一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法及系统

1.本发明属于有源配电网继电保护技术领域，涉及一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法及系统。


背景技术：

2.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。
3.随着化石能源的短缺、电力电子技术的发展和国民经济对电能需求的增加，大量分布式电源(distributed generation,dg)接入配电网，改变了配电网的潮流方向，配电网由传统的单电源辐射型网络转变为复杂的多端多源网络，潮流和故障电流的方向、分布式电源的故障特性以及穿越电流等问题给配网安全稳定运行带来了诸多问题。
4.根据并入配网的方式不同，dg可以分为直接接入配网的电机型分布式电源(mtdg)和经逆变器接入配网的逆变型分布式电源(iidg)。前者的输出特性与传统电机型电源的特性相近，故障特性与系统电源基本一致；后者与传统同步发电机区别较大，故障特性受控制策略影响较大，输出故障电流与故障点位置、过渡电阻大小、故障类型以及iidg渗透率等都有一定关系。这些特性使得传统配网保护方法的灵敏度发生变化，甚至出现拒动或误动现象。传统三段式电流保护已不再适用。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法及系统，本发明采用线路两端序分量进行线路保护，判断精度高，不受过渡电阻、穿越电流、iidg投切情况和接入负荷大小影响，能够在发生区内故障时可靠动作，发生区外故障时可靠不动。
6.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，包括以下步骤：
8.获取配电网结构和参数，通过整定获得保护动作门槛值；
9.获取有源配电网输电线路上的电流信息，进行突变量检测；
10.当发现电流信息的变化超过设定范围时，向有源配电网线路保护装置发送启动信号，并对该分支馈线其他所有保护装置发送启动信号；
11.获取保护启动后的被保护线路近系统侧和分布式电源侧的工频全电压全电流量，计算得出线路两端电压电流的序分量，计算特征值，根据特征值和设定阈值的关系，判断故障类型判断，基于类型判断结果，根据所述保护动作门槛值或电流信息，判断是否发生区内故障。
12.作为可选择的实施方式，通过整定获得保护动作门槛值的具体过程包括，根据计算保护动作门槛值z
set
；其中，k
rel
为可靠系数，取值范围为
1.2～1.5，为被保护线路负序阻抗，为系统电源母线到被保护线路区段负序阻抗，为系统电源等效负序阻抗。
13.作为可选择的实施方式，计算特征值的具体过程包括根据测点测得的正序电流与负序电流的幅值计算可得故障类型识别特征值其中为保护装置处测得的负序、正序电流幅值。
14.作为可选择的实施方式，若特征值大于第一设定值，则判断发生非对称故障，启动非对称故障保护判据，根据采集到的负序电压电流量计算负序比值阻抗，比较计算结果与保护动作门槛值，判断是否发生区内故障。
15.作为进一步的，判断发生非对称故障后，启动基于负序比值阻抗zs的非对称故障保护判据，当zs大于kz
set
时，判断未发生区内故障，当zs小于z
set
时，判断发生区内故障；其中，zs为自定义的负序比值阻抗，z
set
为保护动作门槛值，k为设定倍数。
16.更进一步的，自定义的负序比值阻抗zs保护判据具体为其中，分别为被保护线路两端近系统侧的负序电压、负序电流、近分布式电源侧的负序电压、负序电流。
17.作为可选择的实施方式，若特征值小于第二设定值，所述第二设定值小于第一设定值，证明发生对称故障，启动对称故障保护判据，通过测量被保护线路近系统侧和远离系统侧两端正序电流幅值之比，判断是否发生区内故障。
18.进一步的，判断发生对称故障后，启动基于正序电流幅值比η的对称故障保护判据，当η小于第一阈值时，判断未发生区内故障，当η大于第二阈值时，判断发生区内故障；其中，η为自定义的正序电流幅值比，第二阈值大于第一阈值。
19.更进一步的，自定义的正序电流幅值比η保护判据具体为其中，分别为被保护线路两端近系统侧和近分布式电源侧的正序电流幅值。
20.一种基于序分量的有源配电网纵联保护系统，包括：
21.整定模块，其被配置为获取配电网结构和参数，通过整定获得保护动作门槛值；
22.采集模块，其被配置为获取有源配电网输电线路上的电流信息；
23.突变量启动模块，其被配置为进行突变量检测，当发现电流信息的变化超过设定范围时，向有源配电网线路保护装置发送启动信号，并对该分支馈线其他所有保护装置发送启动信号；
