一种基于多点状态量信息的含dg配电网保护方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于多点状态量信息的含DG配电网保护方法，包括：在含DG配电网的变电站中设置一个信息处理中心，并且各个保护均配置过电流保护；构建补偿阻抗，并将补偿阻抗的最大灵敏角设置为线路阻抗角；当含DG配电网中某个或某些保护的电流III段动作时，该保护主动上传此信息，若该保护为DG上游区域首端保护，则其将同时上传补偿阻抗极性信息，并且只要流过该保护的短路电流超出电流III段整定值，就每隔一定时间间隔上传此动作信息，信息处理中心接收到不同保护发送的状态量信息后，首先对这些保护的位置进行判断，然后根据不同情况采取不同的动作逻辑。本发明对馈线上任意位置的故障进行快速、可靠和精确的定位并切除。
【专利说明】一种基于多点状态量信息的含DG配电网保护方法 所属技术领域
[0001] 本发明属于电力系统配电网保护与控制领域，提出了一种基于多点状态量信息的 含DG配电网保护方案。
【背景技术】
[0002] 分布式电源(distributed generation,DG)是一种新兴的电力能源，包括光伏发 电系统、风力发电系统、微型燃气轮机发电系统、小水电等。分布式发电技术具有环保、经济 等一系列优点，能够很好地满足人们对电力安全稳定和经济环保的要求，已引起广泛关注， 并逐渐得到推广和发展。
[0003] 传统的中低压配电网通常配置三段式电流保护，该保护配置并未考虑网络中有DG 接入的情况。然而，DG的接入改变了配电网的故障电流分布以及配电网原有保护配置的基 础条件，对配电网短路电流的影响表现为助增电流、外汲电流和反向电流，配电网原有的三 段式电流保护将可能误动作或者拒动作。同时，对于像光伏发电系统、永磁直驱式风机等逆 变型DG，它们的出力受光照强度、温度和风力等外界自然条件的影响较大，并且DG也可能退 出运行。因此，含DG配电网的运行方式变得更加复杂，这也使得传统电流保护的定值很难整 定。另外，DG的接入使得配电网变成了具有双端或者多端电源的网络，为有选择性地保护线 路，需在各保护安装处加装PT (potential transformer，PT)来获取方向信息。然而，逆变型 DG通常采用基于电压正序分量的控制策略，只存在于正序网络中，且在故障情况下只输出 有功电流或几乎只输出无功电流，可能使得功率方向元件判断错误。综上可知，依赖本地信 息和预设整定值并通过时限配合来实现主后备保护配合的原有电流保护，已经很难满足含 DG配电网对保护选择性、灵敏性和速动性的要求。为解决上述问题，
【申请人】曾提出一种含DG 配电网保护新方案[1]，该方案基于过电流保护动作信息和首端保护补偿电压正序分量极性 信息进行故障定位。然而，在该方案中，对于不同类型的DG或者同一类型DG时不同的DG等值 阻抗，首端保护中整定阻抗值整定阻抗公式也各不相同，并且需要估算系统等值阻抗和DG 等值阻抗，增大了实施难度。另外，当DG上游区域发生故障并且无法仅利用过电流保护动作 信息判断故障位置时，该方案首先向区域内中间位置的保护发送跳闸指令，将故障区域分 解成两个辐射状的线路，再通过过电流保护动作信息实现故障定位，该设计无法实现故障 的精确定位，可能扩大停电范围。
[0004] 为快速、有选择性地保护线路全长，实现故障的精确定位，在不加装PT以及不借助 功率方向信息的前提下，本发明提出了一种基于过电流保护动作信息和DG上游区域补偿阻 抗极性信息的保护新方案。其中，补偿阻抗极性信息由馈线首端和DG并网点处的保护根据 其电压和电流信息计算得到。本发明能够消除DG接入对保护的影响，快速准确地对含DG配 电网进行全线故障定位并切除。另外，其改造成本低，所需通信量少，并且对数据的同步性 要求不高，DG上游区域首端保护中阻抗整定简单，易于实施。
[0005] [1]李永丽，陈晓龙.一种含DG配电网保护方案，申请发明专利，专利申请号： 201410331053.1，专利申请日：2014.07.11
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于考虑到DG接入对功率方向元件的影响，在不加装PT和不依赖故 障方向信息的前提下，提供一种含DG配电网保护新方案，对馈线上任意位置的故障进行快 速、可靠和精确的定位并切除。本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于多点状态量信息的含DG配电网保护方法，包括下面几个方面：
