一種基于多點狀態量信息的含dg配電網保護方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于多點狀態量信息的含DG配電網保護方法，包括：在含DG配電網的變電站中設置一個信息處理中心，并且各個保護均配置過電流保護；構建補償阻抗，并將補償阻抗的最大靈敏角設置為線路阻抗角；當含DG配電網中某個或某些保護的電流III段動作時，該保護主動上傳此信息，若該保護為DG上游區域首端保護，則其將同時上傳補償阻抗極性信息，并且只要流過該保護的短路電流超出電流III段整定值，就每隔一定時間間隔上傳此動作信息，信息處理中心接收到不同保護發送的狀態量信息后，首先對這些保護的位置進行判斷，然后根據不同情況采取不同的動作邏輯。本發明對饋線上任意位置的故障進行快速、可靠和精確的定位并切除。
【專利說明】一種基于多點狀態量信息的含DG配電網保護方法 所屬技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統配電網保護與控制領域，提出了一種基于多點狀態量信息的 含DG配電網保護方案。
【背景技術】
[0002] 分布式電源(distributed generation,DG)是一種新興的電力能源，包括光伏發 電系統、風力發電系統、微型燃氣輪機發電系統、小水電等。分布式發電技術具有環保、經濟 等一系列優點，能夠很好地滿足人們對電力安全穩定和經濟環保的要求，已引起廣泛關注， 并逐漸得到推廣和發展。
[0003] 傳統的中低壓配電網通常配置三段式電流保護，該保護配置并未考慮網絡中有DG 接入的情況。然而，DG的接入改變了配電網的故障電流分布以及配電網原有保護配置的基 礎條件，對配電網短路電流的影響表現為助增電流、外汲電流和反向電流，配電網原有的三 段式電流保護將可能誤動作或者拒動作。同時，對于像光伏發電系統、永磁直驅式風機等逆 變型DG，它們的出力受光照強度、溫度和風力等外界自然條件的影響較大，并且DG也可能退 出運行。因此，含DG配電網的運行方式變得更加復雜，這也使得傳統電流保護的定值很難整 定。另外，DG的接入使得配電網變成了具有雙端或者多端電源的網絡，為有選擇性地保護線 路，需在各保護安裝處加裝PT (potential transformer，PT)來獲取方向信息。然而，逆變型 DG通常采用基于電壓正序分量的控制策略，只存在于正序網絡中，且在故障情況下只輸出 有功電流或幾乎只輸出無功電流，可能使得功率方向元件判斷錯誤。綜上可知，依賴本地信 息和預設整定值并通過時限配合來實現主后備保護配合的原有電流保護，已經很難滿足含 DG配電網對保護選擇性、靈敏性和速動性的要求。為解決上述問題，
【申請人】曾提出一種含DG 配電網保護新方案[1]，該方案基于過電流保護動作信息和首端保護補償電壓正序分量極性 信息進行故障定位。然而，在該方案中，對于不同類型的DG或者同一類型DG時不同的DG等值 阻抗，首端保護中整定阻抗值整定阻抗公式也各不相同，并且需要估算系統等值阻抗和DG 等值阻抗，增大了實施難度。另外，當DG上游區域發生故障并且無法僅利用過電流保護動作 信息判斷故障位置時，該方案首先向區域內中間位置的保護發送跳閘指令，將故障區域分 解成兩個輻射狀的線路，再通過過電流保護動作信息實現故障定位，該設計無法實現故障 的精確定位，可能擴大停電范圍。
[0004] 為快速、有選擇性地保護線路全長，實現故障的精確定位，在不加裝PT以及不借助 功率方向信息的前提下，本發明提出了一種基于過電流保護動作信息和DG上游區域補償阻 抗極性信息的保護新方案。其中，補償阻抗極性信息由饋線首端和DG并網點處的保護根據 其電壓和電流信息計算得到。本發明能夠消除DG接入對保護的影響，快速準確地對含DG配 電網進行全線故障定位并切除。另外，其改造成本低，所需通信量少，并且對數據的同步性 要求不高，DG上游區域首端保護中阻抗整定簡單，易于實施。
[0005] [1]李永麗，陳曉龍.一種含DG配電網保護方案，申請發明專利，專利申請號： 201410331053.1，專利申請日：2014.07.11
