CN113972634B - 一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，包括：以微电网连接公共耦合点母线上的逆变型分布式电源作为自适应零序能量检测信号的注入源，该注入源输出有工频量和非工频零序探测电压；实时测量所述注入源对应出口处的非工频零序电流，当任意一相的非工频零序电流幅值增加至工频量的额定电流的第一倍数以上时，判断微电网内部存在故障，从而提高注入源的非工频零序电流的能量输出并启动差动保护；差动保护装置测量微电网各段线路的非工频零序电流幅值，作为差动保护动作和故障选相的依据。与现有技术相比，本发明具有适用性广；故障特征明显，不易发生误动或拒动；可靠性高、灵敏度高、实用性强等优点。

Description

一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法

技术领域

本发明涉及微电网领域，尤其是涉及一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法。

背景技术

随着可再生能源发电技术的逐步应用，分布式发电技术也得到了迅速发展。微电网作为一种将光伏发电、风力发电等分布式电源接入电网的有效手段，能充分发挥其技术优势，成为了未来能源链的关键技术之一。同时，微电网既可以作为可控单元与大电网并网运行，也可以作为自治系统独立运行，能够在电网故障时对重要负荷继续供电，提高供电的可靠性，因此微电网的保护研究十分必要。

微电网中大部分的分布式电源都是以逆变器为接口接入电网，其输出的故障电流仅能达到额定电流的1.2-2倍，使得微电网在故障情况下的故障特征难以提取，同时存在着潮流双向涌动的特点，使得传统电网的保护方法不再适用，需针对微电网提出新的保护方法。

目前针对微电网的保护原理可以分为以下三类：基于传统电网保护原理进行优化的保护原理，基于智能算法的保护原理，以及调整微电源故障控制策略的保护原理。以上三种类型的保护原理及其方案都或多或少存在一些缺陷，都无法同时适用于微电网的并网和孤岛两种运行状态，同时易受微电网运行模式、拓扑结构及微电源控制策略的影响，进而影响保护动作的可靠性。

因此需要研究并提出一种能同时适用于不同运行模式、不同结构和不同控制策略的微电网新型保护方案，以保证其正常运行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时适用于不同运行模式、不同结构和不同控制策略的自适应零序能量注入的微电网差动保护方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，包括以下步骤：

以微电网连接公共耦合点母线上的逆变型分布式电源作为自适应零序能量检测信号的注入源，该注入源用于输出工频量和非工频零序电流；

注入源实时输出工频量和非工频零序探测电压，实时监测所述注入源对应出口处的非工频零序电流，当任意一相的非工频零序电流幅值增加至工频量的额定电流的第一倍数以上时，判断微电网内部存在故障，启动差动保护，所述第一倍数由预先设定。

进一步地，所述第一倍数的取值范围为0.01-0.02。

进一步地，所述微电网差动保护方法还包括在判断出微电网内部存在故障后，控制所述注入源向微电网注入非工频零序电流，各段线路的差动保护装置实时测量所述非工频零序电流信号对应频率的电流幅值，并以此作为故障特征，判断是否满足预设的故障判据，进而启用相应的保护措施；

对于单端馈出线，所述预设的故障判据为：

I₁＞N₂I_inj

式中，I₁为单端馈出线差动保护装置测得的某相注入频率的电流幅值，N₂为预设的第二倍数，I_inj为注入的非工频零序电流的幅值，并由预先设定；

对于联络线，所述预设的故障判据为：

式中，I₂和I₃分别为联络线两端的差动保护装置测得的某相注入频率的电流幅值，N₃为预设的第三倍数。

进一步地，所述故障判据还包括故障判据成立时间大于判断出微电网内部存在故障后，注入源注入的非工频零序电流的信号周期。

进一步地，所述保护措施包括切断故障线路，所述注入源停止注入非工频零序电流信号，恢复施加非工频零序探测电压。

进一步地，所述非工频零序电流信号对应频率的电流幅值的测量方法具体为：

差动保护装置通过电流采样获取微电网的三相电流信号，经差分滤波后，利用非工频全周傅里叶算法，获得注入频率的电流幅值。

进一步地，所述第二倍数的取值范围为0.05-0.15，所述第三倍数的取值范围为0.55-0.65。

进一步地，所述非工频零序电流信号的频率范围为250-300Hz。

进一步地，所述微电网差动保护方法还包括在判断微电网内部存在故障前，所述注入源在输出工频量的同时，同步输出有非工频零序电流。

进一步地，所述微电网差动保护方法用于判断微电网的接地故障并保护。

与现有技术相比，本发明可用于探测微电网的接地故障，当微电网中出现接地故障时，会产生零序通路，本发明对非工频量注入源对应出口处进行零序电流监测，若幅值增大，则可以判断出微电网出现接地故障；

