CN114675138B - 一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法及*** - Google Patents

一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力***技术领域，提出了一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法及***，包括对同一母线下的每个出线间隔执行第一模型简化操作，得到简化后的线路参数模型；在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数；对故障出线间隔执行第二模型简化操作，得到简化后的故障线路参数模型，所述故障出线间隔为故障点所在的出线间隔。通过求解线性方程组来完成最终的故障计算，在保证精确度的前提下，极大提高了计算速度，且不会出现计算不收敛的情况。解决了现有技术中含分布式光伏电源的配电网继电整定计算无法兼顾计算速度与准确度，计算效果不佳的问题。

Description

一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法及***
技术领域
本发明涉及电力***技术领域，具体的，涉及一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法及***。
背景技术
继电保护整定计算是继电保护工作的一项重要内容，在***发生故障时，继电保护装置应满足速动性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，当电力***任一地点发生故障时，能够迅速、可靠、有选择性地切除故障元件，尽可能缩小事故影响的范围，使电力***能够迅速地恢复正常运行。随着分布式光伏电源接入配电网的规模日益增大，传统的配电网已初步过渡为有源配电网，在进行继电保护整定计算时需要将分布式光伏电源对故障电流影响考虑在内，才能保证计算的准确性。
目前在进行含分布式光伏电源的配电网的继电整定计算时，存在以下问题：第一、采用“恒流源”模型进行计算，不考虑电网结构，将各分布式光伏电源的故障电流等效为恒定的电流源，计算速度快，但精确度很低，可能导致计算结果偏差过大，进而影响保护定值的整定；第二、采用“受控电流源”模型进行计算，计算准确度高，但目前的技术都需要迭代计算，随着网络结构的复杂，计算量会成几何级数增长，遇到同一母线上多个间隔都接入了分布式光伏电源时，不但计算量过大，还可能会出现迭代不收敛的情况，导致计算失败。
因此，上述原因导致了含分布式光伏电源的配电网继电整定计算无法兼顾计算速度与准确度，计算效果不佳。
发明内容
本发明提出一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法及***，解决了现有技术中含分布式光伏电源的配电网继电整定计算无法兼顾计算速度与准确度，计算效果不佳的问题。
本发明的技术方案如下：
第一方面，一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法，包括如下步骤：
对同一母线下的每个出线间隔执行第一模型简化操作，得到简化后的线路参数模型；
在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数；
对故障出线间隔执行第二模型简化操作，得到简化后的故障线路参数模型，所述故障出线间隔为故障点所在的出线间隔；
在简化后的故障线路参数模型基础上，对故障出线间隔进行分组，所述分组包括，从故障出线间隔的各分布式电源开始，向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，标记连接点和追溯路径上的所有设备为一个组，标记连接点的电压为Udn；
计算故障出线间隔中各组的等效受控电流源模型Idn＝adnUdn+cdn，其中，Idn表示各组的故障电流，adn、cdn表示各组的等效电流源系数；
将与故障出线间隔连接在同一母线上的其他所有出线间隔等效为一个受控电流源，计算其等效受控电流源模型其中，Iws表示其他所有出线间隔的故障电流，/>表示其他出线间隔各自等效电流源的系数之和；
根据故障点的位置，形成矩阵形式的节点电压方程，
