CN116914682A - 一种自适应多端电流差动保护方法、装置及储存介质 - Google Patents
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Abstract
一种自适应多端电流差动保护方法、装置及储存介质，能够在多端弱馈电源型配电网中准确识别保护区域内部故障和外部故障，具有较高的可靠性和灵敏性；并根据故障选取动作量、制动量及制动系数，构造自适应的多端电流差动保护动作判据，不需要为了整定保护定值而进行精确的短路电流计算，具有较好的自适应性和广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统及自动化技术领域，涉及继电保护，特别涉及一种自适应多端电流差动保护方法、、装置及储存介质。
背景技术
随着新能源的发展，大规模分布式电源多点T接接入的新型配电网正在广泛地建设。由于分布式电源具有故障电流幅值受限的特点，新型配电网呈现出一端强电源而其他端全部为分布式弱馈电源的情况，随着电力电子变压器的推广应用，甚至还会出现多端都是弱馈电源的场景。而多端弱馈电源型配电网对保护的可靠性、灵敏性提出了全新的要求，传统的配电网继电保护原理和方案已不再适用。随着通信技术的发展和一二次融合开关的广泛应用，多端差动保护成为了可行甚至优选的方案。
目前，适用于T接线路的三端差动保护在实际工程中得到了一定的应用，但应用场景多为两端强电源中间T接一个弱馈电源的系统，并不适用于一端强电源而其他端弱馈电源乃至多端都是弱馈电源的场景。现有的适用于多点T接输电线路的四端及以上的多端差动保护，其动作方程主要考虑的是如何消除长距离高压输电线路中分布电容电流对差动保护的影响，并不适用于线路距离短但多端为弱馈电源的配电网。现有的适用于一端强电源而其他端弱馈电源的有源配网多端差动保护，在新能源占比不断提高的多端弱馈电源型配电网中，保护动作的灵敏性和可靠性无法兼得。另外，在多端弱馈电源型配电网中，分布式电源多点接入使得配电网变成了一个高维非线性有源网络，传统基于线性网络分析的故障计算方法不再适用，必须要用迭代的方法来进行短路电流计算，而现有的迭代算法的收敛性和准确性还难以满足保护算法的需要，很难进行精确的保护定值整定计算，保护的灵敏性难以得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自适应多端电流差动保护方法、装置及储存介质，可在多端弱馈电源型配电网中准确识别保护区域内部故障和外部故障，具有较高的可靠性和灵敏性；同时，不需要为了整定保护定值而进行精确的短路电流计算，具有较好的自适应性和广泛的适用性。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种自适应多端电流差动保护方法，包括：
分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性；
针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
基于多端差动保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器测量误差对差动电流的影响，分析保护区域外部发生故障时的最大差动电流；
针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域内部故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
以躲开保护区域外部发生故障时的最大差动电流为原则，构造自适应的多端电流差动保护动作判据；
分析保护区域内部故障时所提的自适应多端电流差动保护的动作特性。
而且，所述分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性具体为：
多端弱馈电源型配电网中，PET表示电力电子变压器，LD表示负荷，PV是光伏电站，ESS是储能电站，光伏和储能都属于逆变电源，其等效输出电流模型为：
式中：Upcc(1)为当前并网点正序相电压有效值；
Upcc(1).N为额定运行状态下的并网点正序相电压有效值；
IDGm.N为额定电流幅值；
Pref.N为额定有功参考值；
Pref为当前的有功参考值；
是输出电流；
id(1)、iq(1)分别是输出电流正序分量的d、q轴分量；
为的相位；
由式(1)可知，逆变电源故障后输出电流幅值受限、相位受控，当Pref确定时，逆变电源等效成受并网点正序电压控制的正序电流源，在限流环节的作用下，无论是正常运行还是系统发生故障时，输出电流的幅值都不会超过1.2IDGm.N；逐渐呈现出弱馈电源特征的系统电源的输出故障电流有明显的减小，多点T接接入分布式电源的配电网逐渐演变成多端弱馈电源型配电网。
而且，所述分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性具体为：
多端弱馈电源型配电网中，CB为变压器出线断路器，FSW1～FSW3为分段开关，QSW1～QSWn+1为T接分支线路的分支开关，分别为分段开关FSW1、FSW2对应的电流相量，分别为分支开关QSW2～QSWn对应的电流相量；