在判断出现微电网故障后，为了进一步确定故障的发生位置，从而执行对应的保护，采用通过注入源注入特定频率的非工频零序电流的方式，通过差动保护装置监测和处理各线路的非工频零序电流幅值，定位结果更加准确，可靠性高、灵敏度高、实用性强；整体上具有以下优点：

(1)本发明故障特征明显，保护判据简单有效，不易发生保护误动或拒动，可靠性高、灵敏度高且具有选择性；

(2)本发明通过单注入源向微电网注入非工频零序恒流信号，在该频率的附加网络下，微电网内部仅存在单向潮流，有助于故障判断和保护措施的实施，可实现如微电网接地故障的判断；

(3)本发明所述保护方案的普适性强，能同时适用于不同运行模式、不同结构和不同控制策略的微电网；

(4)本发明所述保护方案的数据量小，对于通信信道要求低，且不需要两侧数据的同步对时，兼具经济性和可靠性；

(5)本发明通过控制连接公共耦合点母线上的一个逆变型分布式电源实现零序能量的注入，无需附加外部注入设备。同时，控制策略能通过工频输出功率和注入频率输出功率之间的自适应动态调节，以保持注入源的恒流输出，降低对微电网的冲击；

(6)在微电网正常运行时，注入源始终以幅值较小的非工频零序电压进行故障探测，保证了灵敏性。同时由于微电网正常运行时不含零序通路，故不会对电网电能质量造成影响。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种微电网简化拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种微电网在275Hz下的附加网络示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，该方法包括：

以微电网连接公共耦合点母线上的逆变型分布式电源IIDG1作为零序能量检测信号的注入源，该逆变型分布式电源IIDG1除正常输出工频量外，还持续向微电网施加幅值较小的非工频探测电压，该探测电压为零序电压；

在微电网正常运行时，注入源始终以幅值较小的非工频零序电压进行故障探测，保证了灵敏性；

实时测量所述注入源对应的出口处的非工频零序电流，当任意一相的非工频零序电流幅值增加至工频额定电流的第一倍数以上时，判断微电网内部存在故障，从而自动提高注入源零序能量输出并启动差动保护；所述第一倍数由预先设定，取值范围为0.01-0.02。

在判断出微电网内部存在故障后，控制所述注入源向微电网注入更大幅值的非工频零序恒流信号，各段线路的差动保护装置实时测量注入频率的电流幅值，并以此作为故障特征，判断是否满足预设的故障判据，进而启用相应的保护措施；

对于单端馈出线，所述预设的故障判据为：

I₁＞N₂I_inj

式中，I₁为单端馈出线差动保护装置测得的某相注入频率的电流幅值，N₂为预设的第二倍数，取值范围为0.05-0.15，I_inj为注入的零序电流幅值，并由预先设定；

对于联络线，所述预设的故障判据为：

式中，I₂和I₃分别为联络线两端差动保护装置测得的某相注入频率的电流幅值，N₃为预设的第三倍数，取值范围为0.55-0.65；

传统的微电网线路故障判据大多通过计算三相电流的有效值和相位进行判断，在判断过程中容易存在相位差造成的误判干扰，本实施例根据电流幅值进行故障判断，避免了数据处理中相位差带来的缺陷，能减少数据传输量，并能准确判断出故障相。

进一步地，所述故障判据成立时间大于注入的非工频零序电流信号的周期T_inj。

进一步地，作为一种优选的实施方式，所述第一时间等于注入的非工频零序电流的周期。

进一步地，所述注入信号的频率范围为250-300Hz，且由预先设定。

进一步地，所述保护措施指切断故障线路，同时，所述注入源停止注入非工频零序恒流信号，恢复为施加幅值较小的非工频探测电压。

本实施例中还包括微电网中注入频率电流幅值测量方法，具体为：

差动保护装置通过电流采样获取微电网的三相电流信号，经差分滤波后，利用非工频全周傅里叶算法，获得注入频率的电流幅值。

作为一种优选的实施方式，本实施例中预设的注入频率为275Hz，预设的第一倍数为0.015，预设的第二倍数为0.1，预设的第三倍数为0.6。下面对采取该最优实施方式的方案进行具体描述。

