一种微电网母线低阻抗自适应保护方法与流程

本发明涉及一种电力系统继电保护技术，特别是一种微电网母线低阻抗自适应保护方法。

背景技术：

微电网是由分布式电源(DG)和负荷组成的一个区域性小型电力网络，是目前分布式发电最有效的利用途径。微电源通常是采用逆变器接口进行并网的逆变型分布式电源(IBDG)，当微电网内部发生故障时，为了保护电力电子器件不受损坏，逆变器的限流模块通常将IBDG提供的短路电流限制在2倍额定电流以内；同时，IBDG并网位置灵活，并网运行时，网内潮流会出现双向流动。这些特点使得传统配网中的电流保护难以直接运用到微电网当中，为此必须寻求一种新的保护方法，保证微电网的安全稳定运行。

针对上述微电网特有的故障特性，单纯地利用电压或者电流这些本地电气量信息，无法满足微低网保护可靠性的要求。为此，有学者提出了一种部分基于通信的微电网保护方案--基于母线低阻抗的微电网保护(包含阻抗模值判据和相角判据)。利用故障后，两端母线电压的跌落，和潮流方向的改变，计算两端母线阻抗的模值与相角，通过与故障前两端母线阻抗模值和相角的比较，判定故障区间。这种保护方法利用故障前后母线电压和线路电流的比值信息，构成保护判据，克服了逆变器限流模块对短路电流大小的限制和网内潮流双向的影响，同时，两端通信仅交换布尔量信息，对通信要求较低，保护可靠性较高。但是，经过分析和验证，在区内发生经过渡电阻接地故障时，较大的过渡电阻会削弱故障时电气量特征，影响阻抗母线测量阻抗模值判据的可靠动作，使得故障期间母线测量阻抗模值过大，造成保护拒动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微电网母线低阻抗自适应保护方法，解决微电网内部发生经过渡电阻接地故障时，较大的过渡电阻造成母线低阻抗保护拒动的问题。

一种微电网母线低阻抗自适应保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

监测线路两端母线测量阻抗模值和相角；

电压突变量启动，计算过渡电阻引起的附加阻抗角；

计算测量阻抗模值自适应系数，修正母线测量阻抗模值；

判断修正后的母线测量阻抗模值是否满足阻抗模值动作判据，判断母线测量阻抗相角是否满足相角动作判据；

若两个判据同时满足，则判定为区内故障，保护动作。

本发明提出一种微电网母线低阻抗自适应保护方法，该方法基于母线测量电压与线路电流的比值，求取母线测量阻抗。通过对称分量法，结合不同的故障类型下的边界条件，推导短路接地电流与短路接地负序电流相角的关系，再利用系统的负序等值网络，得出保护安装处负序电流与短路接地负序电流相角的关系，从而计算附加阻抗角并求取母线测量阻抗模值的自适应系数，修正过渡电阻引起的附加阻抗对母线测量阻抗模值造成的影响，使得微电网母线低阻抗保护具有较好的抗过渡电阻特性，提高了保护的可靠性。

下面结合说明火速附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是中压微电网线路模型图。

图2是m侧测量阻抗向量图。

图3是系统负序网络图。

图4是未经过自适应修正的m侧测量阻抗模值图。

图5是经过自适应修正的m侧测量阻抗模值图。

图6是区内故障期间m、n侧测量阻抗角示意图。

图7是微电网母线低阻抗自适应保护流程图。

具体实施方式

一种微电网母线低阻抗自适应保护方法包括如下步骤：

第一步，计算微电网内线路两端母线m、n侧测量阻抗。以微电网一条线路发生经过渡电阻接地故障为例，计算m侧测阻抗。m侧测量阻抗表达式如式(1)所示：

式中：表示m侧母线相电压，表示流过线路m侧的相电流。由上式可知，只要利用保护测控装置测出m侧母线电压与m侧线路电流测量阻抗Z_m就可以计算出，因此Z_m是一个可以直接求出的量，那么不难求出母线测量阻抗的模值|Z_m|和相角同理，n侧的母线测量阻抗仿照m侧母线测量阻抗的方法，也可以直接求出。

第二步，求解故障期间母线测量阻抗模值自适应系数。以求解m侧测量阻抗自适应系数为例，n侧可类似推导。母线测量电压可由式(2)表示：

式中：表示线路故障点对地电压；表示流过线路m侧的零序电流；Z₁表示为故障点到m侧保护安装处的线路正序阻抗；Z₀表示故障点到m侧保护安装处的线路零序阻抗。则Z_m的具体表达式如式(3)所示：

