一種微電網母線低阻抗自適應保護方法與流程
2023-06-01 23:53:46 2
本發明涉及一種電力系統繼電保護技術，特別是一種微電網母線低阻抗自適應保護方法。
背景技術：
微電網是由分布式電源(DG)和負荷組成的一個區域性小型電力網絡，是目前分布式發電最有效的利用途徑。微電源通常是採用逆變器接口進行併網的逆變型分布式電源(IBDG)，當微電網內部發生故障時，為了保護電力電子器件不受損壞，逆變器的限流模塊通常將IBDG提供的短路電流限制在2倍額定電流以內；同時，IBDG併網位置靈活，併網運行時，網內潮流會出現雙向流動。這些特點使得傳統配網中的電流保護難以直接運用到微電網當中，為此必須尋求一種新的保護方法，保證微電網的安全穩定運行。
針對上述微電網特有的故障特性，單純地利用電壓或者電流這些本地電氣量信息，無法滿足微低網保護可靠性的要求。為此，有學者提出了一種部分基於通信的微電網保護方案--基於母線低阻抗的微電網保護(包含阻抗模值判據和相角判據)。利用故障後，兩端母線電壓的跌落，和潮流方向的改變，計算兩端母線阻抗的模值與相角，通過與故障前兩端母線阻抗模值和相角的比較，判定故障區間。這種保護方法利用故障前後母線電壓和線路電流的比值信息，構成保護判據，克服了逆變器限流模塊對短路電流大小的限制和網內潮流雙向的影響，同時，兩端通信僅交換布爾量信息，對通信要求較低，保護可靠性較高。但是，經過分析和驗證，在區內發生經過渡電阻接地故障時，較大的過渡電阻會削弱故障時電氣量特徵，影響阻抗母線測量阻抗模值判據的可靠動作，使得故障期間母線測量阻抗模值過大，造成保護拒動。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種微電網母線低阻抗自適應保護方法，解決微電網內部發生經過渡電阻接地故障時，較大的過渡電阻造成母線低阻抗保護拒動的問題。
一種微電網母線低阻抗自適應保護方法，其特徵在於，包括以下步驟：
監測線路兩端母線測量阻抗模值和相角；
電壓突變量啟動，計算過渡電阻引起的附加阻抗角；
計算測量阻抗模值自適應係數，修正母線測量阻抗模值；
判斷修正後的母線測量阻抗模值是否滿足阻抗模值動作判據，判斷母線測量阻抗相角是否滿足相角動作判據；
若兩個判據同時滿足，則判定為區內故障，保護動作。
本發明提出一種微電網母線低阻抗自適應保護方法，該方法基於母線測量電壓與線路電流的比值，求取母線測量阻抗。通過對稱分量法，結合不同的故障類型下的邊界條件，推導短路接地電流與短路接地負序電流相角的關係，再利用系統的負序等值網絡，得出保護安裝處負序電流與短路接地負序電流相角的關係，從而計算附加阻抗角並求取母線測量阻抗模值的自適應係數，修正過渡電阻引起的附加阻抗對母線測量阻抗模值造成的影響，使得微電網母線低阻抗保護具有較好的抗過渡電阻特性，提高了保護的可靠性。
下面結合說明火速附圖對本發明作進一步描述。
附圖說明
圖1是中壓微電網線路模型圖。
圖2是m側測量阻抗向量圖。
圖3是系統負序網絡圖。
圖4是未經過自適應修正的m側測量阻抗模值圖。
圖5是經過自適應修正的m側測量阻抗模值圖。
圖6是區內故障期間m、n側測量阻抗角示意圖。
圖7是微電網母線低阻抗自適應保護流程圖。
具體實施方式
一種微電網母線低阻抗自適應保護方法包括如下步驟：
第一步，計算微電網內線路兩端母線m、n側測量阻抗。以微電網一條線路發生經過渡電阻接地故障為例，計算m側測阻抗。m側測量阻抗表達式如式(1)所示：
式中：表示m側母線相電壓，表示流過線路m側的相電流。由上式可知，只要利用保護測控裝置測出m側母線電壓與m側線路電流測量阻抗Zm就可以計算出，因此Zm是一個可以直接求出的量，那麼不難求出母線測量阻抗的模值|Zm|和相角同理，n側的母線測量阻抗仿照m側母線測量阻抗的方法，也可以直接求出。
第二步，求解故障期間母線測量阻抗模值自適應係數。以求解m側測量阻抗自適應係數為例，n側可類似推導。母線測量電壓可由式(2)表示：
式中：表示線路故障點對地電壓；表示流過線路m側的零序電流；Z1表示為故障點到m側保護安裝處的線路正序阻抗；Z0表示故障點到m側保護安裝處的線路零序阻抗。則Zm的具體表達式如式(3)所示：