其中，Ig表示故障点的电路，Ug表示故障点的电压，Y11～Y(n+2)(n+2)表示导纳矩阵中的各元素，该矩阵为n+2阶，n表示故障出线间隔中组的数量；
将故障点电压表达式Ug＝U0+(Ig-Iws-Id1-...-Idn)Zs代入所述节点电压方程，得到修正方程其中Zs表示上级电网归算至母线的等值阻抗；
求解修正方程得到故障点电流Ig、故障出线间隔各组的故障电流Id1～Idn和统一母线上其他出线间隔的故障电流Iws。
第二方面，一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算***，包括，
第一处理单元，用于对同一母线下的每个出线间隔执行第一模型简化操作，得到简化后的线路参数模型；
第一计算单元，用于在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数；
第二处理单元，用于对故障出线间隔执行第二模型简化操作，得到简化后的故障线路参数模型，所述故障出线间隔为故障点所在的出线间隔；
第一分组单元，用于在简化后的故障线路参数模型基础上，对故障出线间隔进行分组，所述分组包括，从故障出线间隔的各分布式电源开始，向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，标记连接点和追溯路径上的所有设备为一个组，标记连接点的电压为Udn；
第二计算单元，用于计算故障出线间隔中各组的等效受控电流源模型Idn＝adnUdn+cdn，其中，Idn表示各组的故障电流，adn、cdn表示各组的等效电流源系数；
第一等效单元，用于将与故障出线间隔连接在同一母线上的其他所有出线间隔等效为一个受控电流源，计算其等效受控电流源模型其中，Iws表示其他所有出线间隔的故障电流，/>表示其他出线间隔各自等效电流源的系数之和；
第一生成单元，用于根据故障点位置，形成矩阵形式的节点电压方程；
第三计算单元，用于将故障点电压表达式代入所述节点电压方程，得到修正方程；
第四计算单元，用于求解修正方程得到故障点电流Ig、故障出线间隔各组的故障电流Id1～Idn和统一母线上其他出线间隔的故障电流Iws。
第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法的步骤。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明采用了分布式光伏电源的受控电流源故障计算模型，结合网络结构和拓扑方向，对阻抗矩阵进行简化；利用节点电压方程将各出线间隔等效为各自独立的受控电流源，完成参数预处理；计算故障出线间隔内的故障电流时，将线路模型按拓扑方向分组，拆成多个阻抗矩阵并进行等效，得到简化线路故障计算模型，在此基础上通过求解线性方程组来完成最终的故障计算，在保证精确度的前提下，极大提高了计算速度，且不会出现计算不收敛的情况。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例1中的线路基础单线图；
图3为本发明实施例1中的103出线间隔线路简化图；
图4为本发明实施例1中的101出线间隔线路简化图；
图中：1、分布式光伏电源，2、母线，3、故障点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种含分布式光伏电源的配电网故障电流快速精准计算方法，本实施例中分布式光伏电源的短路计算模型采用受控电流源模型，且不计故障时正序电流d轴分量的影响。
包括
1、参数预处理
(1)简化各出线间隔的线路参数模型，包括以下步骤：
1)从各分布式光伏电源沿着拓扑逆方向向变电站出线开关回溯，记录路径上的所有设备；
2)去掉全线路所有未记录的设备，合并连接在一起且连接点处无分支线的线路段，将其阻抗相加，得到新的线路段，得到简化的线路参数模型。
(2)在简化线路参数模型的基础上，求解各间隔等效后的受控电流源模型；
1)形成矩阵形式的节点电压方程：
式中，Uwn表示各分布式光伏电源的机端电压，Iwn表示各分布式光伏电源的正序电流幅值，U0表示故障时的母线电压，Y11～Ynn表示线路导纳矩阵中的各元素；。
2)将受控电流源表达式带入节点电压方程，形成修正方程：
受控电流源的表达式为：
Iwn＝1.5(0.9-Uwn)IN 式2
式中，IN为逆变器额定电流。
修正方程的计算式为：
整理后得到
