一种环形微电网故障模拟装置的制作方法

本发明涉及微电网运行领域，具体涉及一种环形微电网故障模拟装置。

背景技术：

1、分布式电源(distributed generation,dg)有诸多优点，可以填补电力需求的不足，提升能源的清洁性，增强配电系统供电的灵活性，然而大量dg分散地接入配电网，会产生不确定性风险因素上升，供电可靠性降低，系统电能质量稳定性降低等问题。为了充分协调电力系统与分布式发电之间的矛盾，更好发挥dg的优势，一种新的分布式发电组织形式--微网应运而生，微网技术即将成为未来能源发展的关键技术之一。

2、分布式发电供能微网系统是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与主系统并网运行，也可以孤立运行。在并网运行模式下，微电网逆变系统作为中转站，连接新能源发电单元和电网；在孤岛运行模式下，微网逆变系统输出端模拟成电网来连接负载。通过在用户侧安装分布式电源，形成微网结构，对消除输配电瓶颈、减少网络损耗、延缓对新建或扩建发输电系统的投资等都具有重要作用。

3、微电网是多种新能源发电系统和电网交互转换的接口，且其可以交互大量新能源发电单元后孤岛运行，是组织新能源发电系统的重要方式。按照微网中母线电压的类型可以将微电网分为直流微网、交流微网、交直流混合微网。目前在已经建成的微网示范项目中，交流微网是微网中主要的形式。在交流微电网中，dg和储能设备通过电力电子接口装置连接的公共母线是交流性质的；且交流在电压等级变化具有较大的优势，并且大多数负载是交流供电，所以交流微电网仍然具有巨大的发展潜力。

4、传统的配电网一般都是单一电源的辐射型网络，继电保护也是按照辐射型网络进行设计和整定的。随着dg在电力系统中所占比重越来越高以及微网技术的出现，人们开始关注如何充分利用dg的供电能力，因此故障时不再直接将所有dg退出运行，而是允许dg带一部分负荷继续运行，例如中国专利公开号cn106990320a公开的一种微网、微网系统及微网故障定位方法。然而dg接入配网后，将传统的单电源辐射网络变成了多电源复杂网络，从而改变了原有网络中短路电流的大小和流向；此外，部分分布式电源在配电网中的角色会随着自然环境的状况而发生改变，例如，太阳能电源在晴天阳光充足时，可以将富裕的电能上传给配电网，而在阴天时需要从配电网中汲取电能来保证负荷正常用电。因此接入分布式电源后，配网的运行方式变得复杂多变，原有的阶段式电流保护的整定配合将十分困难，甚至根本无法按照规程要求进行整定，无法起到应有的保护作用，对电网存在着极大的危害。分布式电源接入电网后，当发生短路故障时，由于其助增作用，会减小流过保护装置的故障电流，影响继电保护的灵敏性；而且在相邻线路发生故障时，有可能引起没有安装方向元件的保护装置误动，失去选择性。此外由于分布式电源的存在，可能对故障点持续提供短路电流，将瞬时故障发展成永久性故障，从而造成重合闸失败，延长了停电时间。

5、并且微网线路阻抗的性质和参数的三相不对称性，以及用户侧大量单相负载压极易出现三相不平衡现象。三相电压的不平衡度，影响变流器控制性能和系统的随机投切运行，使得微网系统中逆变器端口输出电压和微网公共耦合点pcc电中继电保护装置的动作，同时会导致微网中有些负荷不能正常使用。

6、因此，理清不同网架结构和不同类型负载在不同工况下原有配网保护适应性，确定经济、合理的配网保护改进方向成为微网保护研究的难点之一。由于短路故障的危险性和破坏性，直接在运行微电网中进行短路实验不具备可行性。现在通常采用硬件在环仿真等方式对微电网控制方法及保护策略进行仿真验证，然而仿真验证具有一定局限性，在部分情况下仿真结果无法反映系统真实运行工况，采用实验验证方式更具有参考性，基于实验结果验证并指导控制方法和保护策略是必要的。因此，研发具备短路功能的微电网模拟运行台架，以更安全的方式验证微电网的能量管理方法及短路保护策略有有效性，具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种具备短路功能的微电网模拟运行台架，以验证微电网的能量管理方法及短路保护策略有有效性。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题的：一种环形微电网故障模拟装置，包括物理层、信号传输层以及上位控制层，所述物理层包括多个线路模型连接而成的三端口环形微电网，所述线路模型模拟实际线路中的寄生参数，通过改变线路模型的接线方式模拟不同类型的线路；所述信号传输层将物理层的线路采集信号传输至上位控制层，还将上位控制层的控制信号返回至物理层；所述上位控制层控制物理层中线路模型的继电器的通断，调整接线方式，根据接线方式调节端口输出功率，从而实现系统功率平衡，还根据电压电流信息，判断故障点位置及故障类型，自动切除故障段。

3、进一步地，所述三端口环形微电网包括第一端口、第二端口、第三端口，所述第一端口和第二端口之间、第一端口和第三端口之间以及第三端口和第二端口之间均串接多个线路模型，第一端口至第三端口的出口线路上以及线路模型与线路模型之间的线路均连接有第一继电器以及第一电压电流测量模块。

