CN114123136B - 一种分布式能源条件下配电网的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其包括以下步骤：S1、对故障发生位置进行定位，控制断路器动作对故障区域进行隔离；实时检测分布式能源并网点电压，一旦检测到由于配电网中发生故障导致分布式能源并网点发生电压跌落，立即断开分布式能源与配电网的连接；S2、经过延时后重合故障区域所在馈线，将故障区域接入，如果故障为瞬时性，则保持接入状态，如果故障仍然存在，则再次将故障区域隔离断开；S3、检测分布式能源并网点电气状态，如果恢复正常则将分布式能源接入配电网，否则保持分布式能源的离网状态。本方案可以避免重合闸失败、非同期合闸和故障严重化的问题，适用于带有分布式能源的配电网。

Description

一种分布式能源条件下配电网的保护方法

技术领域

本发明涉及配电网检测控制领域，尤其是涉及一种分布式能源条件下配电网的保护方法。

背景技术

面向能源互联的智能配网增加了以光伏电站为主的分布式可再生能源发电方式，使得配电网由无源网络向有源配电系统发生了巨大转变。同时，通过能源结构科学配比，并利用分布式能源在时空分布与动态特性的互补特点，实现能源清洁化的同时保证能源供应的安全与稳定。

对于含有分布式能源(DG)的配电网，采用传统的重合闸方法不能将DG及时隔离，容易出现故障点处电弧无法自然熄灭导致重合闸失败的情况，并且由于DG在重合闸期间处于孤岛运行状态，存在非同期合闸的风险，并且可能会时瞬时性故障转变为永久性故障。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的传统重合闸保护方法会带来风险、可能将瞬时性故障转变为永久性故障的技术问题，提供一种不会因为电弧无法自然熄灭导致重合闸失败或出现非同期合闸问题、避免加重故障程度的分布式能源条件下配电网的保护方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种分布式能源条件下配电网的保护方法，配电网中设有若干个断路器，分布式能源与配电网之间通过也断路器连接，每个断路器所在位置设有电流测量装置，线路出口侧安装有重合闸前加速保护装置，配电网的保护方法具体包括以下步骤：

S1、故障检测：对故障发生位置进行定位，控制断路器动作对故障区域进行隔离；实时检测分布式能源并网点电压，一旦检测到由于配电网中发生故障导致分布式能源并网点发生电压跌落，立即断开分布式能源与配电网的连接；

S2、重合闸动作：经过第一延时后重合故障区域所在馈线，将故障区域接入，如果故障为瞬时性，则保持接入状态，如果故障仍然存在，则再次将故障区域隔离断开；

S3、并网点状态检测：经过第二延时后检测分布式能源并网点电气状态，如果恢复正常则将分布式能源接入配电网，否则保持分布式能源的离网状态。

作为优选，所述故障定位的方法如下：

将各断路器所围成的配电网区域作为单位保护区域，单位保护区域内不再包含断路器，断路器作为两个单位保护区域之间的连接通路，为各个单位保护区域设定编号，取电流方向由小编号区域流向大编号区域为电流参考正方向，定义断路器所连接的小编号区域一侧为此断路器的上游区域，断路器所连接的大编号一侧为此断路器的下游区域，故障判定依据如下：

E_ij＝c_ijD_F·j

D_F·j＝[D₁,D₂,…,D_j]^T

式中，c_ij为关联矩阵元素，E_ij为断路器B_j处电流故障分量方向变量，若E_ij＝1，则电流故障分量由断路器B_j流向区域A_i；若E_ij＝-1，则电流故障分量由区域A_i流向断路器B_j；D_F·j为故障信息矩阵，D₁为第1个断路器的电流故障分量的方向，D₂至D_j以此类推。

作为优选，关联矩阵元素由以下方式确定：

A_i为第i个区域，B_j为第j个断路器。

作为优选，故障信息矩阵由以下方式确定：

若故障发生前，断路器B₁处电流为正方向，则故障发生后，当电流方向不变且幅值增大时，D₁为1；当电流方向不变且幅值减小或方向改变时，D₁为-1；若故障发生前，断路器处电流为负方向，则故障发生后，当电流方向不变且幅值增大时，D₁为-1；当电流方向不变且幅值减小或方向改变时，D₁为1；D₂至D_j以同样方法确定。

