TWI459677B - Analysis Method of High Performance Micro - grid Isolated Operation Fault - Google Patents
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Description
本發明係為一種接地故障分析方法,尤其是指一種高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法。
習知傳統電力系統的接地故障之故障電流分析須利用對稱分量法,將系統分解成正負零相序網路再依各種非對稱故障之型式如單線接地故障、兩相短路故障、雙線接地故障等分別進行其正負零相序網路的串並聯組合來求解其非對稱故障之故障電流,其過程相當繁鎖及費時,且於系列新增匯流排或阻抗時,亞可比矩陣或Y導納矩陣必須重新計算分析,過程相當繁複,另如2011/10/01中華民國專利字號I350038之“應用於測距電驛阻抗計算設計之方法”所提之離散傅立葉演算法分析,該分析演算法需要大量的記憶體空間,且該發明專利僅針對短路接地故障之分析並無法包含所有經阻抗Z f
的各種接地故障情形及考量微電網運轉模式切換的動態環境,又美國發明專利2012/04/12 US 2012/0086458A1及2012/05/10 US 2012/0112758A1均僅針對接地故障之檢出裝置進行偵測而未考慮各種接地故障的分析與判別方法,因此針對微電網及智慧型電錶的整合應用有必要提供一種創新且具進步性的接地故障分析與判別之方法,來解決上述問題。且傳統對稱分量法其主要應用於三相平衡網路需可被分解為三個分開的網路,正相序、
負相序及零相序網路,但當配電系統為不平衡網路時,對稱分量法的應用就受到限制,而在實際應用上大多數的微電網配電系統的電力網路是屬於不平衡的狀態,因此本發明提出之方法可針對微電網配電系統之不平衡三相配電運轉在孤島模式之接地故障直接分析,在應用上將變得更為實用。
對微電網配電系統而言,當系統中某一設備發生故障時,會導致下游負載區域發生斷電的情況,由於分散式配電系統分佈廣大,保護設備與開關設備元件繁多,除了設備老化外,還有地震、颱風等天然因素,因此配電系統發生故障是不可避免之事情,此時需藉由保護電驛進行開關之操作,將故障點加以隔離,再利用可互相聯絡轉供的聯絡開關,進行負載轉供,減少非故障而停電之區域範圍。因此本發明可透過電能管理系統(Energy Management Systems,EMS)平台結合智慧電錶迅速分析微電網不平衡配電系統之接地故障,使故障區域與系統迅速排除故障及隔離並重新動態進行各種不同型式的接地故障電流計算及更新系統保護電驛設定,同時對未故障而發生停電之區域進行復電,是微電網配電系統發生故障後恢復供電所必經之重要過程,亦為提高微電網配電系統服務品質所不可缺少之要件。
微電網進行電力系統分析時,需考量分散式配電網路系統形狀結構特性的特點,進行微電網配電系統的網
路最佳化、狀態估測、開關切換等狀態變化動作,因此需要一個強韌、快速且有效率的接地故障分析與計算方法作為判斷之依據。本發明提出一種高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法,利用ECI與EDP動態運算技巧及結合邊界條件以混合補償之方式,來直接進行微電網配電系統的接地故障分析與判別。
本發明提出一個利用等效電流注入模型(equivalent current injection,ECI)及等效驅動點(equivalent driving point,EDP)運算技巧結合邊界條件以混合補償之方式來直接進行微電網孤島運轉接地故障電流的分析及故障類別判斷,進而應用在微電網進行市電與孤島兩種運行模式的切換,當微電網的配電系統在發生故障後,導致配電網路形狀結構改變,因此此時微電網配電系統需重新設定各保護電驛之故障電流。本發明提及微電網不平衡配電網路所應用的混合式補償故障分析方法是基於三相ECI與EDP模型配合邊界條件及補償技巧進行微電網孤島運轉的接地故障電流之動態模擬分析,此方法之輸入參數仍以配電網路匯流排為主的相關資料。其發明之方程式採用微電網配電網路系統動態特性的特點,能非常有效率地進行故障電流分析與判斷,並可針對特定的故障,利用適當的邊界條件來分析多個負載點的故障電流。在傳統演算法中所必需使用的方法如耗時的分解法、亞可比矩陣或Y導納矩陣在新的方法裡已不再需要,本發明所提的分析方法有即時運算且快速判別的優點,且記憶體需求較低。此外,匯流排