该方程组为最终的修正方程。
3)计算各间隔等效受控电流源
根据式4，解得：
Iwn＝anU0+cn 式5
式中，Iwn表示出线间隔所有分布式光伏电源的故障电流之和，an、cn表示出线间隔的等效受控电流源系数。各间隔的an和cn在进行参数预处理后存储在数据库中，在计算故障电流时直接调用即可，无需实时计算。
2、计算某一出线间隔发生短路故障时的故障电流
(1)简化故障出线间隔的线路参数模型，包括以下步骤：
1)从各分布式光伏电源沿着线路向故障点追溯，记录路径上的所有设备；
2)从源断路器沿着线路向故障点追溯，记录路径上的所有设备，并将此时标记的设备定义为故障主路径；
3)去掉全线路所有未记录的设备，合并连接在一起且连接点处无分支线的线路段，将其阻抗相加，得到新的线路段，最终得到简化的参数模型。
(2)将故障出线间隔的分布式光伏电源故障计算模型进行分组等效，包括以下步骤：
1)在简化的参数模型基础上，对线路的进行分组，从各分布式电源开始向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，记录此“点”及路径上的所有设备；
2)将1)中的各个“点”及与其连接的路径上所有设备标记为一个“组”，此点的电压记为Udn，将式3中的Udn替换为Udn，并求解方程，得到该“组”的等效受控电流源模型：
Idn＝adnUdn+cdn 式6
式中Idn表示各组的故障电流，adn、cdn表示各组的等效电流源系数。
3)去掉“组”内的所有设备，将各“组”用2)中的受控电流源模型表示。
(3)将与故障出线间隔连接在同一母线上的其余所有间隔等效为一个受控电流源，计算公式如下：
式中，Iws表示其他所有出线间隔的故障电流，表示其他出线间隔各自等效电流源的系数之和。相当于在故障出线间隔的源断路器位置并联增加一个受控电流源，其表达式为式7，最终得到完整故障计算模型。
(4)计算故障出线间隔某一点发生故障时的故障电流，包括以下步骤：
1)形成矩阵形式的节点电压方程：
式中，Ig表示故障点的电路，Ug表示故障点的电压，Y11～Y(n+2)(n+2)表示导纳矩阵中的各元素，该矩阵为n+2阶，n表示故障出线间隔中组的数量。
其中，Ug满足以下约束条件：
Ug＝U0+(Ig-Iws-Id1-...-Idn)Zs 式9
式中，Zs为上级电网归算至母线的等值阻抗，为已知量。
2)将式9带入节点电压方程式8，形成修正方程：
该修正方程为关于Ig、Iws、Id1～Idn的线性方程组，求解线性方程组的方法十分常见，因此不再赘述。求解之后即可得到目标值修正方程得到故障点电流Ig、故障出线间隔各组的故障电流Id1～Idn和统一母线上其他出线间隔的故障电流Iws。
如图2～图3所示，其中图2为同一条母线中的三个出线间隔，以103间隔为例，根据故障信息简化线路参数模型，利用线路拓扑结构去掉与故障计算无关的线路，得到图3。
形成矩阵形式的节点电压方程
式中，Uwn为各分布式光伏电源的机端电压，Iwn为各分布式光伏电源的正序电流幅值；U0为故障时的母线电压；Ynn为线路导纳矩阵中的各元素。
将Iwn＝1.5(0.9-Uwn)IN带入节点电压方程，形成修正方程
式中，IN为逆变器额定电流，[e]为单位矩阵。
求解修正方程，得到：将系数a、c存储在103间隔对应的数据库中，完成103间隔参数的预处理。
简化故障间隔的线路参数模型，以图2中的101间隔为例，故障点位于标记位置，简化时包括以下步骤：
1)从各分布式光伏电源1-5沿着线路向故障点追溯，记录路径上的所有设备；
2)从源断路器沿着线路向故障点追溯，记录路径上的所有设备，并将此时标记的设备定义为故障主路径；
3)去掉全线路所有未记录的设备，合并连接在一起且连接点处无分支线的线路段，将其阻抗相加，得到新的线路段，最终得到简化的参数模型。
故障出线间隔的分布式光伏电源故障计算模型进行分组等效，包括以下步骤：
1)在简化的参数模型基础上，对线路的进行分组，从各分布式电源开始向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，记录此“点”及路径上的所有设备；
2)将1)中的各个“点”及与其连接的路径上所有设备标记为一个“组”，101间隔共有2个“点”、2个“组”，点的电压记为Ud1、Ud2，将修正方程中的U0替换为Ud1、Ud2，并求解方程，得到该“组”的等效受控电流源模型：