用P表示一组多端差动保护所涉及到的电流相量集，由相邻的两个分段开关及其两者之间的所有T接线路分支开关对应的电流相量构成，选取P为：
用相量表示集合P所含元素之和：
用表示集合P中幅值最大的电流，
用表示集合P中幅值次大的电流，
而且，所述针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响具体为：
多端弱馈电源型配电网中，保护区域外部发生故障的位置共有三类，第一类位于分段开关FSW1上游处，第二类位于分段开关FSW2下游处，第三类位于分支开关下游处；其中：
第一类故障位置处发生故障时，和都由分布式电源提供，由式(1)可知，和的最大幅值为对应分布式电源额定电流的1.2倍，理论上为之和，其幅值远小于FSW1上游分布式电源输出故障电流叠加上系统等效电源输出的故障电流，此时对测量误差的影响可忽略不计；
第二类故障位置处发生故障时，由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，都由对应分支开关所在支路的分布式电源所提供，为之和，的幅值足以让电流互感器铁心工作处于饱和状态，的测量值与实际值之间的测量误差对测量误差的影响不可忽略；同时，的幅值不大，其测量误差较小，对测量误差的影响可忽略不计；而叠加了的其幅值不小，其测量误差对测量误差的影响也不可忽略，此时，必有一个是而另一个是且在分析电流互感器测量误差对测量误差的影响时仅需考虑的测量误差；
第三类故障位置处发生故障时，设为发生故障的分支线路对应分支开关的电流，其中i＝2,3,...,n，由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，(除外)和都由对应分支开关所在支路的分布式电源所提供，为(除外)和的和，与第二类故障类似，此时，必有一个是而另一个是在分析电流互感器测量误差对测量误差的影响时仅需考虑的测量误差；
用ΔImax1、ΔImax2表示的幅值测量误差：
Imax1.测、Imax1.实分别为幅值的测量值和实际值；
Imax2.测、Imax2.实分别为幅值的测量值和实际值；
电流互感器的幅误差不超过10％，角度误差不大于7°，在计及衰减非周期分量的影响时，的最大幅误差分别为ΔmaxImax1、ΔmaxImax2，具体如下：
其中：0.1表示电流互感器的幅误差不超过10％；
Knp为非周期分量的影响系数，一般为1.5～2；
用ΔIΣ表示的幅值误差：
其中：分别为的测量值和实际值。
而且，所述基于多端差动保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器测量误差对差动电流的影响，分析保护区域外部发生故障时的最大差动电流具体为：
基于的测量误差，分析电流互感器测量误差对ΔIΣ的影响，保护区域外部发生故障时，表示即的实际值，表示即的实际值，表示满足α＝7°，表示电流互感器最大角度误差，以Imax1.实-ΔmaxImax1、Imax1.实+ΔmaxImax1、Imax2.实-ΔmaxImax2、Imax2.实+ΔmaxImax2为半径，以O为圆心画圆弧圆心角都为14°，围成的阴影区域S1表示存在测量误差的情况下的测量值末端可能位置的集合，围成的阴影区域S2表示的测量值末端可能位置的集合；
阴影区域S1中，A1点和A2点到A点的距离最大，其距离为：
阴影区域S1中，A3点和A4点到A点的距离次最大，其距离为：
阴影区域S2中，B1点和B2点到B点的距离最大，其距离为：
阴影区域S2中，B3点和B4点到B点的距离次最大，其距离为：
当末端在A1处，末端在B3处，并且恰好与同方向时；或者当末端在A2处，末端在B4处，并且恰好与同方向时，ΔIΣ可取得最大值，其最大幅值误差ΔmaxIΣ为：
考虑到Knp取值1.5～2时，满足：
因此，可认为ΔIΣ满足：
而且，所述针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域内部故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响具体为：
多端弱馈电源型配电网中，保护区域内部k0处发生故障时，和都由分布式电源所提供，其电流幅值较小，其测量误差对测量误差的影响可忽略不计；由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，其幅值较大，有可能让电流互感器产生较大测量误差，其测量误差对测量误差的影响不可忽略；在保护区域内部发生故障时，的幅值很大，而此时必为且ΔIΣ仅受测量误差的影响。
而且，所述以躲开保护区域外部发生故障时的最大差动电流为原则，构造自适应的多端电流差动保护动作判据具体为：
根据上述故障特性分析，选取动作量、制动量及制动系数，构造自适应的多端电流差动保护动作判据，自适应多端电流差动保护动作判据如下式所示：
其中：Iop是动作；
Ires是制动量；
kres是制动系数；
krel为可靠性系数，一般取1.1～1.3；
Knp同式(7)；
为测得的Imax1.测、Imax2.测分别为测得的Imax1和Imax2；
Iset是保护固定门槛，用于克服线路分布电容电流的影响；
UN是额定相电压；
BC是单位长度线路的电纳值；
lΣ是保护范围内线路长度总和；