故障電流、微電網配電系統的分支故障電流以及故障後的匯流排電壓都能在分析的過程中一一獲得。再者,因故障而衍生的配電網路系統的相關支路電流大小改變也是故障分析過程的另一重要產出,可被用來做為保護協調的故障電流參數選定,以擴展本方法在智慧電網系統的應用範圍。
本發明一實施例,係一種高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法,其步驟包括:提供一智慧電表、以及複數個微電網匯流排;建立一等效電流注入模型(equivalent current injection,ECI)、以及一等效驅動點模型(equivalent driving point,EDP);使用該智慧電表,以運算針對該複數個微電網匯流排的等效驅動點模型建立動態參數;使用該智慧電表量測的立即變化量,進行該複數個微電網匯流排配電結構於微電網架構或電力潮流改變時,在孤島運轉下重新建立該複數個微電網匯流排的該等效驅動點模型,並利用該等效驅動點模型,分析微電網內各負載點的接地故障電流;使用該智慧電表量測的立即變化量,進行單線接地故障(Single Line-to-Ground,SLG)分析;使用該智慧電表量測的立即變化量,進行雙線接地故障(Double Line-to-Ground,DLG)分析;以及使用該智慧電表量測的立即變化量,進行三相接地故障(Three-Line-to-Ground,TLG)分析;並利用等效驅動點(equivalent driving point,EDP)模型來建立微電網動態參數值。
本發明提供一個結合微電網EMS平台運算的一種不平衡配電系統的接地故障分析與判別,適合應用於微電網孤島運轉在大規模配電系統之接地故障分析策略,包括應用混合式補償之故障分析,結合故障匯流排之邊界條件配合ECI與EDP模型來分析接地故障電流。本發明提出之不平衡配電系統接地故障分析法,僅需利用事先定義之兩個關係矩陣Z MGD
與Z DG
,結合匯流排接地故障之邊界條件進行動態運算,即可用來分析與判別單一或同步多重的接地故障電流。其貢獻在於本發明除了計算接地故障電流外,其故障後之注入電流、支路電流及匯流排電壓的變化,均可透過條件來補償原系統網路中所有故障點於故障後其注入支路電流的變化量而求得。更重要的是可在微電網發生接地故障後取得系統整體的支路電流變化資訊,強化系統整體保護協調的功能。另本發明提出的方法也有足夠的擴充性,可引入其他模型,如其他負載設備的等效電路,另外加的支路導納亦可包含在本發明計算方法內。與其他習知方法比較,本發明之方法在針對微電網配電系統之接地故障分析具備快速及立即運算的特性。
參考圖1,考慮一個介於匯流排0與k之間的三相線段模型。方程式(1)為一個4x4的矩陣,係考慮不平衡三相線段的本身及互相間的耦合效應。
經過卡農降階法,矩陣維度降為3×3,而中性或接地線的效應仍存在此模型中,且(1)可改寫為:
如圖2所示,係微電網配電系統的等效電流注入網路,對於一個微電網的不平衡配電系統網路,匯流排j的分支電壓及匯流排注入電流之間的關係可由(3)式得到:
從式(3)可看出來,一個匯流排注入電流能從一個分支導納矩陣與分支電壓的函數得到,如此也提供了另一種電力潮流分析的選擇。
如圖3所示,本發明主要利用微電網匯流排的ECI與EDP動態模模型,並利用整合型智慧電表運算的動態變化來建立兩個主要關係矩陣Z MGD
及Z DG
參數,Z MGD
表示微電網配電網路結構特性資訊;Z DG
表示微電網內分散式發電裝置(Distributed Generation,DG)的輸出變化。
V
=Z MGD I
(4)
本發明將利用整合型智慧電表的運算針對微電網匯流排i
的EDP模型建立動態參模,即
△V EDP
,i
=Z DG △I DG
(7)
其中,為微電網配電網路結構孤島運轉的初始值,△Z EDP
及△V EDP
代表微電網在孤島運轉下其配電系統結構與分散式發電DG的動態差量變化。