4、更进一步地，所述第一端口接电源、第二端口接电源、第三端口接负载，第一端口和第二端口之间的线路模型均不连接，模拟两端供电；所述第一端口不接电源或负载，第二端口接电源，第三端口接负载，第一端口与第二端口之间以及第一端口和第三端口之间的线路模型均不连接，模拟单端供电；所述第一端口接电源，第二端口接电源，第三端口接负载，第一、第二端口及第三端口之间的线路模型均接通，模拟三端环形供电。

5、更进一步地，所述线路模型为双π形串联的无源器件，定义为π形等效网络。

6、更进一步地，所述π形等效网络为三相四线制结构，每相电路以及中性线均包括第二电压电流测量模块、第二继电器、第一电容、第一电阻、第一电感、第三电压电流测量模块、第三继电器、第二电感、第二电阻、第二电容、第四继电器以及第四电压电流测量模块，所述第二电压电流测量模块、第二继电器的两个触点、第一电阻、第一电感、第三电压电流测量模块、第三继电器的两个触点、第二电感、第二电阻、第四继电器的两个触点以及第四电压电流测量模块顺序连接，所述第一电容的一端接到第二继电器与第一电阻之间，第一电容的另一端接地，第二电容的一端接到第四继电器与第二电阻之间，第二电容的另一端接地；每相电路以及中性线的第二继电器的第三个触点均连接到第一故障接线端口，每相电路以及中性线的第三继电器的第三个触点均连接到第二故障接线端口，每相电路以及中性线的第四继电器的第三个触点均连接到第三故障接线端口。

7、更进一步地，所述第一电容和第二电容并联，用于模拟传输线路的电容效应，线路中第一电阻、第一电感、第二电感、第二电阻，用于模拟输电线路上的寄生电感和电阻，改变各个器件参数大小，模拟不同的线路特性。

8、更进一步地，所述第一继电器至第四继电器的通断及通道选择受上位控制层信号控制。

9、更进一步地，所述π形等效网络的a相电路的第三继电器的第三个触点与b相电路的第三继电器的第三个触点连接，模拟相间短路；所述π形等效网络的a相电路的第三继电器的第三个触点接地，模拟单向对地短路；所述π形等效网络的a相电路的第三继电器的第三个触点与b相电路的第三继电器的第三个触点连接并接地，模拟双相短路接地；所述π形等效网络的a相电路的第三继电器的第三个触点、b相电路的第三继电器的第三个触点以及c相电路的第三继电器的第三个触点连接，模拟三相短路。

10、进一步地，所述第一端口至第三端口分别连接光伏逆变器、电网及负载，当电网正常运行时，由光伏逆变器给负载供电，电网补充光伏逆变器发电量与实际负荷需求之间的差额，如果光伏逆变器发电量有富余，则通过双向dc/ac逆变回电网网架，上位控制层监测电压电流，当出现故障时，定位故障点位置，控制隔离开关、继电器的开通关断并提供给光伏逆变器参考电压电流，进而控制光伏逆变器的有功和无功功率输出。

11、进一步地，所述信号传输层接收到物理层输出的电压电流信号，通过数模转换器转换为数字信号，通过隔离器将信号实现电气隔离，隔离后的信号传输到上位控制层；当上位控制层监测到线路中存在电压及电流异常时，通过识别线路电流特征定位故障点，判断故障类型，在预设时延后，下发指令断开离故障点最近的继电器，将故障点隔离开，且故障点所在线路以外的其他线路正常运行。

12、本发明的优点在于：

13、(1)本发明将多个线路模型串接到三端口环形微电网中，通过线路模型模拟实际线路中的寄生参数，通过改变线路模型的接线方式模拟不同类型的线路，从而能够模拟线路短路故障，并且利用上位控制层判断故障点并切除故障段，从而实现具备短路功能的微电网模拟运行台架，基于该台架，不需要在运行微电网中进行短路实验，直接利用该台架进行短路实验即可，从而能够在安全的环境下验证微电网的能量管理方法及短路保护策略有有效性。

14、(2)本发明具有多场景普适性。其网架结构灵活多变，端口数量和线路网架结构可灵活配置，可适应不同类型的微电网结构分析。可以通过改变端口类型、线路继电器状态及传输线路参数改变微电网网架结构。

15、(3)本发明具有功能多样性。不仅可用于微电网能量管理控制策略验证，还可以通过故障接线端口连接线路故障发生模块，可模拟不同类型微电网线路故障，并进行故障特征提取及继电保护策略验证优化。

16、(4)本发明具备高安全性。首先，装置参数为等比例降低后的实际微电网参数，相比于实际系统中，其正常运行和故障电流更低，进行系统能量管理策略模拟及接地及短路故障模拟时，对硬件造成的损害更低；其次，本发明上位控制层具有继电保护算法，故障发生时可以快速定位并切除故障电，从而提升系统运行安全性。

17、(5)本发明的故障模拟功能具有全面性。首先，各线路、端口及故障发生点均安装电压电流测量模块，可实时监控微电网运行状态。其次，可通过改变继电器接法以改变故障类型，从而实现不同故障的精确模拟。