CN115377952B - 一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法 - Google Patents

一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，解决了现有技术的不足，包括以下步骤：步骤1，预先设定控制策略以及启动控制策略的启动判据；步骤2，系统监控光伏网线是否发生故障，若发生故障，则两级控制策略的启动判据和保护装置的启动判据生效，然后系统根据限流控制策略切换为定输出电压控制，同时变流器按照附加控制策略向系统注入非工频的探测信号；步骤3，取保护装置安装处的电压电流列写工频量电路方程和特征频率量电路方程，联立工频量电路方程和特征频率量电路方程求解故障距离，设定保护判据；步骤4，设定反时限动作特性与故障区外的过电流保护形成配合，完成相间故障主动探测式保护。

Description

一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统安全防护技术领域，尤其是指一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法。
背景技术
分布式能源改变了传统电网单一潮流流向的特点，使得保护的整定配合相对困难。电力电子换流设备的脆弱性和高可控性使得故障特征减弱，并且呈现强非线性。在太阳能光伏并网系统中，当交流并网线路发生故障时，并网换流器在自身电力半导体器件脆弱性和高可控性的条件约束下，呈现出弱馈特性，仅能提供一到三倍的短路电流，可能导致线路阀侧的保护装置因达不到保护阈值而拒动，进而引发次生危害。
现有的处理方法是，在一定的故障持续时间后，换流器的阀过流保护动作，导致换流器闭锁，从而切除新能源侧和故障的联系。闭锁策略意味着整个新能源系统退出运行，可能造成系统长时间停电，不利于电网的可靠供电。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，以解决现有技术中存在的保护拒动和换流器闭锁的问题，具体地，利用主动探测式保护技术，充分发挥电力电子设备高可控能力，利用附加控制策略，在光伏并网线路发生相间故障后以限流策略替代闭锁策略，进而向换流器交流网侧注入特征频率的探测信号，从而强化故障特征，构造光伏并网线路相间故障动探测式保护新判据，以解决因换流器弱馈特性导致的保护拒动和换流器闭锁光伏系统退出运行的问题。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，包括以下步骤：
步骤1，预先设定控制策略以及启动控制策略的启动判据，具体包括：
子步骤1，设定两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据；
子步骤2，设定用于限制光伏系统输出功率的限流控制策略；
子步骤3，设定探测信号注入附加控制策略，用于生成非工频的探测信号；
步骤2，系统监控光伏网线是否发生故障，若未发生故障则系统持续保持监控状态，若发生故障，则两级控制策略的启动判据和保护装置的启动判据生效，然后系统根据限流控制策略切换为定输出电压控制，同时变流器按照附加控制策略向系统注入非工频的探测信号；
步骤3，取保护装置安装处的电压电流列写工频量电路方程和特征频率量电路方程，联立工频量电路方程和特征频率量电路方程求解故障距离，设定保护判据；
步骤4，设定反时限动作特性与故障区外的过电流保护形成配合，完成相间故障主动探测式保护。
作为优选，所述的子步骤1中，设定两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据具体为：
两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据均采用相电流差工频变化量判据，任意相电流差发生突变时启动保护，同时结合延时策略，实现相互之间的配合，具体的相电流差工频变化量判据为：
Figure 210617DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 2118DEST_PATH_IMAGE002
表示保护测点处任意两相电流差的工频变化量幅值，
Figure 692862DEST_PATH_IMAGE003
表 示额定电流，
Figure 352120DEST_PATH_IMAGE004
表示启动系数，
Figure 775011DEST_PATH_IMAGE005
表示对应判据的启动延时。
作为优选，所述的子步骤2中，设定用于限制光伏系统输出功率的限流控制策略具体包括：切换光伏系统由MPPT控制为定输出电压控制，限制光伏电池端电压为限流启动前一时刻参考值的40%-60%，用于达到限制输出功率的目的。
作为优选，所述的子步骤3中，设定探测信号注入附加控制策略具体为：
在abc三相电压参考值的基础上附加探测信号参考值
Figure 693289DEST_PATH_IMAGE006
，实现探测信号的 注入，其中
Figure 125407DEST_PATH_IMAGE006
的表达式为：
Figure 579784DEST_PATH_IMAGE007
式中，
Figure 439156DEST_PATH_IMAGE008
为探测信号的幅值，
Figure 969363DEST_PATH_IMAGE009
为探测信号的角频率，取非工频的任意值，
Figure 924548DEST_PATH_IMAGE010
为探测信号的初相位，设置附加控制策略时，其中探测信号的初相位取值任意，无需 与交流系统同步。
作为优选，所述的步骤3中，列写工频量电路方程具体为：
光伏并网线路发生故障后，启动判据生效，光伏系统切换为定输出电压控制，并且变流器按既定附加控制策略向系统注入非工频的探测信号，分析短路故障等效电路，利用保护安装处的电压电流列写电路方程，分析整理后可得工频量电路方程：
Figure 731967DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 621295DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 281208DEST_PATH_IMAGE013
分别表示故障后线路首端保护测点的工频相量，
Figure 55129DEST_PATH_IMAGE014
表示对端保护测 点的背侧等效阻抗，
Figure 248213DEST_PATH_IMAGE015
表示线路单位长度的阻抗，其中
Figure 183808DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 531351DEST_PATH_IMAGE017
