一種配電網自適應電流保護系統及方法與流程
2023-05-29 20:43:12 1
本發明涉及電力系統繼電保護技術領域，具體涉及一種配電網自適應電流保護系統及方法。
背景技術：
傳統三段式過電流保護作為配電網保護的典型配置，其保護性能對配電網的安全可靠運行至關重要。在智能配電網的發展背景下，分布式電源(Distributed generation-DG)的接入使得配電網單電源輻射型結構向雙端電源環形結構發展，原有的無方向電流保護已經難以保證選擇性。由於電流速斷保護無法保護線路全長，運行方式的變化、故障類型和位置都會對電流速斷保護的正確動作造成影響。分布式電源接入配電網後改變線路潮流及短路水平，使過電流保護的整定計算更為複雜，具體影響如下:
分布式電源的接入會影響配電網故障電流的分布，根據外汲和助增原理，線路故障時DG節點上遊的短路電流將會減小，DG節點下遊的短路電流會增大。在不同故障位置和不同DG運行方式下分布式電源對短路電流的影響不同。由於光伏和風力等分布式電源的隨機性和間歇性較大，根據某個運行方式計算的整定值可能不能適應故障電流的變化，從而出現誤動和拒動現象。除此之外，DG故障電流經過升壓變壓器後電流值變得很小，且部分分布式電源由於自身過流保護裝置並不能持續提供短路電流，難以根據分布式電源故障電流做出判斷。因此，研究在線整定的，可以適應分布式電源接入和不同運行方式變化的電流保護勢在必行。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供的一種配電網自適應電流保護系統及方法，該系統及方法利 用測量電氣量建立等值模型，避免外部系統等值等大量計算以及分布式電源出力不確定無法準確等值的困難。自適應電流主保護和後備保護的保護範圍得到有效延伸，即使在兩相短路的不利情況下，主保護的保護範圍能達到本線路的70％以上。不受故障類型的影響，在對稱故障和不對稱故障下均能可靠動作；確保有效且可靠切除配電網故障。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種配電網自適應電流保護系統，所述系統包括故障數據採集模塊、對稱短路保護整定模塊、不對稱短路保護整定模塊和故障識別模塊；
所述故障數據採集模塊分別連接至所述對稱短路保護整定模塊和不對稱短路保護整定模塊；
所述對稱短路保護整定模塊和不對稱短路保護整定模塊均連接至所述故障識別模塊。
優選的，所述故障數據採集模塊包括採集單元和測量發送單元；所述採集單元連接至所述測量發送單元；
所述採集單元用於採集所述配電網在發生故障後的保護安裝處的測量電壓、測量電流以及故障類型；
所述測量發送單元將所述測量電壓、測量電流以及故障類型均發送至所述對稱短路保護整定模塊和不對稱短路保護整定模塊。
優選的，所述對稱短路保護整定模塊包括對稱計算單元及對稱發送單元，且所述對稱計算單元連接至所述對稱發送單元；
所述對稱計算單元根據保護安裝處測量電壓及測量電流，計算得到對稱短路下電流速斷保護整定值以及限時電流速斷保護整定值；
所述對稱發送單元將所述對稱短路下電流速斷保護整定值以及限時電流速斷保護整定值發送至所述故障識別模塊。
優選的，所述不對稱短路保護整定模塊包括不對稱計算單元及不對稱發送單元，且 所述對稱計算單元連接至所述不對稱發送單元；
所述對稱計算單元根據保護安裝處測量電壓及測量電流，計算得到不對稱短路喜愛電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值；
所述不對稱發送單元將所述不對稱短路喜愛電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值發送至所述故障識別模塊。
