CN116247631A - 基于区段有功变化系数的微电网保护方法 - Google Patents

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CN116247631A CN202310307819.1A CN202310307819A CN116247631A CN 116247631 A CN116247631 A CN 116247631A CN 202310307819 A CN202310307819 A CN 202310307819A CN 116247631 A CN116247631 A CN 116247631A
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刘映彤
王旭
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Abstract

本发明公开了一种基于区段有功变化系数的微电网保护方法，包括以下步骤：S100：根据电压值与电流值计算故障前后各母线的电压幅值差ΔUo；S200：计算故障前后阻抗角之差；S300：获取故障前后各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj；S400：计算各区段两端母线的有功变化系数Sij；S500：当区段有功变化系数Sij小于零时，则判定此区段内发生故障，输出保护信号。本发明可实现微电网区内外故障的识别与保护。

Description

基于区段有功变化系数的微电网保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护，具体为一种基于区段有功变化系数的微电网保护方法。
背景技术
以光伏、风力发电等可再生能源为主的分布式电源，通过与储能装置、电力电子变流器、负荷、监控保护装置等有机组成的微电网，可最有效的利用可再生能源。微电网既可以与配电网并网运行，又可以独立运行(孤岛运行)，这样灵活的运行模式会使微电网具有更高的供电可靠性。
微电网中的分布式电源大部分为逆变型分布式电源，由于逆变器的热惯性较小，故障时其输出的故障电流会被限制在2倍额定电流以内，使得故障特征提取难度较大，同时分布式电源的接入会使线路电流出现双向流动的情况。这些特点使得传统的保护方法不再适用于微电网，导致采用传统方法无法准确判定故障点位于区间内还是区间外，不能采取有效保护措施，因此亟需研究能够适应微电网灵活运行方式的新型保护方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于区段有功变化系数的微电网保护方法。
一种基于区段有功变化系数的微电网保护方法，包括以下步骤：S100：获取故障前后区间母线侧各相电压值与电流值，根据电压值与电流值计算故障前后各相母线的电压幅值差ΔUo；S200：当判定各相母线的任一相的电压幅值差ΔUo大于母线额定相电压
Figure BDA0004147486530000023
的10％，则计算故障前后阻抗角之差；S300：根据计算得到的故障前后阻抗角之差，获取故障前后各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj；S400：根据各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj计算各区段两端母线的有功变化系数Sij；S500：当区段有功变化系数Sij小于零时，则判定此区段内发生故障，输出保护信号。
可选的，所述步骤S100中根据电压值与电流值计算故障前后各相母线的电压幅值差ΔUo，具体计算如下：
Figure BDA0004147486530000025
其中
Figure BDA0004147486530000026
表示馈线安装处母线各相电压，t0为故障时刻，T为工频周期，m为整数；所述步骤S200中判定各相母线的任一相的电压幅值差ΔUo大于母线额定相电压
Figure BDA0004147486530000028
的10％，具体计算如下：
Figure BDA0004147486530000029
其中
Figure BDA00041474865300000210
表示母线额定相电压。
所述步骤S200中计算故障前后阻抗角之差，包括根据采样得到的母线侧各相电压、电流数据计算得到各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值，并计算相应的故障前后阻抗角之差。具体计算如下：
Figure BDA00041474865300000211
Figure BDA00041474865300000212
Figure BDA00041474865300000216
其中
Figure BDA00041474865300000213
分别表示故障前后母线相电压；
Figure BDA00041474865300000214
分别表示故障前后母线侧相电流；
Figure BDA00041474865300000215
分别表示相应的故障前后阻抗角之差。
进一步的，所述步骤S300中获取故障前后各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj具体为：根据所得的各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值以及相应的故障前后阻抗角之差，计算得到各母线故障前后有功功率变化量，具体计算如下：
Figure BDA0004147486530000031
其中ΔPi表示母线i的有功功率变化量，ΔPj表示母线j的有功功率变化量，其计算方法与母线i相同，i，j表示区段编号。