本發明將微電網配電網路結構不平衡及分散式發電機電力調度的動態環境,透過整合智慧電表資料量測的立即變化量進行微電網配電結構在網路架構或電力潮流改變時,使微電網配電網路在孤島運轉下重新建立各匯流排的EDP模型,並利用EDP模型分析微電網內各負載點的接地故障電流,本發明建立之EDP模型包含V EDP
及Z EDP
來建立兩個主要關係矩陣並透過△V EDP
及△Z EDP
的差量變化來代表微電網在孤島運轉下其不平衡分散式配電系統的動態變化,進而應用在各種接地故障的分析與判別,其中Z EDP
代表分散式配電網路的形狀結構特性。V EDP
代表分散式配電網路的分散式發電機特性。
配電系統故障分析與判別方法:一般而言,配電系統之主要接地故障包含單線接地故障、雙線接地故障
及三相接地故障
,接地之故障電流路徑包含阻抗(Impedance)Zf
。在不同故障中,需得到適當的故障邊界條件(Boundary Conditions),才可用來計算故障後之支路電
流(Branch Currents)及匯流排修正電壓(Bus Correction Voltages)之影響。
a.單線接地故障(Single Line-to-Ground,SLG)
單線接地故障一般起因於閃電或是導體接地的緣故。經由阻抗Z f
,假設單線接地故障發生在bus i的a相,其邊界條件可表示成
第(10)式中,如果單線接地故障發生於bus i,所產生之故障電流將流向地,而a相的匯流排電壓將由改變至,因此SLG故障發生後,匯流排電流及電壓變化量可表示為
其中ZEDPf
,i
=ZEDP,i
+Z f
b.雙線接地故障(Double Line-to-Ground,DLG)
假設雙線接地故障之線路連接方式經由阻抗Z f
,發生在bus i的a、b相,邊界條件可表示為
同前節,如果雙線接地故障發生於bus i,所產生之故障電流將流向地,而a相及b相的匯流排電壓將由,改變至,因此DLG故障發生後,匯流排電流及電壓變化量可表示為:
其中為一2×2矩陣,截取自[ZEDP,i
]中發生故障的busi
的a、b相位置參數再加上阻抗Z f
。
即,[I]為一2×2單位矩陣。
c.三相接地故障(Three-Line-to-Ground,TLG)
假設三相接地故障經由阻抗Z f
,發生在bus i的a、b、c相,邊界條件可表示為
同前節,三相接地故障發生於bus i,所產生之故障電流將流向地,而a、b、c相的匯流排電壓將由,,改變至,因此TLG故障後,匯流排電流及電壓變化量可表示為:
其中為一3×3矩陣,截取自[ZEDP,i
]中發生故障的busi
的a、b、c相位置參數再加上阻抗Z f
。即,[I]為一3×3單位矩陣。
本發明提出的一種高效能微電網孤島運轉時的接地故障分析方法與判別理論適合應用於微電網之大規模配電系統的接地故障分析,且可達到高精確度、高效率運算及系統記憶體需求量較低的優點。另本發明除了接地故障電流分析外,支路因故障電流的變化及故障後匯流排電壓的變化均可透過ECI模型在求解過程中獲得;更重要的是故障後系統整體的支路電流資訊可用來作為保護電驛的設定,增強微電網在孤島運轉時系統整體的保護協調功能。本發明提出的方法也具備足夠的擴充性,可結合其他模型,且額外加的支路導納與匯流排亦可包含在本發明內,以擴展本發明的分析方法在智慧型電網分散式配電系統的應用範圍。
本發明的第1實施例
,提出一種具微電網孤島運轉時的接地故障分析方法與智慧型電表以混合補償之方式分析微電網不平衡分散式配電系統架設的各種接地故障。本發明提到的方法乃應用不平衡三相模型利用ECI與EDP的動態運算技巧來分析,配合邊界條件以混合補償之方式,來直接進行微電網配電系統的接地故障分析與判別,包含兩組關係矩陣Z MGD
與Z DG
用來分析求解故障電流。如圖4所示
