CN106026055A - 含逆变型der的点状网络故障特征与低压进线保护新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含逆变型分布式电源(distributed energy resource，DER)的点状网络故障特征与低压进线保护新方法。给出了含逆变型DER的点状网络不同位置发生不同类型故障时，序故障分量及其功率方向特征，可用于识别故障区间；而利用序电流故障分量大小区别运行状态，即确定逆功率源于DER出力还是源于故障，基于序电流故障分量大小及其功率方向可构成点状网络低压电源进线主保护；利用过电流保护作为后备保护，且延时时间为0.2S；通过实时检测所有进线与DER输出功率大小及方向，实时计算所有进线中的逆功率之和，并与所有DER有功出力进行比较，同时结合逆变型DER出力波动周期，综合判断进线之间是否存在循环功率。本发明提出的方法能够有效解决逆变型DER接入对点状网络稳定运行的影响，可实现高供电可靠性与DER宽限接入的有机统一。

Description

含逆变型DER的点状网络故障特征与低压进线保护新方法

技术领域

本发明涉及低压多源并供点状网络继电保护技术领域，特别涉及一种基于含逆变型DER的点状网络故障特征与低压进线保护新方法。

背景技术

点状网络中多条进线(3-8条)直接通过低压母线并联供电，具有极高的供电可靠性。现有的点状网络主要利用过电流保护，实现故障位置的判断与隔离；设置逆功率保护以防止进线之间出现循环功率。当低压负荷较重时，配电网故障电流与负荷电流之间的差别不够显著，导致过电流保护整定困难，实际动作效果不佳。随着能源危机与环境问题的日益突出，可再生能源发电技术得到了蓬勃发展；以小容量配置且接入中低压配电网的分布式电源(Distributed Energy Resource,DER)，是一种有效的发展与利用模式，已在国内外获得广泛应用。而点状网络多源并供的结构有利于分布式电源的接入管理与控制，但DER出力普遍存在随机性与波动性的特点，其大量接入低压母线后，可能会导致点状网络中某些进线经常出现功率倒送，引起逆功率保护频繁动作，从而影响到系统的稳定运行；目前，主要通过限定DER接入容量及其实际出力予以应对，限制了DER的充分利用。

当系统中发生短路故障时会存在正序分量。由叠加定理可知，正序分量可分解为正常运行时的电气量与正序故障分量两部分。若短路故障为非对称性故障，还会对应出现负序分量；系统正常运行时无负序分量，故障后出现的负序分量即为负序故障分量。正序故障分量以及负序分量仅在故障后才会出现，由此构成的保护具有常规电气量保护无法比拟的优点。

按照DER接入形式与暂态出力特性，可将其分为电机类DER与逆变型DER两种类型。外部故障时，电机类DER的出力特征与常规电源的出力特征相似，通过求解暂态甚至次暂态参数，即可得到暂态故障电流。而基于电力电子技术的逆变器输出特性与其控制方法直接相关。目前，多数逆变器都采用实时跟踪正序电压控制输出电流的策略，无论外部故障是否为对称性，其输出电流中始终仅含有正序分量，即负序等值回路中不会出现DER分支。逆变器内部具有快速限流功能，限制了正序电流突变量幅值。同时，逆变器内部的电力电子元件动作速度在微秒级，其限流速度远快于传统的电力系统机械开关。

本发明给出了含逆变型DER的点状网络中不同位置发生不同类型故障时，所出现的序电流故障分量及其功率方向特征，由此构成低压进线主保护，可有效识别DER引起的逆功率与故障导致的功率倒送；结合DER出力波动特性，合理设置过电流保护动作时间，可作为该网络的后备保护；同时，提出了通过实时检测进线中所有的逆功率之和与DER总出力，并进行对比，由此判断进线之间是否存在循环功率。本发明可有效提高含逆变型DER点状网络运行的稳定性，实现高供电可靠性与DER宽限接入的有机统一。

