CN103487698B

CN103487698B - 一种分布式电源接入配电网的故障分析方法

Info

Publication number: CN103487698B
Application number: CN201310453300.0A
Authority: CN
Inventors: 李伟; 杨国生; 王兴国; 杜丁香; 李仲青; 王晓阳; 周泽昕
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103487698A

Abstract

本发明涉及一种电力***故障分析方法，具体涉及一种分布式电源接入配电网的故障分析方法。该方法包括下述步骤：（1）采集分布式电源接入配电网的数据；（2）确定配电网馈线各节点的电压量、电流量以及等效负荷阻抗；（3）分别对旋转电机型分布式电源和逆变器型分布式电源进行故障分析；（4）确定配电网馈线各节点的电压和电流；（5）判断是否满足限定值，若满足限定值，结束故障分析流程；否则，取迭代值为计算值和限定值的均值并返回步骤（4）。该方法结合典型分布式电源的故障暂态特性与控制策略，考虑其接入配电网要求的配电网故障分析方法，提高了故障分析的准确性。

Description

一种分布式电源接入配电网的故障分析方法

技术领域

本发明涉及一种电力***故障分析方法，具体涉及一种分布式电源接入配电网的故障分析方法。

背景技术

传统的配电网电源单一、结构简单，现有的对称故障分析方法是采用电压源模型或者电流源模型将***电源进行等值后求解网络中的节点电压与支路电流，随着各类分布式电源大量接入配电网，配电网结构发生很大的改变；同时由于逆变型分布式电源的暂态输出特性与传统的旋转电机型电源完全不同，受控制策略影响很大。而逆变型分布式电源的控制策略主要配合配电网***的要求。因此，需结合配网侧***要求与逆变器的输出容量限制才能得到较为准确的逆变器型分布式电源的故障特性。而传统故障分析主要关心故障发生后I段保护动作性能，而对于配电网来说，对于旋转电机型分布式电源采用传统的电压源等值模型计算较长时间的暂态过程已经不适用。因此，现有的故障分析方法必然会产生较大的误差。为实现分布式电源接入配电网的精确故障分析，必须从分布式电源的等值模型和配电网故障分析模型上予以改进。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种分布式电源接入配电网的故障分析方法，该方法结合典型分布式电源的故障暂态特性与控制策略，考虑其接入配电网要求的配电网故障分析方法，提高了故障分析的准确性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种分布式电源接入配电网的故障分析方法，所述分布式电源包括旋转电机型分布式电源和逆变器型分布式电源；其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）采集分布式电源接入配电网的数据；

（2）确定配电网馈线各节点的电压量、电流量以及等效负荷阻抗；

（3）分别对旋转电机型分布式电源和逆变器型分布式电源进行故障分析；

（4）确定配电网馈线各节点的电压和电流；

（5）判断是否满足限定值，若满足限定值，结束故障分析流程；否则，取迭代值为计算值和限定值的均值并返回步骤（4）。

进一步地，所述步骤（1）中，分布式电源接入配电网的数据包括：配电网电源电压和电流参数、线路阻抗参数、线路电流参数、旋转电机型分布式电源参数和逆变型分布式电源参数。

进一步地，所述步骤（2）中，利用KVL方程，采用递推方法，确定配电网馈线各节点的电压量、电流量以及等效负荷阻抗；所述等效负荷阻抗包括恒功率阻抗、恒电压阻抗和恒阻抗。

进一步地，所述步骤（3）中，在配电网故障发生后，对旋转电机型分布式电源进行故障分析包括：根据故障时间对应的三段式电流保护整定动作时间，取相应的电抗值进行故障电流计算。

进一步地，所述旋转电机型分布式电源包括旋转同步电机型分布式电源和旋转异步电机型分布式电源，旋转同步电机型分布式电源和旋转异步电机型分布式电源均采用下述表达式计算故障电流：

X = \{\begin{matrix} X_{d}^{''}, & 0 \leq t < 100 ms \\ X_{d}^{'}, & 100 ms \leq t < 500 ms \\ X_{d}, & 500 ms \leq t \end{matrix};

即在故障发生后的100ms内，采用次暂态电抗X”_d进行故障电流计算；在故障发生后的500ms内，采用暂态电抗X’_d进行故障电流计算；在故障发生后500ms以上，采用同步电抗X_d进行稳态故障电流计算。

进一步地，所述步骤（3）中，在配电网故障发生后，对逆变器型分布式电源进行故障分析包括：故障后逆变器型分布式电源的最大输出电流小于等于1.5倍额定电流，最大输出功率小于额定功率，即同时受最大功率和最大输出电流限制，用下述表达式表示：