所述步骤S400中计算各区段两端母线的有功变化系数Sij，具体计算如下：Sij＝ΔPiΔPj，其中ΔPi表示母线i的有功功率变化量；i，j表示区段编号，Sij表示区段ij的有功变化系数。所述步骤S500中取0为保护判据阈值，若计算得到的某一区段有功变化系数Sij小于零，则此区段发生故障，输出跳闸信号给断路器，切除故障，实现保护。
本发明的有益效果是：提供一种基于区段有功变化系数的微电网保护方案，实用性强且对电压、电流信号的采集不需要严格的时间同步。本发明根据微电网的等效电路，分析了微电网区内外故障时区段母线上有功功率的变化特性，计算区段的有功变化系数，根据区段有功变化系数是否小于零，实现微电网区内外故障的识别。该方法原理上对电压电流信号的测量不需要严格时间同步，并且该方法计算过程简单，易于实现，可以适用于孤岛和并网两种运行方式下。
附图说明
图1是本发明实施例的微电网简化模型图；
图2是本发明实施例的F1点故障等效电路图；
图3是本发明实施例的F2点故障等效电路图；
图4是基于区段有功变化系数的微电网保护方案流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
在下文描述和权利要求中使用的术语和词语不限于书面含义，而是仅由发明人使用从而能够清楚并一致地理解本发明。因此，对于本领域技术人员而言显而易见的是，提供本发明的各个实施例的下文描述仅出于说明的目的，而不是出于限制由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的目的。
应当理解，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文明确地另有所指。因此，例如，涉及“模组”包括涉及一个或多个这样的模组。通过参考下文实施例的详细描述和附图，可以更容易地理解本发明的优点和特征以及实现本发明的方法。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使得本发明将是彻底和完整的，并且将本发明的概念充分传达给本领域技术人员。
如图1所示，其中微电网通过公共连接点(point of common coupling，PCC)经升压变压器与公共配电网相连。各馈线线路接有多个分布式电源(distributed generator，DG)。作为一种示例性的说明，在图1中包括分布式电源DG1、DG2、DG3、DG4、DG5，但本领域技术人员应当明了，分布式电源还可以包括有更多个，或者是少于5个的分布式电源。
分布式电源DG1与母线A相连，分布式电源DG2与母线B相连，分布式电源DG3与母线C相连,分布式电源DG4与母线D相连，分布式电源DG5与母线E相连。这些分布式电源互相连接后，最终通过公共连接点PCC与公共配电网相连。
为了便于分析，可以同时在微电网内部选取F1、F2两个故障点(如图1中所示)，其中F1为馈线故障区段以内的点(即母线D与母线E区段以内)，F2为相同馈线故障区段以外的点(即母线D与母线E区段以外)。下面将分别分析在这两个点发生故障时微电网内部的故障特征，故障前各电气量加下标pre，故障后各电气量加下标post。
图2所示为图1中F1点故障时(区内故障)的等效电路图，图2中将母线D左侧电路等效为电源SN和负载ZL1的组合。ZSN为电源内部等效阻抗，Zf1为故障点F1过渡阻抗，ZDE1、ZDE2分别为母线D和母线E到故障点F1的线路阻抗，ZDG5为分布式电源DG5内部等效阻抗，ZL为负载。
假设故障前，图2线路末端分布式电源DG5容量充足即能够满足末端负荷的需要，则DG5能够提供电能给上游电网，此时DE内部电流方向为由馈线流向母线D。
故障后，故障电流会因为分布式电源电力电子控制器的存在而被限制在额定电流的2倍以内，而E侧的分布式电源DG5无法像大电网一样在故障后提供足够的短路容量，因此会引起E侧电压的大幅跌落。但由于D侧与配电网相连，所以故障后D侧电压基本保持不变。若故障前D、E两侧电压、电流分别为
Figure BDA0004147486530000061
故障后D、E两侧电压、电流分别为
Figure BDA0004147486530000062
则故障前后D、E两侧电压、电流关系分别为
Figure BDA0004147486530000063
Figure BDA0004147486530000064
设故障前后母线D上电流电压的相位差即母线D上的阻抗角分别为
Figure BDA0004147486530000065
式中，θUDpre、θIDpre分别为故障前D侧电压电流相位；θUDpost、θIDpost分别为故障后D侧电压电流相位。
故障后，由于过渡阻抗Zf1远小于负载阻抗，D侧电流将反向由母线D流向故障点F1，而电压的相位几乎不变，所以
θIDpost≈θIDpre+180° (4)
θUDpost≈θUDpre (5)
将式(4)、(5)代入式(3)可得故障前后母线D上的阻抗角之差为
ΔθD＝θDpost-θDpre≈-180° (6)
由于故障前后母线E侧电流电压相位未发生变化，所以故障前后母线E上的阻抗角之差为
ΔθE＝θEpost-θEpre≈0° (7)
若故障前图2中分布式电源DG5提供的电能不能满足末端负荷的需要，则此时上游电网将向分布式电源侧供电，电流将从线路流向母线E。
故障后由于母线E并未与配电网相连，所以母线E侧的电压将会大幅跌落，如式(2)所示，并且流经母线E到故障点的故电流仅由其上所连的分布式电源DG5提供，故电流方向相较故障前相反。
因为母线D在故障前后始终与配电网相连，所以故障后母线D侧电压基本保持不变，故障前后电流方向也未发生改变。
