一種微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)方法與流程

本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)，特別是一種微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

微電網(wǎng)是由分布式電源(DG)和負(fù)荷組成的一個(gè)區(qū)域性小型電力網(wǎng)絡(luò)，是目前分布式發(fā)電最有效的利用途徑。微電源通常是采用逆變器接口進(jìn)行并網(wǎng)的逆變型分布式電源(IBDG)，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，為了保護(hù)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(nèi)；同時(shí)，IBDG并網(wǎng)位置靈活，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)內(nèi)潮流會(huì)出現(xiàn)雙向流動(dòng)。這些特點(diǎn)使得傳統(tǒng)配網(wǎng)中的電流保護(hù)難以直接運(yùn)用到微電網(wǎng)當(dāng)中，為此必須尋求一種新的保護(hù)方法，保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)上述微電網(wǎng)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(wǎng)保護(hù)可靠性的要求。為此，有學(xué)者提出了一種部分基于通信的微電網(wǎng)保護(hù)方案--基于母線低阻抗的微電網(wǎng)保護(hù)(包含阻抗模值判據(jù)和相角判據(jù))。利用故障后，兩端母線電壓的跌落，和潮流方向的改變，計(jì)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(qū)間。這種保護(hù)方法利用故障前后母線電壓和線路電流的比值信息，構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，克服了逆變器限流模塊對(duì)短路電流大小的限制和網(wǎng)內(nèi)潮流雙向的影響，同時(shí)，兩端通信僅交換布爾量信息，對(duì)通信要求較低，保護(hù)可靠性較高。但是，經(jīng)過分析和驗(yàn)證，在區(qū)內(nèi)發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障時(shí)，較大的過渡電阻會(huì)削弱故障時(shí)電氣量特征，影響阻抗母線測(cè)量阻抗模值判據(jù)的可靠動(dòng)作，使得故障期間母線測(cè)量阻抗模值過大，造成保護(hù)拒動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)方法，解決微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障時(shí)，較大的過渡電阻造成母線低阻抗保護(hù)拒動(dòng)的問題。

一種微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)方法，其特征在于，包括以下步驟：

監(jiān)測(cè)線路兩端母線測(cè)量阻抗模值和相角；

電壓突變量啟動(dòng)，計(jì)算過渡電阻引起的附加阻抗角；

計(jì)算測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)，修正母線測(cè)量阻抗模值；

判斷修正后的母線測(cè)量阻抗模值是否滿足阻抗模值動(dòng)作判據(jù)，判斷母線測(cè)量阻抗相角是否滿足相角動(dòng)作判據(jù)；

若兩個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足，則判定為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動(dòng)作。

本發(fā)明提出一種微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)方法，該方法基于母線測(cè)量電壓與線路電流的比值，求取母線測(cè)量阻抗。通過對(duì)稱分量法，結(jié)合不同的故障類型下的邊界條件，推導(dǎo)短路接地電流與短路接地負(fù)序電流相角的關(guān)系，再利用系統(tǒng)的負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)，得出保護(hù)安裝處負(fù)序電流與短路接地負(fù)序電流相角的關(guān)系，從而計(jì)算附加阻抗角并求取母線測(cè)量阻抗模值的自適應(yīng)系數(shù)，修正過渡電阻引起的附加阻抗對(duì)母線測(cè)量阻抗模值造成的影響，使得微電網(wǎng)母線低阻抗保護(hù)具有較好的抗過渡電阻特性，提高了保護(hù)的可靠性。

下面結(jié)合說明火速附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

附圖說明

圖1是中壓微電網(wǎng)線路模型圖。

圖2是m側(cè)測(cè)量阻抗向量圖。

圖3是系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖。

圖4是未經(jīng)過自適應(yīng)修正的m側(cè)測(cè)量阻抗模值圖。

圖5是經(jīng)過自適應(yīng)修正的m側(cè)測(cè)量阻抗模值圖。

圖6是區(qū)內(nèi)故障期間m、n側(cè)測(cè)量阻抗角示意圖。

圖7是微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)流程圖。

具體實(shí)施方式

一種微電網(wǎng)母線低阻抗自適應(yīng)保護(hù)方法包括如下步驟：

第一步，計(jì)算微電網(wǎng)內(nèi)線路兩端母線m、n側(cè)測(cè)量阻抗。以微電網(wǎng)一條線路發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障為例，計(jì)算m側(cè)測(cè)阻抗。m側(cè)測(cè)量阻抗表達(dá)式如式(1)所示：

