路故障时，不同运行模式下的微电网的故障电流差异明显，所以不同运行模式下所采用的故障定位策略也有很大不同。
主从控制模式是指在微电网处于孤岛运行模式时，其中一个分布式电源采取V/F控制，用于向微电网中其他分布式电源提供电压和频率参考，而其他的分布式电源则可采用P/Q控制，采用V/F控制的分布式电源控制器称为主控制器，采用P/Q控制的其他的分布式电源控制器称为从控制器。
目前的研究大多针对分布式电源的短路模型和并网运行情况下的故障定位，针对中压微电网在计划孤岛运行模式下的故障定位技术研究较少，并很少考虑短路后低电压穿越控制带来的影响，由于分布式电源接入中压电网通常配置低电压穿越控制来支撑系统电压，而低电压穿越控制导致的输出电流特征差异使得故障定位更加困难。
综上所述，由于孤岛运行和并网运行的短路特性存在很大不同，当前亟需提出孤岛运行模式下的中压微电网的故障定位技术。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统，本发明通过分析了系统发生不同类型短路故障时的短路特征，提出了短路故障定位策略，适用于中性点经小电阻接地的中压孤岛微电网。
本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，包括以下步骤：
步骤1，从采用主从控制的中压孤岛微电网中获取故障信息；
步骤2，收集各线路零序电流信号，当存在零序电流时，故障类型为单相接地故障或两相接地短路故障，执行步骤3；若不存在零序电流且检测到某线电压降为原来设定比例及以下时，执行步骤4；
步骤3，启动单相接地、两相接地短路故障定位，根据零序电流的分布特征，寻找故障点两侧两个相邻检测点；
步骤4，启动三相及两相相间短路故障定位，根据短路点两侧两个相邻检测点的故障相电流瞬时值在短路时突变方向相反，寻找故障点两侧两个相邻检测点；
步骤5，根据步骤2中获得的短路故障类型及步骤3或步骤4中的故障信息处理结果，确定故障区段。
优选地，所述主从控制下的中压孤岛微电网中性点经小电阻接地；中压孤岛微电网中分布式电源为逆变型DG，主控DG为V/f控制、其他DG采用PQ控制。
优选地，所述获取的故障信息包括：各检测点的零序电流实时测量值；各检测点的线电压实时测量值；各检测点的故障电流分量实时测量值。
优选地，步骤3中，获得中压孤岛微电网发生单相接地故障时的零序网络，主从控制下的中压孤岛微电网中，发生单相接地故障或两相接地短路故障时，零序电流只在接地中性点和短路点之间流通。
优选地，步骤3具体包括：
步骤3.1，设定零序电流启动值；
步骤3.2，根据零序电流测量值与启动值进行比较赋值；将检测到零序电流大于启动值的检测点设为1、零序电流小于启动值的检测点设为0；
步骤3.3，寻找同一条线路上取值分别为1和0的两个相邻检测点；
步骤3.4，将步骤3.3中获得的两个相邻检测点确定为故障区段，实现故障定位。
优选地，步骤4中，获得中压孤岛微电网发生三相或两相相间短路故障时的等值电路，分析DG的短路模型和短路特性，故障点两侧检测点电流瞬时值突变方向相反。
优选地，步骤4.1，对各检测点的故障相电流做小波变换；
步骤4.2，若检测点的故障相电流第一层小波系数在短路时为负的极小值，则突变方向为负，设为-1；若检测点的故障相电流的第一层小波系数在短路时为正的极大值，则突变方向为正，设为+1；
步骤4.3，寻找同一条线路上取值分别为+1和-1的两个相邻检测点；
步骤4.4，将步骤4.3中获得的两个相邻检测点确定为故障区段，实现故障定位。
优选地，步骤4.1中，对各检测点的故障相电流用做db5函数作6层小波分解。
本发明的第二方面提供了一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位系统，包括：信号收集单元、信号处理单元、故障判断单元和故障区段确定单元，信号收集单元，用于获取线电压、相电流、零序电流信息，并记录相应波形；信号处理单元，将获取的零序电流与设定启动值、线电压与额定线电压设定比例进行比较，并对故障相电流进行小波变换，用于故障判断；故障判断单元，根据信号处理所得结果判断故障类型；故障区段确定单元，根据故障判断单元所得故障类型，用于结合信号处理信息，根据故障定位方法确定故障区段。
优选地，所述主从控制下的中压孤岛微电网中性点经小电阻接地；中压孤岛微电网中分布式电源为逆变型DG，主控DG为V/f控制、其他DG采用PQ控制。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明有效弥补了中压孤岛微电网中分布式电源提供的短路电流基频分量幅值不大、相位变化复杂，难以利用其进行故障定位的问题，适用于工程实际，定位准确率高，具有很好的学术价值及实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法流程图；
图2为本发明实施例提供的主从控制下的中压孤岛微电网故障定位算法流程图；
图3为本发明实施例提供的中压孤岛微电网的拓扑结构；