優選的，所述故障識別模塊包括判斷單元和命令單元，且所述判斷單元連接至所述命令單元；
所述判斷單元根據保護整定值與電流測量值進行對比判別故障是否發生在保護範圍內，並將判斷結果發送至所述命令單元
所述命令單元根據所述判斷結果下發切除故障的命令。
一種配電網自適應電流保護方法，所述方法包括如下步驟：
步驟1.採集所述配電網在發生故障後的保護安裝處的測量電壓、測量電流以及故障類型；
步驟2.判斷當前所述配電網的故障類型；
若所述故障類型為對稱短路故障，則進入步驟3；
若所述故障類型為不對稱短路故障，則進入步驟4；
步驟3.根據相量故障分量法對保護背側電路進行等值計算，得到所述對稱短路故障下動態的電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值，進入步驟5；
步驟4.根據對稱分量故障分量法對保護背側電路進行等值計算，得到不對稱短路故障下動態的電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值；
步驟5.比較保護整定值與電流測量值，並根據比較結果對所述配電網進行保護操作。
優選的，所述步驟3包括：
3-1.根據所述保護安裝處測量電壓及測量電流，採用相量故障分量法對保護背側系統進行等值計算，得到對稱短路故障下的電流速斷保護整定值
式(1)中，Krel為可靠係數，一般取1.2；Z'DG為保護背側系統等效等值阻抗；為等效等值電勢；ZL為被保護線路的阻抗；
3-2.計算等效等值電勢Z′DG：
式(2)中，為保護安裝處電壓、電流故障分量；為故障後保護測量電壓、電流；為故障前線路電壓、電流；
3-3.計算等效等值阻抗
3-4.根據等效等值電勢Z′DG及等效等值阻抗計算得到對稱短路故障下的限時電流速斷保護整定值
式(4)中，Kk為電流保護Ⅱ段等效係數。
優選的，所述步驟4包括：
4-1.根據所述保護安裝處測量電壓及測量電流，採用對稱分量故障分量法對保護背側系統進行等值計算，得到對稱短路下電流速斷保護整定值IZDZ,Ⅰ：
式中：Kd為不對稱短路係數，等於Z1DG為保護背側等值正序阻抗；為保護背側等值電勢；
4-2.計算保護背側等值正序阻抗Z1DG：
式中：分別為電壓、電流故障分量正序分量；
4-3.計算保護背側等值電勢
式中：分別為BC相發生故障的相間測量電壓和相間測量電流；
4-4.計算不對稱短路故障下的限時電流速斷保護整定值IZDZ,Ⅱ：
優選的，所述4-3中的所述相間電壓相間電流故障分量的正序分量的計算方法包括：
式中：分別為BC相故障下B、C相電壓故障分量；分別為B、C相電流故障分量；分別為故障後保護安裝處ABC三相測量電壓；分別為ABC三相測量電流；
則相間電壓相間電流故障分量正序分量為：
優選的，所述步驟5包括：
比較保護整定值IZDZ,Ⅰ與電流測量值Im；
若Im≥IZDZ,Ⅰ且電流方向為正時，則立刻進行電流速斷保護操作；
若Im≥IZDZ,Ⅱ且電流方向為正時，則在延時0.5s後進行限時電流速斷保護操作。
從上述的技術方案可以看出，本發明提供了一種配電網自適應電流保護系統及方法，系統包括故障數據採集模塊、對稱短路保護整定模塊、不對稱短路保護整定模塊和故障識別模塊；方法判斷當前配電網的故障類型；計算對稱短路故障下及不對稱短路故障下電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值；比較保護整定值與電流測量值並對配電網保護。本發明提出的系統及方法利用測量電氣量建立等值模型，避免外部系統等值等大量計算以及分布式電源出力不確定無法準確等值的困難。自適應電流主保護和後備保護的保護範圍得到有效延伸，即使在兩相短路不利情況下，主保護範圍仍能達到本線路的70％以上；在對稱故障和不對稱故障下均能可靠動作；確保有效且可靠切除配電網故障。
