一种配电网等效序阻抗纵联保护方法与流程

本发明属于配电网继电保护方法技术领域，具体涉及一种配电网等效序阻抗纵联保护方法。

背景技术：

环境污染、气候变化、能源安全和可持续发展等问题日益突出，全球主要国家已将新能源列入国家能源优先发展战略，新能源发电迎来了发展契机。利用新能源发电已经成为发电的主要形式，给电力注入了新活力。但是新能源发电同样也带来了挑战。

对于分布式风力发电接入配电网后，对于配电网的电能质量、潮流、保护、重合闸等等都带来了一些不利的影响。传统的配电网接入随机、不确定以及波动大的分布式风力发电后，使得单端的配电网变为多端多源的新型配电网，潮流也有原来由变电站流向负荷的单一方向变为多向流动。根据辐射型结构、单方向的短路电流和时间阶段延时整定的传统配电网的三段电流保护不再适应新的配电网形式，面临的众多的问题。

现有的针对双馈型感应风电源接入配电网后的配电网保护方法主要有：

(1)对于分布式电源的接入配电网的位置以及输出容量进行了一定的限制，然后对原有的电流保护定值进行一定的调整，使的其不会对配电网原有保护造成影响；(2)提出基于通信的保护方案，通过通信的方式能够充分利用多点信息来根据实时来配置以及整定保护。(3)提出了一种自适应电流保护的方案，根据运行方式和dg出力情况自适应的调整整定值，该方法改善了因为dg的随机性使得传统电流速断保护定值难以整定的问题，使得保护性能得到了很大的提高；(4)分析了双馈风力发电机的短路暂态特性，利用其自身与系统大电源在暂态特性上的不同构造纵联保护，可以准确识别故障发生在被保护线路的区内、外。

对于(1)中对于分布式电源的位置和输出容量进行限制，不符合国家对于发展新能源的目的，不利于新能源发展。(2)中利用了通信的方式对配电网的故障进行处理，保护通信的可行性要求较高，一旦通信失败或者信息有误，保护将会失效。(3)需要借助通信信道来实时获取自适应参数，抗过渡电阻能力不强。(4)关于双馈型风力发电机在线路发生不对称故障时的特性也有待研究。综上所述，现有的对双馈型风力发电机的配电网的保护方法很难有实际的工程应用价值，不具有普适性。需要进一步的研究。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种配电网等效序阻抗纵联保护方法，解决了当前现有技术当中对于接有dfig的配电网的保护方法过于复杂、不能适应dfig的频偏特性等技术问题。

本发明采用的技术方案是，一种配电网等效序阻抗纵联保护方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过含dfig型风电机的配电网首端电压电流互感器分别采集首端断路器处的电压荷电流值，并将测得的电压和电流值分别传递到首端可编程处理器；通过末端电压电流互感器分别采集末端断路器处的电压和电流值，并将测得的电压和电流值分别传递到首端可末端可编程处理器，进行数据处理；

步骤2：首端可编程处理器根据步骤1数据处理结果分别发出调控指令至首端断路器动作控制器来控制首端断路器，末端可编程处理器根据步骤1数据处理结果分别发出调控指令至末端断路器动作控制器来控制末端断路器，实现dfig型风机的配电网纵联保护。

本发明的特点还在于，

步骤1进行数据处理具体过程为：

步骤1.1：然后对采集的电压和电流进行序分量分解，分别得到首端断路器首端断路器处的等效正序阻抗zs1和等效负序阻抗zs2、末端断路器处的等效正序阻抗zw1和等效负序阻抗zw2，

对末端断路器处的等效正序阻抗zw1和等效负序阻抗zw2做比，记为ρdgf，

对首端断路器处的等效正序阻抗zs1和等效负序阻抗zs2做比，记为ρsf，

步骤1.2：计算ρsf，ρdgf之间的比值，将比值与ρset进行比较，ρset为1.2，来实现线路的纵联保护：

1)当判别为故障发生在线路之间，线路两端的保护装置动作，切断故障；

2)当判别为故障发生在线路之外，线路两端的保护装置不动作。

等效正序阻抗zw1为：

等效负序阻抗zw2为：

式中，rs、rr分别为电机定子侧电阻和归算到定子侧的转子侧电阻；xsσ、xrσ分别为电机定子侧漏抗和归算到定子侧的转子漏抗；xm为电机的励磁电抗；rcr为撬棒电路电阻；s为转差率，转差率范围一般在0≤|s|≤1；us1、us2分别为电机机端正序电压和负序电压，j为虚数单位。