24.故障识别模块，其被配置为获取保护启动后的被保护线路近系统侧和分布式电源侧的工频全电压全电流量，计算得出线路两端电压电流的序分量，计算特征值，根据特征值和设定阈值的关系，判断故障类型判断，基于类型判断结果，根据所述保护动作门槛值或电流信息，判断是否发生区内故障。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
26.本发明对发生故障前的配电网已知结构进行参数整定得到保护动作门槛值，测得被保护线路两端的序电压、序电流，通过计算特征值k判断故障类型，若为非对称故障则启动负序比值阻抗保护判据，将计算得到的负序比值阻抗zs与保护动作门槛值z
set
作比较判
断是否发生区内故障；若为对称故障则启动正序电流幅值比η作为保护判据判断是否发生区内故障。
27.本发明采用序分量构建纵联保护判据，以自定义的负序比值阻抗和正序电流幅值比作为保护判据，能够反应所有故障类型，作为双端量保护能准确灵敏的识别区内故障；保护判据特征式从原理上排除了分布式电源给保护带来的影响，分布式电源的接入容量以及接入位置都不会对所提纵联保护产生影响。
28.本发明的保护原理不受过渡电阻和接入负荷影响，采用负序量能消除非对称故障时穿越电流的影响；同时该保护判据在不可测分支接入的情况下仍能准确识别区内外故障，抗负荷干扰能力强。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
30.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。
31.图1为实施例1提供的基于序分量的有源配电网纵联保护控制方法的流程示意图；
32.图2是实施例1提供的10kv有源配电线路仿真示意图；
33.图3是实施例2提供的基于序分量的有源配电网纵联保护系统的结构框图。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
35.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。
36.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。
37.在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例1：
39.如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于序分量的有源配电网纵联保护控制方法，包括以下步骤：
40.步骤s01：根据现有的有源配电网拓扑结构和系统参数整定获得保护门槛值z
set
；
41.步骤s02：实时采集保护装置安装处的电压电流信息；
42.步骤s03：对有源配电网线路进行电流突变量检测，一旦发现电流突变，向该分支馈线其他保护装置发送启动信号；
43.步骤s04：保护启动后，利用快速傅里叶变换(fft)计算保护装置安装处故障前后的序电流序电压，将序分量代入计算故障类型识别特征值k识别故障类型，并向对端发送和索要故障信息。
44.步骤s05：若为非对称故障，启动非对称故障保护判据。根据采集到的被保护线路两端负序电压电流量计算负序比值阻抗zs，根据计算结果与保护动作门槛值z
set
比较，判断基于负序比值阻抗的纵联保护判据是否成立，若成立，则判定为区内故障；若不成立，则判定为区外故障。
45.步骤s06：若为对称故障，启动对称故障保护判据，根据采集到的被保护线路两端正序电流幅值计算电流幅值之比η，判断基于正序电流幅值之比的电流纵联保护判据是否成立，若成立，则判定为区内故障；若不成立，则判定为区外故障。
46.作为一种或多种实施方式，在步骤s01中，根据已有的有源配电网拓扑结构和系统参数整定获得保护动作门槛值z
set
，具体整定算法为其中，krel为可靠系数，取值范围为1.2～1.5，为被保护线路负序阻抗，为系统电源母线到被保护线路区段负序阻抗，为系统电源等效负序阻抗。
47.作为一种或多种实施方式，在步骤s03中，对有源配电网线路进行电流突变量检测，从而判断是否启动保护装置。电流突变量检测算法具体为：||i(k)-i(k-2n)|-|i(k-n)-i(k-3n)||≥k
nin
；其中，i(k)为k时刻时电流的采样值，n为一个周期电流采样点数，kn为检测系数，取值范围为0.1～0.2，in为有源配电网正常运行时线路上的额定电流；当满足上式时，即检测到电流突变量，保护启动并向该分支馈线其他保护装置发送启动信号。