與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果：
1、本發明所提供的技術方案中，系統包括故障數據採集模塊、對稱短路保護整定模塊、不對稱短路保護整定模塊和故障識別模塊；利用測量電氣量建立等值模型，避免外部系統等值等大量計算以及分布式電源出力不確定無法準確等值的困難。自適應電流 主保護和後備保護的保護範圍得到有效延伸，即使在兩相短路不利情況下，主保護範圍仍能達到本線路的70％以上；在對稱故障和不對稱故障下均能可靠動作；確保有效且可靠切除配電網故障。
2、本發明所提供的技術方案，方法通過判斷當前配電網的故障類型；計算對稱短路故障下及不對稱短路故障下電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值；比較保護整定值與電流測量值並對配電網保護；本發明的方法利用測量電氣量建立等值模型，避免外部系統等值等大量計算以及分布式電源出力不確定無法準確等值的困難。自適應電流主保護和後備保護的保護範圍得到有效延伸，即使在兩相短路的不利情況下，主保護的保護範圍能達到本線路的70％以上。不受故障類型的影響，在對稱故障和不對稱故障下均能可靠動作。
3、本發明提供的技術方案，應用廣泛，具有顯著的社會效益和經濟效益。
附圖說明
圖1是本發明的一種配電網自適應電流保護系統的結構示意圖；
圖2是本發明的一種配電網自適應電流保護方法的流程示意圖；
圖3是本發明的方法中步驟3的流程示意圖；
圖4是本發明的方法中步驟4的流程示意圖；
圖5是本發明的具體應用例的接有DG的簡單配電網系統中的K點發生短路時的故障狀態電路圖；
圖6是本發明的具體應用例的接有DG的簡單配電網系統中的相應故障狀態下的戴維南等值電路圖；
圖7是本發明的具體應用例的接有DG配電系統的三相短路故障的正常運行狀態分析圖；
圖8是本發明的具體應用例的接有DG配電系統的三相短路故障的故障附加狀態分 析圖；
圖9是本發明的具體應用例的配電網三相短路故障附加狀態的等值電路圖；
圖10是本發明的具體應用例的配電網兩相短路時的故障分析圖中的故障附加狀態圖；
圖11是本發明的具體應用例的配電網兩相短路時的故障分析圖中的正序故障分量網絡；
圖12是本發明的具體應用例的配電網兩相短路時的故障分析圖中的負序分量網絡；
圖13是本發明的具體應用例的10kV配電系統圖；
圖14是本發明的具體應用例的保護4在不同故障位置發生三相短路時的仿真結果示意圖；
圖15是本發明的具體應用例的保護4在線路中點處發生三相短路時的仿真結果示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明提供一種配電網自適應電流保護系統，系統包括故障數據採集模塊、對稱短路保護整定模塊、不對稱短路保護整定模塊和故障識別模塊；
故障數據採集模塊分別連接至對稱短路保護整定模塊和不對稱短路保護整定模塊；
對稱短路保護整定模塊和不對稱短路保護整定模塊均連接至故障識別模塊。
其中，故障數據採集模塊包括採集單元和測量發送單元；採集單元連接至測量發送單元；
採集單元用於採集配電網在發生故障後的保護安裝處的測量電壓、測量電流以及故障類型；
測量發送單元將測量電壓、測量電流以及故障類型均發送至對稱短路保護整定模塊和不對稱短路保護整定模塊。
其中，對稱短路保護整定模塊包括對稱計算單元及對稱發送單元，且對稱計算單元連接至對稱發送單元；
對稱計算單元根據保護安裝處測量電壓及測量電流，計算得到對稱短路下電流速斷保護整定值以及限時電流速斷保護整定值；