当保护区域外部发生故障时，由基尔霍夫定律可知Iop的最大值为ΔmaxIΣ，在电流互感器的幅误差不超过10％且Knp取2时，其必然满足：
Imax1.测+Imax2.测≥0.8(Imax1.实+Imax2.实) (17)
进而在krel取1.1～1.3时，其必然满足：
krelkresIres＞ΔmaxIΣ (18)
因此，保护不会误动作。
而且，所述分析保护区域内部故障时所提的自适应多端电流差动保护的动作特性具体为：
保护区域内部发生故障时，表示α为电流互感器的最大角度误差，取α＝7°，为以O为圆心的圆弧，圆心角都为14°，分别以Imax1.实-ΔmaxImax1和Imax1.实+ΔmaxImax1为半径，
若用表示与之间的误差相量，阴影区域S表示以A点为首端时其末端可能出现的位置集，都是的可能， 都是的可能，以O为圆心的圆，其圆半径r＝krelkres(Imax1.测+Imax2.测)+Iset，
当的末端落入圆内，表示区内故障时保护不动作(如)；当的末端落入圆外，表示区内故障时保护动作(如)，当的末端在圆弧上时(如)，的末端是最有可能落入圆内的，并且当所在的直线恰好穿过圆心O时(如)，若要的末端落入圆内，只需
当所在的直线不穿过圆心O时，需要更大的才能使得的末端落入圆内，特殊地，当的末端在圆弧上时，的相位在[173°，187°]的范围内，才可使得所在的直线有可能穿过圆心O；
显然，为保护区内故障时FSW1下游分布式电源输出故障电流之和，为FSW1下游幅值最大的分布式电源故障电流，由此可将式(19)化为
由于Knp取2时，有
0.8(Imax1.实+Imax2.实)≤Imax1.测+Imax2.测≤1.2(Imax1.实+Imax2.实) (21)
可将的末端落入圆内的条件进一步化为
取krel＝1.1，Knp＝2即kres＝0.3，可将式(22)进一步化为
式(23)表示的幅值，加上Iset和0.396倍的Imax2.实，幅值要大于0.404倍的Imax1，这几乎相当于，保护区域内部发生故障时，Imax1为幅值的2.5倍以下，才可使得保护不能正确动作；由于FSW1上游分布式电源输出故障电流叠加上系统侧等效电源的故障电流还不至于是FSW1下游分布式电源输出故障电流之和的2.5倍以下；分布式电源输出故障电流相位受控，在保护区域内部故障时与Imax1.实的相位差很难达到[173°，187°]的范围内，由此保护的可靠性就能充分得到保证。
一种自适应多端电流差动保护装置，其特征在于，包括：
多端电流的故障特性分析模块，用于分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性；
保护区域外多端电流互感器误差对差动电流影响分析模块，用于针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
最大差动电流分析模块，用于基于多端差动保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器测量误差对差动电流的影响，分析保护区域外部发生故障时的最大差动电流；
保护区域内多端电流互感器误差对差动电流影响分析模块，用于针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域内部故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
多端电流差动保护判据构造模块，用于以躲开保护区域外部发生故障时的最大差动电流为原则，构造自适应的多端电流差动保护动作判据；
多端电流差动动作特性分析模块，用于分析保护区域内部故障时所提的自适应多端电流差动保护的动作特性。
而且，所述配电网多端电流故障特性分析模块还包括：
配电网等效输出电流模块，多端弱馈电源型配电网中，PET表示电力电子变压器，LD表示负荷，PV是光伏电站，ESS是储能电站，光伏和储能都属于逆变电源，其等效输出电流模型为：
式中：Upcc(1)为当前并网点正序相电压有效值；
Upcc(1).N为额定运行状态下的并网点正序相电压有效值；
IDGm.N为额定电流幅值；
Pref.N为额定有功参考值；
Pref为当前的有功参考值；
是输出电流；
id(1)、iq(1)分别是输出电流正序分量的d、q轴分量；
为的相位；
逆变电源故障分析模块，逆变电源故障后输出电流幅值受限、相位受控，当Pref确定时，逆变电源可等效成受并网点正序电压控制的正序电流源，在限流环节的作用下，无论是正常运行还是系统发生故障时，输出电流的幅值都不会超过1.2IDGm.N；逐渐呈现出弱馈电源特征的系统电源的输出故障电流有明显的减小，多点T接接入分布式电源的配电网逐渐演变成多端弱馈电源型配电网；
多端差动保护电流相量集构造模块，多端弱馈电源型配电网中，CB为变压器出线断路器，FSW1～FSW3为分段开关，QSW1～QSWn+1为T接分支线路的分支开关，分别为分段开关FSW1、FSW2对应的电流相量，分别为分支开关QSW2～QSWn对应的电流相量；
用P表示一组多端差动保护所涉及到的电流相量集，由相邻的两个分段开关及其两者之间的所有T接线路分支开关对应的电流相量构成，选取P为：
用相量表示集合P所含元素之和：
用表示集合P中幅值最大的电流，
用表示集合P中幅值次大的电流，