表示线路单位长 度的电阻和电感，
Figure 968017DEST_PATH_IMAGE018
表示保护测点到故障点的距离，
Figure 750028DEST_PATH_IMAGE019
表示过渡电阻，
Figure 623569DEST_PATH_IMAGE020
表示线路总长度，
Figure 491031DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 341175DEST_PATH_IMAGE022
分别表示线路首端保护测点的工频故障分量相量。
作为优选，所述的步骤3中，列写特征频率量电路方程具体为：
分析特征频率探测信号
Figure 243272DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 290643DEST_PATH_IMAGE024
下的短路故障等效电路，利用保护安装处测得 的电压电流列写特征频率量电路方程，
Figure 910980DEST_PATH_IMAGE025
其中，上标(det)表示特征频率下的电压电流和阻抗。
作为优选，所述的步骤3中，联立工频量电路方程和特征频率量电路方程求解故障 距离，设定保护判据具体为：联立工频量和特征频率的2个复数方程，对应4个实数方程，求 解
Figure 564816DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 586998DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 536762DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 378816DEST_PATH_IMAGE027
4个未知量，根据故障距离d设计保护动作判据，
Figure 695397DEST_PATH_IMAGE028
即求得的故障位置在被保护线路上，判定为区内故障。
作为优选，所述的步骤4中，设计反时限动作特性的方法具体为：
为避免线路末端发生故障时，即保护测点处发生的故障和区外近端故障的测距结果相似，可能造成保护误动，设计了反时限动作特性以兼顾保护的选择性和速动性。反时限动作特性为：
Figure 713031DEST_PATH_IMAGE029
式中，
Figure 96346DEST_PATH_IMAGE030
表示保护动作时间，
Figure 425696DEST_PATH_IMAGE031
表示电流保护的III段动作时间，
Figure 545968DEST_PATH_IMAGE032
表示配合延 时，根据反时限动作特性，可得保护原理在近端故障
Figure 418109DEST_PATH_IMAGE033
时具有较快的动作速度，动作时间 等于基本配合延时。在线路末端故障
Figure 975254DEST_PATH_IMAGE034
时的动作时间等于III段过电流保护动作时间加 配合延时，据此和故障区外的过电流保护形成配合。
本发明的有益效果是：本发明的方案无需额外的脉冲注入设备，无需两端通信，实现了全范围的整定，保证故障的选择性切除，解决因换流器弱馈特性导致的保护拒动和换流器闭锁光伏系统退出运行的问题。
附图说明
图1是本发明的典型光伏并网系统示意图；
图2是本发明的限流控制策略的实现示意图；
图3是本发明的探测信号注入附加控制的实现示意图；
图4是本发明的短路故障等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例：
一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，包括以下步骤：
步骤1，预先设定控制策略以及启动控制策略的启动判据，具体包括：
子步骤1，设定两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据；
如图1所示，光伏并网系统发生故障后，进入两级控制策略的启动判据。启动过程包括两级控制策略的启动和保护装置的启动，它们的启动均采用相电流差工频变化量判据作为启动判据，任意相电流差发生突变时启动保护，同时结合一定的延时策略，实现相互之间的配合。具体的启动判据为：
Figure 791900DEST_PATH_IMAGE035
式中，
Figure 715863DEST_PATH_IMAGE002
表示保护测点K1处任意两相电流差的工频变化量幅值，
Figure 997503DEST_PATH_IMAGE003
表 示额定电流，
Figure 551981DEST_PATH_IMAGE004
表示启动系数，设置
Figure 950864DEST_PATH_IMAGE004
为0.3。
Figure 616200DEST_PATH_IMAGE005
表示对应判据的启动延时，对于限 流策略的启动判据，具体而言，
Figure 525251DEST_PATH_IMAGE036
为限流策略的启动时间，
Figure 342641DEST_PATH_IMAGE037
为附加控制策略的启动 时间，
Figure 337141DEST_PATH_IMAGE038
为保护启动时间。设置
Figure 838792DEST_PATH_IMAGE036
为5ms以保证一定的可靠性；考虑到光伏并网系统 的响应速度，对于探测信号主动注入附加控制策略的启动判据，设置
Figure 133507DEST_PATH_IMAGE037
为20ms以保证已 经完成了故障限流；考虑到MMC换流器的控制器响应速度与测量设备的传变特性，对于测点 K1处的保护启动判据，设置
Figure 967471DEST_PATH_IMAGE038
为50ms以保证完成了探测信号的注入。
子步骤2，设定用于限制光伏系统输出功率的限流控制策略；
如图2所示，
Figure 219242DEST_PATH_IMAGE039
表示故障限流控制的启动信号，故障限流控制的启动后，切换光伏 系统由MPPT控制为定输出电压控制，限制光伏电池端电压为限流启动前一时刻参考值的 50%，以达到限制输出功率的目的。
子步骤3，设定探测信号注入附加控制策略，用于生成非工频的探测信号；
如图3所示，
Figure 164064DEST_PATH_IMAGE040
表示探测信号注入附加控制的启动信号，在abc三相电压参考值
Figure 578865DEST_PATH_IMAGE041
的基础上附加探测信号参考值
Figure 318151DEST_PATH_IMAGE006
，实现探测信号的注入，其中
Figure 913342DEST_PATH_IMAGE006