[0008] (1)在含DG配电网的变电站中设置一个信息处理中心，并且各个保护均配置过电 流保护，即电流III段保护，过电流保护的整定电流为
其中：1：：S为可靠 系数;Kms为自启动系数;Kre为返回系数;Iuliax为正常运行时的最大负荷电流；
[0009] (2)将DG接入点和馈线首端之间的区域定义为DG上游区域，当馈线上有多个DG接 入时，以DG并网点作为各个DG上游区域分界点，将DG上游区域内距离变电站最近的保护定 义为DG上游区域首端保护，同时将距离馈线首端最远的DG接入点到馈线末端之间的区域定 义为DG下游区域；
[0010] (3)在变电站内变压器低压侧的母线上和DG并网点处均装有PT,为只反映正方向 故障，参考方向阻抗继电器的比幅式动作方程，构建补偿阻抗
，其中： Zme3aS测量阻抗值，Zse3t为整定阻抗值，并将补偿阻抗的最大灵敏角设置为线路阻抗角，使其 灵敏性最优；
[0011] (4)为仅依靠首端保护中Zd1J^极性信息来准确判断DG上游区域内的故障位置，设 置Z set的个数与DG上游区域内线路的条数相等，并且每个Zset的取值按式Zset = KrelZL整定， 其中：Krel为数值大于1的可靠系数，Zl为区域首端保护到DG上游区域内各条线路上距离变 电站较远一端的阻抗值；
[0012] (5)为使得Zmea与DG上游区域内故障点到首端保护安装处的距离成正比，并且不受 故障类型、DG类型和数量、DG容量和出力因素的影响，通过三组相间电压和对应的相间电流 计算得到二组Zmea ;
[0013] (6)当含DG配电网中某个或某些保护的电流III段动作时，该保护主动上传此信 息，若该保护为DG上游区域首端保护，则其将同时上传补偿阻抗极性信息，并且只要流过该 保护的短路电流超出电流III段整定值，就每隔一定时间间隔上传此动作信息，信息处理中 心接收到不同保护发送的状态量信息后，首先对这些保护的位置进行判断，然后根据不同 情况采取不同的动作逻辑。
[0014] (6)中的动作逻辑可以如下：
[0015] (i)DG下游区域和没有DG接入的馈线为单电源辐射状区域，只要在这些区域或馈 线上存在保护的电流III段动作的情况，则无需考虑DG上游区域各个保护电流III段是否动 作，直接判断故障位置在有短路电流流过和没有短路电流流过的两个保护之间，并向这些 区域中电流III段动作的最下游保护发送跳闸指令；
[0016] (ii)当DG上游区域某线路两端保护的电流III段动作信息不一致时，直接判断故 障位置在此线路上，并向该线路两端的保护发送跳闸指令；
[0017] (iii)对于某一含有多条线路的DG上游区域，当保护范围大小是相邻关系的两个 Zse3t对应的Zdir的极性不同时，则故障位置肯定在两个保护范围的非重叠区域上，由于Z se3t的 取值大于首端保护到对应线路末端之间的线路阻抗值，因此相邻两个保护范围的非重叠区 域跨越了两条线路，需分以下两种情况进行故障定位和保护动作逻辑分析：
[0018] (a)当非重叠区域跨越的是两个不同DG上游区域内的两条线路时，故障点的具体 位置取决于距离变电站较远区域的首端保护中Z dir的极性，若Zdir的极性为正，则故障点在 距离变电站较近的线路上，否则，故障点在距离变电站较远的线路上，故障定位后，向故障 线路两端的保护发送跳闸指令；
[0019] (b)当非重叠区域跨越的是同一区域内的两条线路时，非重叠区域内的保护是故 障线路的一端保护，因此首先向非重叠区域内的保护发送跳闸指令，然后根据与该保护相 邻的变电站侧保护的过电流保护动作信息，判断故障的具体位置，若变电站侧保护仍上传 过电流保护动作信息，则故障线路为距离变电站较近的线路上，否则，故障点在距离变电站 较远的线路上，故障定位后，向故障线路两端的保护发送跳闸指令；
[0020] (i V)当（i i i)中所述DG上游区域内的各个Zset对应的Zdir的极性均为负时，故障位 置在整定值最小的Z se3t对应的保护范围内，该范围仍是跨越了两条线路，因此同（iii)中（b) 的处理方式类似，首先向下游线路的保护发送跳闸指令，然后根据首端保护的过电流保护 动作信息，判断故障的具体位置并向故障线路两端保护发送跳闸指令；