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的自适应多端电流差动保护方法的步骤。
本发明的优点和有益效果为：
与现有技术相比，本发明可在多端弱馈电源型配电网中准确识别保护区域内部故障和外部故障，具有较高的可靠性和灵敏性。另外，本发明不需要为了整定保护定值而进行精确的短路电流计算，具有较好的自适应性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的多端弱馈电源型配电网图；
图2为本发明保护区域外部故障示意图；
图3为本发明保护区域外部故障的电流相量图；
图4为本发明保护区域内部故障示意图；
图5为本发明保护区域内部故障的电流相量图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种自适应多端电流差动保护方法，其创新之处在于：所述方法的步骤为：
1、分析多端弱馈电源型配电网中不同位置发生短路故障时多端电流的故障特性
以图1所示的多端弱馈电源型配电网模型为基础进行分析。
图1中，PET表示电力电子变压器，LD表示负荷，PV是光伏电站，ESS是储能电站。光伏和储能都属于逆变电源，其等效输出电流模型为：
式中，Upcc(1)为当前并网点正序相电压有效值，Upcc(1).N为额定运行状态下的并网点正序相电压有效值，IDGm.N为额定电流幅值，Pref.N为额定有功参考值，Pref为当前的有功参考值，是输出电流，id(1)、iq(1)分别是输出电流正序分量的d、q轴分量，为的相位。
由式(1)可知，逆变电源故障后输出电流具有幅值受限、相位受控的特点。在Pref确定的情况下，逆变电源可等效成受并网点正序电压控制的正序电流源。在限流环节的作用下，无论是正常运行还是系统发生故障时，的幅值都不会超过1.2IDGm.N。
在系统电源为强电源时，在配电网发生短路故障时系统电源输出故障电流可达分布式电源输出故障电流的10倍以上。随着电力电子变压器的推广应用，系统电源也逐渐呈现出了弱馈电源的特征，输出故障电流有明显的减小，多点T接接入分布式电源的配电网逐渐演变成了多端弱馈电源型配电网。
图1中，CB为变压器出线断路器，FSW1～FSW3为分段开关，QSW1～QSWn+1为T接分支线路的分支开关。分别为分段开关FSW1、FSW2对应的电流相量，分别为分支开关QSW2～QSWn对应的电流相量。
用P表示一组多端差动保护所涉及到的电流相量集，一般由相邻的两个分段开关及其两者之间的所有T接线路分支开关对应的电流相量构成，不妨选取P为：
用相量表示集合P所含元素之和：
用表示集合P中幅值最大的电流，即：
用表示集合P中幅值次大的电流，即：
2、针对步骤S1中集合P对应的多端差动保护，以图2为基础分析保护区域外部故障时多端电流的故障特性
可能的故障位置共有三类，第一类位于分段开关FSW1上游处(如k1)，第二类位于分段开关FSW2下游处(如kn+1)，第三类位于分支开关下游处(如k2～kn)。
第一类可能的故障位置处发生故障时，和都由分布式电源所提供。由式(1)可知，和的最大幅值为对应分布式电源额定电流的1.2倍，理论上为之和，其幅值相比于FSW1上游分布式电源输出故障电流叠加上系统等效电源输出的故障电流要小很多。一般来说，此时所有电流互感器测量误差较小，对测量误差的影响可忽略不计。
第二类可能的故障位置处发生故障时，由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，都由对应分支开关所在支路的分布式电源所提供，理论上为之和。由于为FSW1上游分布式电源输出故障电流和系统等效电源输出故障电流的叠加，的幅值较大，可能让电流互感器产生较大测量误差，此时的测量值与实际值之间的测量误差对测量误差的影响不可忽略。同时，的幅值较小，其测量误差较小，对测量误差的影响可忽略不计。而叠加了的其幅值较大，其测量误差对测量误差的影响也不可忽略。此时，必有一个是而另一个是且在分析电流互感器测量误差对测量误差的影响时仅需考虑的测量误差。
第三类的可能的故障位置处发生故障时，设为发生故障的分支线路对应分支开关的电流，其中i＝2,3,...,n。由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，(除外)和都由对应分支开关所在支路的分布式电源所提供，为(除外)和的和。与第二类的情况类似，此时，必有一个是而另一个是在分析电流互感器测量误差对测量误差的影响时仅需考虑的测量误差。
用ΔImax1、ΔImax2表示的幅值测量误差：
Imax1.测、Imax1.实分别为幅值的测量值和实际值，Imax2.测、Imax2.实分别为幅值的测量值和实际值。
一般来说，电流互感器的幅误差不超过10％，角度误差不大于7°。在计及衰减非周期分量的影响时，的最大幅误差分别为ΔmaxImax1、ΔmaxImax2，具体如下：
其中，0.1表示电流互感器的幅误差不超过10％；Knp为非周期分量的影响系数，一般为1.5～2。
用ΔIΣ表示的幅值误差：
其中，分别为的测量值和实际值。
3、以图3为基础，针对的测量误差，分析电流互感器测量误差对ΔIΣ的影响