\{\begin{matrix} 20 % U_{N} \leq U \leq 85 % U_{N} \\ I_{IIDG} \leq 1.5 I_{IIDG - N} \\ P_{IIDG - OUT} \leq P_{IIDG - N} \end{matrix};

并同时满足分布式电源接入电源条件，分布式电源接入电源条件包括逆变器出口端发生金属性故障时，逆变器的出口电压小于***电压20%，逆变器半个周波内将自动闭锁，不提供故障电流和电压支撑，用下述表达式表示：

\{\begin{matrix} U < 20 % U_{N} \\ I_{IIDG} = 0 \end{matrix};

其中：U_N为逆变器型分布式电源的额定电压；U为逆变器型分布式电源的最大输出电压；I_IIDG为逆变器型分布式电源的最大输出电流；I_IIDG-N为逆变器型分布式电源的额定电流；P_IIDG-OUT为逆变器型分布式电源的最大输出功率；P_IIDG-N为逆变器型分布式电源的额定功率。

进一步地，所述步骤（4）中，结合电网结构参数（包括线路阻抗参数和线路电流参数）、故障后***电源状态参数（参数包括电压和***阻抗）、分布式电源故障输出特性，采用迭代的方法，确定各个典型时间段内配电网线路流过电流和各节点电压。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明通过计及负荷模型、典型旋转电机型分布式电源的电磁暂态特性、逆变器型分布式电源的控制策略和接入配电网要求，建立新的分布式电源接入配电网的暂态等值模型，考虑了配网侧***要求与逆变器的控制策略，能更加真实地反映分布式电源接入后的配电网线路故障电流和电压特性；在此基础上建立新的阶段式配电网故障分析模型-，此分析模型体现了电力***的故障发展特性，符合阶段式电流保护整定要求，提高了故障分析的准确性，为分布式电源接入配电网保护整定等方面提供了科学的依据，在工程实践中具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明提供的分布式电源接入配电网的故障分析方法的流程图；

图2是本发明提供的配电网***等效模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的分布式电源接入配电网的故障分析方法的流程图如图1所示，包括下述步骤（下述步骤中各变量均表示标么值）：

（1）采集分布式电源接入配电网的数据，包括：获取配电网馈线出口处的***电源短路容量、线路参数，通过测量得到馈线出口处的电压和电流、各个线路的稳态负荷电流和各分布式电源的输出功率和电流。

（2）确定配电网馈线各节点的电压量、电流量以及等效负荷阻抗：电网接入的负荷阻抗通过上述测量得到的电气量结合KVL方程计算得到，再结合实际地区的负荷类型，将负荷阻抗按比例分解成各类等效阻抗（恒功率、恒电压、恒阻抗等）。

故障发生后，***采用短路容量计算出的***电源侧短路阻抗；

（3）分别对旋转电机型分布式电源和逆变器型分布式电源进行故障分析：

A、故障发生后，对于旋转电机型分布式电源，根据故障时间对应的三段式电流保护整定动作时间，取相应的电抗值进行故障电流计算。

对于旋转电机型分布式电源，将同步发电机和异步发电机等区别对待。如：在故障发生后的100ms内，同步电机型分布式电源采用次暂态电抗进行故障电流计算；在故障发生后的500ms内，采用暂态电抗进行故障电流计算；在故障发生后500ms以上，采用同步电抗进行稳态故障电流计算。对于异步电机型等其他分布式电源，可参考上述方法。旋转同步电机型分布式电源和旋转异步电机型分布式电源均采用下述表达式计算故障电流：

X = \{\begin{matrix} X_{d}^{''}, & 0 \leq t < 100 ms \\ X_{d}^{'}, & 100 ms \leq t < 500 ms \\ X_{d}, & 500 ms \leq t \end{matrix};

B、故障发生后，在严重的故障情况下，考虑逆变器的控制策略和电网需求相配合，倒推出逆变器的故障电流输出特性应满足的条件并列写方程。

故障后逆变器的最大输出电流为小于等于1.5倍额定电流，同时逆变器最大输出功率小于额定功率，即同时受最大功率和最大输出电流限制，用下述表达式表示：

\{\begin{matrix} 20 % U_{N} \leq U \leq 85 % U_{N} \\ I_{IIDG} \leq 1.5 I_{IIDG - N} \\ P_{IIDG - OUT} \leq P_{IIDG - N} \end{matrix};

并同时满足分布式电源接入电源的相关技术规定或者要求，相关技术规定或者要求包括逆变器出口端金属性故障时，逆变器的出口电压小于***电压20%，逆变器将半个周波内自动闭锁，不提供故障电流和电压支撑，用下述表达式表示：

\{\begin{matrix} U < 20 % U_{N} \\ I_{IIDG} = 0 \end{matrix};