作为优选，所述分布式能源为PQ控制方式下的逆变型分布式能源，逆变器回路中加有限流器，短路电流限制在2pu之内。

作为优选，所述步骤S2中，第一延时为0.5秒。

作为优选，并网点电气状态检测的第二延时不小于1.0秒。

作为优选，需要检测的并网点电气状态为电压、电流和相位。

作为优选，所述断路器为三段式电流保护控制下的断路器。

本发明带来的实质性效果是，可以及时将故障区域分布式能源隔离，并且避免重合闸时出现电弧未灭或非同期合闸的情况，不会将瞬时性故障发展为永久性故障。

附图说明

图1是一种含分布式能源的配电线路图；

图2是一种AND拓扑结构图；

图3是图2的AND图模型；

图4是一种重合闸前加速保护示例图；

图5是一种重合闸后加速保护示例图；

图6是本发明的一种保护方法流程图；

图7是本发明的一种故障定位结果示意图；

图8是本发明的一种断路器动作情况示意图；

图9是本发明的一种DG侧断路器状态时序图；

图10是本发明的一种配电网重合闸过程示意图；

图11是本发明的另一种DG侧断路器状态时序图；

图12是本发明的另一种配电网重合闸过程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

DG对电流保护的影响

在图1所示含DG的配电线路中，1和2分别为2处保护装置，A、B、C为3条母线，其中母线A与母线B之间接有1个DG。

1)保护装置位于DG下游

当f₁处发生短路故障时，系统和DG输出的短路电流同时流向故障点f₁，由于DG的助增作用，保护2处电流值增大，有误动可能，且DG容量越大，保护2误动可能性越高。

2)保护装置位于DG上游

当f₂处发生短路故障时，系统和DG输出的短路电流同时流向故障点f2，此时DG提供的短路电流会抬高并网点电压，造成保护1处电流值减小，灵敏度降低，有拒动可能，且DG容量越大，保护1拒动可能性越高。

(1)ADN图模型

通过对DG接入后电流保护的分析可知，以电流绝对值为判断依据的传统电流保护由于DG的接入而不再有效。因此，本发明根据DG的故障电流特性及其对传统电流保护的影响，提出了适应DG接入的有源配电网保护方案。

考虑到实际应用场景，即一片配电网区域内各个小区域的量测能力良莠不齐，而基于区域多端电流方向的保护方案针对的是具备电压、电流幅值和相位测量能力的配电网小区域，因此对该小区域作进一步分区处理。建立如图2所示辐射状拓扑结构的ADN，其中包含系统电源、断路器、DG和负荷，其中箭头表示母线处连接的负荷。

在ADN拓扑结构中，将各断路器所围成的配电网区域作为单位保护区域(即单位保护区域内不再包含断路器)，将断路器作为两个单位保护区域之间的连接通路，从而将配电网划分成若干单元保护区域。建立图2所示拓扑结构配电网所对应的配电网图模型，如图3所示，其中A₁～A₇是7个单位保护区域，B₁～B₆是6个断路器。为各个单元保护区域设定编号，取电流方向由小编号区域流向大编号区域为电流参考正方向(以图3中断路器B₃为例，当电流由区域A₁流向区域A₄时，电流方向为正)。定义断路器所连接的小编号区域一侧为其上游区域，大编号区域一侧为其下游区域(以图3中B₄为例，A₁～A₄为其上游区域，A₅～A₇为其下游区域)。

(2)矩阵定义

1)关联矩阵采用关联矩阵的形式对各保护单元区域与各断路器之间的位置关系加以描述，关联矩阵元素可作如下定义：

式中，关联矩阵的i行元素为区域i与各断路器之间的位置关系。举例说明，根据图3所示的拓扑结构可知，区域A₃是断路器B₂的终点，则关联矩阵元素c₃₂＝-1；区域A₁是断路器B₁、B₃、B₄的起点，则关联矩阵元素c₁₁＝c₁₃＝c₁₄＝1。

2)故障信息矩阵

故障位置判据：若故障发生前，断路器处电流为正方向(即电流由小编号区域流向大编号区域)，则故障发生后，当电流方向不变且幅值增大时，故障位于断路器下游区域；当电流方向不变且幅值减小或方向改变时，故障位于断路器上游区域；若故障发生前，断路器处电流为负方向(即电流由大编号区域流向小编号区域)，则故障发生后，当电流方向不变且幅值增大时，故障位于断路器上游区域；当电流方向不变且幅值减小或方向改变时，故障位于断路器下游区域。

根据上述方法对电流故障分量的方向进行判别，形成故障信息矩阵D_F为：

D_F＝[D₁,D₂,...,D_j]^T (1.10)

(3)故障区域定位

有源配电网发生故障时，在故障分量网络中，故障点为电势最低点，因此电流故障分量将由其他区域流向故障点所在区域。定义电流故障分量方向变量E_ij为：

E_ij＝c_ijD_F·j (1.11)

