CN116388185A - 一种有源配电网故障处理与快速自愈方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源配电网故障处理与快速自愈方法及系统，属于电力系统控制保护领域。当有源配电网中发生故障导致电压瞬时值越限时，故障定位装置立即启动，故障定位装置立即启动；通过配备高速通信模块的配电终端设备，将环网柜中的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统；主站系统根据故障信息、独立供电能力、通信能力对有源配电网进行孤岛划分，将存在公共负荷的孤岛进行组合；通过二阶锥规划，以负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数为目标函数，对有源配电系统进行划分重组；主站下发故障网络自愈重构指令，切除故障区段后对非故障区段的失压环网柜恢复供电，实现有源配电网故障快速自愈。

Description

一种有源配电网故障处理与快速自愈方法及系统
技术领域
本发明涉及一种有源配电网故障处理与快速自愈方法及系统，属于电力系统继电保护领域。
背景技术
随着新能源大规模接入给配电网，传统的无源配电网变成现代有源配电网。新能源接入配电网，必然对配电网建模、运行特性、电压控制带来影响，电能质量、可靠性等指标也将发生变化；新能源接入配电网也带来了更多不确定性、随机性，使得现代配电网运行方式更复杂。
现有技术中常见的有源配电网故障处理方法为人工巡检法，通过人工巡视和检修配电设备，及时发现故障并进行修复。该方法能够有效避免设备故障和事故的发生，但需要人工投入大量时间和精力、效率较低、故障诊断准确性不高、故障处理速度较慢。
因此，逐渐出现借助同步量测和通讯技术，探索现代配电网故障检测与新型保护方法。主要根据分布式检测技术实时感知运行状态，发生接地故障后，通过采集到的故障全过程信息，实现故障的检测、选线以及自愈控制，以实现不间断供电。但依然存在故障选线及快速自愈不准确、不可靠、不够迅速的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种有源配电网故障处理与快速自愈方法及系统，可以实现有源配电网精准隔离故障，非故障区段快速自愈。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种有源配电网故障处理与快速自愈方法，包括如下步骤：
Step1：有源配电网中发生故障，导致电压瞬时值越限时，故障定位装置立即启动；
Step2：环网柜通过智能分段开关动作，断开故障的分布式馈线，将故障隔离在含分布式电源的馈线中，确保故障馈线不会导致主线路失压。再通过配备高速通信模块的配电终端设备，将环网柜中的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统；
Step3：主站系统根据故障信息、独立供电能力、通信能力对有源配电网进行孤岛划分，将存在公共负荷的孤岛进行组合；
Step4：通过二阶锥规划，以负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数为目标函数，对有源配电系统进行划分重组；
Step5：主站下发故障网络自愈重构指令，切除故障区段后对非故障区段的失压环网柜恢复供电，实现有源配电网故障快速自愈。
进一步的，Step1中，当有源配电网中母线零序电压瞬时值
Figure SMS_1
大于/>
Figure SMS_2
，故障定位装置立即启动，其中/>
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为结合当地配电网系统所设定参数，/>
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为母线额定电压。
进一步的，Step2中，电气量包括环网柜中电压值、电流值、零序电压值，开关状态量包括出线断路器状态、智能分段开关状态、联络开关状态。
进一步的，Step3中，孤岛组合需满足潮流约束条件：
Figure SMS_5
式中，Pi(t)，Qi(t)分别为t时刻节点i的有功功率、无功功率；Ui(t) ，Uj(t) 分别为节点 i 和节点 j 的电压幅值；θij(t) 为节点i与节点j之间的相位差；Gij，Bij分别为节点i与节点j之间的电导、电纳。