图3中，表示(即实际值)，表示(即实际值)，表示满足α＝7°，表示电流互感器最大角度误差；为四段以O为圆心的圆弧，分别以Imax1.实-ΔmaxImax1、Imax1.实+ΔmaxImax1、Imax2.实-ΔmaxImax2、Imax2.实+ΔmaxImax2为半径，圆心角都为14°。阴影区域S1表示存在测量误差的情况下(即测量值)末端可能的位置的集合。阴影区域S2表示(即测量值)末端可能的位置的集合。
容易证明，阴影区域S1中，A1点和A2点到A点的距离最大，其距离为：
阴影区域S1中，A3点和A4点到A点的距离次最大，其距离为：
阴影区域S2中，B1点和B2点到B点的距离最大，其距离为：
阴影区域S2中，B3点和B4点到B点的距离次最大，其距离为：
分析图3可知，当末端在A1处，末端在B3处，并且恰好与同方向时；或者当末端在A2处，末端在B4处，并且恰好与同方向时，ΔIΣ可取得最大值，其最大幅值误差ΔmaxIΣ为：
考虑到Knp取值1.5～2时，满足：
因此，可认为ΔIΣ满足：
4、以图4为基础分析保护区域内部故障时多端电流的故障特性
保护区域内部k0处发生故障时，和都由分布式电源所提供，其电流幅值较小，其测量误差对测量误差的影响可忽略不计。由系统等效电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，其幅值较大，有可能让电流互感器产生较大测量误差，其测量误差对测量误差的影响不可忽略。在保护区域内部发生故障时，的幅值是一个很大的数值，而此时必为且ΔIΣ仅受测量误差的影响。
5、构造自适应的多端电流差动保护动作判据
根据上述故障特性分析，选取动作量、制动量及制动系数，构造自适应的多端电流差动保护动作判据。
自适应多端电流差动保护动作判据具体如下式所示：
其中，Iop是动作量，Ires是制动量，kres是制动系数，krel为可靠性系数，一般取1.1～1.3，Knp同式(7)，为测得的Imax1.测、Imax2.测分别为测得的Imax1和Imax2，Iset是保护固定门槛，用于克服线路分布电容电流的影响，UN是额定相电压，BC是单位长度线路的电纳值，lΣ是保护范围内线路长度总和。
当保护区域外部发生故障时，由基尔霍夫定律可知Iop的最大值为ΔmaxIΣ，在电流互感器的幅误差不超过10％且Knp取2时，其必然满足：
Imax1.测+Imax2.测≥0.8(Imax1.实+Imax2.实) (17)
进而在krel取1.1～1.3时，其必然满足：
krelkresIres＞ΔmaxIΣ (18)
因此，保护不会误动作。
6、当保护区域内部发生故障时，以图5为基础分析分析保护的动作特性
图5中，表示α为电流互感器的最大角度误差，取α＝7°，为以O为圆心的圆弧，圆心角都为14°，分别以Imax1.实-ΔmaxImax1和Imax1.实+ΔmaxImax1为半径。若用表示与之间的误差相量，阴影区域S表示以A点为首端时其末端可能出现的位置集，都是的一种可能。都是的一种可能。以O为圆心的圆，其圆半径r＝krelkres(Imax1.测+Imax2.测)+Iset。
当的末端落入圆内，表示区内故障时保护不动作(如)；当的末端落入圆外，表示区内故障时保护动作(如)。容易证明，当的末端在圆弧上时(如)，的末端是最有可能落入圆内的，并且当所在的直线恰好穿过圆心O时(如)，若要的末端落入圆内，只需
当所在的直线不穿过圆心O时，需要更大的才能使得的末端落入圆内。特殊地，当的末端在圆弧上时，的相位在[173°，187°]的范围内，才可使得所在的直线有可能穿过圆心O。
显然，为保护区内故障时FSW1下游分布式电源输出故障电流之和，为FSW1下游幅值最大的分布式电源故障电流。由此可将式(19)化为
由于Knp取2时，有
0.8(Imax1.实+Imax2.实)≤Imax1.测+Imax2.测≤1.2(Imax1.实+Imax2.实) (21)
可将的末端落入圆内的条件进一步化为
取krel＝1.1，Knp＝2即kres＝0.3，可将式(22)进一步化为
式(23)表示的幅值，加上Iset和0.396倍的Imax2.实，幅值要大于0.404倍的Imax1，这几乎相当于，保护区域内部发生故障时，Imax1为幅值的2.5倍以下，才可使得保护不能正确动作。由于FSW1上游分布式电源输出故障电流叠加上系统侧等效电源的故障电流还不至于是FSW1下游分布式电源输出故障电流之和的2.5倍以下。另外，分布式电源输出故障电流相位受控，在保护区域内部故障时与Imax1.实的相位差很难达到[173°，187°]的范围内，由此保护的可靠性就能充分得到保证了。
综合上述分析，式(16)所提的多端电流差动保护动作判据可准确识别保护区域内部故障和外部故障，具有较高的可靠性和灵敏性。
一种自适应多端电流差动保护装置，其创新之处在于，包括：
配电网多端电流故障特性分析模块，用于分析多端弱馈电源型配电网中不同位置发生短路故障时多端电流的故障特性；
保护区域外多端电流故障特性分析模块，用于针对步骤S1中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部故障时多端电流的故障特性；
电流互感器测量误差分析模块，用于分析电流互感器测量误差对ΔIΣ的影响；
保护区域内多端电流故障特性分析模块，用于分析保护区域内部故障时多端电流的故障特性；
多端电流差动保护判据构造模块，用于构造自适应的多端电流差动保护动作判据；