式中i为区域编号，j为断路器编号。E_ij代表断路器j处电流故障分量方向。若E_ij＝1，则电流故障分量由断路器j流向区域i；若E_ij＝-1，则电流故障分量由区域i流向断路器j。定义为与区域i相连接的各断路器处电流故障分量方向变量之和，则保护方案的故障区域判据为：

在断路器处保护装置中预存各区域外围的断路器编号。根据式(1.12)确定故障所在区域i后，由保护装置向区域i外围的断路器发送动作信号，完成故障区域的隔离。

(4)DG接入对重合闸技术的影响

1)DG对自动重合闸前加速保护的影响在图4所示配电线路中，在馈线2的保护装置P21处安装有自动重合闸前加速保护装置。当故障位于DG上游时，以P点发生短路故障为例，P21处保护瞬时动作，此时若DG不及时隔离，其输出的短路电流将流向故障点，以致于故障点P处的电弧无法自然熄灭。一段时间后P21处进行重合闸操作，由于故障点处电弧没有熄灭，重合闸失败。若在无法在短时间内定位并切除故障，瞬时性故障有转变为永久性故障的可能性。当故障位于DG下游时，以M点发生短路故障为例，P21处保护瞬时动作，此时若DG不及时隔离，其输出的短路电流将流向故障点，若DG容量较大，短路电流水平较高，则会触发保护P23的选择性动作动作，完成故障隔离。一段时间后保护P21处进行重合闸操作，重合闸成功。但是，由于DG在重合闸期间处于孤岛运行状态，因此存在非同期合闸的风险。

2)DG对自动重合闸后加速保护的影响

在图5所示配电线路中，在馈线2的保护装置P21、P22、P23处均安装有自动重合闸后加速保护装置。当故障位于DG上游时，以P点发生短路故障为例，通过保护P21、P22与P23之间的整定配合，最终P21选择性动作。若不对DG进行隔离操作，则存在瞬时性故障发展成永久性故障的风险，P21处重合闸失败，保护加速动作；若对DG进行隔离操作，则P21处故障自愈，重合闸成功。当故障位于DG下游时，以M点发生短路故障为例，通过保护P21、P22与P23之间的整定配合，P23选择性动作，然后P23重合成功。由此可知，DG的接入对自动重合闸前加速保护的影响相对较大，存在瞬时性故障变永久性故障以及非同期重合闸的问题。对于自动重合闸后加速保护，仅存在瞬时性故障转变为永久性故障的问题。

(2)方案流程

前述的基于区域多端电流方向的保护方案虽然能有效解决DG接入对配电网保护影响的问题，但其要求配电网断路器处保护装置同时具有电压、电流的幅值和相位量测能力。

对于仅具备电流量测量能力的配电网小区域，本方案考虑在配电网常规保护配置，即三段式电流保护的基础上，通过重合闸前加速(安装于线路出口侧)和DG再并网时序配合，实现对DG接入具有适应性的继电保护方案，其动作逻辑如图6所示，主要分为以下步骤：

1)故障检测：实时检测DG并网点电压，一旦检测到由于配电网中发生故障导致DG并网点发生电压跌落，立即断开DG与配电网的连接。此时，配电网内不再含有DG，变为传统的单电源辐射状拓扑结构。

2)重合闸动作：由安装于线路出口侧的前加速重合闸装置无选择性地切除该条馈线，经过一定延时(由人工设定)后重合该馈线(此期间DG保持离网状态)。由于此时DG已经完成离网操作，不会出现非同期合闸的现象。

3)并网点状态检测：检测并网点电气状态是否满足DG同期并网的要求。若满足并网要求，则说明故障为瞬时性，并且通过重合闸操作，配电网已经恢复正常运行状态，或者故障为永久性且DG接入位置位于故障点上游，上述两种情况都可以使DG重新接入配电网；若不满足并网要求，则说明故障为永久性，并且DG位于故障点的下游，重合闸操作无法完成故障恢复。此时配电网中不再保护DG，配电网中配置的三段式电流保护可以准确地判断出应该动作的断路器，并且使其有选择性地动作于跳闸，完成故障的切除。在故障切除前，DG始终保持离网状态。

分析验证

为验证所提保护方案的有效性，利用PSCAD/EMTDC建立了如图2所示的典型10kV辐射状配电网模型，配电网拓扑结构如图3所示。系统频率为50Hz，线路参数及负荷以电阻与电感组合的形式进行等效。配电网中DG为PQ控制方式下的逆变型DG，逆变器控制回路中加有限流器，将其短路电流限制在2pu之内。

(1)基于区域多端电流方向的保护方案

根据式(1.9)可以得到关联矩阵为：

仿真时长设为0.5s，于0.2s时刻在A₄处引入AB两相短路接地故障，故障持续时间为0.1s。根据式(1.10)可得此时的故障信息矩阵为：

[1 1 -1 1 1 1]^T (1.14)