图4为本发明实施例提供的中压孤岛微电网F1点处发生单相接地故障时的正序网络图；
图5为本发明实施例提供的中压孤岛微电网F1点处发生单相接地故障时的负序网络图；
图6为本发明实施例提供的中压孤岛微电网F1点处发生单相接地故障时的零序网络图；
图7为本发明实施例中压孤岛微电网F1点处发生三相短路故障时的A相正常运行电路等值电路；
图8为本发明实施例中压孤岛微电网F1点处发生三相短路故障时的A相短路附加电路等值电路；
图9为本发明实施例中压孤岛微电网短路故障定位仿真模型电路图；
图10为本发明实施例中压孤岛微电网F1点处发生三相短路故障时的第一层小波系数及各检测点取值图；
图11为本发明实施例中压孤岛微电网F2点处发生单相接地故障时的零序电流波形图。
具体实施方式
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前针对中压微电网在计划孤岛运行模式下的故障定位技术研究较少，并很少考虑短路后低电压穿越控制带来的影响，亟需提出孤岛运行模式下的中压微电网的故障定位方法。基于此，本发明实施例提供的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法和系统，通过分析了系统发生不同类型短路故障时的短路特征，提出了短路故障定位策略，适用于中性点经小电阻接地的中压孤岛微电网。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法进行详细介绍。
实施例1：
如图1、2所示，一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，应用范围包括：中性点经小电阻接地系统；中压孤岛微电网中分布式电源为逆变型DG(Distributedgeneration，分布式电源)，主控DG为V/f控制、其他DG采用PQ控制，如图3所示，示出了本发明实施例提供的中压孤岛微电网的拓扑结构。
所述方法包括以下步骤：
步骤1，从采用主从控制的中压孤岛微电网中获取故障信息。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述获取的故障信息包括：各检测点的零序电流实时测量值；各检测点的线电压实时测量值；各检测点的故障电流分量实时测量值。
步骤2，收集各线路零序电流信号，当存在零序电流时，故障类型为单相接地故障或两相接地短路故障，执行步骤3；若不存在零序电流且检测到某线电压降为原来设定比例及以下时，执行步骤4。
在本发明进一步优选的实施方式中，当不存在零序电流且检测到某个线电压降为原来的80％及以下，故障类型为三相及两相相间短路故障。
步骤3，启动单相接地、两相接地短路故障定位。具体地，对于单相接地和两相接地短路故障，利用系统零序电流的分布特征，寻找故障点两侧两个相邻检测点，确定故障区段，实现故障定位。
在本发明进一步优选的实施方式中，如图4-6所示，示出了本发明实施例提供的中压孤岛微电网F1点处发生单相接地故障时的三序网络图。具体地，对于单相接地故障，根据图6可知，零序电流只在接地中性点和短路点之间流通，即故障点位于某条线路上取值分别为1和0的两相邻检测点之间，两相接地短路故障分析过程及结论相同。
零序电流的分布特征包括：主从控制下的中压孤岛微电网中，三相短路及两相相间短路情况下零序电流为0，单相接地故障或两相接地短路故障下存在零序电流；发生单相接地故障或两相接地短路故障时，零序电流只在接地中性点和短路点之间流通。
步骤3具体包括：
步骤3.1，设定零序电流启动值。
在本发明进一步优选的实施方式中，综合考虑系统运行状态、线路等因素根据经验值选取零序电流启动值。
步骤3.2，根据零序电流测量值与启动值进行比较赋值；将检测到零序电流大于启动值的检测点设为1、零序电流小于启动值的检测点设为0。
步骤3.3，寻找同一条线路上取值分别为1和0的两个相邻检测点。
步骤3.4，将步骤3.3中获得的两个相邻检测点确定为故障区段，实现故障定位。即，故障点位于某条线路上取值分别为1和0的两相邻检测点之间。
步骤4，启动三相及两相相间短路故障定位。具体地，对于三相及两相相间短路故障，利用短路点两侧两个相邻检测点的故障相电流瞬时值在短路时突变方向相反这一暂态特征实现故障定位，即利用该暂态特征寻找故障点两侧两个相邻检测点，确定故障区段，实现故障定位。
在本发明进一步优选的实施方式中，对于三相短路故障，图7、8示出了本发明实施例中压孤岛微电网F1点处发生三相短路故障时的A相等值电路，根据图8可得，
Figure BDA0003295436320000071
Figure BDA0003295436320000072
式中：
Rm为过渡电阻，
Z1A为ZLine1.1A和Z1A'之和，设为R1A+jωL1A，
Z2A为ZLine1.2A和Z2A'之和，设为R2A+jωL2A，
iA1'(t)为短路点左侧A相故障电流分量瞬时值，
iA2'(t)为短路点右侧A相故障电流分量瞬时值，
-uF1A(t)为短路点处产生的故障激励源。