（4）结合电网结构参数、故障后***电源状态参数、分布式电源故障输出特性，采用迭代的方法，可求出各个典型时间段内较精确的各线路流过电流和各节点电压。根据不同故障发展阶段，及时更新暂态模型，获取不同阶段的故障电流、电压特征。

实施例

如图2所示，两类分布式电源（IDG表示旋转电机型分布式电源，IIDG表示逆变器型分布式电源）接入配电网中，E_S和Z_S分别为***电源的电压和阻抗等值参数。馈线出口的母线电压互感器PT能测量电压。线路中黑色矩形表示开关，且具备电流测量功能；线路中白色矩形为线路等值阻抗。符号S带有不同下标表示不同地点的负荷。实施例中的数值均已折算成标幺值。

（1）采集***电源电压和电流参数、线路阻抗参数、线路电流参数、旋转电机型分布式电源参数及上送功率、逆变型分布式电源参数及上送功率；

（2）利用KVL方程，采用递推的方法，计算出配电网馈线各个节点的电压量和等效负荷阻抗；

如：已知母线A点的电压，且已知流过线路AB的电流，则可计算出B点的电压。

U_B＝U_A-I_ABZ_AB<1>；

已知分布式电源提供的功率和节点电压可计算出分布式电源提供的电流：

I_IDG＝S_IDG/U_B<2>；

由KCL定律，可计算出节点负荷电流：

I_LB＝I_AB+I_IDG-I_BC<3>；

从而计算出节点负荷：

S_LB＝U_BI_LB<4>；

本例中地区负荷由50%恒定阻抗和50%电动机组成，则需将负荷用相应公式等效表示。其中，恒阻抗模型可表示为：

S_LOAD＝S_N(aU²)<5>；

可利用稳态测量得到的S_LOAD和求得的U，求出系数a；

而电动机可根据典型电动机的启动电流I_INT的倒数获取次暂态电抗的数值，而启动电流的倍数一般为额定电流的5.0-7.0倍之间，由此可求得次暂态电抗的数值，其表达式为：

X”_M＝1/I_INT<6>；

100ms后，电动机反馈的电流衰减较快，之后可忽略其影响，从而求出故障暂态过程中的负荷表达式。

（3）故障发生后，对于旋转电机型分布式电源，根据故障时间对应的三段式电流保护整定动作时间，取相应的电抗值进行故障电流计算。对于旋转电机型分布式电源，将同步发电机和异步发电机等区别对待。如：在故障发生后的100ms内，同步电机型分布式电源采用次暂态电抗X”_d进行故障电流计算；在故障发生后的500ms内，采用暂态电抗X’_d进行故障电流计算；在故障发生后500ms以上，采用同步电抗X_d进行稳态故障电流计算。对于异步电机型等其他分布式电源，也可参考上述方法。

X = \{\begin{matrix} X_{d}^{''}, & 0 \leq t < 100 ms \\ X_{d}^{'}, & 100 ms \leq t < 500 ms \\ X_{d}, & 500 ms \leq t \end{matrix} - - - < 7 >;

对于逆变器型分布式电源，在严重的故障情况下，考虑逆变器的控制策略和电网需求相配合，倒推出逆变器的故障电流输出特性应满足的条件并列写方程。故障后逆变器的最大输出电流为1.5倍额定电流，同时逆变器最大输出功率小于额定功率，即同时受最大功率和最大输出电流限制，并同时满足分布式电源接入电源的相关技术规定或者要求，相关技术规定或者要求包括逆变器出口端发生金属性故障时，逆变器的出口电压小于***电压20%，逆变器将半个周波内自动闭锁，不提供故障电流和电压支撑。

需满足以下方程：

\{\begin{matrix} U < 20 % U_{N} \\ I_{IIDG} = 0 \end{matrix} - - - < 8 >;

\{\begin{matrix} 20 % U_{N} \leq U \leq 85 % U_{N} \\ I_{IIDG} \leq 1.5 I_{IIDG - N} \\ P_{IIDG - OUT} \leq P_{IIDG - N} \end{matrix} - - - < 9 >;

（4）结合电网结构参数、故障后***电源状态参数、分布式电源故障输出特性，采用迭代的方法，可求出各个典型时间段内较精确的各线路流过电流和各节点电压。

在实施例中，通过稳态条件下的测量和计算，得到各节点的负荷表达式。故障发生后，***电源参数、旋转电机型分布式电源的暂态参数均已知，而逆变器型分布式电源的暂态输出特性可假定输出电流为已知量，通过节点电压和输出功率作为判断条件，即需满足步骤（4）中的关系式<8>或<9>。