式中Id1、Id2为“组1”、“组2”等效故障电流，Ud1、Ud2为各“点1”、“点2”的电压，ad1、cd1、ad2、cd2为“组1”、“组2”的等效电流源的系数。
3)去掉“组”内的所有设备，将各“组”用2)中的受控电流源模型表示。
将与故障出线间隔连接在同一母线上的其余所有间隔等效为一个受控电流源，计算公式为：式中，Iws为与故障出线间隔连接在同一母线上的其余所有间隔(102、103间隔)的故障电流，/>表示这些间隔各自等效电流源的系数a、c之和。
在故障出线间隔的源断路器位置并联增加一个受控电流源，最终得到完整故障计算模型，如图4。
计算故障出线间隔某一点发生故障时的故障电流，包括以下步骤：
1)形成矩阵形式的节点电压方程：式中，Ig为故障点的电流，Ug为故障点的电压，Y11-Y44为导纳矩阵中的各元素。
其中，Ug满足以下约束条件：Ug＝U0+(Ig-Iws-Id1-Id2)Zs，式中，Zs为上级电网归算至母线的等值阻抗，为已知量。
2)将Ug带入节点电压方程，形成修正方程：
该修正方程为关于Ig、Iws、Id1、Id2的线性方程组，求解之后即可得到目标值Ig、Iws、Id1、Id2。
实施例2
基于与上述实施例1相同的构思，本实施例还提出了一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算***，包括，
第一处理单元，用于对同一母线下的每个出线间隔执行第一模型简化操作，得到简化后的线路参数模型；
第一计算单元，用于在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数；
第二处理单元，用于对故障出线间隔执行第二模型简化操作，得到简化后的故障线路参数模型，所述故障出线间隔为故障点所在的出线间隔；
第一分组单元，用于在简化后的故障线路参数模型基础上，对故障出线间隔进行分组，所述分组包括，从故障出线间隔的各分布式电源开始，向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，标记连接点和追溯路径上的所有设备为一个组，标记连接点的电压为Udn；
第二计算单元，用于计算故障出线间隔中各组的等效受控电流源模型Idn＝adnUdn+cdn，其中，Idn表示各组的故障电流，adn、cdn表示各组的等效电流源系数；
第一等效单元，用于将与故障出线间隔连接在同一母线上的其他所有出线间隔等效为一个受控电流源，计算其等效受控电流源模型其中，Iws表示其他所有出线间隔的故障电流，/>表示其他出线间隔各自等效电流源的系数之和；
第一生成单元，用于根据故障点位置，形成矩阵形式的节点电压方程；
第三计算单元，用于将故障点电压表达式代入所述节点电压方程，得到修正方程；
第四计算单元，用于求解修正方程得到故障点电流Ig、故障出线间隔各组的故障电流Id1～Idn和统一母线上其他出线间隔的故障电流Iws。
前述实施例1中的一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算***，通过前述一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算***的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。
实施例3
基于与上述实施例1相同的构思，本实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法的步骤。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
对同一母线下的每个出线间隔执行第一模型简化操作，得到简化后的线路参数模型；
在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数；
对故障出线间隔执行第二模型简化操作，得到简化后的故障线路参数模型，所述故障出线间隔为故障点所在的出线间隔；
在简化后的故障线路参数模型基础上，对故障出线间隔进行分组，所述分组包括，从故障出线间隔的各分布式电源开始，向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，标记连接点和追溯路径上的所有设备为一个组，标记连接点的电压为；