48.作为一种或多种实施方式，在步骤s04中，利用计算得到的保护装置安装处的序电流序电压，将序分量代入计算故障类型识别特征值k识别故障类型。具体计算算法为：其中为保护装置处测得的负序、正序电流幅值。计算得到特征值k之后，进行故障类型识别。判据表达式为：
[0049][0050]
当计算得到的特征值k大于0.1时，判定发生非对称故障；当计算得到的特征值k小于0.05时，判定发生对称故障。
[0051]
作为一种或多种实施方式，在步骤s05中，判断为非对称故障后，启动非对称故障保护判据。利用采集到的被保护线路两端负序电压电流量计算负序比值阻抗zs，负序比值阻抗zs具体算法为：其中，分别为被保护线路两端近系统侧的负序电压、负序电流、近分布式电源侧的负序电压、负序电流。将计算得到的负序比值阻抗zs与保护动作门槛值z
set
比较判断是否发生区内故障。判据表达式为：
[0052][0053]
当计算得到的负序比值阻抗满足zs》10z
set
时，判断发生区外故障；当计算得到的负序比值阻抗满足zs《z
set
时，判断发生区内故障；
[0054]
作为一种或多种实施方式，在步骤s06中，判断为对称故障后，启动对称故障保护判据。利用采集到的被保护线路两端正序电流幅值计算电流幅值之比η，具体算法为：
其中，为同一线路区段内靠近系统侧和远离系统侧流过的正序电流幅值。根据计算得到的正序电流幅值比η判断是否发生区内故障。判据表达式为：
[0055][0056]
当计算得到的正序电流幅值比η小于1.2时，判定发生区外故障；当计算得到的正序电流幅值比η大于1.5时，判定发生区内故障。
[0057]
利用pscad/emtdc仿真软件搭建了10kv有源配电网模型，其模型结构如图2所示。变压器t容量为50mva，变压器变比为35kv/10kv，系统中性点不接地；线路b4b5、b5b6、b7b8长度分别为3km、2km、3km，其余线路长度均为4km，线路参数为(0.27+i0.335)ω/km；分布式电源dg1、dg2、dg3均为iidg，额定容量分别为2.5mw、2mw、2mw；负荷l2、l5容量为2mw，负荷功率因数为0.9，其余负荷容量均为1mw，功率因数为0.9。
[0058]
根据已知的有源配电网模型和参数，首先整定出保护动作门槛值z
set
，根据整定算法为可得z
set
＝5。
[0059]
当然，在不同的实施例中，可以根据配网情况的不同，对上述参数进行适应性调整。
[0060]
下面对本实施例中所介绍的纵联保护方法进行非对称故障、对称故障、耐过渡电阻能力、抗不可测分支干扰能力、dg投切容量适应性的仿真测试。
[0061]
非对称故障测试
[0062]
对含有iidg的馈线来说，以线路b4b5为保护区段，在区段b1b4、b4b5不同位置(首端、中端、末端)处设置不同类型(单相接地、两相短路、两相接地)的故障类型，过渡电阻为5ω。对其进行仿真，仿真结果如表1所示。由表1可以看出，对于线路b1b4、b4b5来说，负序比值阻抗zs均能准确识别出区内故障，且保护判据灵敏度高；
[0063]
表1非对称故障仿真结果
[0064][0065][0066]
对称故障测试
[0067]
以线路b4b5为保护区段，在区段b1b4、b4b5不同位置(首端、中端、末端)处设置不同类型(三相短路、三相接地)的故障类型，过渡电阻为5ω。对其进行仿真，仿真结果如表2
所示。由表2可以看出，对于线路b1b4、b4b5来说，正序电流幅值比η均能准确识别出区内故障，且保护判据灵敏度高；
[0068]
表2对称故障仿真结果
[0069][0070][0071]
耐过渡电阻能力测试
[0072]
以线路b4b5为保护区段，在该区段设置不同类型(单相接地、两相短路、两相接地、接地三相短路、三相接地)的故障类型，过渡电阻分别取0.01ω、5ω、25ω、50ω、100ω。故障位置参数取0.5，对其进行仿真，仿真结果如表3所示。由表3可以看出，当被保护线路区内发生非对称高阻短路故障时，保护判据负序比值阻抗zs计算结果基本上不受影响，保护能可靠灵敏动作；当被保护线路区内发生对称高阻短路故障时，随着过渡电阻的增大，正序电流幅值比η会随之减小，但对于100ω高阻情况下，保护判据正序电流幅值比η仍远大于保护门槛值，能够满足保护要求，保护能可靠动作；
[0073]
表3耐过渡电阻能力测试仿真结果
[0074]
[0075]
[0076][0077]
抗不可测分支干扰能力测试
[0078]
以线路b4b5为保护区段，在其内部设置不可测分支，在区段b1b4、b4b5设置不同类型(单相接地、两相短路、两相接地、接地三相短路、三相接地)的故障类型，过渡电阻为5ω。对其进行仿真，仿真结果如表4所示。由表4可以看出当发生区外非对称故障时，不可测分支的接入会减小被保护线路b4b5负序比值阻抗zs的计算结果，保护灵敏度下降，但仍远大于保护门槛值，能够满足保护要求，对于对称故障保护判据正序电流幅值比η基本上不受影响，保护能可靠灵敏动作；