對稱發送單元將對稱短路下電流速斷保護整定值以及限時電流速斷保護整定值發送至故障識別模塊。
其中，不對稱短路保護整定模塊包括不對稱計算單元及不對稱發送單元，且對稱計算單元連接至不對稱發送單元；
對稱計算單元根據保護安裝處測量電壓及測量電流，計算得到不對稱短路喜愛電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值；
不對稱發送單元將不對稱短路喜愛電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值發送至故障識別模塊。
其中，故障識別模塊包括判斷單元和命令單元，且判斷單元連接至命令單元；
判斷單元根據保護整定值與電流測量值進行對比判別故障是否發生在保護範圍內，並將判斷結果發送至命令單元
命令單元根據判斷結果下發切除故障的命令。
如圖2所示，一種配電網自適應電流保護方法，包括如下步驟：
步驟1.採集配電網在發生故障後的保護安裝處的測量電壓、測量電流以及故障類 型；
步驟2.判斷當前配電網的故障類型；
若故障類型為對稱短路故障，則進入步驟3；
若故障類型為不對稱短路故障，則進入步驟4；
步驟3.根據相量故障分量法對保護背側電路進行等值計算，得到對稱短路故障下動態的電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值，進入步驟5；
步驟4.根據對稱分量故障分量法對保護背側電路進行等值計算，得到不對稱短路故障下動態的電流速斷保護整定值和限時電流速斷保護整定值；
步驟5.比較保護整定值與電流測量值，並根據比較結果對配電網進行保護操作。
如圖3所示，步驟3包括：
3-1.根據保護安裝處測量電壓及測量電流，採用相量故障分量法對保護背側系統進行等值計算，得到對稱短路故障下的電流速斷保護整定值
式(1)中，Krel為可靠係數，一般取1.2；Z'DG為保護背側系統等效等值阻抗；為等效等值電勢；ZL為被保護線路的阻抗；
3-2.計算等效等值電勢Z′DG：
式(2)中，為保護安裝處電壓、電流故障分量；為故障後保護測量電壓、電流；為故障前線路電壓、電流；
3-3.計算等效等值阻抗
3-4.根據等效等值電勢Z′DG及等效等值阻抗計算得到對稱短路故障下的限時電流速斷保護整定值
式(4)中，Kk為電流保護Ⅱ段等效係數。
如圖4所示，步驟4包括：
4-1.根據保護安裝處測量電壓及測量電流，採用對稱分量故障分量法對保護背側系統進行等值計算，得到對稱短路下電流速斷保護整定值IZDZ,Ⅰ：
式中：Kd為不對稱短路係數，等於Z1DG為保護背側等值正序阻抗；為保護背側等值電勢；
4-2.計算保護背側等值正序阻抗Z1DG：
式中：分別為電壓、電流故障分量正序分量；
4-3.計算保護背側等值電勢
式中：分別為BC相發生故障的相間測量電壓和相間測量電流；
4-4.計算不對稱短路故障下的限時電流速斷保護整定值IZDZ,Ⅱ：
其中，4-3中的相間電壓相間電流故障分量的正序分量的計算方法包括：
式中：分別為BC相故障下B、C相電壓故障分量；分別為B、C相電流故障分量；分別為故障後保護安裝處ABC三相測量電壓；分別為ABC三相測量電流；
則相間電壓相間電流故障分量正序分量為：
其中，步驟5包括：
比較保護整定值IZDZ,Ⅰ與電流測量值Im；
若Im≥IZDZ,Ⅰ且電流方向為正時，則立刻進行電流速斷保護操作；
若Im≥IZDZ,Ⅱ且電流方向為正時，則在延時0.5s後進行限時電流速斷保護操作。
本發明提供一種逆變器防孤島保護性能的檢測方法及系統的綜合應用的具體應用例，具體如下：