根据式(1.11)可得故障定位信息表如下：

结合上表中各区域故障定位信息和式(1.12)所示的故障区域定位判据可知，故障位于区域4。故障定位仿真结果如图7所示，故障区域编号为4。保护装置根据故障定位结果对相应断路器发出动作信号，断路器B₃于0.2s时动作，如图8所示。

(2)计及DG并网条件的保护方案

1)A₃内出现瞬时性两相短路

t＝0.5s时，A₃内出现瞬时性两相短路。由图9可见，在t＝0.54s，DG并网点断路器BS断开，DG离网。由图10可见，在t＝0.54s，B₁断开，经过0.5s延时重合。三段式电流保护未动作，说明故障为瞬时性，重合闸成功。DG经过一定延时检测并网点电压，发现配电网内故障已切除，在1.19s时并网，如图9所示。

2)A₃内出现永久性两相短路

t＝0.5s时，区域A₃内发生AB两相永久短路故障，图11中在0.54s时断路器BS断开，DG离网。由图12可见，B₁在0.54s时跳闸，经过0.5s延时发出重合信号，在1.04s断路器B₁闭合，由于故障为永久性，三段式电流保护选择性动作，B₂在1.11s时动作切除故障。DG经过一定延时检测并网点电压，由于故障为永久性，三段式电流保护选择性动作，因此始终不满足并网条件，DG处于离网状态，即断路器BS一直断开，如图11所示。上述仿真结果均与理论分析相吻合，证明了所提保护方案的有效性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了保护、重合闸等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其特征在于，配电网中设有若干个断路器，分布式能源与配电网之间通过也断路器连接，每个断路器所在位置设有电流测量装置，线路出口侧安装有重合闸前加速保护装置，配电网的保护方法具体包括以下步骤：

S1、故障检测：对故障发生位置进行定位，控制断路器动作对故障区域进行隔离；实时检测分布式能源并网点电压，一旦检测到由于配电网中发生故障导致分布式能源并网点发生电压跌落，立即断开分布式能源与配电网的连接；

S2、重合闸动作：经过第一延时后重合故障区域所在馈线，将故障区域接入，如果故障为瞬时性，则保持接入状态，如果故障仍然存在，则再次将故障区域隔离断开；

S3、并网点状态检测：经过第二延时后检测分布式能源并网点电气状态，如果恢复正常则将分布式能源接入配电网，否则保持分布式能源的离网状态；

所述故障定位的方法如下：

将各断路器所围成的配电网区域作为单位保护区域，单位保护区域内不再包含断路器，断路器作为两个单位保护区域之间的连接通路，为各个单位保护区域设定编号，取电流方向由小编号区域流向大编号区域为电流参考正方向，定义断路器所连接的小编号区域一侧为此断路器的上游区域，断路器所连接的大编号一侧为此断路器的下游区域，故障判定依据如下：

E_ij＝c_ijD_F·j

D_F·j＝[D₁,D₂,…,D_j]^T

式中，c_ij为关联矩阵元素，E_ij为断路器B_j处电流故障分量方向变量，若E_ij＝1，则电流故障分量由断路器B_j流向区域A_i；若E_ij＝-1，则电流故障分量由区域A_i流向断路器B_j；D_F·j为故障信息矩阵，D₁为第1个断路器的电流故障分量的方向，D₂至D_j以此类推；

关联矩阵元素由以下方式确定：

A_i为第i个区域，B_j为第j个断路器；

故障信息矩阵由以下方式确定：

若故障发生前，断路器B₁处电流为正方向，则故障发生后，当电流方向不变且幅值增大时，D₁为1；当电流方向不变且幅值减小或方向改变时，D₁为-1；若故障发生前，断路器处电流为负方向，则故障发生后，当电流方向不变且幅值增大时，D₁为-1；当电流方向不变且幅值减小或方向改变时，D₁为1；D₂至D_j以同样方法确定。

2.根据权利要求1所述的一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其特征在于，所述分布式能源为PQ控制方式下的逆变型分布式能源，逆变器回路中加有限流器，短路电流限制在2pu之内。

3.根据权利要求1所述的一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其特征在于，所述步骤S2中，第一延时为0.5秒。

4.根据权利要求3所述的一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其特征在于，并网点电气状态检测的第二延时不小于1.0秒。

5.根据权利要求4所述的一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其特征在于，需要检测的并网点电气状态为电压、电流和相位。

6.根据权利要求1所述的一种分布式能源条件下配电网的保护方法，其特征在于，所述断路器为三段式电流保护控制下的断路器。