易知iA1'(0)＝iA2'(0)＝0，t＝0时对iA1'(t)、iA2'(t)求导可得：
Figure BDA0003295436320000073
Figure BDA0003295436320000074
由式(3)、(4)可知，t＝0时刻iA1'(t)、iA2'(t)的导数值为正值还是负值仅与
Figure BDA0003295436320000075
有关，且t＝0时刻iA1'(t)、iA2'(t)的导数同时为正值或同时为负值。由于iA1'(0)＝iA2'(0)＝0，确定正方向后，短路时检测点1、2的A相电流瞬时值突变方向相反。当
Figure BDA0003295436320000076
时，式(3)、(4)值为0，对式(1)、(2)两侧同时求导可得：
Figure BDA0003295436320000077
Figure BDA0003295436320000078
式(5)及(6)同号，故短路后一段时间内存在iA1'(t)、iA2'(t)的导数值同号，确定正方向后，同样可得短路时检测点1、2的A相电流瞬时值突变方向相反，两相相间短路故障分析过程及结论相同。
根据短路点两侧检测的故障相电流瞬时值突变方向相反这一特征，即故障点位于某条线路上取值分别为+1和-1的两相邻检测点之间。
在本发明进一步优选的实施方式中，根据叠加定理可证短路时短路点两侧故障相电流瞬时值突变方向相反这一特征，所属领域技术人员可以在现有技术中选择合适的方法对行波进行处理，一个优选但非限制性的实施方式为小波变换、HHT变换等，本实施例中通过小波变换来识别突变方向，利用该特征进行三相及两相相间短路故障定位。
根据叠加定理证明短路时短路点两侧故障相电流特征包括：根据分析DG的短路模型和短路特性，可知短路后1ms期间内，V/f控制DG逆变器出口的基波电压、PQ控制DG逆变器输出电流不变，在此期间可采用叠加定理；根据叠加定理分析短路附加电路，可知故障点两侧检测点电流瞬时值突变方向相反。
步骤4由小波变换来识别突变方向进行三相及两相相间短路故障定位具体包括：
步骤4.1，对各检测点的故障相电流做小波变换。在本发明进一步优选的实施方式中，对各检测点的故障相电流用做db5函数作6层小波分解，使用六层小波分解后取检测点处的第一层小波系数能有效体现突变特征，避免出现因分解层数过多会降低信号序列的内在变化规律和趋势，或者分解层数过少则不能有效分离概貌序列和细节序列。
步骤4.2，若检测点的故障相电流第一层小波系数在短路时为负的极小值，则突变方向为负，设为-1；若检测点的故障相电流的第一层小波系数在短路时为正的极大值，则突变方向为正，设为+1；
步骤4.3，寻找同一条线路上取值分别为+1和-1的两个相邻检测点。
步骤4.4，将步骤4.3中获得的两个相邻检测点确定为故障区段，实现故障定位。即，故障点位于某条线路上取值分别为+1和-1的两相邻检测点之间。
步骤5，根据步骤2中获得的短路故障类型及步骤3或步骤4中的故障信息处理结果，根据故障区段定位方法确定故障区段。
为了验证所提出短路故障定位策略的正确性，根据图3，利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建图9所示的仿真模型。其中，该微电网电压等级10kV，中性点经10Ω小电阻接地，DG1采用V/f控制，额定容量800kVA，短路电流最大值设置为额定电流的3倍；DG2、DG3采用PQ控制，额定有功功率分别为100kW和400kW，短路电流最大值设置为额定电流的1.2倍。负荷1-4分别为700kW、60kW、380kW、20kW。综合考虑单相接地短路和两相接地短路，设零序电流启动值为10A。
设定2s时在F1点发生过渡电阻为10Ω的三相短路，对A相电流用db5函数作6层小波分解，检测点1和检测点2的第一层小波系数d1(1)和d1(2)及各检测点取值如图10所示。根据图10可知，系统中检测点1的取值为-1，检测点2的取值为+1，其余检测点取值皆为-1，且检测点1和检测点2位于同一线路上，所以短路点位于检测点1和检测点2之间。
当设定F1点发生过渡电阻为10Ω的两相相间短路故障时，分析过程同三相短路故障，这里不再赘述。
设定2s时在F2点发生过渡电阻为10Ω的A相接地短路，计算所有检测点的零序电流，只有检测点3的零序电流大于10A，如图11所示。根据图11可知，系统中检测点3的取值为1，检测点4的取值为0，其余检测点取值皆为0，且检测点3和检测点4位于同一线路上，所以短路点位于检测点3和检测点4之间。
当设定F2点发生过渡电阻为10Ω的两相接地短路故障时，分析过程同单相接地短路故障，这里不再赘述。
目前，针对微电网故障定位方法多为含分布式电源配电网的故障定位以及低压微电网在孤岛模式下的故障定位，对于孤岛运行模式下的中压微电网的故障定位方法缺乏深入考虑和研究。本发明实施例有效弥补了中压孤岛微电网中分布式电源提供的短路电流基频分量幅值不大、相位变化复杂，难以利用其进行故障定位的问题，适用于工程实际，定位准确率高，具有很好的学术价值及实用性，理论分析和仿真实验证明了本文所提出的改进方法的准确性和有效性。
