一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法与流程

1.本发明属于电力系统配电网继电保护领域，基于对花瓣式配电网故障特性的分析结果，提出一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法。


背景技术：

2.随着负荷密度的迅速增长，电力用户对配电网的供电可靠性提出了更高的要求。传统辐射状配电网存在故障影响范围较大、停电时间长等弊端，难以满足配电网高供电可靠性的发展需求。近年来，花瓣式接线及运行方式因其高可靠性被人们广泛关注，越来越多的高负荷密度和高供电可靠性的区域开始采用这种新型接线及运行方式。目前，我国的江苏、广东、北京等地区分别于2015年、2016年、2019年完成了花瓣式配电网的建设，并且雄安新区的“双花瓣”配电网也正在有序建设中。同时，随着光伏、风能等基于新能源的分布式电源在配电网中的渗透率不断提高，传统的单端电源辐射状配电网变为多端电源供电的复杂网络，配电网中的潮流方向及短路电流水平等均发生改变。
3.含分布式电源的花瓣式配电网的拓扑结构复杂，系统运行方式多变，潮流和故障电流均具有双向性，传统基于本地量的继电保护灵敏度降低甚至失去选择性，难以正确动作切除故障。电流差动保护具有绝对选择性、全线速动等优点，但是传统电流差动保护需要较高精度的数据同步性，并且对高阻故障的灵敏性较低。考虑到配电网通信水平，本发明针对含分布式电源的花瓣式配电网，提出了一种具有强抗过渡电阻能力的基于正序稳态量的电流差动保护方法。本发明通过采集花瓣式配电网中线路两端故障前后的电流稳态值，即可实现对故障线路的准确判断和正确切除，无需加装设备，所需通信量少，对数据同步性要求低，易于在工程中实施。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，充分利用含分布式电源花瓣式配电网中环网线路上发生故障时正序电流和正序故障分量的故障特性，提出一种考虑高阻故障和弱馈现象的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法。
5.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
7.(1)保护装置一旦检测到流过的正序电流突变量大于启动值，立即启动进入故障识别模式，其中，各保护装置的启动值按照正序电流突变量幅值大于能够准确计算相位的最小电流幅值来整定，整定公式如下式所示：
8.|i-i
pre
|＞k
reliset
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.式中：i和i
pre
分别为保护装置处故障前后测得的正序电流稳态值幅值；
10.k
rel
为大于1的可靠系数；
11.i
set
为能够准确计算相位的最小电流幅值；
12.(2)采集保护线路两端的故障后正序电流稳态值的幅值和由故障前后正序电流稳态值计算得到的正序电流故障分量相位差，其中，正序电流故障分量相位差的获取方式为：测量装置获取故障前后正序电流的稳态量后，通过数值计算得到相应位置的正序电流故障分量的相位，然后利用通信设备交换所述保护线路两端正序电流故障分量的相位即可得到所述保护线路两端正序电流故障分量的相位差，如下式所示：
[0013][0014]
式中：θ
12
为所述保护线路两端的正序电流故障分量相位差；
[0015]
和分别为所述保护线路两端保护装置处故障后测得的正序电流稳态值相量；
[0016]
和分别为保护装置处故障前测得的正序电流稳态值相量；
[0017]
(3)根据步骤(2)采集得到的所述保护线路两端的正序电流幅值和正序电流故障分量相位差，计算所述保护线路对应的基于正序稳态量的电流差动保护判据，利用保护判据对区内外故障进行识别，基于正序稳态量的电流差动保护判据如下：
[0018][0019]
式中：ik和i
res
分别为所述保护判据的动作电流和制动电流；
[0020]
i1和i2为保护装置两端故障前后测得的正序电流稳态值幅值；
[0021]
k1和k2分别为所述保护判据的动作系数和制动系数，两系数均大于零。
[0022]
为使上述保护判据能够满足保护对相移制动能力和灵敏性的要求，动作系数k1和制动系数k2按照由保护装置中电流互感器、序列滤波器和信息收发回路等引起的线路两端正序电流的最大幅值误差和正序电流故障分量最大相位误差来整定；设相移制动闭锁角为基波电流幅值的最大误差为ε，则需令式(3)中的动作电流和制动电流在min(i1,i2)/max(i1,i2)＝(1-ε)/(1+ε)且时相等，据此可知，动作系数k1和制动系数k2应满足如下式所示的关系：
[0023][0024]
本发明的优点和有益效果为：
[0025]
1、本发明基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法，利用被保护线路两端故障前后的正序电流稳态值计算被保护线路两端正序电流故障分量的相位差，能够有效避免花瓣式配电网发生高阻故障时，正序电流故障分量幅值过小导致其相位测量误差过大的情况，同时降低数据同步误差或弱馈现象对被保护线路两端正序电流故障分量相位差测量的影响。
[0026]
2、本发明基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法，基于正序稳态量的电流差动保护判据具有较高的灵敏性，不受故障类型、过渡电阻、弱馈现象的
影响，在区内故障时能够快速切除故障，在区外故障时具有良好的制动特性。
[0027]
3、本发明基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法，通信设备交换的信息仅为线路两端故障后正序电流的幅值和正序电流故障分量的相位，两者均为数值而非带时间标的序列，所需通信量少，对数据同步性要求低。
[0028]
4、本发明基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法，不仅能够适用于含分布式电源的花瓣式配电网，还能够适用于含分布式电源的辐射状配电网，具有广泛的适用性，并且无需加装电压测量元件或方向元件等，性能可靠，简单易行，成本较低，易于在工程中实施。