进一步的，Step4中，根据孤岛划分结果，通断相应的开关，更新新的拓扑参数后上传到主站，由主站进行故障自愈规划。通过二阶锥规划，以负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数为目标函数，对有源配电系统进行划分重组；目标函数为：
Figure SMS_6
式中，n表示分布式电源数，m表示节点数，Pi表示第i台发电机的出力，用Lj表示第j个负荷节点的负荷功率，用Vk表示第k个节点的电压大小，用Iij表示从发电机i到负荷节点j的线路电流大小。首先，定义第j个负荷节点的负荷优先级Pj为其所属负荷区域的发电机出力之和。其中fij是节点j所属的负荷区域中线路ij的负荷分配因子。其中Wk是第k个节点的电压权重因子，R表示电压在各个节点上的加权平均值。然后，定义网损S为所有线路的功率损耗之和，其中Rij是线路ij的电阻。最后，定义开关次数N为所有开关动作次数之和，其中Sij是线路ij上的开关动作次数。因此，可以将目标函数表示为一个加权和的形式，其中
Figure SMS_7
、
Figure SMS_8
、/>
Figure SMS_9
和 />
Figure SMS_10
分别是负荷优先级、供电可靠性、网损和最小开关次数的权重系数。
本方明另一方面提供一种有源配电网故障处理与快速自愈系统，包括：
电气采集模块：用于采集有源配电网中各馈线电压信号、电流信号、相位值、零序电压值、零序电流值；
高速通信模块：用于环网柜与主站间进行高速通信，将环网柜中的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统；
故障类型判断模块：用于判断系统不同接地方式、故障类型、故障初相角、故障过渡电阻、故障点位置。
进一步的，电气采集模块具体包括：
数据采集单元：用于从传感器和其它测量设备中实时采集有源配电网各馈线电压信号、电流信号、相位值、零序电压值、零序电流值；
A/D转换单元：用于将各馈线中实时采集到的电气模拟量信号转换成数字量信号。
进一步的，高速通信模块具体包括：
信号传输单元：用于电气数据传输，包括4G通信卡、以太网通信口，RS232通信口，以太网维护口；
数据存储单元：用于保存线路中历史数据，便于主站调用历史数据作为对比。
进一步的，故障类型判断模块具体包括：
故障类型判断单元：通过预先写入的故障判据，对所采集到的电气量、信号量带入判据，用于判断系统不同接地方式、故障类型、故障初相角、故障过渡电阻、故障点位置；
故障选线保护单元：分为断路器模式、负荷开关模式、组合电器模式，可根据模式选择电流I段/II段/III段保护，零序电流I段/II段保护，小电流接地故障隔离，三相一次重合闸，后加速保护，过流后失压故障隔离，短路计数隔离，具备故障录波，分合闸储能录波功能。
本发明的有益效果是：
1、本发明能有效保证有源配电网中分布式馈线故障时对故障馈线快速隔离，确保故障馈线不会导致主线路失压。
2、本发明采用高速通信方式传输环网柜中的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态，延迟低、传输快、抗干扰能力强、可靠性更高。
3、本发明对有源配电网能实现快速故障定位、快速故障隔离、快速故障自愈，大大提高了有源配电网运行可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在没有实施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是本发明提供的一种有源配电网故障处理与快速自愈方法的具体实施流程图；
图2为本发明IEEE33节点仿真拓扑图；
图3为本发明实施例1中电网自愈后线路拓扑图；
图4为本发明实施例2中电网自愈后线路拓扑图；
图5为本发明实施例故障自愈前后各节点电压图；
图6为本发明实施例算法迭代次数收敛图；
图7为本发明有源配电网系统控制架构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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不付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。
实施例1
本实施例搭建如图2所示有源配电网电路拓扑图，共设有四个分布式电源，接入节点分别为节点11、节点21、节点24、节点31。节点25与节点29、节点21与节点8、节点22与节点12、节点9与节点15、节点33与节点18之间设有联络开关。故障点设置为节点6、节点18。
图1是本发明提供的一种有源配电网故障处理与快速自愈方法的具体实施流程图，如图1所示，具体步骤包括：
