CN112653102B - 基于交轴电流的有源配电网差动保护方法及*** - Google Patents

基于交轴电流的有源配电网差动保护方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于有源配电网故障区段定位技术领域，提供了基于交轴电流的有源配电网差动保护方法及***。其中该方法包括获取被保护区段两端的三相电流；检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息；计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数；比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。

Description

基于交轴电流的有源配电网差动保护方法及***
技术领域
本发明属于有源配电网故障区段定位技术领域，尤其涉及一种基于交轴电流的有源配电网差动保护方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
分布式电源(DG)的定义为：分布式电源安装在负荷侧，不仅需要提供电能，还要求能协助配电网进行平衡调节。DG分为两类：旋转型分布式电源(RTDG)和逆变型分布式电源(IIDG)。RTDG与常规发电机具有相似的故障特性。IIDG通过逆变器与电网连接，受到其控制方式和电力电子器件限流的影响，IIDG的故障特性更加复杂，故障电流一般为额定电流的1.2-2倍，且输出电流的构成受到并网点电压的影响。DG检测到并网点电压跌落程度不同，输出电流也不同。现有并网规程要求在DG并网点电压跌落时不退出运行，且优先提供无功电流即交轴电流以提供电压支撑。
随着DG的接入，传统配电网变为有源配电网。DG与被保护馈线区段的相对位置关系不确定，故DG的助增作用或者外汲作用具有不确定性。此外DG的接入使配电网变为潮流双向流动的网络，使得传统保护的整定难以确定，给传统保护的选择性和灵敏度造成了影响，可能会出现拒动或者误动的现象。因此，研究有源配电网的保护方案具有重要意义。
现有有源配电网的保护方案可以分为三个方向：第一类是限制DG的接入容量；第二类是加装保护装置的自适应保护方案；第三类是基于通信的配电网保护方案。
现有技术提出了一种考虑到保护装置可靠动作及电流分布特性的DG接入方案。在少量改变现有配电网保护的基础上，综合分析了不同故障点、不同DG位置的情况下现有保护的选择性，灵敏性和可靠性，提出了一种DG准入方案。这种保护方案只对原有保护方案做了少量改动，即可改善保护方案的性能。但是只适用于特定的配电网络，不具有普适性，一定程度上限制了DG的发展。另外，该保护方案未分析在不同类型DG接入后的保护动作特性，能否能对有源配电网提供有效保护有待将进一步研究。
现有技术提出了一种有源配电网自适应距离保护方案。这种方案将被保护馈线划分为不同区域，充分分析了DG的接入对流过馈线两端保护的助增和外汲作用，记录被保护馈线的电压、电流，计算当前运行状况下的距离保护整定值，以达到自适应的目的。这种保护方案不需要通信，且具有较高的灵敏性。但是对电压信息的要求，需要配电网安装电压互感器，增加了电网建设成本。
现有技术提出了一种自适应电流速断保护方案。按照保护背侧是否有DG的接入，调整保护方案的整定值。在发生两相短路故障时利用负序电流来实时计算***阻抗，在发生三相短路时维持目前整定方案不变。这种保护方案是对原有保护方案的改进，具有经济性。但是发明人发现，仅适用于DG渗透率较低的配电网络，并没有考虑DG容量较大情况下的故障特性，减小了保护范围。
现有技术提出了一种基于支路贡献因子的自适应保护方案。根据***的运行方式和DG的出力情况，构造支路贡献因子矩阵，以消除DG对***侧流过馈线的影响。这种保护方案计算简单，易于整定。但是发明人发现，在保护方案分析过程中未考虑过渡电阻的影响，在过渡电阻较大的情况下可能出现保护拒动的现象。
现有技术提出了一种基于正序电流和相角的保护方案。这种保护方案由正序电流幅值计算差动量，由正序电流的相位构造制动量，能够反映所有故障类型，并且几乎不受过渡电阻的影响，灵敏度高。但是发明人发现，这种保护方案仅考虑了有源配电网中电流的双向流动，而忽略了IIDG本身的故障特性，并且对通信的要求较高。
现有技术提出了一种基于负序电流的差动保护方案。规定从母线指向线路为正方向，当保护区段内部发生故障时，流过两端保护装置的负序电流相位差接近0°，非故障区段两端的负序电流相位差接近180°。发明人发现，这种保护方案不受负荷电流的影响，但当配电网中危害较大的三相短路故障发生时，线路中理论上不存在负序电流，所以这种保护方案仅能反映非对称性故障。