发明内容

有鉴于此，基于点状网络序故障分量及其功率方向特征，结合逆变型DER的暂态出力行为，本发明提出了含逆变型DER的点状网络低压进线保护新方法，以提高点状网络供电可靠性，突破对DER的接入容量限制。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：

这种基于含逆变型DER的点状网络故障特征的低压进线保护方法，过程如下：

(1)某条进线保护安装处上游发生故障，流过该保护的正序故障分量功率方向为正，而其余进线保护正序故障分量功率方向均为负，且理论上，DER输出的正序电流故障分量与DER接入开关处正序电流故障分量相等；

(2)低压母线发生故障，流过所有进线保护的正序故障分量功率方向均为负，且理论上，DER输出的正序电流故障分量与DER接入开关处正序电流故障分量相等；

(3)逆变器输出端口与其接入开关之间发生故障，DER输出的正序电流故障分量与DER接入开关处正序电流故障分量不再相等；流过所有进线保护的正序故障分量功率方向均为负；

(4)某条进线保护安装处上游发生不对称故障，流过该保护的负序功率方向为正，而其余进线保护负序功率方向均为负，且理论上，DER接入开关处不存在负序电流；

(5)低压母线发生不对称故障，流过所有进线保护的负序功率方向均为负，且理论上，DER接入开关处不存在负序电流；

(6)逆变器输出端口与其接入开关之间发生不对称故障，DER接入开关处存在负序电流；

(7)基于上述原理可以构成低压进线的主保护；正序电流突变量定值按躲过低压母线接入最大三相负载时流过进线保护的电流值进行整定，可躲过低压负载启动对正序突变量的影响：负序电流突变量定值按躲过低压母线接入最大单相负载时流过进线保护的负序电流进行整定。

(8)利用过电流保护作为后备保护，按照躲过最大负荷接入时引起的最大电流为依据进行整定，后备保护的延时时间考虑如下因素：

1)保护启动时间，即计算突变量所需要的时间窗口，3个周波；

2)为保证可靠性，加入的延时时间2个周波；

3)通信延时以及开关动作时间总计2个周波；

上述总时间为7个周波，故后备保护的延时时间可设定为0.2S。

(9)为防止进线之间出现循环功率，实时检测各条进线的功率，并计算逆功率运行的线路功率之和，同时检测并计算所有DER总出力，若前者大于后者，则可断定进线之间出现了循环功率；为消除DER波动性对于进线功率分布的影响，设置一定的延时时间跳开逆功率最大的支路；且当退出运行的馈线投切开关两侧的电压满足重合条件后，依然经过延时之后自动合闸，该时间决定于DER的类型及其出力波动周期。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明专利所公开的方法，与传统的点状网络保护方法相比，考虑了含逆变型DER的点状网络不同位置发生不同类型故障情况下，各序故障分量及其功率方向特征，由此构建低压进线主保护，从而将DER引起的功率倒送纳入系统正常运行状态，消除了原有点状网络保护对于DER接入容量的限制。同时，通过实时检测各条进线的功率并计算逆功率运行的线路功率之和，检测并计算所有DER总出力，通过两者比较断定进线之间是否出现了循环功率。本发明专利公开的方法，可实现点状网络高供电可靠性与DER友好接入的有机统一。

附图说明

附图1为具有三条进线的含逆变型DER点状网络结构图。

附图2为f₁处发生故障，对应的正序故障分量等值网络图。

附图3为f₂处发生故障，对应的正序故障分量等值网络图。

附图4为f₃处发生故障，对应的正序故障分量等值网络图。

附图5为f₁处发生不对称性故障时，对应的负序故障分量等值网络图。

附图6为f₂处发生不对称性故障时，对应的负序故障分量等值网络图。

附图7为f₃处发生不对称性故障时，对应的负序故障分量等值网络图。

附图8为基于正序故障分量的主保护动作逻辑图。

附图9为基于负序故障分量的主保护动作逻辑图。

附图10为进线之间循环功率保护逻辑图。

具体实施方式

本发明提出含逆变型DER的点状网络故障特征与低压进线保护新方法，下面结合实例与附图对本发明予以详细说明。

1.故障特征分析

以具有三条进线的点状网络为例进行故障特征分析，并在其低压母线上接入逆变型DER，其简化结构如附图1所示。其中，为各条进线的等效电动势；Z_Si为各条进线电源等值内阻抗；Z_li为各条进线的等值阻抗；P_i为低压进线i的保护(含DER接入点处)；i＝1,2,3,DER。