dfig型风电机的配电网系统包括电源，电源通过降压变压器与第一母线连接，第一母线通过线路与第二母线相连，第二母线处通过升压变压器接有dfig风电机；在第一母线的出口处设置有首端断路器和检测首端断路器电压电流值的电压电流互感器，首端断路器与首端断路器动作控制器相连接，首端电压电流互感器和首端断路器动作控制器均与首端可编程处理器连接；在第二母线的出口处设置有末端断路器和检测末端断路器处电压电流值的末端电压电流互感器，末端断路器与末端断路器动作控制器相连接，末端电压电流互感器和末端断路器动作控制器均与末端可编程处理器相连接。

本发明的有益效果是，本发明的一种配电网等效序阻抗纵联保护方法与现有技术相比的优势在于以下几点；1)在针对双电源形式中利用了纵联保护，避免了dfig频率偏移带来的影响，计算过程简单快速，不需要多余的数据处理，在配电网中的实用性高。2)针对不对称短路故障的暂态特性，增加了保护的可靠性，避免了在在双电源配电网中发生保护无法识别不对称短路的情况。

附图说明

图1是本发明的含有dfig型风力发电机的配电网系统结构示意图；

图2是本发明的含分布式dfig型风力发电机的配电网纵联保护方法流程图；

图3是本发明的含分布式dfig型风力发电机的配电网纵联保护方法的实现方案图；

图4(a)是本发明风力发电机的配电网在两相短路故障情况下首端断路器处的正负序等效阻抗；

图4(b)是本发明风力发电机的配电网在两相短路故障情况下首端断路器处的正负序等效阻抗的比值；

图4(c)是本发明的风力发电机的配电网在两相短路故障情况下末端断路器处的正负序等效阻抗示意图；

图4(d)是本发明的风力发电机的配电网在两相短路故障情况下末端断路器处的正负序等效阻抗的比值；

图4(e)是本发明的风力发电机的配电网两相短路故障情况下首端断路器和末端断路器的正负序阻抗的比值之比；

图5(a)是本发明的风力发电机正序等效电路；

图5(b)是本发明的风力发电机负序等效电路。

其中，1.电源，2.降压变压器，3.第一母线，4.首端断路器，5.线路，6.首端电压电流互感器，7.首端可编程处理器，8.首端断路器动作控制器，9.末端断路器，10.末端互感器，11.末端可编程处理器，12.末端断路器动作控制器13.第二母线，14.dfig风电机，15.升压变压器。

具体实施方式

下面结合相关附图，来对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

如图1所示，dfig型风电机的配电网系统包括电源1，电源1通过降压变压器2与第一母线3连接，第一母线3通过线路5与第二母线13相连，第二母线13处通过升压变压器15接有dfig风电机14；在第一母线3的出口处设置有首端断路器4和检测首端断路器4电压电流值的电压电流互感器6，首端断路器4与首端断路器动作控制器8相连接，首端电压电流互感器6和首端断路器动作控制器8均与首端可编程处理器7连接；在第二母线13的出口处设置有末端断路器9和检测末端断路器9处电压电流值的末端电压电流互感器10，末端断路器9与末端断路器动作控制器12相连接，末端电压电流互感器10和末端断路器动作控制器12均与末端可编程处理器11相连接。

本发明的一种配电网等效序阻抗纵联保护方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过含dfig型风电机的配电网首端电压电流互感器6分别采集首端断路器4处的电压荷电流值，并将测得的电压和电流值分别传递到首端可编程处理器7；通过末端电压电流互感器10分别采集末端断路器4处的电压和电流值，并将测得的电压和电流值分别传递到首端可末端可编程处理器11，进行数据处理，数据处理过程具体如下：

步骤1.1：对采集的故障电压和故障电流进行序分量分解，求出首端断路器4的正负序电压突变量、正负序电流的突变量和末端断路器9的正负序电压突变量、正负序电流的突变量，然后计算首端断路器4处的等效正序阻抗zs1和等效负序阻抗zs2，末端断路器9处的zw1和等效负序阻抗zw2，