的表达 式为：
Figure 396276DEST_PATH_IMAGE042
式中，
Figure 400004DEST_PATH_IMAGE008
为探测信号的幅值，
Figure 74306DEST_PATH_IMAGE009
为探测信号的角频率，
Figure 327433DEST_PATH_IMAGE010
为探测信号的初 相位，设置附加控制策略时，其中探测信号的初相位取值任意，无需与交流系统同步，设置 信号的频率为200Hz。探测信号的幅值需要考虑对电网的影响以及互感器精度的限制，设置 为额定电压的5%。
步骤2，系统监控光伏网线是否发生故障，若未发生故障则系统持续保持监控状态，若发生故障，则两级控制策略的启动判据和保护装置的启动判据生效，然后系统根据限流控制策略切换为定输出电压控制，同时变流器按照附加控制策略向系统注入非工频的探测信号；
步骤3，取保护装置安装处的电压电流列写工频量电路方程和特征频率量电路方程，联立工频量电路方程和特征频率量电路方程求解故障距离，设定保护判据；
光伏并网线路发生故障后，启动判据生效，光伏系统切换为定输出电压控制，并且变流器按既定附加控制策略向系统注入非工频的探测信号。分析如图4所示的短路故障等效电路，利用保护安装处的电压电流列写电路方程，分析整理后可得工频量电路方程：
Figure 614058DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure 3451DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 586004DEST_PATH_IMAGE013
分别表示故障后线路首端保护测点的工频相量，
Figure 60848DEST_PATH_IMAGE014
表示对端保护测 点的背侧等效阻抗，
Figure 151163DEST_PATH_IMAGE015
表示线路单位长度的阻抗，其中
Figure 395063DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 428745DEST_PATH_IMAGE017
表示线路单位长 度的电阻和电感，
Figure 125306DEST_PATH_IMAGE018
表示保护测点到故障点的距离，
Figure 488154DEST_PATH_IMAGE019
表示过渡电阻，
Figure 852139DEST_PATH_IMAGE020
表示线路总长度，
Figure 42074DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 225931DEST_PATH_IMAGE022
分别表示线路首端保护测点的工频故障分量相量。
分析特征频率探测信号
Figure 658049DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 610962DEST_PATH_IMAGE024
下的电路，列写特征频率量电路方程，
Figure 827923DEST_PATH_IMAGE044
其中，上标(det)表示特征频率下的电压电流和阻抗。联立工频量电路方程和特征 频率量电路方程的2个复数方程，对应4个实数方程，求解
Figure 967918DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 672568DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 840507DEST_PATH_IMAGE014
（包含
Figure 605200DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 763649DEST_PATH_IMAGE027
）4个未 知量。根据故障距离d设计保护动作判据，
Figure 776386DEST_PATH_IMAGE028
即求得的故障位置在被保护线路上，判定为区内故障。
步骤4，设定反时限动作特性与故障区外的过电流保护形成配合，完成相间故障主动探测式保护。
为避免线路末端发生故障时，即保护测点
Figure 703890DEST_PATH_IMAGE045
处发生的故障和区外近端故障的测 距结果相似，可能造成保护误动，因此，设计了反时限动作特性以兼顾保护的选择性和速动 性。
反时限动作特性为：
Figure 764119DEST_PATH_IMAGE029
式中，
Figure 380170DEST_PATH_IMAGE030
表示保护动作时间，
Figure 957782DEST_PATH_IMAGE031
表示电流保护的III段动作时间，
Figure 739793DEST_PATH_IMAGE032
表示配合延 时。
根据上式，可得保护原理在近端故障（
Figure 377448DEST_PATH_IMAGE033
）时具有较快的动作速度，动作时间等 于基本配合延时。在线路末端故障（
Figure 9024DEST_PATH_IMAGE034
）时的动作时间等于III段过电流保护动作时间加 配合延时，据此和区外故障的过电流保护形成配合。
本发明合理利用了光伏发电系统中的高可控电力电子设备，通过故障限流控制和向系统注入特征频率的探测信号，增加了故障识别的信息，解决了光伏并网系统并网阀侧保护因换流器弱馈特性导致的保护拒动和换流器闭锁光伏系统退出运行的问题。
本发明无需额外的信号注入设备，无需两端通信，实现了全范围的整定，保证故障的选择性切除。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所描述的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1.一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1，预先设定控制策略以及启动控制策略的启动判据，具体包括：
子步骤1，设定两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据；
子步骤2，设定用于限制光伏系统输出功率的限流控制策略；
子步骤3，设定探测信号注入附加控制策略，用于生成非工频的探测信号；
步骤2，系统监控光伏网线是否发生故障，若未发生故障则系统持续保持监控状态，若发生故障，则两级控制策略的启动判据和保护装置的启动判据生效，然后系统根据限流控制策略切换为定输出电压控制，同时变流器按照附加控制策略向系统注入非工频的探测信号；
步骤3，取保护装置安装处的电压电流列写工频量电路方程和特征频率量电路方程，联立工频量电路方程和特征频率量电路方程求解故障距离，设定保护判据；