式中：Zt為金屬性接地故障時，m側的測量阻抗，ΔZ為過渡電阻引起的測量附加阻抗；為故障點接地電流；Rg為過渡電阻。從式(3)可知，過渡電阻Rg會使得母線測阻抗產生一個附加阻抗，造成阻抗模值增大。由式(3)的阻抗向量關係可以推導得出式(4)：
式中：為m側測量阻抗的相角；為附加阻抗的相角(簡稱附加阻抗角)；為金屬性故障時的m側測量阻抗角。由式(4)可以得出m側母線測量阻抗模值自適應係數kzm如式(5)所示：
由於均可以通過保護測控裝置直接求得，因此，只要正確地估算出故障時附加阻抗角即可通過自適應係數kzm補償過渡電阻對母線測量阻抗模值判據的影響。
第三步，針對不同的故障類型，計算附加阻抗角由式(3)中附加阻抗ΔZ表達式，可知求解公式如式(6)所示：
實際運行中，短路接地電流的相角無法直接測得，因此本發明專利的核心思想是根據不同的故障類型，結合故障的邊界條件和對稱分量法，推導短路接地電流與短路接地負序電流相角的關係，再利用系統的負序等值網絡，推導出保護安裝處負序電流與短路接地負序電流相角的關係，以此計算附加阻抗角。下面以計算m側測量阻抗的附加阻抗角為例，n側測量阻抗的附加阻抗角可同理計算出：
單相接地故障時，計算公式如式(7)所示：
兩相接地故障時，計算公式如式(8)所示：
三相接地故障時，計算公式如式(9)所示：
第四步，利用自適應係數修正故障時母線測量阻抗幅值，進行母線測量阻抗的模值判據和相角判據的判斷，確定故障區間。通過步驟二、三可以求得自適應補償係數kzm、kzn，帶入式(4)可求得修正後的母線測量阻抗模值|Zm自|、|Zn自|，利用保護測控裝置可以求得故障前後線路兩端母線的測量阻抗變化角
母線測量阻抗模值判據如式(10)所示：
|Zm自|≤|Zset|&|Zn自|≤|Zset| (10)
式中：|Zm自|為經過自適應補償後的m側測量阻抗模值；|Zn自|為經過自適應補償後的n側測量阻抗模值；|Zset|為低阻抗閥值，可根據系統實際情況進行整定。
母線測量阻抗相角判據如式(11)所示：
式中：為故障後m側測量阻抗角，為故障前m側測量阻抗角；為故障後n側測量阻抗角；為故障前n側測量阻抗角；θ為裕量角，一般取±30°。
如果同時滿足上述兩個判據，則判定為區內故障，保護動作與斷路器跳閘。
實施例
以10kV中壓微電網內的一條線路在穩定運行後0.2s時刻發生區內經過渡電阻接地故障為例，過渡電阻Rg＝50Ω，來具體說明本方法，實施步驟如下：
第一步，利用保護測控裝置，計算線路兩端母線m、n側測量阻抗。10kv中壓微電網的一條線路模型如附圖1所示，利用保護測控裝置可以測得m側母線測量電壓流過m側母線的線路電流n側母線測量電壓流過n側母線的線路電流利用式(1)可以計算出m、n側測量阻抗如下：
式中：|Zm|為m側母線測量阻抗模值；為m側母線測量阻抗相角；|Zn|為n側母線測量阻抗模值；為n側母線測量阻抗相角。實驗中系統正常運行狀態下的Zm＝143.13∠41.84°，Zn＝142.17∠-137.8°。
第二步，求解故障期間母線測量阻抗模值自適應係數，以求解m側測量阻抗模值自適應係數為例，n側可類似推導。母線測量電壓可由式(2)表示：
式中：表示線路故障點對地電壓；表示流過線路m側的零序電流；Z1表示為故障點到m側保護安裝處的線路正序阻抗；Z0表示故障點到m側保護安裝處的線路零序阻抗。實驗中取Z0＝1.5Z1，則Zm的具體表達式如式(3)所示：
式中：Zt為金屬性接地故障時，m側的測量阻抗，ΔZ為過渡電阻引起的測量附加阻抗；為故障點接地電流；Rg為過渡電阻。由式(3)可作出阻抗向量圖如附圖2所示，根據三角形邊角公式可得出關係式(4)：
式中：為附加阻抗的相角(簡稱附加阻抗角)；|Zt|為金屬性接地故障時，m側的測量阻抗模值；為金屬性故障時的m側測量阻抗角。由式(4)可以求出m側測量阻抗模值自適應係數如式(5)所示：
式中：kzm為m側測量阻抗模值自適應係數。通過式(3)中Zt的公式可以得知的計算表達式如式(6)所示：