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于考慮到DG接入對功率方向元件的影響，在不加裝PT和不依賴故 障方向信息的前提下，提供一種含DG配電網保護新方案，對饋線上任意位置的故障進行快 速、可靠和精確的定位并切除。本發明的技術方案如下：
[0007] -種基于多點狀態量信息的含DG配電網保護方法，包括下面幾個方面：
[0008] (1)在含DG配電網的變電站中設置一個信息處理中心，并且各個保護均配置過電 流保護，即電流III段保護，過電流保護的整定電流為
其中：1：：S為可靠 系數;Kms為自啟動系數;Kre為返回系數;Iuliax為正常運行時的最大負荷電流；
[0009] (2)將DG接入點和饋線首端之間的區域定義為DG上游區域，當饋線上有多個DG接 入時，以DG并網點作為各個DG上游區域分界點，將DG上游區域內距離變電站最近的保護定 義為DG上游區域首端保護，同時將距離饋線首端最遠的DG接入點到饋線末端之間的區域定 義為DG下游區域；
[0010] (3)在變電站內變壓器低壓側的母線上和DG并網點處均裝有PT,為只反映正方向 故障，參考方向阻抗繼電器的比幅式動作方程，構建補償阻抗
，其中： Zme3aS測量阻抗值，Zse3t為整定阻抗值，并將補償阻抗的最大靈敏角設置為線路阻抗角，使其 靈敏性最優；
[0011] (4)為僅依靠首端保護中Zd1J^極性信息來準確判斷DG上游區域內的故障位置，設 置Z set的個數與DG上游區域內線路的條數相等，并且每個Zset的取值按式Zset = KrelZL整定， 其中：Krel為數值大于1的可靠系數，Zl為區域首端保護到DG上游區域內各條線路上距離變 電站較遠一端的阻抗值；
[0012] (5)為使得Zmea與DG上游區域內故障點到首端保護安裝處的距離成正比，并且不受 故障類型、DG類型和數量、DG容量和出力因素的影響，通過三組相間電壓和對應的相間電流 計算得到二組Zmea ;
[0013] (6)當含DG配電網中某個或某些保護的電流III段動作時，該保護主動上傳此信 息，若該保護為DG上游區域首端保護，則其將同時上傳補償阻抗極性信息，并且只要流過該 保護的短路電流超出電流III段整定值，就每隔一定時間間隔上傳此動作信息，信息處理中 心接收到不同保護發送的狀態量信息后，首先對這些保護的位置進行判斷，然后根據不同 情況采取不同的動作邏輯。
[0014] (6)中的動作邏輯可以如下：
[0015] (i)DG下游區域和沒有DG接入的饋線為單電源輻射狀區域，只要在這些區域或饋 線上存在保護的電流III段動作的情況，則無需考慮DG上游區域各個保護電流III段是否動 作，直接判斷故障位置在有短路電流流過和沒有短路電流流過的兩個保護之間，并向這些 區域中電流III段動作的最下游保護發送跳閘指令；
[0016] (ii)當DG上游區域某線路兩端保護的電流III段動作信息不一致時，直接判斷故 障位置在此線路上，并向該線路兩端的保護發送跳閘指令；
[0017] (iii)對于某一含有多條線路的DG上游區域，當保護范圍大小是相鄰關系的兩個 Zse3t對應的Zdir的極性不同時，則故障位置肯定在兩個保護范圍的非重疊區域上，由于Z se3t的 取值大于首端保護到對應線路末端之間的線路阻抗值，因此相鄰兩個保護范圍的非重疊區 域跨越了兩條線路，需分以下兩種情況進行故障定位和保護動作邏輯分析：
[0018] (a)當非重疊區域跨越的是兩個不同DG上游區域內的兩條線路時，故障點的具體 位置取決于距離變電站較遠區域的首端保護中Z dir的極性，若Zdir的極性為正，則故障點在 距離變電站較近的線路上，否則，故障點在距離變電站較遠的線路上，故障定位后，向故障 線路兩端的保護發送跳閘指令；
[0019] (b)當非重疊區域跨越的是同一區域內的兩條線路時，非重疊區域內的保護是故 障線路的一端保護，因此首先向非重疊區域內的保護發送跳閘指令，然后根據與該保護相 鄰的變電站側保護的過電流保護動作信息，判斷故障的具體位置，若變電站側保護仍上傳 過電流保護動作信息，則故障線路為距離變電站較近的線路上，否則，故障點在距離變電站 較遠的線路上，故障定位后，向故障線路兩端的保護發送跳閘指令；