圖1為一種配電網自適應電流保護系統結構圖。首先介紹自適應電流保護原理，圖5所示為一個在母線B處接有DG的簡單配電系統故障圖，其中，和Zs為系統側的等值電勢和阻抗，為保護2背側DG故障注入電流。為了簡化分析，針對故障前後逆變型DG輸出電流的不同，可以根據電路中的替代定理用電流源來代替不同狀態下的DG，其中電流源的值即為相應該狀態下DG輸出電流的大小。因此，當線路AB的K點發生故障時，可以用一個值為的電流源來代替。經此處理之後，可以利用戴維南定理進一步將圖5所示這一故障狀態下保護2背側的電路等值為電勢源和阻抗的串聯,如圖6，其中分別為故障後保護2背側分布式電源等值電勢和等值阻抗。如果維持DG的出力設定值不變，當故障發生的位置越靠近DG時，DG輸出的電流就越大，相應該狀態下的戴維南等值電勢也越大；如果改變DG的出力情況，則對於同一故障點位置，DG出力越大，其輸出的電流也越大，相應的等值電勢也越大。因此，DG等值的電勢源在不同的故障狀態下是可變的，即保護背側含DG時隨著故障位置和DG容量的改變其等值電勢會發生相應改變，這是含逆變型DG配電網區別於傳統配電網的一個重要特點。
將圖6的故障狀態分解為正常運行狀態和故障附加狀態的疊加，如圖7和8所示。其中，為故障前K點的電壓；為故障前DG輸出的電流。由於故障後DG的輸出電流發生了變化，所以在圖8所示的故障附加狀態中DG處出現了值為的電流源，其中即為故障後DG輸出電流的增加量。由於圖8與圖5所示的兩個電路中保護2背側的電路結構都一樣，僅電流源的值不同，所以經戴維南等值之後它們的等值阻抗相同，其值即為保護2背側的實際等值阻抗。
根據傳統沒有考慮DG接入情況下的方法可以由故障附加狀態計算得到背側等值阻抗：
式中：
——保護2背側DG電壓、電流故障分量。
而實際等值阻抗為這表明計算得到的阻抗並不是實際阻抗。
當K點發生三相短路時，由於無法消除的影響，因此也就無法得到實際的等值阻抗。針對三相短路時的固有特點，對該故障情況下的自適應電流速斷保護進行研究。首先，採用相量故障分量法計算等值阻抗即並通過來求得相應的等值電勢，這裡的Z'DG和均為根據當前故障情況下的信息得到的計算量，其值均會隨著故障點位置以及DG出力情況的變化而變化。
對於三相短路保護安裝處有Zd為故障點與保護之間的阻抗值。因此，按照已有自適應整定表達式形式並用當前故障狀態下測量電壓及測量電流對保護2電流速斷保護進行整定，如下式所示：
式中：
——保護整定值，
Krel——可靠係數，一般為1.2，
Z'DG和——保護背側DG等效等值阻抗和等效等值電勢，
ZL為——被保護線路的阻抗。
電流速斷保護動作判據為：Im≥IZDZ,Ⅰ且電流方向為正時，保護動作。
令Im＝IZDZ,Ⅰ，可以得到相應的保護範圍
設故障點K位於αZL處，當α＜β時，有：
即當保護範圍內發生故障時，保護將正確動作。
當α＞β時，有：
即當保護範圍外發生故障時，保護將可靠不動作。
因此，雖然Z'DG並不是實際的等值阻抗，其值會隨著故障點位置、DG出力情況等的變化而變化，但是按上式進行整定之後，由於保護範圍β＜1，即小於被保護線路的全長，故保護仍然能夠正確動作，不會誤動作。
該自適應電流保護整定方法採用保護安裝處電壓電流測量計算背側等值電勢進而獲得保護整定值，隨著故障時間延長故障電壓電流發生改變，保護整定值隨之改變，採用本章提出自適應電流保護整定方法可適應配電網故障發生後系統電壓跌落的問題。因此，限時電流速斷保護，即過電流保護Ⅱ段，可採用上述電流速斷保護的整定方法，整定公式為：
其中，為保護整定值，Krel為可靠係數，一般為1.2，Z'DG和分別為保護背側DG等效等值阻抗和等效等值電勢，ZL為被保護線路的阻抗，Kk為電流保護Ⅱ段等效係數，由保護範圍和Ⅱ段延伸到下級饋線的範圍決定。
限時電流速斷保護動作判據為：Im≥IZDZ,Ⅱ且電流方向為正時，延時Δts後保護動作。