由上述分析可得故障前后母线D、E上的阻抗角之差分别为
ΔθD＝θDpost-θDpre≈0° (8)
ΔθE＝θEpost-θEpre≈-180° (9)
图3所示为图1中F2点故障(区外故障)时的等效电路图，图3中将母线C左侧电路等效为电源SM和负载ZL2的组合；ZSM为电源内部等效阻抗，Zf2为故障点F2过渡阻抗，ZCD1、ZCD2分别为母线C和母线D到故障点F2的线路阻抗；ZLD为母线D上的负载阻抗，ZDG4为分布式电源DG4的内部等效阻抗；ZDE＝ZDE1+ZDE2为母线D和母线E之间的线路阻抗。
当分布式电源向上游电网时，此时供电母线D和母线E都在故障点F2的下游且不直接与配电网相连，故障发生后由于分布式电源短路容量有限，所以母线D和母线E上的电压都会大幅跌落，但是电流幅值会较故障前增大，即
Figure BDA0004147486530000081
Figure BDA0004147486530000082
故障后DE内部的电流向故障点流动，电流方向较故障前未发生变化，所以故障前后母线D和E上的阻抗角之差为
ΔθD＝θDpost-θDpre≈0° (12)
ΔθE＝θEpost-θEpre≈0° (13)
当上游电网向分布式电源供电时，故障发生后，由于母线D和母线E均位于故障点下游且不与配电网直接相连，母线D和E上的电压将大幅跌落，如式(10)所示。故障后DE内部的电流仅由E上所连分布式电源DG5提供，相较于故障前电流方向相反。所以故障前后母线D和E上的阻抗角之差为
ΔθD＝θDpost-θDpre≈-180° (14)
ΔθE＝θEpost-θEpre≈-180° (15)
通过上节分析，设故障前后D、E上电压电流幅值差的绝对值分别为
Figure BDA0004147486530000083
Figure BDA0004147486530000084
定义母线i上有功功率变化量为
ΔPi＝ΔUiΔIicosΔθi (18)
式中，ΔUi、ΔIi分别为故障前后母线i上电压电流幅值差的绝对值；Δθi为故障前后母线i上的阻抗角之差。
定义区间两端的有功变化系数为Sij，其表达式为：
Sij＝ΔPiΔPj (19)
其中i、j为相邻区段编号，综合以上分析可知：对于区内故障，其Sij＜0；而对于区外故障，其Sij＞0，因而可直接根据区间两端的有功变化系数的正负区分区内外故障。
为避免弱馈侧故障电流较小时保护装置不能启动的问题，本发明利用母线电压幅值变化作为保护启动判据：任一相电压幅值降低超过10％。若母线k的电压满足启动判据，则开始计算各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值，并计算相应的故障前后阻抗角之差。根据式(18)计算出各母线的有功功率，再根据式子(1)计算出相邻区间的Sij值。根据故障判据可知，若Sij值为负值，则可直接判定故障发生在区段内，同时输出跳闸信号给断路器，切除故障，实现保护。
如图4所示，基于以上分析可以得到微电网保护方法的简要流程包括以下步骤：
S100：获取故障前后区间母线侧各相电压值与电流值，根据电压值与电流值计算故障前后各相母线的电压幅值差ΔUo。
故障发生前后，在馈线保护安装处对母线各相电流、电压进行采样，并计算故障前后的各相电压幅值差ΔUo。
S200：当判定各相母线的任一相的电压幅值差ΔUo大于母线额定相电压
Figure BDA0004147486530000094
的10％，则计算故障前后阻抗角之差。
故障发生前后，在馈线保护安装处对母线各相电压进行采样，并计算故障前后的各相电压幅值差，具体计算如下：
Figure BDA0004147486530000101
其中
Figure BDA0004147486530000102
表示馈线安装处母线各相电压，t0为故障时刻，T为工频周期，m为整数。
根据计算得到的故障前后母线的各相电压幅值差，若母线任一相电压幅值差大于母线额定相电压的10％，具体计算如下：
Figure BDA0004147486530000103
其中
Figure BDA0004147486530000104
表示母线额定相电压。
根据采样得到的母线侧各相电压、电流数据计算得到各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值，并计算相应的故障前后阻抗角之差，具体计算如下：
Figure BDA0004147486530000105
Figure BDA0004147486530000106
Figure BDA0004147486530000107
其中
Figure BDA0004147486530000108
分别表示故障前后母线相电压；
Figure BDA0004147486530000109
分别表示故障前后母线侧相电流；
Figure BDA00041474865300001010
分别表示相应的故障前后阻抗角之差。
S300：根据计算得到的故障前后阻抗角之差，获取故障前后各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj。
根据所得的各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值以及相应的故障前后阻抗角之差，计算得到各母线故障前后有功功率变化量，具体计算如下：
Figure BDA00041474865300001011
其中ΔPi表示母线i的有功功率变化量。ΔPj表示母线j的有功功率变化量，其计算方法与母线i相同。i，j表示区段编号。
S400：根据各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj计算各区段两端母线的有功变化系数Sij。