為核研所微電網試驗場孤島運轉時5個匯流排節點之測試樣本,包含一靜態開關21(static switch,SS)連接至Bus1,前端連接至500kVA變壓器及市電Bus0、一65kW微渦輪機24(microturbine generation,MTG)連接至Bus2、一60kW儲能系統23(battery energy storage system,BESS)連接至Bus4、一3.6kVA×12太陽能變流器22(photovoltaic inverter,PV)連接至Bus5。本所微電網試驗場的實施例中其可控制電力潮流的分散式能源為微渦輪機24(MTG)及儲能系統23(BESS),透過靜態開關21(SS)的狀態來進行市電併聯與孤島運轉的模式切換;另外本所微電網試驗場在靜態開關21(SS)開啟的狀態下會使微電網進入孤島運轉模式,此時會設定儲能系統23(BESS)運轉在定電壓/頻率控制模式(Voltage-Frequency,VF mode),同時渦輪機24(MTG)會設為定功率輸出模式,本所微電網試驗場之另一種孤島運轉模式為渦輪機24(MTG)運轉在VF mode控制模式,此時儲能系統23(BESS)則設為從動模式來進行電力潮流的調度。
本發明的第1實施例功效增進分析:
本發明將微電網配電網路結構不平衡及分散式能源電力調度配置的動態環境整合,透過智慧電表量測其節點資料的立即變化量來修正微電網配電結構在網路架構或電力潮流改變時其接地故障電流分析的防護機制,使其在微電網孤島運轉下重新建立各匯流排的EDP模型,並利用EDP模型分析微電網內各負載點的接地故障電流,本發明利用建立之EDP模型透過△V EDP
及△Z EDP
的差量變化來建立V EDP
及Z EDP
兩個主要關係矩陣
並用來代表微電網在孤島運轉下其不平衡分散式配電系統在分散式能源電力調度及配電網路的形狀結構的動態變化,有效應用微電網在孤島運轉的動態情境下進行各種接地故障的分析與判別,做為故障電流及保護協調的參數選定。本發明藉由微電網在孤島運轉下的故障電流分析與保護電驛動態更新設定功能,進而強化微電網在孤島運轉時,整體電力能源調度的可靠度與強健性。
本發明的第2實施例,
本發明的微電網孤島運轉整合智慧型電表以混合補償之方式分析微電網配電系統架構的各種接地故障。包含三線段不平衡之饋線線路、分散式發電裝置25(DG)、匯流排資料之負載型式和負載模型等進行接地故障分析方法與判別比較。利用圖5,不平衡分散式配電網路測試樣本,進行模擬可驗證本發明提出的不平衡配電系統接地故障分析方法應用在微電網孤島運轉的有效性。
本發明的第2實施例功效增進分析:
本發明利用圖5不平衡分散式配電網路測試樣本,進行微電網在同時發生兩個不同情境下配電系統的接地故障分析。1.以分散式發電裝置25(DG)連接至bus 10,此處增加bus 29作為分散式發電裝置25(DG)的匯流排,以及2.在bus 5的a相,經由阻抗Zf
=0.05 p.u發生SLG故障。
由圖6顯示出該微電網配電網路之故障電壓變化,由此案例顯示本發明提出之方法可用來解決單一及多重狀態之接地故障分析,在兩個不同情境中,因其中一情境為使分散式配電系統加入DG的補償,使得DG對該匯
流排的電壓均可保持在一穩定常數值。
本發明所提出之一種高效能微電網接地故障分析方法,其貢獻在微電網運轉在孤島下,當分散式能源電力調度及配電網路的形狀結構產生改變時的動態變化,可即時透過EDP模型中△V EDP
及△Z EDP
的差量變化來修正V EDP
及Z EDP
兩個關係矩陣,利用矩陣的直接運算,來分析各匯流排的各種接地故障電流與判別比較。本發明之方法在針對微電網在孤島運轉時的動態變化使其配電系統之接地故障分析具備快速及立即運算的特性。
本發明特性功能,係提出一種微電網孤島運轉接地故障分析方法,利用一簡單的整合型智慧電表透過等效電流注入模型(equivalent current injection,ECI)及等效驅動點(equivalent driving point,EDP)運算技巧結合邊界條件以混合補償之方式來分析及判別微電網孤島運轉時接地故障的種類。
本發明配合核研所微電網試驗場的電能管理系統整合技術,引進其接地故障自動分析方法,來強化微電網配電系統動態管理功能。同時本發明之微電網孤島運轉接地故障分析方法使微電網在配電系統的配置更靈活,因具更新穎、更實用以及可立即完成微電網孤島運轉時各種接地故障的分析,大幅提升微電網電能管理系統之功能。