Step1：智能配电网终端检测到有源配电网中母线零序电压瞬时值
Figure SMS_11
大于/>
Figure SMS_12
，其中/>
Figure SMS_13
为结合当地配电网系统所设定值，/>
Figure SMS_14
为母线额定电压，故障定位装置启动；
Step2：有源配电网中分布式馈线发生故障时，环网柜通过智能分段开关动作，断开故障的分布式馈线，将故障隔离在含分布式电源的馈线中，从而保证故障馈线不会导致主线路失压。有源配电网的主线装配分布式馈线自动化装置完成主线自愈，实现故障精准隔离。通过配备高速通信模块的配电终端设备，将系统的拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统；
Step3：主站系统根据高速通信装置上传的故障信息、分布式电源的独立供电能力、分布式电源的通信能力对有源配电网进行孤岛划分，确定每个分布式新能源的最大供电范围，根据分布式电源输入电压、输出电压等确定边界条件，通过有源配电网故障自愈的目标函数和边界条件求解单个分布式电源的孤岛模型，经过优化算法迭代求解，对孤岛进行安全校验和功率调节，将存在公共负荷的孤岛进行组合。求解完孤岛模型后在系统内验证模型的有效性。
孤岛组合需满足潮流约束条件：
Figure SMS_15
式中，Pi(t)，Qi(t)分别为t时刻节点i的有功功率、无功功率；Ui(t) ，Uj(t) 分别为节点 i 和节点 j 的电压幅值；θij(t) 为节点i与节点j之间的相位差；Gij，Bij分别为节点i与节点j之间的电导、电纳。
Step4：根据孤岛划分结果，通断相应的开关，更新新的拓扑参数后上传到主站，由主站进行故障自愈规划。主站通过二阶锥规划，以负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数为目标函数，对有源配电系统进行划分重组。由于故障点为节点6、节点18，计及负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数等目标函数后，主站通过算法计算后得到的故障重构拓扑如图3所示。得到根据孤岛划分结果，断开节点6与节点7、节2点与节点19、节点11与节点12、节点18与节点33、节点28与节点29之间的开关，闭合节点21与节点8之间的联络开关，更新新的拓扑参数后上传到主站，日由主站进行故障自愈规划；
目标函数为：
Figure SMS_16
式中，n表示分布式电源数，m表示节点数，Pi表示第i台发电机的出力，用Lj表示第j个负荷节点的负荷功率，用Vk表示第k个节点的电压大小，用Iij表示从发电机i到负荷节点j的线路电流大小。首先，定义第j个负荷节点的负荷优先级Pj为其所属负荷区域的发电机出力之和。其中fij是节点j所属的负荷区域中线路ij的负荷分配因子。其中Wk是第k个节点的电压权重因子，R表示电压在各个节点上的加权平均值。然后，定义网损S为所有线路的功率损耗之和，其中Rij是线路ij的电阻。最后，定义开关次数N为所有开关动作次数之和，其中Sij是线路ij上的开关动作次数。因此，可以将目标函数表示为一个加权和的形式，其中
Figure SMS_17
、
Figure SMS_18
、/>
Figure SMS_19
和 />
Figure SMS_20
分别是负荷优先级、供电可靠性、网损和最小开关次数的权重系数。
Step5：主站下发故障网络自愈重构指令，切除故障区段后对非故障区段的失压环网柜恢复供电，实现有源配电网故障快速自愈。自愈后的电网线路图如图3所示。
实施例2
本实施例搭建如图2所示有源配电网IEEE33节点电路拓扑图，共设有四个分布式电源，接入节点分别为节点11、节点21、节点24、节点31。节点25与节点29、节点21与节点8、节点22与节点12、节点9与节点15、节点33与节点18之间设有联络开关。故障点设置为节点4、节点15、节点20。
采用如实施例1中相同的方式进行故障处理和自愈，具体包括：
Step1：智能配电网终端检测到有源配电网中母线零序电压瞬时值
Figure SMS_21
大于/>
Figure SMS_22
，其中/>
Figure SMS_23
为结合当地配电网系统所设定值，/>
Figure SMS_24
为母线额定电压，故障定位装置启动；
Step2：有源配电网中分布式馈线发生故障时，环网柜通过智能分段开关动作，断开故障的分布式馈线，将故障隔离在含分布式电源的馈线中，确保故障馈线不会导致主线路失压。有源配电网的主线装配分布式馈线自动化装置完成主线自愈，实现故障精准隔离。通过配备高速通信模块的配电终端设备，将系统的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统。