[0021] (V)对于同一馈线上两个相邻的DG上游区域，若其首端保护中均存在2<^极性为负 的情况，则故障点必然在距离变电站较远的区域内，若该区域内有多条线路，则之后的故障 定位和保护动作逻辑同（iii)中所述。
[0022] 为适应含DG配电网灵活多变的运行方式，满足其对保护选择性、灵敏性和速动性 的要求，本发明提出了一种基于过电流保护动作信息和补偿阻抗极性信息的含DG配电网保 护新方案。该方案在不依赖故障功率方向元件的前提下，根据含DG配电网中过电流保护动 作信息以及首端保护补偿阻抗极性信息，并借助于通信技术便能够对馈线上任意位置的故 障进行快速、可靠和精确的定位并切除。与现有技术相比，本发明所能产生的积极效果是： 首先，本发明设计了 DG上游区域首端保护的补偿阻抗公式及配置原则，借助全局的过电流 保护动作信息以及首端保护的补偿阻抗极性信息，设计了故障定位和保护动作逻辑，能够 在不加装PT和不依赖功率方向元件的前提下准确判断故障位置，所需改造成本低;其次，本 发明所提保护方案的有效性，不受系统运行方式、DG容量(或出力）、DG类型和数量、故障点 位置等因素的影响；最后，本发明能够快速、有选择性地保护含DG配电网的线路全长，并且 具有所需通信量少、处理速度快、对信息的同步性要求低等特点，易于实施。
【附图说明】
[0023] 图1为基于多点状态量信息的故障定位和保护动作逻辑流程图；
[0024]图2为含DG的IOkV配电网系统结构图。
【具体实施方式】
[0025] 下面将结合实施例及参照附图对该发明的技术方案进行详细说明。
[0026] 本发明的基于多点状态量信息的含DG配电网故障定位和保护动作逻辑流程图如 图1所示。为更具通用性，在如图2所示的含DG配电网中，馈线1上接有2个DG，馈线2上有1个 DG接入。在DG上游区域的线路⑶、线路DE和线路AG末端靠近DG处配置了断路器、保护9、保护 10和保护11，从而能够将故障从线路两端切除。在介绍故障定位的基本原理之前，不同位置 保护需设置过电流保护整定值或整定阻抗值。
[0027] 设Zsetji和Zdir_x分别为与线路X对应的整定阻抗值和补偿阻抗值。在图2所示配电 网中的DGl上游区域1内有三条线路，故其首端保护1中有3套整定阻抗值，分别为Z set_AB、 Zset_AC和Zset_AD，其取值分别为Zset_AB = KrelZAB、Zset_AC = KrelZAC和Zset_AD = KrelZAD，其中 Krel为数 值大于1的可靠系数，取为1.2,故上述3套整定值和所对应的保护范围均依次增大，并且 Zse3t_AD对应的保护范围包含了区域1内的所有线路。同样地，区域2和区域3的首端保护4和保 护6均按照上述原则设置整定阻抗值。在图2所示系统的3个DG上游区域内，其首端保护1、保 护4和保护6中每套Z se3t对应的保护范围如图2中虚线所示。
[0028] 通常情况下，配电网馈线上不装设PT，但在变电站内变压器低压侧的母线上装有 PT，即各馈线首端的保护装置能够获得此母线上的电压信息。另外，根据国家标准《光伏发 电站接入电力系统技术规定（GB19964-2012)》等，通常要求DG并网点处装有PT和CT (current transformer，CT)。因此，图2中3个DG上游区域的首端保护均能够采集到保护安 装处的电压和电流信息，并且能够通过三组相间电压和与其对应的相间电流计算得到三组 测量阻抗值Z me3a AG上游区域的首端保护将各套整定阻抗值Zse3t和测量阻抗值Zme3a按照式
?行计算，即可得到与不同整定阻抗值对应的补偿阻抗值Zdir。并且， 当系统正常运行或者故障发生在整定阻抗值所对应的保护范围之外时，ZdirS正值;反之， 若发生区内故障，则Zdir为负值。
[0029] 另外，含DG配电网中所有保护均配置过电流保护。过电流保护即电流III段的启动 电流按照躲开保护所在线路上可能出现的最大负荷电流进行整定，其整定公式为
实中尤i1丨为可靠系数，Kms为自启动系数，K re为返回系数，Iuliax为正常运行 时的最大货荷电流。在三段式电流保护中，过电流保护的整定值最小。因此，当含DG配电网 的不同位置发生故障时，可能存在故障线路和非故障线路上多个保护的电流III段均动作 的情况。
[0030] 下面以图2中区域1和区域2内的不同位置发生故障为例，介绍根据DG上游区域首 端保护中Zdir的极性信息进行故障定位的基本原理。