由此可见，发明人发现，目前已有的有源配电网保护方案存在以下问题：没有考虑DG容量较大情况下的故障特性，容易受到DG类型和容量的影响，而且忽略了IIDG本身的故障特性并且对通信的要求较高。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于交轴电流的有源配电网差动保护方法及***，其使用交轴电流，不需要分相差动，原理简单、清楚，识别准确，易于工程实现。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于交轴电流的有源配电网差动保护方法。
一种基于交轴电流的有源配电网差动保护方法，包括：
获取被保护区段两端的三相电流；
检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息；
计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数；
比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。
本发明的第二个方面提供一种基于交轴电流的有源配电网差动保护***。
一种基于交轴电流的有源配电网差动保护***，包括：
电流获取模块，其用于获取被保护区段两端的三相电流；
交轴电流计算模块，其用于检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息；
启动量和动作阈值计算模块，其用于计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数；
故障判断模块，其用于比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明不需要分相差动，仅通过一条线路通信，降低了对通信的要求；只利用三相电流信息经过派克变换得到所需故障判别信息，不需要安装电压互感器，更具有经济性；派克变换得到的交轴电流具有二倍频特性，不需要分相差动，且不需要相位信息，减轻了通信线路的数量和传输量，仅需要之前周期一半的时间就能获得整个周期的信息，速度上有了很大的提高。
(2)本发明充分考虑了分布式电源的控制策略，适用于各种类型DG接入的配电网，尤其是在故障特征特殊的IIDG接入时具有较高的灵敏性，不受DG类型和容量影响，在故障特性特殊的逆变型分布式电源接入时有较高的灵敏性。
(3)本发明只利用三相电流信息经过派克变换得到所需故障信息，不需要安装电压互感器，更具有经济性；识别方法原理简单、清楚，识别准确，易于工程实现。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1(a)为交直轴、三相电流轴以及参考轴的相对位置关系；
图1(b)同步电机内部交直轴与三相电流轴的相对位置关系；
图2为简单的有源配电网示意图；
图3为有源配电网仿真模型示意图；
图4(a)为f1点发生三相短路时区段MN两端启动量与动作阈值的变化曲线；
图4(b)为f1点发生两相短路时区段MN两端启动量与动作阈值量的变化曲线；
图4(c)为f1点发生两相接地短路时区段MN两端启动量与动作阈值的变化曲线；
图4(d)为f1点发生含10Ω过渡电阻两相接地短路时区段MN两端启动量与动作阈值的变化曲线；
图5为本发明实施例的故障区段定位方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
参照图5，本实施例的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法，包括以下步骤：
S101：获取被保护区段两端的三相电流。
S102：检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息。
在具体实施中，由派克变换分别计算馈线两端故障后各个采样点的交轴电流。
通过派克变换，从第k个采样点的三相电流值iabc(k)变换为第k个采样点的交轴电流iq(k)值，具体为：
Figure BDA0002803449530000071
其中φ＝2πfkΔt+θ0，f为三相交流电基波频率，Δt为采样间隔，θ0为交轴与参考轴的夹角，如图1(a)和图1(b)所示。
其中，通过派克变换提前交轴电流信号，因而不需要分相差动且不需要相位信息，减轻了通信线路的数量和传输量；派克变换得到的交轴电流具有二倍频特性，仅需要之前周期一半的时间就能获得整个周期的信息，速度上有了很大的提高。而且只利用三相电流信息经过派克变换得到所需故障判别信息，不需要安装电压互感器，更具有经济性。
在本实施例中，被保护区段两端基于光纤通信交换各采样点交轴电流信息及采样时刻信息。
本实施例的这种方法不需要分相差动，仅通过一条线路通信，降低了对通信的要求。
在本实施例中，交换被保护区段两端的各采样点信息包括：交换被保护区段两端的各采样点的交轴电流信息及采样时刻信息。