Step3：主站系统根据高速通信装置上传的故障信息、分布式电源的独立供电能力、分布式电源的通信能力对有源配电网进行孤岛划分，确定每个分布式新能源的最大供电范围，根据分布式电源输入电压、输出电压等确定边界条件，通过有源配电网故障自愈的目标函数和边界条件求解单个分布式电源的孤岛模型，经过优化算法迭代求解，对孤岛进行安全校验和功率调节，将存在公共负荷的孤岛进行组合。求解完孤岛模型后在系统内验证模型的有效性。
Step4：根据孤岛划分结果，通断相应的开关，更新新的拓扑参数后上传到主站，由主站进行故障自愈规划。主站通过二阶锥规划，以负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数为目标函数，对有源配电系统进行划分重组。由于故障点为节点4、节点15、节点20，计及负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数等目标函数后，主站通过算法计算后得到的故障重构拓扑如图4所示。得到根据孤岛划分结果，断开节点4与节点5、节点13与节点14、节点15与节点16、节点20与节点21之间的开关，闭合节点22与节点12之间的联络开关，更新新的拓扑参数后上传到主站，由主站进行故障自愈规划，自愈后的电网线路如图4所示。
Step5：主站下发故障网络自愈重构指令，切除故障区段后对非故障区段的失压环网柜恢复供电，实现有源配电网故障快速自愈；如图5所示，算法有效提高了系统中各节点最低电压，最多提升0.083pu。如图6，算法迭代10次后寻找出最优重构方案，大大提高了传统算法的运算速度。
如图7所示，本发明提供的一种基于高速通信的有源配电网故障处理与快速自愈系统，包括电气采集模块：用于采集有源配电网中各馈线电压信号、电流信号、相位值、零序电压值、零序电流值；
具体包括数据采集单元：用于从传感器和其它测量设备中实时采集有源配电网各馈线电压信号、电流信号、相位值、零序电压值、零序电流值；
A/D转换单元：用于将各馈线中实时采集到的电气模拟量信号转换成数字量信号。
高速通信模块：用于环网柜与主站间进行高速通信，将环网柜中电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态传递给主站系统，以4G通信为基础，但不仅限于4G通信，包括5G通信技术、光纤通信技术实现低延时，高精度数据传输，保证了整个系统运行过程中的通信可靠性。
具体包括信号传输单元：用于电气数据传输，包括4G通信卡、以太网通信口，RS232通信口，以太网维护口；
数据存储单元：用于保存线路中历史数据（SOE、过流信息、控制输出记录等），便于主站调用历史数据作为对比。应用串行总线技术，可方便地扩展I/O与通信接口；开发了一种支持开关量输入（DI）接入的专用高速串行总线。接口电路采用模块化设计，可根据工程需要灵活选配。
故障类型判断模块：用于判断系统不同接地方式、故障类型、故障初相角、故障过渡电阻、故障点位置。
具体包括故障类型判断单元：通过预先写入的故障判据，对所采集到的电气量、信号量带入判据，用于判断系统不同接地方式、故障类型、故障初相角、故障过渡电阻、故障点位置；其中，中性点接地方式分为中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻三种。
故障选线保护单元：分为断路器模式、负荷开关模式、组合电器模式，可根据模式选择电流I段/II段/III段保护，零序电流I段/II段保护，小电流接地故障隔离，三相一次重合闸，后加速保护，过流后失压故障隔离，短路计数隔离，具备故障录波，分合闸储能录波功能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种有源配电网故障处理与快速自愈方法，其特征在于，包括如下步骤：
Step1：有源配电网中发生故障，导致电压瞬时值越限时，故障定位装置立即启动；
Step2：环网柜通过智能分段开关动作，断开故障的分布式馈线，将故障隔离在含分布式电源的馈线中，再通过配备高速通信模块的配电终端设备，将环网柜中的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统；
Step3：主站系统根据故障信息、独立供电能力、通信能力对有源配电网进行孤岛划分，将存在公共负荷的孤岛进行组合；