保护区域内故障动作特性分析模块，用于分析保护区域内部故障时的动作特性。
而且，所述配电网多端电流故障特性分析模块还包括：
配电网等效输出电流模块，多端弱馈电源型配电网中，PET表示电力电子变压器，LD表示负荷，PV是光伏电站，ESS是储能电站，光伏和储能都属于逆变电源，其等效输出电流模型为：
式中：Upcc(1)为当前并网点正序相电压有效值；
Upcc(1).N为额定运行状态下的并网点正序相电压有效值；
IDGm.N为额定电流幅值；
Pref.N为额定有功参考值；
Pref为当前的有功参考值；
是输出电流；
id(1)、iq(1)分别是输出电流正序分量的d、q轴分量；
为的相位；
逆变电源故障分析模块，逆变电源故障后输出电流幅值受限、相位受控，当Pref确定时，逆变电源可等效成受并网点正序电压控制的正序电流源，在限流环节的作用下，无论是正常运行还是系统发生故障时，输出电流的幅值都不会超过1.2IDGm.N；逐渐呈现出弱馈电源特征的系统电源的输出故障电流有明显的减小，多点T接接入分布式电源的配电网逐渐演变成多端弱馈电源型配电网；
多端差动保护电流相量集构造模块，多端弱馈电源型配电网中，CB为变压器出线断路器，FSW1～FSW3为分段开关，QSW1～QSWn+1为T接分支线路的分支开关，分别为分段开关FSW1、FSW2对应的电流相量，分别为分支开关QSW2～QSWn对应的电流相量；
用P表示一组多端差动保护所涉及到的电流相量集，由相邻的两个分段开关及其两者之间的所有T接线路分支开关对应的电流相量构成，选取P为：
用相量表示集合P所含元素之和：
用表示集合P中幅值最大的电流，即：
用表示集合P中幅值次大的电流，即：
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现任一项所述的自适应多端电流差动保护方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (11)
1.一种自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，包括：
分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性；
针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
基于多端差动保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器测量误差对差动电流的影响，分析保护区域外部发生故障时的最大差动电流；
针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域内部故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
以躲开保护区域外部发生故障时的最大差动电流为原则，构造自适应的多端电流差动保护动作判据；
分析保护区域内部故障时所提的自适应多端电流差动保护的动作特性。
2.根据权利要求1所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性具体为：
多端弱馈电源型配电网中，PET表示电力电子变压器，LD表示负荷，PV是光伏电站，ESS是储能电站，光伏和储能都属于逆变电源，其等效输出电流模型为：
式中：Upcc(1)为当前并网点正序相电压有效值；
Upcc(1).N为额定运行状态下的并网点正序相电压有效值；
IDGm.N为额定电流幅值；
Pref.N为额定有功参考值；
Pref为当前的有功参考值；
是输出电流；
id(1)、iq(1)分别是输出电流正序分量的d、q轴分量；
为的相位；
由式(1)可知，逆变电源故障后输出电流幅值受限、相位受控，当Pref确定时，逆变电源等效成受并网点正序电压控制的正序电流源，在限流环节的作用下，无论是正常运行还是系统发生故障时，输出电流的幅值都不会超过1.2IDGm.N；逐渐呈现出弱馈电源特征的系统电源的输出故障电流有明显的减小，多点T接接入分布式电源的配电网逐渐演变成多端弱馈电源型配电网。
3.根据权利要求2所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性具体为：
多端弱馈电源型配电网中，CB为变压器出线断路器，FSW1～FSW3为分段开关，QSW1～QSWn+1为T接分支线路的分支开关，分别为分段开关FSW1、FSW2对应的电流相量，分别为分支开关QSW2～QSWn对应的电流相量；
用P表示一组多端差动保护所涉及到的电流相量集，由相邻的两个分段开关及其两者之间的所有T接线路分支开关对应的电流相量构成，选取P为：
用相量表示集合P所含元素之和：
用表示集合P中幅值最大的电流，
用表示集合P中幅值次大的电流，
4.根据权利要求1所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响具体为：
多端弱馈电源型配电网中，保护区域外部发生故障的位置共有三类，第一类位于分段开关FSW1上游处，第二类位于分段开关FSW2下游处，第三类位于分支开关下游处；其中：