如：K发生故障，忽略B处负荷影响，假定分布式电源IIDG提供的故障电流I_IIDG初始值为0时，根据(4)中配电网的参数，结合KVL方程，可得到B点的电压U_B。

U_B＝U_A-Z_ABI_AB<10>；

则此时分布式电源的电压为U_B，若U_B满足不等式<8>，则分布式电源IIDG提供的故障电流I_IIDG的迭代值为：

I_IIDG＝(0+I_IIDG-N)/2<11>；

当求得的U_B和分布式电源输出功率均满足不等式<8>，结束故障分析流程。

本发明提供的分布式电源接入配电网的故障分析方法，结合典型分布式电源的故障暂态特性与控制策略，考虑其接入配电网的要求，利用网络等值化简方法得到***参数和负荷参数，利用电磁暂态分析理论得到旋转电机型分布式电源的等效阻抗模型，同时利用分布式电源接入电网的相关规定，结合逆变器的控制策略得到逆变器型分布式电源在故障过程中的输出特性，利用迭代的方法计算出故障发生后各线路流过的电流和电压，从而实现了分布式电源接入配电网的故障特性分析。与现有技术相比，本发明提高了配电网故障分析的准确性，并能配合分析阶段式电流保护的动作特性，从而可改进提高保护动作可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种分布式电源接入配电网的故障分析方法，所述分布式电源包括旋转电机型分布式电源和逆变器型分布式电源；其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)采集分布式电源接入配电网的数据；

(2)确定配电网馈线各节点的电压量、电流量以及等效负荷阻抗；

(3)分别对旋转电机型分布式电源和逆变器型分布式电源进行故障分析；

(4)确定配电网馈线各节点的电压和电流；

(5)判断是否满足限定值，若满足限定值，结束故障分析流程；否则，取迭代值为计算值和限定值的均值并返回步骤(4)；

所述步骤(1)中，分布式电源接入配电网的数据包括：配电网电源电压和电流参数、线路阻抗参数、线路电流参数、旋转电机型分布式电源参数和逆变型分布式电源参数；

所述步骤(2)中，利用KVL方程，采用递推方法，确定配电网馈线各节点的电压量、电流量以及等效负荷阻抗；所述等效负荷阻抗包括恒功率阻抗、恒电压阻抗和恒阻抗；

所述步骤(3)中，在配电网故障发生后，对旋转电机型分布式电源进行故障分析包括：根据故障时间对应的三段式电流保护整定动作时间，取相应的电抗值进行故障电流计算；

所述旋转电机型分布式电源包括旋转同步电机型分布式电源和旋转异步电机型分布式电源，旋转同步电机型分布式电源和旋转异步电机型分布式电源均采用下述表达式计算故障电流：

X = \{\begin{matrix} X_{d}^{,,}, & 0 \leq t < 100 m s \\ X_{d}^{,}, & 100 m s \leq t < 500 m s \\ X_{d}, & 500 m s \leq t \end{matrix};

即在故障发生后的100ms内，采用次暂态电抗X”_d进行故障电流计算；在故障发生后的500ms内，采用暂态电抗X’_d进行故障电流计算；在故障发生后500ms以上，采用同步电抗X_d进行稳态故障电流计算；

所述步骤(3)中，在配电网故障发生后，对逆变器型分布式电源进行故障分析包括：故障后逆变器型分布式电源的最大输出电流小于等于1.5倍额定电流，最大输出功率小于额定功率，即同时受最大功率和最大输出电流限制，用下述表达式表示：

\{\begin{matrix} 20 {%U}_{N} \leq U \leq 85 {%U}_{N} \\ I_{I I D G} \leq 1.5 I_{I I D G - N} \\ P_{I I D G - O U T} \leq P_{I I D G - N} \end{matrix};

并同时满足分布式电源接入电源条件，分布式电源接入电源条件包括逆变器出口端发生金属性故障时，逆变器的出口电压小于***电压20％，逆变器半个周波内将自动闭锁，不提供故障电流和电压支撑，用下述表达式表示：

{\begin{matrix} U < 20 {%U}_{N} \\ I_{I I D G} = 0 \end{matrix};

其中：U_N为逆变器型分布式电源的额定电压；U为逆变器型分布式电源的最大输出电压；I_IIDG为逆变器型分布式电源的最大输出电流；I_IIDG-N为逆变器型分布式电源的额定电流；P_IIDG-OUT为逆变器型分布式电源的最大输出功率；P_IIDG-N为逆变器型分布式电源的额定功率；

所述步骤(4)中，结合电网结构参数、故障后***电源状态参数、分布式电源故障输出特性，采用迭代的方法，确定各个典型时间段内配电网线路流过电流和各节点电压。