附图说明
[0029]
图1为本发明含分布式电源的花瓣式配电网拓扑结构图；
[0030]
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
[0031]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0032]
一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法，具体包括
[0033]
以下几个步骤：
[0034]
(1)保护装置一旦检测到流过的正序电流突变量大于启动值，立即启动，进入故障识别模式。其中，各保护装置的启动值按照正序电流突变量幅值大于能够准确计算相位的最小电流幅值来整定，整定公式如下式所示：
[0035]
|i-i
pre
|＞k
reliset
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0036]
式中：i和i
pre
分别为保护装置处故障前后测得的正序电流稳态值幅值，k
rel
为大于1的可靠系数，i
set
为能够准确计算相位的最小电流幅值。
[0037]
(2)采集所述保护线路两端的故障后正序电流稳态值的幅值和由故障前后正序电流稳态值计算得到的正序电流故障分量相位差。其中，正序电流故障分量相位差的获取方式为：测量装置获取故障前后正序电流的稳态量后，通过数值计算得到相应位置的正序电流故障分量的相位，然后利用通信设备交换所述保护线路两端正序电流故障分量的相位即可得到所述保护线路两端正序电流故障分量的相位差，如下式所示：
[0038][0039]
式中：θ
12
为所述保护线路两端的正序电流故障分量相位差，和分别为所述保护线路两端保护装置处故障后测得的正序电流稳态值相量，和分别为保护装置处故障前测得的正序电流稳态值相量。
[0040]
(3)根据步骤(2)采集得到的所述保护线路两端的正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位差，计算所述保护线路对应的基于正序稳态量的电流差动保护判据，利用保护判据对区内外故障进行识别。基于正序稳态量的电流差动保护判据如下：
[0041][0042]
式中：ik和i
res
分别为所述保护判据的动作电流和制动电流，i1和i2为保护装置两端故障前后测得的正序电流稳态值幅值，k1和k2分别为所述保护判据的动作系数和制动系数。
[0043]
为使上述保护判据能够满足保护对相移制动能力和灵敏性的要求，动作系数k1和制动系数k2按照由保护装置中电流互感器、序列滤波器和信息收发回路等引起的线路两端正序电流的最大幅值误差和正序电流故障分量最大相位误差来整定。设相移制动闭锁角为基波电流幅值的最大误差为ε，则需令式(3)中的动作电流和制动电流在min(i1,i2)/max(i1,i2)＝(1-ε)/(1+ε)且时相等。据此可知，动作系数k1和制动系数k2应满足如下式所示的关系：
[0044][0045]
下面将结合附图1所示实例对该发明的技术方案进行详细说明。
[0046]
附图1中，花瓣式配电网由5段线路组成，线路编号为l1～l5，每段线路两端均配置断路器，断路器编号为s1～s10；dg为分布式电源；和分别为断路器s1、s2、s3、s4、s7和s8处测得的正序电流稳态值相量；f1、f2和f3均为故障点，其中f1位于线路l1上断路器s1出口处，f2位于线路l2中点处，f3位于线路l4上且当f3处故障时线路l4两端测得正序电流稳态值幅值相等。
[0047]
首先，各保护装置的启动值按照正序电流突变量幅值大于能够准确计算相位的最小电流幅值来整定，各保护装置测得电流的参考方向均为相邻开关站母线或变电站母线指向线路。当附图1中含分布式电源的花瓣式配电网主干线上发生故障时，主干线上所有保护装置检测到的正序电流突变量均大于启动值，各保护立即启动，进入故障识别模式。
[0048]
其次，各保护采集故障后正序电流稳态值的幅值和故障前、后正序电流稳态值相量，并根据故障前、后正序电流稳态量相量计算正序电流故障分量的相位，然后利用通信设备与该保护所在线路另一端的保护交换采集得到的正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位，根据已获取的线路两端的正序电流故障分量相位计算得到线路两端正序电流故障分量相位差。
[0049]
若故障后被保护线路一端保护处测得的正序电流幅值非常小，发生弱馈现象，则由式可知，该保护处计算得到的正序电流故障分量相位主要由故障前的正序电流相位决定，因此正序电流故障分量相位的测量准确性不会受到故障后正序电流相位测量不准的影响；若花瓣式配电网主干线上发生高阻故障，则由于故障前后的正序电流稳态量均具有较大幅值，因此根据数值计算得到的正序电流故障分量相位仍具有较高的准确性。
[0050]
最后，各保护根据获取到的所保护线路两端的正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位差，结合基于正序稳态量的电流差动保护判据对故障位置进行判断。
[0051]
对于花瓣式配电网主干线上发生故障且有弱馈现象发生的情况，下面以附图1中f1处发生故障为例，介绍一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法判别区内、外的方法。当f1发生故障时，流过所有线路两端保护的电流突变量幅值均大于启动值，各保护立即启动并进入故障识别模式。各保护采集故障前后正序电流稳态值，并计算故障后正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位，然后与所保护线路对端的保护交换信息以获取所保护线路两端正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位差。对于故障线路l1，靠近变电站母线一端的保护s1处测得的故障后正序电流稳态值幅值i
s1
远大于远离变电站母线一端的保护s2处测得的故障后正序电流稳态值幅值i
s2