[0031] 1)当f6点发生故障时，保护7的电流III段将动作，保护6和保护11的电流III段在 DG3外汲电流的作用下也可能动作，同时保护1、保护2、保护3、保护4、保护9和保护10的电流 III段在DGl和DG2反向电流的影响下也可能动作。此时，只要DG3下游区域保护的电流III段 动作，则无需考虑馈线1上DG上游区域保护电流III段的动作情况，直接判断故障点位于DG3 下游区域，并且在DG3最下游的电流III段动作的保护7所在的线路GH上，并向保护7发送跳 闸命令，断开故障线路GH。
[0032] 2)当心点发生故障时，故障点系统侧的保护1、保护2和保护3的电流III段将动作， 故障点DG侧的保护4、保护9和保护10在DGl和DG2反向电流的影响下可能动作，保护6和保护 11在DG3反向电流的影响下可能动作，DG下游区域内所有保护的电流III段不动作。若保护9 不动作，则直接判断故障点位于电流III段动作信息不一致的保护3和保护9之间的线路CD 上，并向保护3和保护9发送跳闸命令，断开故障线路CD。若区域1内所有保护的电流III段均 动作，或者区域1和区域2内所有保护的电流III段均动作，则通过首端保护内不同整定阻抗 值对应的补充阻抗的极性判断故障位置。此时，只有区域1首端保护1中Z dir_AD的极性为负。 由于Zse3t_AD对应的保护范围跨越了区域1的线路AD和区域2的线路DE，因此需结合区域2首端 保护4中Z dir_DE的极性信息来判断故障点位置。当信息处理中心接收到Zdir_ AD的极性为负而 Zdir』E的极性为正，直接判断故障位置在线路CD上，并向保护3和保护9发送跳闸指令，断开 故障线路⑶。
[0033] 3)当5点发生故障时，不同区域内保护电流III段的动作情况同情况2)中所述，仍 需结合首端保护的极性信息判断故障位置。此时，不同区域的首端保护中，只有Z dir_AC和 Zdir_AD的极性为负，即保护范围大小是相邻关系的Zse3t_AB和Zse3t_AB所对应的Zdir的极性相反。 因此，故障点在Z se3t_AB和Zse3t_AC所对应保护范围的重叠区域。此时，信息处理中心首先向保护 3发送跳闸指令，此后将接收不到保护2上传的过电流保护动作信息，则判断故障点在线路 ⑶上，并向保护9发送跳闸指令。
[0034] 4)当f3点发生故障时，不同区域内保护电流III段的动作情况与情况2)类似，也需 结合首端保护的极性信息判断故障位置。与3)相比，不同之处在于，信息处理中心在向保护 3发送跳闸指令之后，仍能接收到保护2上传的过电流保护动作信息，因此判断故障点在线 路BC上，并向保护2发送跳闸指令。
[0035] 5)当f4点发生故障时，不同区域内保护电流III段的动作情况也与情况2)类似，仍 需结合首端保护的极性信息判断故障位置。此时，只有区域2首端保护4中Z dir_DE的极性为 负，并且区域2内只有一条线路，因此直接判断故障点在线路DE上，并向保护4和保护10发送 跳闸指令，切除故障线路DE。
[0036] 6)当&点发生故障时，不同区域内保护电流III段的动作情况与情况5)相同，仍需 结合首端保护的极性信息判断故障位置。与5)相比，不同之处在于，区域1首端保护1中 Zdir_AD的极性在该情况下为负。由于区域1和区域2为相邻区域，并且区域2首端保护4中 Zdir_DE的极性为负，因此直接判断故障点在距离系统较远的区域2上，即故障点在线路DE上， 并向保护4和保护10发送跳闸指令，切除故障线路DE。
[0037] 以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的 限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域 技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而 易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于多点状态量信息的含DG配电网保护方法，包括下面几个方面： (1) 在含DG配电网的变电站中设置一个信息处理中屯、，并且各个保护均配置过电流保 护，即电流III段保护，过电流保护的整定电流）痒中：片2为可靠系数； Kms为自启动系数;Kre为返回系数;ILmax为正常运行时的最大负荷电流； (2) 