计算故障出线间隔中各组的等效受控电流源模型，其中，/>表示各组的故障电流，/>为故障主路径上的连接点电压，/>、/>表示各组的等效电流源系数；
将与故障出线间隔连接在同一母线上的其他所有出线间隔等效为一个受控电流源，计算其等效受控电流源模型，其中，/>为故障时的母线电压，/>表示其他所有出线间隔的故障电流，/>、/>表示其他出线间隔各自等效电流源的系数之和；
根据故障点的位置，形成矩阵形式的节点电压方程，
，其中，/>表示故障点的电路，/>表示故障点的电压，/>~/>表示导纳矩阵中的各元素，该矩阵为n+2阶，n表示故障出线间隔中组的数量；
将故障点电压表达式代入所述节点电压方程，得到修正方程/>，其中/>表示上级电网归算至母线的等值阻抗；
求解修正方程得到故障点电流、故障出线间隔各组的故障电流/>~/>和统一母线上其他出线间隔的故障电流/>。
2.根据权利要求1所述的一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法，其特征在于，所述在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数，包括，
根据简化后的线路参数模型，得到矩阵形式的节点电压方程，
，其中，/>表示各分布式光伏电源的机端电压，/>表示各分布式光伏电源的正序电流幅值，/>表示故障时的母线电压，/>~/>表示线路导纳矩阵中的各元素；
将受控电流源表达式代入节点电压方程，得到修正方程
，整理后得到，
求解修正方程得到，其中/>表示出线间隔所有分布式光伏电源的故障电流之和，/>为逆变器额定电流，/>、/>表示出线间隔的等效受控电流源系数。
3.根据权利要求1所述的一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法，其特征在于，所述第一模型简化操作包括，
从各分布式光伏电源开始，沿着拓扑逆方向，向出线间隔的原断路器回溯，记录路径上的所有设备；
去掉所有未记录的设备，得到新的线路段，作为简化后的线路参数模型。
4.根据权利要求1所述的一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法，其特征在于，所述第二模型简化操作包括，
从各分布式光伏电源沿着线路向故障点追溯，记录路径上的所有设备；
从源断路器沿着线路向故障点追溯，记录路径上的所有设备，并将此路径定义为故障主路径；
去掉故障出线间隔中所有未记录的设备，得到新的线路段，作为简化后的故障线路参数模型。
5.一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算***，其特征在于，包括，
第一处理单元，用于对同一母线下的每个出线间隔执行第一模型简化操作，得到简化后的线路参数模型；
第一计算单元，用于在简化后的线路参数模型基础上，计算各出线间隔的等效受控电流源模型，并存储每个出线间隔的等效电流源系数；
第二处理单元，用于对故障出线间隔执行第二模型简化操作，得到简化后的故障线路参数模型，所述故障出线间隔为故障点所在的出线间隔；
第一分组单元，用于在简化后的故障线路参数模型基础上，对故障出线间隔进行分组，所述分组包括，从故障出线间隔的各分布式电源开始，向故障主路径方向进行追溯，遇到故障主路径上的连接点时停止，标记连接点和追溯路径上的所有设备为一个组，标记连接点的电压为；
第二计算单元，用于计算故障出线间隔中各组的等效受控电流源模型，其中，/>表示各组的故障电流，/>、/>表示各组的等效电流源系数；
第一等效单元，用于将与故障出线间隔连接在同一母线上的其他所有出线间隔等效为一个受控电流源，计算其等效受控电流源模型，其中，/>为故障时的母线电压，/>表示其他所有出线间隔的故障电流，/>、/>表示其他出线间隔各自等效电流源的系数之和；
第一生成单元，用于根据故障点位置，形成矩阵形式的节点电压方程；
第三计算单元，用于将故障点电压表达式代入所述节点电压方程，得到修正方程；
第四计算单元，用于求解修正方程得到故障点电流、故障出线间隔各组的故障电流~/>和统一母线上其他出线间隔的故障电流/>。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的一种含分布式光伏电源的配电网故障电流计算方法的步骤。
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