第一类故障位置处发生故障时，和都由分布式电源提供，由式(1)可知，和的最大幅值为对应分布式电源额定电流的1.2倍，理论上为之和，其幅值远小于FSW1上游分布式电源输出故障电流叠加上系统等效电源输出的故障电流，此时对测量误差的影响可忽略不计；
第二类故障位置处发生故障时，由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，都由对应分支开关所在支路的分布式电源所提供，为之和，的幅值足以让电流互感器铁心工作处于饱和状态，的测量值与实际值之间的测量误差对测量误差的影响不可忽略；同时，的幅值不大，其测量误差较小，对测量误差的影响可忽略不计；而叠加了的其幅值不小，其测量误差对测量误差的影响也不可忽略，此时，必有一个是而另一个是且在分析电流互感器测量误差对测量误差的影响时仅需考虑的测量误差；
第三类故障位置处发生故障时，设为发生故障的分支线路对应分支开关的电流，其中i＝2,3,...,n，由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，(除外)和都由对应分支开关所在支路的分布式电源所提供，为(除外)和的和，与第二类故障类似，此时，必有一个是而另一个是在分析电流互感器测量误差对测量误差的影响时仅需考虑的测量误差；
用ΔImax1、ΔImax2表示的幅值测量误差：
Imax1.测、Imax1.实分别为幅值的测量值和实际值；
Imax2.测、Imax2.实分别为幅值的测量值和实际值；
电流互感器的幅误差不超过10％，角度误差不大于7°，在计及衰减非周期分量的影响时，的最大幅误差分别为ΔmaxImax1、ΔmaxImax2，具体如下：
其中：0.1表示电流互感器的幅误差不超过10％；
Knp为非周期分量的影响系数，一般为1.5～2；
用ΔIΣ表示的幅值误差：
其中：分别为的测量值和实际值。
5.根据权利要求1所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述基于多端差动保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器测量误差对差动电流的影响，分析保护区域外部发生故障时的最大差动电流具体为：
基于的测量误差，分析电流互感器测量误差对ΔIΣ的影响，保护区域外部发生故障时，表示即的实际值，表示即的实际值，表示满足α＝7°，表示电流互感器最大角度误差，以Imax1.实-ΔmaxImax1、Imax1.实+ΔmaxImax1、Imax2.实-ΔmaxImax2、Imax2.实+ΔmaxImax2为半径，以O为圆心画圆弧圆心角都为14°，围成的阴影区域S1表示存在测量误差的情况下的测量值末端可能位置的集合，围成的阴影区域S2表示的测量值末端可能位置的集合；
阴影区域S1中，A1点和A2点到A点的距离最大，其距离为：
阴影区域S1中，A3点和A4点到A点的距离次最大，其距离为：
阴影区域S2中，B1点和B2点到B点的距离最大，其距离为：
阴影区域S2中，B3点和B4点到B点的距离次最大，其距离为：
当末端在A1处，末端在B3处，并且恰好与同方向时；或者当末端在A2处，末端在B4处，并且恰好与同方向时，ΔIΣ可取得最大值，其最大幅值误差ΔmaxIΣ为：
考虑到Knp取值1.5～2时，满足：
因此，可认为ΔIΣ满足：
6.根据权利要求1所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域内部故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响具体为：
多端弱馈电源型配电网中，保护区域内部k0处发生故障时，和都由分布式电源所提供，其电流幅值较小，其测量误差对测量误差的影响可忽略不计；由系统电源和分段开关FSW1上游的分布式电源共同提供，其幅值较大，有可能让电流互感器产生较大测量误差，其测量误差对测量误差的影响不可忽略；在保护区域内部发生故障时，的幅值很大，而此时必为且ΔIΣ仅受测量误差的影响。
7.根据权利要求1所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述以躲开保护区域外部发生故障时的最大差动电流为原则，构造自适应的多端电流差动保护动作判据具体为：
根据所述故障特性，选取动作量、制动量及制动系数，构造自适应的多端电流差动保护动作判据，自适应多端电流差动保护动作判据如下式所示：
其中：Iop是动作；
Ires是制动量；
kres是制动系数；
krel为可靠性系数，一般取1.1～1.3；
Knp同式(7)；
为测得的Imax1.测、Imax2.测分别为测得的Imax1和Imax2；
Iset是保护固定门槛，用于克服线路分布电容电流的影响；
UN是额定相电压；
BC是单位长度线路的电纳值；
lΣ是保护范围内线路长度总和；
当保护区域外部发生故障时，由基尔霍夫定律可知Iop的最大值为ΔmaxIΣ，在电流互感器的幅误差不超过10％且Knp取2时，其必然满足：
进而在krel取1.1～1.3时，其必然满足：
krelkresIres＞ΔmaxIΣ(18)
因此，保护不会误动作。
8.根据权利要求1所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述分析保护区域内部故障时所提的自适应多端电流差动保护的动作特性具体为：