式中：Z_t为金属性接地故障时，m侧的测量阻抗，ΔZ为过渡电阻引起的测量附加阻抗；为故障点接地电流；R_g为过渡电阻。从式(3)可知，过渡电阻R_g会使得母线测阻抗产生一个附加阻抗，造成阻抗模值增大。由式(3)的阻抗向量关系可以推导得出式(4)：

式中：为m侧测量阻抗的相角；为附加阻抗的相角(简称附加阻抗角)；为金属性故障时的m侧测量阻抗角。由式(4)可以得出m侧母线测量阻抗模值自适应系数k_zm如式(5)所示：

由于均可以通过保护测控装置直接求得，因此，只要正确地估算出故障时附加阻抗角即可通过自适应系数k_zm补偿过渡电阻对母线测量阻抗模值判据的影响。

第三步，针对不同的故障类型，计算附加阻抗角由式(3)中附加阻抗ΔZ表达式，可知求解公式如式(6)所示：

实际运行中，短路接地电流的相角无法直接测得，因此本发明专利的核心思想是根据不同的故障类型，结合故障的边界条件和对称分量法，推导短路接地电流与短路接地负序电流相角的关系，再利用系统的负序等值网络，推导出保护安装处负序电流与短路接地负序电流相角的关系，以此计算附加阻抗角。下面以计算m侧测量阻抗的附加阻抗角为例，n侧测量阻抗的附加阻抗角可同理计算出：

单相接地故障时，计算公式如式(7)所示：

两相接地故障时，计算公式如式(8)所示：

三相接地故障时，计算公式如式(9)所示：

第四步，利用自适应系数修正故障时母线测量阻抗幅值，进行母线测量阻抗的模值判据和相角判据的判断，确定故障区间。通过步骤二、三可以求得自适应补偿系数k_zm、k_zn，带入式(4)可求得修正后的母线测量阻抗模值|Z_m自|、|Z_n自|，利用保护测控装置可以求得故障前后线路两端母线的测量阻抗变化角

母线测量阻抗模值判据如式(10)所示：

|Z_m自|≤|Z_set|&|Z_n自|≤|Z_set| (10)

式中：|Z_m自|为经过自适应补偿后的m侧测量阻抗模值；|Z_n自|为经过自适应补偿后的n侧测量阻抗模值；|Z_set|为低阻抗阀值，可根据系统实际情况进行整定。

母线测量阻抗相角判据如式(11)所示：

式中：为故障后m侧测量阻抗角，为故障前m侧测量阻抗角；为故障后n侧测量阻抗角；为故障前n侧测量阻抗角；θ为裕量角，一般取±30°。

如果同时满足上述两个判据，则判定为区内故障，保护动作与断路器跳闸。

实施例

以10kV中压微电网内的一条线路在稳定运行后0.2s时刻发生区内经过渡电阻接地故障为例，过渡电阻R_g＝50Ω，来具体说明本方法，实施步骤如下：

第一步，利用保护测控装置，计算线路两端母线m、n侧测量阻抗。10kv中压微电网的一条线路模型如附图1所示，利用保护测控装置可以测得m侧母线测量电压流过m侧母线的线路电流n侧母线测量电压流过n侧母线的线路电流利用式(1)可以计算出m、n侧测量阻抗如下：

式中：|Z_m|为m侧母线测量阻抗模值；为m侧母线测量阻抗相角；|Z_n|为n侧母线测量阻抗模值；为n侧母线测量阻抗相角。实验中系统正常运行状态下的Z_m＝143.13∠41.84°，Z_n＝142.17∠-137.8°。

第二步，求解故障期间母线测量阻抗模值自适应系数，以求解m侧测量阻抗模值自适应系数为例，n侧可类似推导。母线测量电压可由式(2)表示：

式中：表示线路故障点对地电压；表示流过线路m侧的零序电流；Z₁表示为故障点到m侧保护安装处的线路正序阻抗；Z₀表示故障点到m侧保护安装处的线路零序阻抗。实验中取Z₀＝1.5Z₁，则Z_m的具体表达式如式(3)所示：

式中：Z_t为金属性接地故障时，m侧的测量阻抗，ΔZ为过渡电阻引起的测量附加阻抗；为故障点接地电流；R_g为过渡电阻。由式(3)可作出阻抗向量图如附图2所示，根据三角形边角公式可得出关系式(4)：

式中：为附加阻抗的相角(简称附加阻抗角)；|Z_t|为金属性接地故障时，m侧的测量阻抗模值；为金属性故障时的m侧测量阻抗角。由式(4)可以求出m侧测量阻抗模值自适应系数如式(5)所示：