當K點發生兩相短路故障時，受控制策略影響，逆變型DG輸出電流的增加量仍然是一個三相平衡量。此時，可以將ΔIDG看作是對故障後負荷電流的影響，非故障相中流過的電流即為故障後的實際負荷電流，因此可由非故障相電流提取故障分量來求保護背側的等值阻抗，故障附加狀態如圖9和10所示。當BC相發生相間短路時，由三相測量電壓電流可得保護2安裝處BC相故障分量為：
式中：
——故障後保護安裝處ABC三相測量電壓，
——ABC三相測量電流。
相間保護時，保護2安裝處故障分量為：
利用對稱分量故障分量法將此故障附加狀態進行對稱分量分解，可以得到正序故障分量和負序分量網絡，分別如圖11和12所示。
由圖11可以計算出保護2背側正序等值阻抗因此計算得到的阻抗與實際阻抗是一致的。當然，一般情況下Z1DG＝Z2DG，所以也可以由圖12中的負序分量求得，即有
在得到實際的等值阻抗以後，對保護2電流速斷保護在線整定，如下式所示：
電流保護動作判據為：Im≥IZDZ，且方向為正則保護動作。
式中：分別為故障相相間電壓電流。
與已有的自適應速斷保護不同的是，由此得到的不再是被保護線路末端發生短路時的等值電勢值，而是當前K點發生兩相短路故障狀態下保護2背側的等值電勢值，它將隨著故障點位置以及DG出力情況的變化而變化。
不對稱短路下的限時電流速斷保護，與對稱短路類似，其整定公式為：Ⅱ
式中：
——保護整定值，
Krel——可靠係數，一般為1.2，
Z'DG和——保護背側DG等效等值阻抗和等效等值電勢，
ZL——被保護線路的阻抗，
Kk——電流保護Ⅱ段等效係數，由保護範圍和Ⅱ段延伸到下級饋線的範圍決定，一般取1.25。
限時電流速斷保護動作判據為：Im≥IZDZ,Ⅱ且電流方向為正時，延時Δts後保護動作。
圖13所示為一10kV中性點不接地配電網，系統基準容量為100MVA，基準電壓為10.5kV。線路AB、BC、CD、DE為架空線路，線路參數為x1＝0.471Ω/km，r＝0.334Ω/km。在每個節點處接入額定容量為6MVA、額定功率因數為0.85的負荷。母線D處接有DFIG(雙饋式風力發電機)，採用PQ控制方式，出口額定電壓為0.69kV，通過升壓變壓器接入10kV配電網。在系統正常運行時，雙饋風機輸出頻率恆定為50Hz，功率因數為0.8。DFIG在系統故障時，可以實現低電壓穿越，在一定時間內不退出運行，並為系統側提供無功支持。分別研究在不同故障位置和DFIG不同輸出功率情況下的三相短路故障，利用DigSilent進行仿真分析，並將仿真得到的結果輸入到Matlab進行數據處理。
在t＝0.2s時K點發生三相短路，以保護4為例來對自適應電流速斷保護進行驗證，改變故障點的位置以及DFIG的出力情況，觀察仿真結果。
DFIG輸出容量恆定為10MVA，改變故障點的位置，保護4的仿真結果如圖14和15所示。
隨著故障位置的變化保護整定值發生改變，保護範圍β隨著故障點位置變化其變化範圍不大，保護能夠正確動作，隨著分布式電源輸出功率的變化保護整定值發生改變，保護範圍β隨著DFIG出力情況的變化其變化範圍不大，保護能夠正確動作。對 保護整定值進行當前運行方式和故障方式進行靈敏度校驗表明該方案有較高的靈敏性，保護範圍達到80％左右。
本發明所提出的配電網繼電保護在線整定系統及其方法不受分布式電源接入的影響，解決了分布式電源接入饋線的配電網保護問題。在兩相短路的不利情況下，主保護的保護範圍仍能達到本線路的80％。與傳統電流保護相比，該方法顯著增大了主保護和後備保護的保護範圍。不受故障類型的影響，在對稱故障和不對稱故障下均能可靠動作。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。