式中：表示m側(cè)母線相電壓，表示流過線路m側(cè)的相電流。由上式可知，只要利用保護(hù)測(cè)控裝置測(cè)出m側(cè)母線電壓與m側(cè)線路電流測(cè)量阻抗Z_m就可以計(jì)算出，因此Z_m是一個(gè)可以直接求出的量，那么不難求出母線測(cè)量阻抗的模值|Z_m|和相角同理，n側(cè)的母線測(cè)量阻抗仿照m側(cè)母線測(cè)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(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)。以求解m側(cè)測(cè)量阻抗自適應(yīng)系數(shù)為例，n側(cè)可類似推導(dǎo)。母線測(cè)量電壓可由式(2)表示：

式中：表示線路故障點(diǎn)對(duì)地電壓；表示流過線路m側(cè)的零序電流；Z₁表示為故障點(diǎn)到m側(cè)保護(hù)安裝處的線路正序阻抗；Z₀表示故障點(diǎn)到m側(cè)保護(hù)安裝處的線路零序阻抗。則Z_m的具體表達(dá)式如式(3)所示：

式中：Z_t為金屬性接地故障時(shí)，m側(cè)的測(cè)量阻抗，ΔZ為過渡電阻引起的測(cè)量附加阻抗；為故障點(diǎn)接地電流；R_g為過渡電阻。從式(3)可知，過渡電阻R_g會(huì)使得母線測(cè)阻抗產(chǎn)生一個(gè)附加阻抗，造成阻抗模值增大。由式(3)的阻抗向量關(guān)系可以推導(dǎo)得出式(4)：

式中：為m側(cè)測(cè)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(shí)的m側(cè)測(cè)量阻抗角。由式(4)可以得出m側(cè)母線測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)k_zm如式(5)所示：

由于均可以通過保護(hù)測(cè)控裝置直接求得，因此，只要正確地估算出故障時(shí)附加阻抗角即可通過自適應(yīng)系數(shù)k_zm補(bǔ)償過渡電阻對(duì)母線測(cè)量阻抗模值判據(jù)的影響。

第三步，針對(duì)不同的故障類型，計(jì)算附加阻抗角由式(3)中附加阻抗ΔZ表達(dá)式，可知求解公式如式(6)所示：

實(shí)際運(yùn)行中，短路接地電流的相角無法直接測(cè)得，因此本發(fā)明專利的核心思想是根據(jù)不同的故障類型，結(jié)合故障的邊界條件和對(duì)稱分量法，推導(dǎo)短路接地電流與短路接地負(fù)序電流相角的關(guān)系，再利用系統(tǒng)的負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出保護(hù)安裝處負(fù)序電流與短路接地負(fù)序電流相角的關(guān)系，以此計(jì)算附加阻抗角。下面以計(jì)算m側(cè)測(cè)量阻抗的附加阻抗角為例，n側(cè)測(cè)量阻抗的附加阻抗角可同理計(jì)算出：

單相接地故障時(shí)，計(jì)算公式如式(7)所示：

兩相接地故障時(shí)，計(jì)算公式如式(8)所示：

三相接地故障時(shí)，計(jì)算公式如式(9)所示：

第四步，利用自適應(yīng)系數(shù)修正故障時(shí)母線測(cè)量阻抗幅值，進(jìn)行母線測(cè)量阻抗的模值判據(jù)和相角判據(jù)的判斷，確定故障區(qū)間。通過步驟二、三可以求得自適應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)k_zm、k_zn，帶入式(4)可求得修正后的母線測(cè)量阻抗模值|Z_m自|、|Z_n自|，利用保護(hù)測(cè)控裝置可以求得故障前后線路兩端母線的測(cè)量阻抗變化角

母線測(cè)量阻抗模值判據(jù)如式(10)所示：

|Z_m自|≤|Z_set|&|Z_n自|≤|Z_set| (10)

式中：|Z_m自|為經(jīng)過自適應(yīng)補(bǔ)償后的m側(cè)測(cè)量阻抗模值；|Z_n自|為經(jīng)過自適應(yīng)補(bǔ)償后的n側(cè)測(cè)量阻抗模值；|Z_set|為低阻抗閥值，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行整定。

母線測(cè)量阻抗相角判據(jù)如式(11)所示：

式中：為故障后m側(cè)測(cè)量阻抗角，為故障前m側(cè)測(cè)量阻抗角；為故障后n側(cè)測(cè)量阻抗角；為故障前n側(cè)測(cè)量阻抗角；θ為裕量角，一般取±30°。