式中：k_zm为m侧测量阻抗模值自适应系数。通过式(3)中Z_t的公式可以得知的计算表达式如式(6)所示：

式中：为线路阻抗角，属于线路的固有参数，实验中取由式(6)可知，只要通过保护测控装置采集到线路m侧电流波形和零序电流波形，就可以计算出的值。因此，式(5)中只有附加阻抗角是未知量，只要正确估算就可以求得m侧测量阻抗模值自适应系数k_zm。

第三步，针对不同的故障类型，计算附加阻抗角由式(3)中附加阻抗ΔZ表达式，可知求解公式如式(7)所示：

实际运行中，短路接地电流的相角无法直接测得，因此本发明专利的核心思想是根据不同的故障类型，结合故障的边界条件和对称分量法，推导短路接地电流与短路接地负序电流相角的关系，再利用系统的负序等值网络，推导出保护安装处负序电流与短路接地负序电流相角的关系，以此计算附加阻抗角。

以下推导过程每种类型故障列举一个例子说明：

1)单相接地故障

当线路A相发生接地故障时，短路点的边界条件如式(8)所示：

式中：为短路点A相点对地电压；分别为B、C相短路点对地电流。利用对称分量法，将式(8)写成序分量的形式如式(9)所示：

式中：分别为短路点对地的正序、负序和零序电压；分别为短路点对地的正序、负序和零序电流；为故障相短路点对地短路电流。结合式(7)和式(9)可以得出A相接地时的表达式如(10)所示：

式中：为m侧线路A相电流。系统负序网络如附图3所示，由附图3可以得出如下关系式：

式中：C_m2为负序电流分配系数，简化计算，可以取为实数；为线路m侧负序电流。结合式(10)和式(11)可以得出最终表达式如式(12)：

即利用保护安装处负序电流的相角计算短路接地负序电流的相角，而保护安装处的负序电流相角可以通过保护测控装置测出，因此，阻抗附加角得以计算。实验中此故障类型求得的理论附加阻抗角可见本方法计算的附加阻抗角精度较高。其他两相发生单相接地故障时，附加阻抗角计算公式如下：

2)两相接地故障

当线路BC两相发生接地故障时，短路点的边界条件如式(14)所示：

式中：为B相短路点对地电压；为C相短路点对地电压。利用对称分量法，式(14)可以写成序分量的形式：

BC两相接地故障的复合序网络图如附图4所示，由复合序网图可求出表达式如下：

式中：x_1∑、x_2∑、x_0∑分别为系统正序、负序和零序总电抗。通过式(16)可以写出短路点三相短路接地电流表达式如下：

式中：a＝e^j120°；a²＝e^-j120°；通常为了简化计算，取x_0∑＝kx_2∑，k为实数。结合式(7)与式(17)，可以求出B、C相附加阻抗角如下：

实验中求得的理论本算法所求结果与理论真实结果近似。AB接地故障与CA接地故障时，附加阻抗角计算表达式如下：

3)三相接地故障

三相接地故障为对称故障，系统无负序和零序网络，则附加阻抗表达式如下：

综上，将第三步所求得的各个故障类型下的附加阻抗角带入式(5)，即可得到对应的阻抗复制自适应系数。实验中各个故障类型下所求得的m侧测量幅值自适应系数汇总如下：

第四步，利用自适应系数修正故障时母线测量阻抗幅值，进行母线测量阻抗的模值判据和相角判据的判断，确定故障区间。

测量阻抗模值判据如下：

|Z_m|≤|Z_set|&|Z_n|≤|Z_set| (22)

式中：|Z_m|为m侧测量阻抗模值；|Z_n|为n侧测量阻抗模值；|Z_set|为阻抗动作阀值，可根据实际情况整定，实验中取0.25倍正常运行时的测量阻抗|Z_set|＝35.75Ω。

测量阻抗相角判据如下：

或

式中：为故障后m侧测量阻抗角，为故障前m侧测量阻抗角；为故障后n侧测量阻抗角；为故障前n侧测量阻抗角；θ为裕量角，一般取±30°。

实验以m侧为例说明本发明所提算法的有效性，n侧原理相同。过渡电阻R_g＝50Ω，在0.2s分别发生A相接地、BC接地，ABC接地故障，在未引入测量阻抗模值自适应系数时，m侧测量阻抗模值波形如附图4所示，可见过渡电阻产生附加阻抗，造成测量阻抗模值偏大，阻抗模值判据拒动。在引入测量阻抗模值自适应系数后，m侧测量阻抗模值波形如附图5所示，可见，本发明所提出的方法能很好的消除过渡电阻带来附加阻抗的影响，使得保护具有很好的抗过渡电阻能力，提高了保护的可靠性。m、n侧测量阻抗相角波形如附图6所示，相角判据使得了区内故障时保护可靠动作，区外故障时，保护不误动，保证了保护的选择性，附图7为保护算法流程图。