以上所述,乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已,並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符,或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾,皆為本
發明專利範圍所涵蓋。
21‧‧‧靜態開關
22‧‧‧太陽能變流器
23‧‧‧儲能系統
24‧‧‧微渦輪機
25‧‧‧分散式發電裝置
步驟10~步驟16
圖1 匯流排0與k的三相線段模型示意圖
圖2 微電網配電系統的等效電流注入網路
圖3 微電網匯流排的ECI與EDP動態模型
圖4 微電網孤島運轉5匯流排節點之範例
圖5 不平衡分散式配電網路測試樣本
圖6 同時發生兩個不同情境之故障後電壓
圖7 高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法步驟
步驟10~步驟16
Claims (4)
- 一種高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法,其步驟包括:提供一智慧電表、以及複數個微電網匯流排;建立一等效電流注入模型(equivalent current injection,ECI)、以及一等效驅動點模型(equivalent driving point,EDP),並使用智慧電表運算的動態變化,來建立兩個主要關係矩陣Z MGD 及Z DG 參數,其中,V =Z MGD I ;;Z MGD 表示微電網配電網路結構特性資訊;Z DG 表示微電網內分散式發電裝置(Distributed Generation,DG)的輸出變化;使用該智慧電表,以運算針對該複數個微電網匯流排的等效驅動點(equivalent driving point,EDP)模型建立動態參數;使用該智慧電表量測的立即變化量,進行該複數個微電網匯流排配電結構於微電網架構或電力潮流改變時,在孤島運轉下重新建立該複數個微電網匯流排的該等效驅動點(equivalent driving point,EDP)模型,並利用該等效驅動點(equivalent driving point,EDP)模型,分析微電網內各負載點的接地故障電流;使用該智慧電表量測的立即變化量,進行單線接地故障(Single Line-to-Ground,SLG)分析;使用該智慧電表量測的立即變化量,進行雙線接地故障(Double Line-to-Ground,DLG)分析;以及使用該智慧電表量測的立即變化量,進行三相接地故障 (Three-Line-to-Ground,TLG)分析;其中等效驅動點(equivalent driving point,EDP)模型建立動態參數,係
- 如申請專利範圍第1項所述之高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法,其中單線接地故障發生於第i個微電網匯流排(bus),所產生之故障電流將流向地,而a相的匯流排電壓將由改變至,因此單線接地故障發生後,匯流排電流及電壓變化量可表示為:
- 如申請專利範圍第1項所述之高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法,其中雙線接地故障發生於第i個 微電網匯流排(bus),所產生之故障電流將流向地,而a相及b相的匯流排電壓將由,改變至Zf (+),因此DLG故障發生後,匯流排電流及電壓變化量可表示為:
- 如申請專利範圍第1項所述之高效能微電網孤島運轉接地故障分析方法,其三相接地故障發生於第i個微電網匯流排(bus),所產生之故障電流將流向地,而a、b、c相的匯流排電壓將由,,改變至Zf (++),因此TLG故障後,匯流排電流及電壓變化量可表示為:
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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TWI614971B (zh) * | 2016-10-17 | 2018-02-11 | 行政院原子能委員會核能研究所 | 微電網不斷電控制裝置 |
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