结合附图1，分析进线1、母线侧以及逆变器输出侧发生不同类型故障时的各序故障分量及其功率方向特征。

(1)正序故障分量特征

1)当f₁处发生短路故障时，正序故障分量网络如附图2所示。其中，为假定的故障点处正序电压故障分量；Z_1-Si为电源正序内阻抗；Z_1-li为线路正序阻抗；Z_1-Ti为变压器正序阻抗；Z_1-DER为DER的正序内阻抗；为变压器i低压侧的正序电压故障分量；为DER接入点的正序电压故障分量，且有 为变压器正序电流故障分量；为DER等效可控电流源输出的正序电流故障分量；为DER接入开关处的正序电流故障分量。规定正序电流保护的正方向从变压器指向低压母线，且参考电流分别为

考虑到中低压配电网络中，等值电阻与电抗的比值较高(甚至二者比值大于5)，系统的阻抗角接近于0度。计及故障点处过渡电阻等因素的影响，设定其动作区间为±90°。此时，理论上DER接入开关处的电流与DER实际输出电流相等，既满足可见，各保护处的正序电压故障分量与正序电流故障分量之间存在如下关系：

2)当f₂处发生短路故障时，正序故障分量网络如附图3所示。此时理论上满足各保护处的正序电压故障分量与正序电流故障分量之间存在如下关系：

3)当f₃发生短路故障，即逆变器输出端口与其接入开关之间发生故障，对应的正序故障分量网络如附图4所示。此时，DER接入开关处的电流与DER实际输出电流不再相等。各保护处的正序电压故障分量与正序电流故障分量之间存在如下关系：

由式(1)—式(3)，即利用保护P_i处的正序故障分量功率方向，并结合逆变器输出电流与接入开关处的电流能够判断出故障点位于P_i的上游还是下游；P_i的上游故障即为中压进线、变压器及其低压引出线故障，以及DER输出侧；P_i下游故障即为低压母线以及负荷出线故障。

(2)负序分量特征

负荷较重的低压配电系统正常运行时的电流较大，系统短路尤其是非对称性故障时(主要针对两相短路与两相接地短路故障)的电流有限，仅靠正序电流难以满足保护灵敏度要求，有必要分析相间短路故障时的负序故障分量特征。系统正常运行时没有负序分量，仅在非对称故障发生后会出现，因此负序分量本身即为负序故障分量。以附图1所示的含DER点状网络为例进行分析。

1)当f₁处发生不对称性短路故障时，对应的负序分量等值电路如附图5所示。其中，为假定的故障点处负序电压，Z_2-Si,Z_2-li,Z_2-Ti分别为电源负序内阻抗、线路负序阻抗以及变压器负序内阻抗；分别为变压器低压侧及DER接入点的负序电压；分别为各个保护安装处对应的负序电流。规定负序电流保护的正方向由变压器指向低压母线，参考电流分别表示为且此时DER及其接入开关处没有负序回路，即满足

各保护处的负序电压与负序电流之间存在如下关系：

2)当f₂处发生非对称性短路故障时，对应的负序网络如附图6所示。此时DER及其接入开关处没有负序等值回路，即满足此时，各保护安装处的负序电压与负序电流之间存在如下关系：

3)逆变器与保护之间发生故障，即f₃处发生非对称性短路故障时，负序网络如附图7所示。由于DER的逆变器跟踪正序电压，仅会输出正序电流，其内部没有负序回路；但DER接入开关处存在负序电流，即各保护处的负序电压与负序电流之间存在如下关系：