S103：计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数。
其中，基于线路两端交轴电流计算保护启动量和动作阈值的原理为：
以图2所示的有源配电网为例，规定MN两端的参考正方向为母线指向线路。计算两端各对应采样点的启动量和动作阈值，具体为：
第k个采样点的动作量为:
Figure BDA0002803449530000081
第k个采样点的动作阈值为:
Figure BDA0002803449530000082
其中
Figure BDA0002803449530000083
分别为被保护区段两端第k个采样点交轴电流值，Kset为大于0且小于1的可靠性系数。
RTDG的故障特性与传统电机相似，当区段内部发生故障，流过区段两端的电流迅速增大，方向由母线指向线路，均为正方向，会使启动量迅速增大，动作阈值迅速减小。
IIDG采用双闭环控制模式，即外环功率控制，内环电流控制。内环为了简化控制方式采用交直轴电流控制。IIDG通过逆变器与电网联接，为避免短路电流过大对电力电子设备造成损害，故障发生后，其产生的最大短路电流限制在额定电流的1.2-2倍以内。根据并网章程的规定，联接到中压和高压配电***的IIDG必须具有低压穿越的能力。即，当***电压下降时，要求逆变型分布式电源维持并网运行，并优先输出无功电流(交轴电流)来支持电压。考虑到正常运行情况下，逆变型分布式电源的输出功率因数为1，即只输出直轴电流，而故障情况下优先无功电流即交轴电流这一特性，虽然IIDG短路电流较小，但是几乎全为交轴电流，能够使得区内两端的启动量迅速升高，保证故障区段定位方法的可靠性。
另外，IIDG的交轴电流输出情况与并网点电压跌落程度有关。考虑故障位置距离IIDG接入点的位置较远或者经大的过渡电阻短路等极端情况，引进小于1的可靠性系数来保证本实施例的差动保护方法能够广泛适用。
综上所述，无论DG的类型，在故障情况下，故障区段和非故障区段的启动量与动作阈值存在明显的差异，为基于交轴电流差动保护的方案建立了理论基础。
S104：比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。
在具体实施中，累计一个周期内n个采样点的启动量和动作阈值作为故障区段判据，其原理为：
一个周期的电流能够反映所有的故障信息，但是因为故障初始状态不同，得到的第一个周期的电流值也不同。为了消除因故障起始状态不同引起的第一周期的电流变化的不确定性，采取累积的方式计算动作量和动作阈值，能够得到更加稳定的响应。
累计一个周期内n个采样点的启动量和动作阈值，具体为：
一个周期内n个采样点的启动量之和：
Figure BDA0002803449530000101
一个周期内n个采样点的动作阈值之和：
Figure BDA0002803449530000102
利用PSCAD构建含不同类型DG的配电网仿真模型，对故障区段定位方法进行仿真验证：
1)建立模型
仿真模型结构如图3所示。***基准电压为10.5kV，***等值内阻Zs＝j0.14Ω，线路参数r1＝0.13Ω/km，x1＝0.402Ω/km，线路长度均为2km；母线P接入逆变型分布式电源，容量为2MW，母线Q接入旋转型分布式电源，容量为5MW；馈线上各负荷的额定功率均为5MVA，功率因数均为0.9。在断路器Sij处配置相应的保护。故障点f1、f2、f3分别位于馈线MN、NP、NQ中。
2)典型故障仿真
在f1点处0.3s设置三相短路、两相短路、两相接地短路和经10Ω过渡电阻的两相接地短路时，故障发生位置再线路中间故障发生后取一个周期长度的时间窗推移计算，分别如图4(a)、图4(b)、图4(c)和图4(d)所示。
分析图4(a)-(d)可知，无论发生何种故障，故障区段在故障发生后极短时间内，启动量迅速超过动作阈值。在不同的故障类型下，启动量与动作阈值有变化，但是所设置的不同故障类型下均能正确判别故障类型。
在f1、f2、f3处分别设置不同类型的故障，并且考虑故障位于线路首端和末端两种情况。仿真结果如表1-表3所示，其中的各项数据均取自故障后第10ms。
表1故障点为f1时的仿真结果
Figure BDA0002803449530000111
表2故障点为f2时的仿真结果
Figure BDA0002803449530000112
Figure BDA0002803449530000121
表3故障点为f3时的仿真结果
Figure BDA0002803449530000122
由表1、表2与表3仿真结果可知，在接入不同类型的DG的馈线上，无论故障类型或者故障位置距离DG的远近，所得仿真结果与理论分析结果一致。本发明所述保护原理能够保证在故障区段启动量迅速大于动作阈值，非故障区段启动量始终小于动作阈值。在不同的故障类型中，所得启动量和动作阈值有明显的数值差异，但是启动量和动作阈值的大小关系始终与理论结果相符。