式中：為線路阻抗角，屬於線路的固有參數，實驗中取由式(6)可知，只要通過保護測控裝置採集到線路m側電流波形和零序電流波形，就可以計算出的值。因此，式(5)中只有附加阻抗角是未知量，只要正確估算就可以求得m側測量阻抗模值自適應係數kzm。
第三步，針對不同的故障類型，計算附加阻抗角由式(3)中附加阻抗ΔZ表達式，可知求解公式如式(7)所示：
實際運行中，短路接地電流的相角無法直接測得，因此本發明專利的核心思想是根據不同的故障類型，結合故障的邊界條件和對稱分量法，推導短路接地電流與短路接地負序電流相角的關係，再利用系統的負序等值網絡，推導出保護安裝處負序電流與短路接地負序電流相角的關係，以此計算附加阻抗角。
以下推導過程每種類型故障列舉一個例子說明：
1)單相接地故障
當線路A相發生接地故障時，短路點的邊界條件如式(8)所示：
式中：為短路點A相點對地電壓；分別為B、C相短路點對地電流。利用對稱分量法，將式(8)寫成序分量的形式如式(9)所示：
式中：分別為短路點對地的正序、負序和零序電壓；分別為短路點對地的正序、負序和零序電流；為故障相短路點對地短路電流。結合式(7)和式(9)可以得出A相接地時的表達式如(10)所示：
式中：為m側線路A相電流。系統負序網絡如附圖3所示，由附圖3可以得出如下關係式：
式中：Cm2為負序電流分配係數，簡化計算，可以取為實數；為線路m側負序電流。結合式(10)和式(11)可以得出最終表達式如式(12)：
即利用保護安裝處負序電流的相角計算短路接地負序電流的相角，而保護安裝處的負序電流相角可以通過保護測控裝置測出，因此，阻抗附加角得以計算。實驗中此故障類型求得的理論附加阻抗角可見本方法計算的附加阻抗角精度較高。其他兩相發生單相接地故障時，附加阻抗角計算公式如下：
2)兩相接地故障
當線路BC兩相發生接地故障時，短路點的邊界條件如式(14)所示：
式中：為B相短路點對地電壓；為C相短路點對地電壓。利用對稱分量法，式(14)可以寫成序分量的形式：
BC兩相接地故障的複合序網絡圖如附圖4所示，由複合序網圖可求出表達式如下：
式中：x1∑、x2∑、x0∑分別為系統正序、負序和零序總電抗。通過式(16)可以寫出短路點三相短路接地電流表達式如下：
式中：a＝ej120°；a2＝e-j120°；通常為了簡化計算，取x0∑＝kx2∑，k為實數。結合式(7)與式(17)，可以求出B、C相附加阻抗角如下：
實驗中求得的理論本算法所求結果與理論真實結果近似。AB接地故障與CA接地故障時，附加阻抗角計算表達式如下：
3)三相接地故障
三相接地故障為對稱故障，系統無負序和零序網絡，則附加阻抗表達式如下：
綜上，將第三步所求得的各個故障類型下的附加阻抗角帶入式(5)，即可得到對應的阻抗複製自適應係數。實驗中各個故障類型下所求得的m側測量幅值自適應係數匯總如下：
第四步，利用自適應係數修正故障時母線測量阻抗幅值，進行母線測量阻抗的模值判據和相角判據的判斷，確定故障區間。
測量阻抗模值判據如下：
|Zm|≤|Zset|&|Zn|≤|Zset| (22)
式中：|Zm|為m側測量阻抗模值；|Zn|為n側測量阻抗模值；|Zset|為阻抗動作閥值，可根據實際情況整定，實驗中取0.25倍正常運行時的測量阻抗|Zset|＝35.75Ω。
測量阻抗相角判據如下：
或
式中：為故障後m側測量阻抗角，為故障前m側測量阻抗角；為故障後n側測量阻抗角；為故障前n側測量阻抗角；θ為裕量角，一般取±30°。
實驗以m側為例說明本發明所提算法的有效性，n側原理相同。過渡電阻Rg＝50Ω，在0.2s分別發生A相接地、BC接地，ABC接地故障，在未引入測量阻抗模值自適應係數時，m側測量阻抗模值波形如附圖4所示，可見過渡電阻產生附加阻抗，造成測量阻抗模值偏大，阻抗模值判據拒動。在引入測量阻抗模值自適應係數後，m側測量阻抗模值波形如附圖5所示，可見，本發明所提出的方法能很好的消除過渡電阻帶來附加阻抗的影響，使得保護具有很好的抗過渡電阻能力，提高了保護的可靠性。m、n側測量阻抗相角波形如附圖6所示，相角判據使得了區內故障時保護可靠動作，區外故障時，保護不誤動，保證了保護的選擇性，附圖7為保護算法流程圖。