将DG接入点和馈线首端之间的区域定义为DG上游区域，当馈线上有多个DG接入时， WDG并网点作为各个DG上游区域分界点，将DG上游区域内距离变电站最近的保护定义为DG 上游区域首端保护，同时将距离馈线首端最远的DG接入点到馈线末端之间的区域定义为DG 下游区域； (3) 在变电站内变压器低压侧的母线上和DG并网点处均装有PT,为只反映正方向故障， 参考方向阻抗继电器的比幅式动作方程，构建补偿阻i，其中：Zmea为 测量阻抗值，Zset为整定阻抗值，并将补偿阻抗的最大灵敏角设置为线路阻抗角，使其灵敏 性最优； (4) 为仅依靠首端保护中Zdir的极性信息来准确判断DG上游区域内的故障位置，设置 Zset的个数与DG上游区域内线路的条数相等，并且每个Zset的取值按式Zset = KrelZL整定，其 中：Krel为数值大于1的可靠系数，孔为区域首端保护到DG上游区域内各条线路上距离变电 站较远一端的阻抗值； (5) 为使得Zmea与DG上游区域内故障点到首端保护安装处的距离成正比，并且不受故障 类型、DG类型和数量、DG容量和出力因素的影响，通过=组相间电压和对应的相间电流计算 得到立组2。63; (6) 当含DG配电网中某个或某些保护的电流HI段动作时，该保护主动上传此信息，若 该保护为DG上游区域首端保护，则其将同时上传补偿阻抗极性信息，并且只要流过该保护 的短路电流超出电流HI段整定值，就每隔一定时间间隔上传此动作信息，信息处理中屯、接 收到不同保护发送的状态量信息后，首先对运些保护的位置进行判断，然后根据不同情况 采取不同的动作逻辑。2. 根据权利要求1所述的保护方案，其特征在于，（6)中，信息处理中屯、接收到不同保护 发送的状态量信息后，首先对运些保护的位置进行判断，然后根据不同情况采取不同的动 作逻辑： (i) DG下游区域和没有DG接入的馈线为单电源福射状区域，只要在运些区域或馈线上 存在保护的电流III段动作的情况，则无需考虑DG上游区域各个保护电流HI段是否动作， 直接判断故障位置在有短路电流流过和没有短路电流流过的两个保护之间，并向运些区域 中电流HI段动作的最下游保护发送跳闽指令； (ii) 当DG上游区域某线路两端保护的电流HI段动作信息不一致时，直接判断故障位 置在此线路上，并向该线路两端的保护发送跳闽指令； (iii) 对于某一含有多条线路的DG上游区域，当保护范围大小是相邻关系的两个Zset对 应的Zdir的极性不同时，则故障位置肯定在两个保护范围的非重叠区域上，由于Zset的取值 大于首端保护到对应线路末端之间的线路阻抗值，因此相邻两个保护范围的非重叠区域跨 越了两条线路，需分W下两种情况进行故障定位和保护动作逻辑分析： (a) 当非重叠区域跨越的是两个不同DG上游区域内的两条线路时，故障点的具体位置 取决于距离变电站较远区域的首端保护中Zdir的极性，若Zdir的极性为正，则故障点在距离 变电站较近的线路上，否则，故障点在距离变电站较远的线路上，故障定位后，向故障线路 两端的保护发送跳闽指令； (b) 当非重叠区域跨越的是同一区域内的两条线路时，非重叠区域内的保护是故障线 路的一端保护，因此首先向非重叠区域内的保护发送跳闽指令，然后根据与该保护相邻的 变电站侧保护的过电流保护动作信息，判断故障的具体位置，若变电站侧保护仍上传过电 流保护动作信息，则故障线路为距离变电站较近的线路上，否则，故障点在距离变电站较远 的线路上，故障定位后，向故障线路两端的保护发送跳闽指令； (iv)当（iii)中所述DG上游区域内的各个Zset对应的Zdir的极性均为负时，故障位置在 整定值最小的Zset对应的保护范围内，该范围仍是跨越了两条线路，因此同（iii)中（b)的处 理方式类似，首先向下游线路的保护发送跳闽指令，然后根据首端保护的过电流保护动作 信息，判断故障的具体位置并向故障线路两端保护发送跳闽指令； (V)对于同一馈线上两个相邻的DG上游区域，若其首端保护中均存在Zdir极性为负的情 况，则故障点必然在距离变电站较远的区域内，若该区域内有多条线路，则之后的故障定位 和保护动作逻辑同（i i i )中所述。
【文档编号】H02H7/28GK105914720SQ201610377078
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】陈晓龙, 李永丽
【申请人】天津大学