由式(4)—式(6)，利用保护P_i处的负序功率方向，并结合逆变型开关处的负序电流能够判断出故障点位于P_i的上游还是下游；P_i的上游故障即为中压进线、变压器及其低压引出线故障，以及DER输出侧；P_i下游故障即为低压母线以及负荷出线故障。

因此，基于式(1)-(6)可以确定出各类故障的位置区间。无论外部故障还是其他原因，只要逆变器输出电流过大且超出其输出上限值时，逆变器内部便会自动进行限流；故此处不包括逆变器内部故障的保护。

2.保护定值整定原则

(1)正序电流突变量定值按躲过低压母线接入最大三相负载时流过进线保护的电流值进行整定，可躲过低压负载启动对正序突变量的影响：

$I_{set1}=\frac{\sqrt{2}}{N-1}{K}_{rel}{K}_{ss}{I}_{L.max}=\frac{\sqrt{6}{K}_{rel}{K}_{ss}{P}_{\max }}{3\·(N-1)\·U_N\cos \mathrm{\φ}}$

式中，K_rel—可靠系数，可取1.05～1.1；K_ss—综合自启动系数，可取5～7；P_max—低压母线最大三相负载的有功功率；N—点状网络进线数，并按照N-1原则考虑；U_N—低压母线额定电压；—系统运行时的功率因数；

(2)负序电流突变量定值按躲过低压母线接入最大单相负载时流过进线保护的负序电流进行整定：

$I_{set2}=\frac{\sqrt{2}}{3(N-1)}{K}_{rel}{I}_{L.max.\mathrm{\φ}}=\frac{\sqrt{6}{K}_{rel}{P}_{max.\mathrm{\φ}}}{3\·(N-1)\·U_{N}cos\mathrm{\φ}}$

式中，—低压母线最大不平衡度对应的单相负载功率；

(3)正序突变量启动元件的灵敏系数按下式计算，

$K_{sen.re.1}=\frac{I_{k.re.min.1}}{I_{set.re.1}}$

式中，I_k.re.min.1为保护上游发生对称短路时，流过对应逆功率保护的最小正序电流突变量；

(4)负序突变量启动元件的灵敏系数按下式计算，

$K_{sen.re.2}=\frac{I_{k.re.min.2}}{I_{set.re.2}}$

式中，I_k.re.min.2为保护上游发生不对称短路时，流过对应逆功率保护的最小负序电流突变量值。

3.主保护动作逻辑

基于正序故障分量、负序故障分量及其功率方向，可以构建点状网络进线主保护。其动作逻辑分别如附图8和附图9所示。

其中，t₁为突变量保持时间；t₂为动作信号延时时间；ΔI_1-Ti,ΔI_1-DER分别为保护i以及DER处的正序电流变化量大小；ΔI_1-set为正序电流变化量误差容限，主要考虑电流测量误差与计算误差；I′_1-DER通过逆变器获取的DER输出电流大小；I_1-set为正序电流变化量动作阈值；P_1-Ti为各个保护正序故障分量功率方向。其中，I_2-set为设定的负序电流动作阈值。

考虑到其内部电力电子器件动作速度远快于系统侧的机械开关；无论是外部系统故障还是变频器过载引起，只要输出电流超出其上限，变频器便会自动限制输出电流值。此处只是涉及到进线保护以及DER接入开关处的保护，未涉及到DER逆变器内部的保护算法。

可见，通过正序以及负序电流变化量大小，可以区分系统运行状态，即系统是否正常运行；一旦出现故障，利用正序以及负序故障分量可确定故障位置。此处，将DER引起的功率倒送纳入系统正常运行状态，消除了原有点状保护对于DER接入容量的限制。

4.防止馈线之间出现循环功率的方法

传统的点状网络逆功率保护，仅以线路中是否出现功率倒送为依据，无法区分其源于进线之间的循环功率还是保护上游故障，在不含DER或者DER接入容量较小的情况下，该配置方式能够满足系统稳定运行的要求；但难以满足DER宽限接入后的稳定运行要求。