，且远离变电站母线一端的保护s2处测得的故障后正序电流稳态值幅值i
s2
约等于零(即i
s1
》》i
s2
≈0)，线路两端正序电流故障分量相位差小于则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流ik远大于零而制动电流i
res
约等于零(即ik》》0，i
res
≈0)，进而可判定线路l1发生区内故障，此时线路l1上的保护s1和保护s2动作以切除故障。对于非故障线路l2、l3、l4和l5，线路两端保护处测得的故障后正序电流稳态值幅值相等，线路两端正序电流故障分量相位差为180
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流等于零而制动电流大于零，进而可判定线路l2、l3、l4和l5未发生区内故障，此时线路l2、l3、l4和l5上的保护均闭锁。
[0052]
对于花瓣式配电网主干线上发生故障且没有弱馈现象发生的情况，下面以附图1中f2处发生故障为例，介绍一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法判别区内、外的方法。当f2发生故障时，流过所有线路两端保护的电流突变量幅值均大于启动值，各保护立即启动并进入故障识别模式。各保护采集故障前后正序电流稳态值，并计算故障后正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位，然后与所保护线路对端的保护交换信息以获取所保护线路两端正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位差。对于故障线路l2，线路两端的保护s3和保护s4处测得的故障后正序电流稳态值幅值i
s3
和i
s4
不相等(即i
s3
≠i
s4
)，线路两端正序电流故障分量相位差小于90
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流ik大于零而制动电流i
res
等于零(即ik》0，i
res
＝0)，进而可判定线路l2发生区内故障，此时线路l2上的保护s3和保护s4动作以切除故障。对于非故障线路l1、l3、l4和l5，线路两端保护处测得的故障后正序电流稳态值幅值相等，线路两端正序电流故障分量相位差为180
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流等于零而制动电流大于零，进而可判定线路l1、l3、l4和l5未发生区内故障，此时线路l1、l3、l4和l5上的保护均闭锁。
[0053]
对于花瓣式配电网主干线上发生高阻故障的情况，下面以附图1中f2处发生高阻故障为例，介绍一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法判别区内、外的方法。当f2发生故障时，流过所有线路两端保护的电流突变量幅值均大于启动值，各保护立即启动并进入故障识别模式。各保护采集故障前后正序电流稳态值，并计算故障后正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位，然后与所保护线路对端的保护交换信息以获取所保护线路两端正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位差。对于故障线路l2，线路两端的保护s3和保护s4处测得的故障后正序电流稳态值幅值i
s3
和i
s4
近似相等(即i
s3
≈i
s4
)，线路两端正序电流故障分量相位差远小于90
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流ik大于零而制动电流i
res
等于零(即ik》0，i
res
＝0)，进而
可判定线路l2发生区内故障，此时线路l2上的保护s3和保护s4动作以切除故障。对于非故障线路l1、l3、l4和l5，线路两端保护处测得的故障后正序电流稳态值幅值相等，线路两端正序电流故障分量相位差为180
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流等于零而制动电流大于零，进而可判定线路l1、l3、l4和l5未发生区内故障，此时线路l1、l3、l4和l5上的保护均闭锁。
[0054]
对于花瓣式配电网主干线上发生故障且故障线路两端正序电流近似相等的情况，下面以附图1中f3处发生故障为例，介绍一种基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法判别区内、外的方法。当f3发生故障时，流过所有线路两端保护的电流突变量幅值均大于启动值，各保护立即启动并进入故障识别模式。各保护采集故障前后正序电流稳态值，并计算故障后正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位，然后与所保护线路对端的保护交换信息以获取所保护线路两端正序电流稳态值幅值和正序电流故障分量相位差。对于故障线路l4，线路两端的保护s7和保护s8处测得的故障后正序电流稳态值幅值i
s7
和i
s8
近似相等(即i
s7
≈i
s8
)，线路两端正序电流故障分量相位差小于90
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流ik大于零而制动电流i
res
等于零(即ik》0，i
res
＝0)，进而可判定线路l4发生区内故障，此时线路l4上的保护s7和保护s8动作以切除故障。对于非故障线路l1、l2、l3和l5，线路两端保护处测得的故障后正序电流稳态值幅值相等，线路两端正序电流故障分量相位差为180
°
，则根据式所示的基于正序稳态量的电流差动保护判据可知，动作电流等于零而制动电流大于零，进而可判定线路l1、l2、l3和l5未发生区内故障，此时线路l1、l2、l3和l5上的保护均闭锁。
[0055]
上述基于正序稳态量的含分布式电源花瓣式配电网电流差动保护方法流程图如附图2所示。
[0056]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。