保护区域内部发生故障时，表示α为电流互感器的最大角度误差，取α＝7°，为以O为圆心的圆弧，圆心角都为14°，分别以Imax1.实-ΔmaxImax1和Imax1.实+ΔmaxImax1为半径，
若用表示与之间的误差相量，阴影区域S表示以A点为首端时其末端可能出现的位置集，都是的可能， 都是的可能，以O为圆心的圆，其圆半径r＝krelkres(Imax1.测+Imax2.测)+Iset，
当的末端落入圆内，表示区内故障时保护不动作(如)；当的末端落入圆外，表示区内故障时保护动作(如)，当的末端在圆弧上时(如)，的末端是最有可能落入圆内的，并且当所在的直线恰好穿过圆心O时(如)，若要的末端落入圆内，只需
当所在的直线不穿过圆心O时，需要更大的才能使得的末端落入圆内，特殊地，当的末端在圆弧上时，的相位在[173°，187°]的范围内，才可使得所在的直线有可能穿过圆心O；
显然，为保护区内故障时FSW1下游分布式电源输出故障电流之和，为FSW1下游幅值最大的分布式电源故障电流，由此可将式(19)化为
由于Knp取2时，有
0.8(Imax1.实+Imax2.实)≤Imax1.测+Imax2.测≤1.2(Imax1.实+Imax2.实) (21)
可将的末端落入圆内的条件进一步化为
取krel＝1.1，Knp＝2即kres＝0.3，可将式(22)进一步化为
式(23)表示的幅值，加上Iset和0.396倍的Imax2.实，幅值要大于0.404倍的Imax1，这几乎相当于，保护区域内部发生故障时，Imax1为幅值的2.5倍以下，才可使得保护不能正确动作；由于FSW1上游分布式电源输出故障电流叠加上系统侧等效电源的故障电流还不至于是FSW1下游分布式电源输出故障电流之和的2.5倍以下；分布式电源输出故障电流相位受控，在保护区域内部故障时与Imax1.实的相位差很难达到[173°，187°]的范围内，由此保护的可靠性就能充分得到保证。
9.一种自适应多端电流差动保护装置，其特征在于，包括：
多端电流的故障特性分析模块，用于分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性；
保护区域外多端电流互感器误差对差动电流影响分析模块，用于针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
最大差动电流分析模块，用于基于多端差动保护区域外部不同位置发生故障时多端电流互感器测量误差对差动电流的影响，分析保护区域外部发生故障时的最大差动电流；
保护区域内多端电流互感器误差对差动电流影响分析模块，用于针对分析多端弱馈电源型配电网中发生短路故障时多端电流的故障特性中集合对应的多端差动保护，分析保护区域内部故障时多端电流互感器误差对差动电流的影响；
多端电流差动保护判据构造模块，用于以躲开保护区域外部发生故障时的最大差动电流为原则，构造自适应的多端电流差动保护动作判据；
多端电流差动动作特性分析模块，用于分析保护区域内部故障时所提的自适应多端电流差动保护的动作特性。
10.根据权利要求8所述的自适应多端电流差动保护方法，其特征在于，所述配电网多端电流故障特性分析模块还包括：
配电网等效输出电流模块，多端弱馈电源型配电网中，PET表示电力电子变压器，LD表示负荷，PV是光伏电站，ESS是储能电站，光伏和储能都属于逆变电源，其等效输出电流模型为：
式中：Upcc(1)为当前并网点正序相电压有效值；
Upcc(1).N为额定运行状态下的并网点正序相电压有效值；
IDGm.N为额定电流幅值；
Pref.N为额定有功参考值；
Pref为当前的有功参考值；
是输出电流；
id(1)、iq(1)分别是输出电流正序分量的d、q轴分量；
为的相位；
逆变电源故障分析模块，逆变电源故障后输出电流幅值受限、相位受控，当Pref确定时，逆变电源可等效成受并网点正序电压控制的正序电流源，在限流环节的作用下，无论是正常运行还是系统发生故障时，输出电流的幅值都不会超过1.2IDGm.N；逐渐呈现出弱馈电源特征的系统电源的输出故障电流有明显的减小，多点T接接入分布式电源的配电网逐渐演变成多端弱馈电源型配电网；
多端差动保护电流相量集构造模块，多端弱馈电源型配电网中，CB为变压器出线断路器，FSW1～FSW3为分段开关，QSW1～QSWn+1为T接分支线路的分支开关，分别为分段开关FSW1、FSW2对应的电流相量，分别为分支开关QSW2～QSWn对应的电流相量；
用P表示一组多端差动保护所涉及到的电流相量集，由相邻的两个分段开关及其两者之间的所有T接线路分支开关对应的电流相量构成，选取P为：
用相量表示集合P所含元素之和：
用表示集合P中幅值最大的电流，
用表示集合P中幅值次大的电流，
11.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的自适应多端电流差动保护方法的步骤。
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|---|---|
| CN (2) | CN115912288A (zh) |
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