实时检测各条进线的功率，并计算逆功率运行的线路功率之和；同时，检测并计算所有DER的总出力；若前者大于后者，则可断定进线之间出现了循环功率；并结合DER出力波动性周期特征合理设置动作时限，以防止进线间长时间存在循环功率，实现逻辑如附图10所示。

其中，P_Sj为该点状网络中出现逆功率运行的进线功率，∑P_Sj为所有逆功率运行的进线功率之和；t_delay是为消除DER波动性对于进线功率分布的影响，专门设置的延时时间。且当退出运行的馈线投切开关两侧的电压满足重合条件后，依然经过t_delay延时之后自动合闸，t_delay决定于DER的类型及其出力波动周期。

5.后备保护

利用过电流保护作为后备保护，按照躲过最大负荷接入时引起的最大电流为依据进行整定；后备保护的延时时间考虑如下因素：

(1)保护启动时间，即计算突变量所需要的时间窗口，3个周波；

(2)为保证可靠性，加入的延时时间2个周波；

(3)通信延时以及开关动作时间总计2个周波；

上述总时间为7个周波，故后备保护的延时时间可设定为0.2S。

本发明利用含逆变型DER点状网络不同位置发生不同类型故障时的序电流故障分量及其功率方向特征，构建了点状网络主保护动作判据；利用带有一定延时的过电流保护作为后备保护；并利用所有进线的逆功率之和与DER总出力进行对比，综合判断进线之间是否存在循环功率。以上为本发明的一个实例，不影响本发明的扩容性和广泛的实用性。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种形式的变化和改进，凡在本发明的精神和原理之内，所做的任何变化都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.含逆变型分布式电源(distributed energy resource，DER)的点状网络故障特征与低压进线保护新方法，其特征在于：

(1)点状网络某条低压电源进线(简称进线)保护安装处上游发生故障，流过该保护的正序故障分量功率方向为正，而其余进线保护处的正序故障分量功率方向均为负，且理论上，DER输出的正序电流故障分量与DER接入开关处正序电流故障分量相等；

(2)点状网络低压母线发生故障，流过所有进线保护处的正序故障分量功率方向均为负，且理论上，DER输出的正序电流故障分量与DER接入开关处正序电流故障分量相等；

(3)DER逆变器输出端口与其接入开关之间发生故障，DER输出的正序电流故障分量与DER接入开关处正序电流故障分量不再相等；而此时流过所有进线保护处的正序故障分量功率方向均为负；

(4)点状网络某条进线保护安装处上游发生不对称故障，流过该保护的负序功率方向为正，而其余进线保护处的负序功率方向均为负，且理论上，DER接入开关处不存在负序电流；

(5)点状网络低压母线发生不对称故障，流过所有进线保护的负序功率方向均为负，且理论上，DER接入开关处不存在负序电流；

(6)DER逆变器输出端口与其接入开关之间发生不对称故障，DER接入开关处存在负序电流，但DER逆变器输出端口处不存在负序电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：不同进线保护安装处上游、低压母线处及分布式电源逆变器输出端口与其接入开关之间发生故障时，会出现不同程度的正序及负序电流突变量，可作为保护启动判据，并根据其序功率方向来确定故障区间，由此构成点状网络低压进线主保护。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：利用低压进线以及DER接入开关处配置的过电流保护作为后备保护，按照躲过最大负荷接入时引起的最大电流为依据进行整定；后备保护的延时时间可设定为0.2S。

4.根据权利要求1，权利要求2和权利要求3所述的方法，其特征在于：为防止点状网络进线之间出现循环功率，实时检测各条进线的功率，并计算逆功率运行的线路功率之和；同时，检测并计算所有DER出力之和。若前者大于后者，则可断定进线之间出现了循环功率；为消除DER波动性对于进线功率分布的影响，设置一定的延时时间跳开逆功率最大的支路；且当退出运行的馈线投切开关两侧的电压满足重合条件后，依然经过延时之后自动合闸，该时间决定于DER的类型及其出力波动周期。