具体计算如下：Sij＝ΔPiΔPj，其中ΔPi表示母线i的有功功率变化量；i，j表示区段编号，Sij表示区段ij的有功变化系数。
S500：当区段有功变化系数Sij小于零时，则判定此区段发生故障，输出保护信号。
若判定步骤S400计算得到的某一区段有功变化系数Sij小于零，则此区段发生故障，输出跳闸信号给断路器，切除故障，实现保护。
虽然技术已经关于一个或者多个实施方式进行说明和描述，但是在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下可以对所说明的示例做出变更和/或修改。特别是关于由上述部件或结构(组件、器件、电路、系统等)所执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的参考)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件或者结构(例如，功能上等价)，即便在结构上不等价于执行本文所说明的示例实施方式中的功能的所公开的结构，除非另外指明。另外，虽然特定特征可能已经关于若干实施方式中的一个实施方式被公开，但是如可能对于任何给定或者特定应用所期望且有利的，这样的特征可以与其他实施方式中的一个或者多个其他特征组合。此外，就详细描述或者权利要求书中使用术语“包含了”、“包含”、“具有了”、“具有”、“含有”或其变形而言，这样的术语以类似于术语“包括”的方式旨在是包括性的。
在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于区段有功变化系数的微电网保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：获取故障前后区间母线侧各相电压值与电流值，根据电压值与电流值计算故障前后各相母线的电压幅值差ΔUφ；
S200：当判定各相母线的任一相的电压幅值差ΔUφ大于母线额定相电压
Figure FDA0004147486520000015
的10％，则计算故障前后阻抗角之差；
S300：根据计算得到的故障前后阻抗角之差，获取故障前后各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj；
S400：根据各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj计算各区段两端母线的有功变化系数Sij；
S500：当区段有功变化系数Sij小于零时，则判定此区段内发生故障，输出保护信号。
2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述步骤S100中根据电压值与电流值计算故障前后各相母线的电压幅值差ΔUφ，具体计算如下：
Figure FDA0004147486520000011
其中
Figure FDA0004147486520000012
表示馈线安装处母线各相电压，t0为故障时刻，T为工频周期，m为整数。
3.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于，所述步骤S200中判定各相母线的任一相的电压幅值差ΔUφ大于母线额定相电压
Figure FDA0004147486520000013
的10％，具体计算如下：
Figure FDA0004147486520000014
其中
Figure FDA0004147486520000016
表示母线额定相电压。
4.根据权利要求3所述的保护方法，其特征在于，所述步骤S200中计算故障前后阻抗角之差，包括根据采样得到的母线侧各相电压、电流数据计算得到各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值，并计算相应的故障前后阻抗角之差。
5.根据权利要求4所述的保护方法，其特征在于，具体计算如下：
Figure FDA0004147486520000021
Figure FDA0004147486520000026
Figure FDA0004147486520000027
其中
Figure FDA0004147486520000022
分别表示故障前后母线相电压；
Figure FDA0004147486520000023
分别表示故障前后母线侧相电流；
Figure FDA0004147486520000025
分别表示相应的故障前后阻抗角之差。
6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于，所述步骤S300中获取故障前后各母线有功功率变化量ΔPi、ΔPj具体为：
根据所得的各母线的故障前后电流和电压差的幅值差的绝对值以及相应的故障前后阻抗角之差，计算得到各母线故障前后有功功率变化量，具体计算如下：
Figure FDA0004147486520000024
其中ΔPi表示母线i的有功功率变化量，ΔPj表示母线j的有功功率变化量，其计算方法与母线i相同，i，j表示区段编号。
7.根据权利要求6所述的保护方法，其特征在于，所述步骤S400中计算各区段两端母线的有功变化系数Sij，具体计算如下：
Sij＝ΔPiΔPj
其中ΔPi表示母线i的有功功率变化量；i，j表示区段编号，Sij表示区段ij的有功变化系数。
8.根据权利要求7所述的保护方法，其特征在于，所述步骤S500中取0为保护判据阈值，若计算得到的某一区段有功变化系数Sij小于零，则此区段发生故障，输出跳闸信号给断路器，切除故障，实现保护。
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