Step4：通过二阶锥规划，以负荷优先级、供电可靠性、网损、最小开关次数为目标函数，对有源配电系统进行划分重组；
Step5：主站下发故障网络自愈重构指令，切除故障区段后对非故障区段的失压环网柜恢复供电，实现有源配电网故障快速自愈。
2.根据权利要求1所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈方法，其特征在于，所述Step1中，当有源配电网中母线零序电压瞬时值
Figure QLYQS_1
大于/>
Figure QLYQS_2
，故障定位装置立即启动，其中/>
Figure QLYQS_3
为结合当地配电网系统所设定参数，/>
Figure QLYQS_4
为母线额定电压。
3.根据权利要求1所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈方法，其特征在于，所述Step2中，电气量包括环网柜中电压值、电流值、零序电压值，开关状态量包括出线断路器状态、智能分段开关状态、联络开关状态。
4.根据权利要求1所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈方法，其特征在于，所述Step3中，孤岛组合需满足潮流约束条件：
Figure QLYQS_5
；
式中，Pi(t)，Qi(t)分别为t时刻节点i的有功功率、无功功率；Ui(t) ，Uj(t) 分别为节点i 和节点 j 的电压幅值；θij(t) 为节点i与节点j之间的相位差；Gij，Bij分别为节点i与节点j之间的电导、电纳。
5.根据权利要求1所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈方法，其特征在于，所述Step4中目标函数为：
Figure QLYQS_6
；
式中，n表示分布式电源数，m表示节点数，Pi表示第i台发电机的出力，Lj表示第j个负荷节点的负荷功率，Vk表示第k个节点的电压大小，Iij表示从发电机i到负荷节点j的线路电流大小，Pj为第j个负荷节点的负荷优先级，fij是节点j所属的负荷区域中线路ij的负荷分配因子，Wk是第k个节点的电压权重因子，S为网损，Rij是线路ij的电阻，N为开关次数，Sij是线路ij上的开关动作次数，
Figure QLYQS_7
、/>
Figure QLYQS_8
、/>
Figure QLYQS_9
和 />
Figure QLYQS_10
分别是负荷优先级、供电可靠性、网损和最小开关次数的权重系数，R表示电压在各个节点上的加权平均值。
6.一种有源配电网故障处理与快速自愈系统，其特征在于，
电气采集模块：用于采集有源配电网中各馈线电压信号、电流信号、相位值、零序电压值、零序电流值；
高速通信模块：用于环网柜与主站间进行高速通信，将环网柜中的电气量、拓扑信息，支路开关状态、联络开关状态上传到主站系统；
故障类型判断模块：用于判断系统不同接地方式、故障类型、故障初相角、故障过渡电阻、故障点位置。
7.根据权利要求6所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈系统，其特征在于，所述电气采集模块具体包括：
数据采集单元：用于从传感器和其它测量设备中实时采集有源配电网各馈线电压信号、电流信号、相位值、零序电压值、零序电流值；
A/D转换单元：用于将各馈线中实时采集到的电气模拟量信号转换成数字量信号。
8.根据权利要求6所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈系统，其特征在于，所述高速通信模块具体包括：
信号传输单元：用于电气数据传输，包括4G通信卡、以太网通信口，RS232通信口，以太网维护口；
数据存储单元：用于保存线路中历史数据，便于主站调用历史数据作为对比。
9.根据权利要求6所述的一种有源配电网故障处理与快速自愈系统，其特征在于，所述故障类型判断模块具体包括：
故障类型判断单元：通过预先写入的故障判据，对所采集到的电气量、信号量带入判据，用于判断系统不同接地方式、故障类型、故障初相角、故障过渡电阻、故障点位置；
故障选线保护单元：分为断路器模式、负荷开关模式、组合电器模式，可根据模式选择电流I段/II段/III段保护，零序电流I段/II段保护，小电流接地故障隔离，三相一次重合闸，后加速保护，过流后失压故障隔离，短路计数隔离，具备故障录波，分合闸储能录波功能。
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