步骤4，设定反时限动作特性与故障区外的过电流保护形成配合，完成相间故障主动探测式保护；
所述的步骤3中，列写工频量电路方程具体为：
光伏并网线路发生故障后，启动判据生效，光伏系统切换为定输出电压控制，并且变流器按既定附加控制策略向系统注入非工频的探测信号，分析短路故障等效电路，利用保护安装处的电压电流列写电路方程，分析整理后可得工频量电路方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别表示故障后线路首端保护测点的工频相量，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示对端保护测点的背侧等效阻抗，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示线路单位长度的阻抗，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示线路单位长度的电阻和电感，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示保护测点到故障点的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示过渡电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示线路总长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别表示线路首端保护测点的工频故障分量相量。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，所述的子步骤1中，设定两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据具体为：
两级控制策略的启动判据以及保护装置的启动判据均采用相电流差工频变化量判据，任意相电流差发生突变时启动保护，同时结合延时策略，实现相互之间的配合，具体的相电流差工频变化量判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示保护测点处任意两相电流差的工频变化量幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示额定电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示启动系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示对应判据的启动延时。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，所述的子步骤2中，设定用于限制光伏系统输出功率的限流控制策略具体包括：切换光伏系统由MPPT控制为定输出电压控制，限制光伏电池端电压为限流启动前一时刻参考值的40%-60%，用于达到限制输出功率的目的。
4.根据权利要求1所述的一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，所述的子步骤3中，设定探测信号注入附加控制策略具体为：
在abc三相电压参考值的基础上附加探测信号参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
实现探测信号的注入，其中
Figure 860073DEST_PATH_IMAGE018
的表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为探测信号的幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为探测信号的角频率，取非工频的任意值，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为探测信号的初相位，设置附加控制策略时，其中探测信号的初相位取值任意，无需与交流系统同步。
5.根据权利要求1所述的一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，所述的步骤3中，列写特征频率量电路方程具体为：
分析特征频率探测信号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE025
下的短路故障等效电路，利用保护安装处测得的电压电流列写特征频率量电路方程，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
其中，上标(det)表示特征频率下的电压电流和阻抗。
6.根据权利要求5所述的一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，所述的步骤3中，联立工频量电路方程和特征频率量电路方程求解故障距离，设定保护判据具体为：联立工频量和特征频率的2个复数方程，对应4个实数方程，求解
Figure 639198DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 887777DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
4个未知量，根据故障距离d设计保护动作判据，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
即求得的故障位置在被保护线路上，判定为区内故障。
7.根据权利要求6所述的一种分布式光伏并网线路的相间故障主动探测式保护方法，其特征是，所述的步骤4中，设计反时限动作特性的方法具体为：
反时限动作特性：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示保护动作时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示电流保护的III段动作时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示配合延时，根据反时限动作特性，可得保护原理在近端故障
Figure DEST_PATH_IMAGE034
时具有较快的动作速度，动作时间等于基本配合延时，在线路末端故障
Figure DEST_PATH_IMAGE035
时的动作时间等于III段过电流保护动作时间加配合延时，据此和故障区外的过电流保护形成配合。
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