[0079]
表4抗不可测分支干扰能力测试仿真结果
[0080][0081][0082]
dg投切容量适应性测试
[0083]
以线路b4b5为保护区段，在该区段设置不同类型(单相接地、两相短路、两相接地、接地三相短路、三相接地)的故障类型，过渡电阻为5ω。通过调整iidg出力容量，改变有源配电网分布式电源的渗透率，对其进行仿真，仿真结果如表5所示。由表5可以看出当调整iidg的出力容量从而改变分布式电源的渗透率时，不对称保护判据序比值阻抗zs和对称保护判据正序电流幅值比η基本上不受影响，保护能可靠灵敏动作。可以看出本发明所提保护方法基本上不受接入分布式电源投切影响，能适应高渗透率有源配电网的保护。
[0084]
表5dg投切容量适应性测试仿真结果
[0085][0086][0087]
本实施例采用序分量构建纵联保护，利用负序分量对非对称性故障进行保护，利用正序电流幅值比构建辅助判据对对称性故障进行保护。能够反映所有故障类型，且每次保护仅需一种序分量，降低了通讯传输的要求，更好地提高了保护的可靠性。且该保护方法耐过渡电阻能力，抗不可测分支接入干扰能力很强，能适应复杂多变的有源配电网保护要求。对配电网中分布式电源的接入容量也有很好的适应能力，能够适应逐渐发展，渗透率越来越高的有源配电网保护的需求。
[0088]
实施例2
[0089]
本发明实施例2介绍了基于序分量的有源配电网纵联保护系统。
[0090]
如图3所示的基于序分量的有源配电网纵联保护系统，包括：
[0091]
整定模块，其被配置为获取已知有源配电网的拓扑结构和系统参数，在保护模块启动前完成保护动作门槛值z
set
的整定；
[0092]
采集模块，其被配置为采集各线路保护装置测点处的电压电流信号；
[0093]
突变量启动模块，其被配置为检测采集模块采集到的电流信号，进行电流突变量检测；当发现电流大幅度变化时，启动有源配电网线路保护装置，同时对该分段线路下游所有保护装置发送启动信号；
[0094]
故障类型识别模块，其被配置为通过保护装置安装处采集的正序电流与负序电流的幅值计算得到故障类型识别特征值，判断是非对称故障还是对称故障；
[0095]
非对称故障保护模块，其被配置为：若故障类型被识别为非对称故障时，根据自定义的负序比值阻抗作为保护判据，判断是否发生区内故障，若发生区内故障，跳开故障线路两侧开关；
[0096]
对称故障保护模块，其被配置为：若故障类型被识别为对称故障时，根据自定义的正序电流幅值比作为保护判据，判断是否发生区内故障，若发生区内故障，跳开故障线路两侧开关；
[0097]
详细步骤与实施例1提供的基于序分量的有源配电网纵联保护方法相同，在此不再赘述。
[0098]
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、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、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、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0099]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、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。
[0100]
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。
[0101]
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。
[0102]
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。
[0103]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，包括以下步骤：获取配电网结构和参数，通过整定获得保护动作门槛值；获取有源配电网输电线路上的电流信息，进行突变量检测；当发现电流信息的变化超过设定范围时，向有源配电网线路保护装置发送启动信号，并对该分支馈线其他所有保护装置发送启动信号；获取保护启动后的被保护线路近系统侧和分布式电源侧的工频全电压全电流量，计算得出线路两端电压电流的序分量，计算特征值，根据特征值和设定阈值的关系，判断故障类型判断，基于类型判断结果，根据所述保护动作门槛值或电流信息，判断是否发生区内故障。2.如权利要求1所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，通过整定获得保护动作门槛值的具体过程包括，根据计算保护动作门槛值z