对末端断路器(9)处的等效正序阻抗zw1和等效负序阻抗zw2做比，记为ρdgf，

对首端断路器(4)处的等效正序阻抗zs1和等效负序阻抗zs2做比，记为ρsf，

步骤1.2：计算ρsf，ρdgf之间的比值，将比值与ρset进行比较，ρset为1.2，来实现线路的纵联保护：

1)当判别为故障发生在线路之间，线路两端的保护装置动作，切断故障；

2)当判别为故障发生在线路之外，线路两端的保护装置不动作。

ρset为1.2的根据：在pscad/emtdc中建立仿真系统，以中国首座分散式风电场接入10kv地方配电网的示范性工程为原型。然后通过设置不同类型故障，不同风机容量，不同故障位置，每一次都计算出动作值，留有一定的裕量，选择最终值为1.2。

等效正序阻抗zw1和等效负序阻抗zw2分别为

等效正序阻抗zw1为：

等效负序阻抗zw2为：

式中，rs、rr分别为电机定子侧电阻和归算到定子侧的转子侧电阻；xsσ、xrσ分别为电机定子侧漏抗和归算到定子侧的转子漏抗；xm为电机的励磁电抗；rcr为撬棒电路电阻；s为转差率，转差率范围一般在0≤|s|≤1；us1、us2分别为电机机端正序电压和负序电压，j为虚数单位。

电机机端就是电机出口处。

步骤2：首端可编程处理器7根据步骤1数据处理结果分别发出调控指令至首端断路器动作控制器8来控制首端断路器4，末端可编程处理器11根据步骤1数据处理结果分别发出调控指令至末端断路器动作控制器12来控制末端断路器9，实现dfig型风机的配电网纵联保护。

本发明针对不对称故障后撬棒电路投入这一工况，对双馈风力发电机等效序阻抗特性进行分析，得出不同于系统电源等效正负序阻抗幅值相等，双馈风力发电机等效正负序阻抗幅值差异显著，且其等效正序阻抗幅值远大于负序阻抗幅值。在此基础上提出了了基于配电线路两侧电源等效序阻抗幅值差异的纵联保护方案。

当前dfig感应风力发电机14都配置了低电压穿越功能，当风机外部发生故障时，电机进入异步运行状态，此时可以将双馈风力发电机等效为异步电机，末端等效正负序电路如图5(a)和图5(b)所示：

等效正序阻抗zw1为：

等效负序阻抗zw2为：

式中，rs、rr分别为电机定子侧电阻和归算到定子侧的转子侧电阻；xsσ、xrσ分别为电机定子侧漏抗和归算到定子侧的转子漏抗；xm为电机的励磁电抗；rcr为撬棒电路电阻；s为转差率，转差率范围一般在0≤|s|≤1；us1、us2分别为电机机端正序电压和负序电压，j为常数。

由上述公式可知，等效正负序阻抗大小与转差率s有关，转差率范围一般在0≤|s|≤1，得出故障后双馈风力发电机等效正负序阻抗不再相等，且等效正序阻抗远远大于等效负序阻抗。

上述推导就是为了说明双馈型感应风力发电机的正、负序阻抗不相等，正、负序阻抗的比值不是1，这与系统电源1有很大差别；系统电源1的正、负序阻抗都是定值，且相等，所以比值是1，所以本申请的核心就在于，线路两边的电源分别是系统电源1和双馈型感应风力发电机14，在故障发生后，系统电源的正、负序阻抗比接近于1，而双馈型感应风力发电机的正、负序阻抗远远大于1，利用这样的差异，可以判别出在两个电源的中间的线路发生了故障。

实施例：

步骤1：以图4(a)-图4(d)所示的大电源在两相经过渡电阻接地故障为例进行测试，对电流波形进行滤波，滤除严重的波形畸变点，图4(e)为线路两侧等效序阻抗幅值比之比。

步骤2：对上述数据进行计算，对故障电压和故障电流进行序分量分解，求出正负序电压和电流的突变量，然后计算等效正负序阻抗以及等效序阻抗之比ρsf,ρdgf

步骤3：分别对首端断路器4处的等效正序阻抗zs1、等效负序阻抗zs2做比，记为ρsf对末端断路器9处的等效正序阻抗zw1、等效负序阻抗zw2做比，记为ρdgf，计算得出

步骤4：考虑到实际中的测量误差，这里设置设定ρset＝1.2，这里的1.2是经过仿真验证，根据大量的测试数据得到的结论。

步骤5：对于不同工况下保护性能的大量测试结果如下表所示。

表1首端断路器和末端断路器相间短路故障测试结果

表2两相接地短路故障测试结果

表3有过渡电阻情况测试结果

对双馈风电场接入配电网的某工程进行大量仿真测试，结果表明该保护方案在不对称故障下，针对不同故障类型，不同风电场有功输出以及不同故障电阻情况下，均能够可靠正确的动作。