本发明的第二实施例提供了一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位系统，包括：
信号收集单元，用于获取线电压、相电流、零序电流信息，并记录相应波形；
信号处理单元，将获取的零序电流与设定启动值、线电压与额定线电压80％进行比较，并对故障相电流进行小波变换，用于故障判断；
故障判断单元，根据信号处理所得结果判断故障类型；
故障区段确定单元，根据故障判断单元所得故障类型，用于结合信号处理信息，根据故障定位方法确定故障区段。
本发明实施例提供的主从控制下的中压孤岛微电网故障定位系统，与上述实施例提供的主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，从采用主从控制的中压孤岛微电网中获取故障信息；
步骤2，收集各线路零序电流信号，当存在零序电流时，故障类型为单相接地故障或两相接地短路故障，执行步骤3；若不存在零序电流且检测到某线电压降为原来设定比例及以下时，执行步骤4；
步骤3，启动单相接地、两相接地短路故障定位，根据零序电流的分布特征，寻找故障点两侧两个相邻检测点；
步骤4，启动三相及两相相间短路故障定位，根据短路点两侧两个相邻检测点的故障相电流瞬时值在短路时突变方向相反，寻找故障点两侧两个相邻检测点；
步骤5，根据步骤2中获得的短路故障类型及步骤3或步骤4中的故障信息处理结果，确定故障区段。
2.根据权利要求1所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
所述主从控制下的中压孤岛微电网中性点经小电阻接地；中压孤岛微电网中分布式电源为逆变型DG，主控DG为V/f控制、其他DG采用PQ控制。
3.根据权利要求1所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
所述获取的故障信息包括：各检测点的零序电流实时测量值；各检测点的线电压实时测量值；各检测点的故障电流分量实时测量值。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
步骤3中，获得中压孤岛微电网发生单相接地故障时的零序网络，主从控制下的中压孤岛微电网发生单相接地故障或两相接地短路故障时，零序电流只在接地中性点和短路点之间流通。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
步骤3具体包括：
步骤3.1，设定零序电流启动值；
步骤3.2，根据零序电流测量值与启动值进行比较赋值；将检测到零序电流大于启动值的检测点设为1、零序电流小于启动值的检测点设为0；
步骤3.3，寻找同一条线路上取值分别为1和0的两个相邻检测点；
步骤3.4，将步骤3.3中获得的两个相邻检测点确定为故障区段，实现故障定位。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
步骤4中，获得中压孤岛微电网发生三相或两相相间短路故障时的等值电路，分析DG的短路模型和短路特性，得出故障点两侧检测点的电流瞬时值突变方向相反。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
步骤4.1，对各检测点的故障相电流做小波变换；
步骤4.2，若检测点的故障相电流第一层小波系数在短路时为负的极小值，则突变方向为负，设为-1；若检测点的故障相电流的第一层小波系数在短路时为正的极大值，则突变方向为正，设为+1；
步骤4.3，寻找同一条线路上取值分别为+1和-1的两个相邻检测点；
步骤4.4，将步骤4.3中获得的两个相邻检测点确定为故障区段，实现故障定位。
8.根据权利要求7所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位方法，其特征在于：
步骤4.1中，对各检测点的故障相电流用做db5函数作6层小波分解。
9.一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位系统，包括：信号收集单元、信号处理单元、故障判断单元和故障区段确定单元，其特征在于：
信号收集单元，用于获取线电压、相电流、零序电流信息，并记录相应波形；
信号处理单元，将获取的零序电流与设定启动值、线电压与额定线电压设定比例进行比较，并对故障相电流进行小波变换，用于故障判断；
故障判断单元，根据信号处理所得结果判断故障类型；
故障区段确定单元，根据故障判断单元所得故障类型，用于结合信号处理信息，根据故障定位方法确定故障区段。
10.根据权利要求9所述的一种主从控制下的中压孤岛微电网故障定位系统，其特征在于：
所述主从控制下的中压孤岛微电网中性点经小电阻接地；中压孤岛微电网中分布式电源为逆变型DG，主控DG为V/f控制、其他DG采用PQ控制。
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