set
；其中，k
rel
为可靠系数，取值范围为1.2～1.5，为被保护线路负序阻抗，为系统电源母线到被保护线路区段负序阻抗，为系统电源等效负序阻抗。3.如权利要求1所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，计算特征值的具体过程包括根据测点测得的正序电流与负序电流的幅值计算可得故障类型识别特征值其中为保护装置处测得的负序、正序电流幅值。4.如权利要求1所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，若特征值大于第一设定值，则判断发生非对称故障，启动非对称故障保护判据，根据采集到的负序电压电流量计算负序比值阻抗，比较计算结果与保护动作门槛值，判断是否发生区内故障。5.如权利要求4所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，判断发生非对称故障后，启动基于负序比值阻抗zs的非对称故障保护判据，当zs大于kz
set
时，判断未发生区内故障，当zs小于z
set
时，判断发生区内故障；其中，zs为自定义的负序比值阻抗，z
set
为保护动作门槛值，k为设定倍数。6.如权利要求5所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，自定义的负序比值阻抗zs保护判据具体为其中，分别为被保护线路两端近系统侧的负序电压、负序电流、近分布式电源侧的负序电压、负序电流。7.如权利要求1或5所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，若特征值小于第二设定值，所述第二设定值小于第一设定值，证明发生对称故障，启动对称故障保护判据，通过测量被保护线路近系统侧和远离系统侧两端正序电流幅值之比，判断是否发生区内故障。8.如权利要求7所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，判断发生对称故障后，启动基于正序电流幅值比η的对称故障保护判据，当η小于第一阈值时，判断未发生区内故障，当η大于第二阈值时，判断发生区内故障；其中，η为自定义的正序电流幅值比，第二阈值大于第一阈值。9.如权利要求8所述的一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法，其特征是，自定义
的正序电流幅值比η保护判据具体为其中，分别为被保护线路两端近系统侧和近分布式电源侧的正序电流幅值。10.一种基于序分量的有源配电网纵联保护系统，其特征是，包括：整定模块，其被配置为获取配电网结构和参数，通过整定获得保护动作门槛值；采集模块，其被配置为获取有源配电网输电线路上的电流信息；突变量启动模块，其被配置为进行突变量检测，当发现电流信息的变化超过设定范围时，向有源配电网线路保护装置发送启动信号，并对该分支馈线其他所有保护装置发送启动信号；故障识别模块，其被配置为获取保护启动后的被保护线路近系统侧和分布式电源侧的工频全电压全电流量，计算得出线路两端电压电流的序分量，计算特征值，根据特征值和设定阈值的关系，判断故障类型判断，基于类型判断结果，根据所述保护动作门槛值或电流信息，判断是否发生区内故障。

技术总结
本发明提供了一种基于序分量的有源配电网纵联保护方法及系统，获取配电网结构和参数，通过整定获得保护动作门槛值；获取有源配电网输电线路上的电流信息，进行突变量检测；当发现电流信息的变化超过设定范围时，向有源配电网线路保护装置发送启动信号，并对该分支馈线其他所有保护装置发送启动信号；获取保护启动后的被保护线路近系统侧和分布式电源侧的工频全电压全电流量，计算得出线路两端电压电流的序分量，计算特征值，根据特征值和设定阈值的关系，判断故障类型判断，基于类型判断结果，根据所述保护动作门槛值或电流信息，判断是否发生区内故障。本发明能够在发生区内故障时可靠动作，发生区外故障时可靠不动。发生区外故障时可靠不动。发生区外故障时可靠不动。


技术研发人员：高湛军 刘朝 于成澳 陶政臣
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/24