如果同時(shí)滿足上述兩個(gè)判據(jù)，則判定為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動(dòng)作與斷路器跳閘。

實(shí)施例

以10kV中壓微電網(wǎng)內(nèi)的一條線路在穩(wěn)定運(yùn)行后0.2s時(shí)刻發(fā)生區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻接地故障為例，過渡電阻R_g＝50Ω，來具體說明本方法，實(shí)施步驟如下：

第一步，利用保護(hù)測(cè)控裝置，計(jì)算線路兩端母線m、n側(cè)測(cè)量阻抗。10kv中壓微電網(wǎng)的一條線路模型如附圖1所示，利用保護(hù)測(cè)控裝置可以測(cè)得m側(cè)母線測(cè)量電壓流過m側(cè)母線的線路電流n側(cè)母線測(cè)量電壓流過n側(cè)母線的線路電流利用式(1)可以計(jì)算出m、n側(cè)測(cè)量阻抗如下：

式中：|Z_m|為m側(cè)母線測(cè)量阻抗模值；為m側(cè)母線測(cè)量阻抗相角；|Z_n|為n側(cè)母線測(cè)量阻抗模值；為n側(cè)母線測(cè)量阻抗相角。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的Z_m＝143.13∠41.84°，Z_n＝142.17∠-137.8°。

第二步，求解故障期間母線測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)，以求解m側(cè)測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)為例，n側(cè)可類似推導(dǎo)。母線測(cè)量電壓可由式(2)表示：

式中：表示線路故障點(diǎn)對(duì)地電壓；表示流過線路m側(cè)的零序電流；Z₁表示為故障點(diǎn)到m側(cè)保護(hù)安裝處的線路正序阻抗；Z₀表示故障點(diǎn)到m側(cè)保護(hù)安裝處的線路零序阻抗。實(shí)驗(yàn)中取Z₀＝1.5Z₁，則Z_m的具體表達(dá)式如式(3)所示：

式中：Z_t為金屬性接地故障時(shí)，m側(cè)的測(cè)量阻抗，ΔZ為過渡電阻引起的測(cè)量附加阻抗；為故障點(diǎn)接地電流；R_g為過渡電阻。由式(3)可作出阻抗向量圖如附圖2所示，根據(jù)三角形邊角公式可得出關(guān)系式(4)：

式中：為附加阻抗的相角(簡稱附加阻抗角)；|Z_t|為金屬性接地故障時(shí)，m側(cè)的測(cè)量阻抗模值；為金屬性故障時(shí)的m側(cè)測(cè)量阻抗角。由式(4)可以求出m側(cè)測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)如式(5)所示：

式中：k_zm為m側(cè)測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)。通過式(3)中Z_t的公式可以得知的計(jì)算表達(dá)式如式(6)所示：

式中：為線路阻抗角，屬于線路的固有參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中取由式(6)可知，只要通過保護(hù)測(cè)控裝置采集到線路m側(cè)電流波形和零序電流波形，就可以計(jì)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(cè)測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)k_zm。

第三步，針對(duì)不同的故障類型，計(jì)算附加阻抗角由式(3)中附加阻抗ΔZ表達(dá)式，可知求解公式如式(7)所示：

實(shí)際運(yùn)行中，短路接地電流的相角無法直接測(cè)得，因此本發(fā)明專利的核心思想是根據(jù)不同的故障類型，結(jié)合故障的邊界條件和對(duì)稱分量法，推導(dǎo)短路接地電流與短路接地負(fù)序電流相角的關(guān)系，再利用系統(tǒng)的負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出保護(hù)安裝處負(fù)序電流與短路接地負(fù)序電流相角的關(guān)系，以此計(jì)算附加阻抗角。

以下推導(dǎo)過程每種類型故障列舉一個(gè)例子說明：

1)單相接地故障

當(dāng)線路A相發(fā)生接地故障時(shí)，短路點(diǎn)的邊界條件如式(8)所示：

式中：為短路點(diǎn)A相點(diǎn)對(duì)地電壓；分別為B、C相短路點(diǎn)對(duì)地電流。利用對(duì)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(diǎn)對(duì)地的正序、負(fù)序和零序電壓；分別為短路點(diǎn)對(duì)地的正序、負(fù)序和零序電流；為故障相短路點(diǎn)對(duì)地短路電流。結(jié)合式(7)和式(9)可以得出A相接地時(shí)的表達(dá)式如(10)所示：