1、零序能量注入启动阈值

以图2所示的一般结构的微电网为例，在微电网中，以微电网中连接在公共耦合点母线上的逆变型分布式电源IIDG1作为零序能量检测信号注入源，该逆变型分布式电源除正常输出工频量外，还持续向微电网施加幅值较小的非工频零序电压(f＝275Hz,L-G Peak＝20V)进行故障探测。注入源实时测量其出口的275Hz的零序电流，当其中任意一相的幅值增加至预设的阈值(取工频额定电流的0.015倍)以上时，判定系统发生了故障。

本发明实施例中采用非工频全周傅里叶算法，实时测量275Hz的电流幅值。

需要说明的是，本发明以非工频注入信号作为启动判据，且仅使用了注入源的本地信号，与传统的差动保护方法不同，其不受微电网运行方式、负载数值、故障电阻等的影响，可靠性和稳定性高。

2、保护判据和故障选相

当检测到微电网内部发生故障后，控制注入源自适应动态分配工频输出功率和注入频率的输出功率，向微电网注入非工频零序恒流信号(L-G Peak＝20A)，以实现故障定位和选相。

如图3所示，在275Hz的微电网附加网络下，仅存在一个电源，只会产生单向潮流，无需依赖方向元件，有助于故障判断和差动保护措施的实施，大大提高了微电网的安全性。

在进行故障的定位和选相时，对于某段单端馈出线，若M相注入频率的电流幅值I_{1_M}满足：

I_{1_M}＞N₂I_inj＝0.1×20A＝2A

且

Δt＞T_inj＝3.63ms

T_inj为非工频零序电流信号的周期；

则判定所述微电网该段单端馈出线的M相发生了故障，进而差动保护装置动作，切除故障线路，其中M相为A相、B相或C相。

对于某段联络线，若M相两端的注入频率的电流幅值I_{2_M}和I_{3_M}满足：

且

Δt＞T_inj＝3.63ms

则判定所述微电网该段联络线的M相发生了故障，进而差动保护装置动作，切除故障线路，其中M相为A相、B相或C相。

需要说明的是，本发明中所采用的注入信号为零序电流，同时微电网通过升压变压器接入配电网，变压器低压侧和IIDG的中性点均不接地。此时，如图3所示，在275Hz的附加网络下，配电网和IIDG对于注入信号均等效为开路，注入电流能够准确流向故障点，从而能够正确地实现差动保护功能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

以微电网连接公共耦合点母线上的逆变型分布式电源作为自适应零序能量检测信号的注入源，该注入源用于输出工频量和非工频零序电流；

注入源实时输出工频量和非工频零序探测电压，实时监测所述注入源对应出口处的非工频零序电流，当任意一相的非工频零序电流幅值增加至工频量的额定电流的第一倍数以上时，判断微电网内部存在故障，启动差动保护，所述第一倍数由预先设定；

所述微电网差动保护方法还包括在判断出微电网内部存在故障后，控制所述注入源向微电网注入非工频零序电流，各段线路的差动保护装置实时测量所述非工频零序电流信号对应频率的电流幅值，并以此作为故障特征，判断是否满足预设的故障判据，进而启用相应的保护措施；

对于单端馈出线，所述预设的故障判据为：

I₁＞N₂I_inj

式中，I₁为单端馈出线差动保护装置测得的某相注入频率的电流幅值，N₂为预设的第二倍数，I_inj为注入的非工频零序电流的幅值，并由预先设定；

对于联络线，所述预设的故障判据为：

式中，I₂和I₃分别为联络线两端的差动保护装置测得的某相注入频率的电流幅值，N₃为预设的第三倍数。

2.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述第一倍数的取值范围为0.01-0.02。

3.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述故障判据还包括故障判据成立时间大于判断出微电网内部存在故障后，注入源注入的非工频零序电流的信号周期。

4.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述保护措施包括切断故障线路，所述注入源停止注入非工频零序电流信号，恢复施加非工频零序探测电压。

5.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述非工频零序电流信号对应频率的电流幅值的测量方法具体为：

差动保护装置通过电流采样获取微电网的三相电流信号，经差分滤波后，利用非工频全周傅里叶算法，获得注入频率的电流幅值。

6.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述第二倍数的取值范围为0.05-0.15，所述第三倍数的取值范围为0.55-0.65。

7.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述非工频零序电流信号的频率范围为250-300Hz。

8.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述微电网差动保护方法还包括在判断微电网内部存在故障前，所述注入源在输出工频量的同时，同步输出有非工频零序电流。

9.根据权利要求1所述的一种自适应零序能量注入的微电网差动保护方法，其特征在于，所述微电网差动保护方法用于判断微电网的接地故障并保护。

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