由以上仿真结果可知，本实施例提出的基于交轴电流的故障区段定位方法广泛适用于各种DG接入的配电网络，能够反映所有故障类型，且保证较高的灵敏度。
本实施例需要采集被保护馈线两端的三相电流以计算交轴电流，根据各采样点的交轴电流的特性，计算被保护馈线两端的启动量和动作阈值，取一个周期各采样点启动量和动作阈值之和来减小因故障初始状态不同造成的影响，以得到光滑平稳的响应。
根据PSCAD得仿真结果显示，在不同故障情况下，本实施例能在10ms以内正确定位故障区段，并且在过渡电阻比较大的情况下保证高灵敏度地判别故障区段。此外，该发明将三相电流转变为交轴电流，仅需要一条通信线路即可完成所需故障信息的交换，减轻了通信的负担。此外，本实施例的该保护方法仅利用三相电流信息计算交轴电流，无需安装电压互感器，大大降低了设备成本，更适用于复杂的配电网络。
实施例二
本实施例提供了一种基于交轴电流的有源配电网差动保护***，其包括：
电流获取模块，其用于获取被保护区段两端的三相电流；
交轴电流计算模块，其用于检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息；
启动量和动作阈值计算模块，其用于计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数；
故障判断模块，其用于比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。
本实施例的基于交轴电流的有源配电网差动保护***中的各个模块，与实施例一中的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的步骤。
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、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于交轴电流的有源配电网差动保护方法，其特征在于，包括：
获取被保护区段两端的三相电流；
检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息；
由派克变换分别计算馈线两端故障后各个采样点的交轴电流；
计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数；
比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。
2.如权利要求1所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法，其特征在于，被保护区段两端基于光纤通信交换各采样点信息。
3.如权利要求1或2所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法，其特征在于，交换被保护区段两端的各采样点信息包括：各采样点交轴电流信息及采样时刻信息。
4.一种基于交轴电流的有源配电网差动保护***，其特征在于，包括：
电流获取模块，其用于获取被保护区段两端的三相电流；
交轴电流计算模块，其用于检测到被保护区段发生故障后，分别计算被保护区段两端的故障后各个采样点的交轴电流，且交换被保护区段两端的各采样点信息；
在所述交轴电流计算模块中，由派克变换分别计算馈线两端故障后各个采样点的交轴电流；
启动量和动作阈值计算模块，其用于计算被保护区段两端各对应采样点的启动量和动作阈值；其中，启动量为被保护区段两端的交轴电流之和的绝对值；动作阈值为被保护区段两端的交轴电流之差的绝对值，再乘一个小于1的可靠性系数；
故障判断模块，其用于比较一个周波内所有采样点交轴电流启动量之和与一个周波内所有采样点动作阈值之和，当前者大于后者时，则判定被保护区段内部发生故障。
5.如权利要求4所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护***，其特征在于，在所述交轴电流计算模块中，被保护区段两端基于光纤通信交换各采样点信息。
6.如权利要求4或5所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护***，其特征在于，交换被保护区段两端的各采样点信息包括：各采样点交轴电流信息及采样时刻信息。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的基于交轴电流的有源配电网差动保护方法中的步骤。
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