式中：為m側(cè)線路A相電流。系統(tǒng)負(fù)序網(wǎng)絡(luò)如附圖3所示，由附圖3可以得出如下關(guān)系式：

式中：C_m2為負(fù)序電流分配系數(shù)，簡化計(jì)算，可以取為實(shí)數(shù)；為線路m側(cè)負(fù)序電流。結(jié)合式(10)和式(11)可以得出最終表達(dá)式如式(12)：

即利用保護(hù)安裝處負(fù)序電流的相角計(jì)算短路接地負(fù)序電流的相角，而保護(hù)安裝處的負(fù)序電流相角可以通過保護(hù)測(cè)控裝置測(cè)出，因此，阻抗附加角得以計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中此故障類型求得的理論附加阻抗角可見本方法計(jì)算的附加阻抗角精度較高。其他兩相發(fā)生單相接地故障時(shí)，附加阻抗角計(jì)算公式如下：

2)兩相接地故障

當(dāng)線路BC兩相發(fā)生接地故障時(shí)，短路點(diǎn)的邊界條件如式(14)所示：

式中：為B相短路點(diǎn)對(duì)地電壓；為C相短路點(diǎn)對(duì)地電壓。利用對(duì)稱分量法，式(14)可以寫成序分量的形式：

BC兩相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)圖如附圖4所示，由復(fù)合序網(wǎng)圖可求出表達(dá)式如下：

式中：x_1∑、x_2∑、x_0∑分別為系統(tǒng)正序、負(fù)序和零序總電抗。通過式(16)可以寫出短路點(diǎn)三相短路接地電流表達(dá)式如下：

式中：a＝e^j120°；a²＝e^-j120°；通常為了簡化計(jì)算，取x_0∑＝kx_2∑，k為實(shí)數(shù)。結(jié)合式(7)與式(17)，可以求出B、C相附加阻抗角如下：

實(shí)驗(yàn)中求得的理論本算法所求結(jié)果與理論真實(shí)結(jié)果近似。AB接地故障與CA接地故障時(shí)，附加阻抗角計(jì)算表達(dá)式如下：

3)三相接地故障

三相接地故障為對(duì)稱故障，系統(tǒng)無負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)，則附加阻抗表達(dá)式如下：

綜上，將第三步所求得的各個(gè)故障類型下的附加阻抗角帶入式(5)，即可得到對(duì)應(yīng)的阻抗復(fù)制自適應(yīng)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中各個(gè)故障類型下所求得的m側(cè)測(cè)量幅值自適應(yīng)系數(shù)匯總?cè)缦拢?/p>

第四步，利用自適應(yīng)系數(shù)修正故障時(shí)母線測(cè)量阻抗幅值，進(jìn)行母線測(cè)量阻抗的模值判據(jù)和相角判據(jù)的判斷，確定故障區(qū)間。

測(cè)量阻抗模值判據(jù)如下：

|Z_m|≤|Z_set|&|Z_n|≤|Z_set| (22)

式中：|Z_m|為m側(cè)測(cè)量阻抗模值；|Z_n|為n側(cè)測(cè)量阻抗模值；|Z_set|為阻抗動(dòng)作閥值，可根據(jù)實(shí)際情況整定，實(shí)驗(yàn)中取0.25倍正常運(yùn)行時(shí)的測(cè)量阻抗|Z_set|＝35.75Ω。

測(cè)量阻抗相角判據(jù)如下：

或

式中：為故障后m側(cè)測(cè)量阻抗角，為故障前m側(cè)測(cè)量阻抗角；為故障后n側(cè)測(cè)量阻抗角；為故障前n側(cè)測(cè)量阻抗角；θ為裕量角，一般取±30°。

實(shí)驗(yàn)以m側(cè)為例說明本發(fā)明所提算法的有效性，n側(cè)原理相同。過渡電阻R_g＝50Ω，在0.2s分別發(fā)生A相接地、BC接地，ABC接地故障，在未引入測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)時(shí)，m側(cè)測(cè)量阻抗模值波形如附圖4所示，可見過渡電阻產(chǎn)生附加阻抗，造成測(cè)量阻抗模值偏大，阻抗模值判據(jù)拒動(dòng)。在引入測(cè)量阻抗模值自適應(yīng)系數(shù)后，m側(cè)測(cè)量阻抗模值波形如附圖5所示，可見，本發(fā)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(hù)具有很好的抗過渡電阻能力，提高了保護(hù)的可靠性。m、n側(cè)測(cè)量阻抗相角波形如附圖6所示，相角判據(jù)使得了區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作，區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)不誤動(dòng)，保證了保護(hù)的選擇性，附圖7為保護(hù)算法流程圖。