[0020] (i V)當（i i i)中所述DG上游區域內的各個Zset對應的Zdir的極性均為負時，故障位 置在整定值最小的Z se3t對應的保護范圍內，該范圍仍是跨越了兩條線路，因此同（iii)中（b) 的處理方式類似，首先向下游線路的保護發送跳閘指令，然后根據首端保護的過電流保護 動作信息，判斷故障的具體位置并向故障線路兩端保護發送跳閘指令；
[0021] (V)對于同一饋線上兩個相鄰的DG上游區域，若其首端保護中均存在2<^極性為負 的情況，則故障點必然在距離變電站較遠的區域內，若該區域內有多條線路，則之后的故障 定位和保護動作邏輯同（iii)中所述。
[0022] 為適應含DG配電網靈活多變的運行方式，滿足其對保護選擇性、靈敏性和速動性 的要求，本發明提出了一種基于過電流保護動作信息和補償阻抗極性信息的含DG配電網保 護新方案。該方案在不依賴故障功率方向元件的前提下，根據含DG配電網中過電流保護動 作信息以及首端保護補償阻抗極性信息，并借助于通信技術便能夠對饋線上任意位置的故 障進行快速、可靠和精確的定位并切除。與現有技術相比，本發明所能產生的積極效果是： 首先，本發明設計了 DG上游區域首端保護的補償阻抗公式及配置原則，借助全局的過電流 保護動作信息以及首端保護的補償阻抗極性信息，設計了故障定位和保護動作邏輯，能夠 在不加裝PT和不依賴功率方向元件的前提下準確判斷故障位置，所需改造成本低;其次，本 發明所提保護方案的有效性，不受系統運行方式、DG容量(或出力）、DG類型和數量、故障點 位置等因素的影響；最后，本發明能夠快速、有選擇性地保護含DG配電網的線路全長，并且 具有所需通信量少、處理速度快、對信息的同步性要求低等特點，易于實施。
【附圖說明】
[0023] 圖1為基于多點狀態量信息的故障定位和保護動作邏輯流程圖；
[0024]圖2為含DG的IOkV配電網系統結構圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面將結合實施例及參照附圖對該發明的技術方案進行詳細說明。
[0026] 本發明的基于多點狀態量信息的含DG配電網故障定位和保護動作邏輯流程圖如 圖1所示。為更具通用性，在如圖2所示的含DG配電網中，饋線1上接有2個DG，饋線2上有1個 DG接入。在DG上游區域的線路⑶、線路DE和線路AG末端靠近DG處配置了斷路器、保護9、保護 10和保護11，從而能夠將故障從線路兩端切除。在介紹故障定位的基本原理之前，不同位置 保護需設置過電流保護整定值或整定阻抗值。
[0027] 設Zsetji和Zdir_x分別為與線路X對應的整定阻抗值和補償阻抗值。在圖2所示配電 網中的DGl上游區域1內有三條線路，故其首端保護1中有3套整定阻抗值，分別為Z set_AB、 Zset_AC和Zset_AD，其取值分別為Zset_AB = KrelZAB、Zset_AC = KrelZAC和Zset_AD = KrelZAD，其中 Krel為數 值大于1的可靠系數，取為1.2,故上述3套整定值和所對應的保護范圍均依次增大，并且 Zse3t_AD對應的保護范圍包含了區域1內的所有線路。同樣地，區域2和區域3的首端保護4和保 護6均按照上述原則設置整定阻抗值。在圖2所示系統的3個DG上游區域內，其首端保護1、保 護4和保護6中每套Z se3t對應的保護范圍如圖2中虛線所示。
[0028] 通常情況下，配電網饋線上不裝設PT，但在變電站內變壓器低壓側的母線上裝有 PT，即各饋線首端的保護裝置能夠獲得此母線上的電壓信息。另外，根據國家標準《光伏發 電站接入電力系統技術規定（GB19964-2012)》等，通常要求DG并網點處裝有PT和CT (current transformer，CT)。因此，圖2中3個DG上游區域的首端保護均能夠采集到保護安 裝處的電壓和電流信息，并且能夠通過三組相間電壓和與其對應的相間電流計算得到三組 測量阻抗值Z me3a AG上游區域的首端保護將各套整定阻抗值Zse3t和測量阻抗值Zme3a按照式
?行計算，即可得到與不同整定阻抗值對應的補償阻抗值Zdir。并且， 當系統正常運行或者故障發生在整定阻抗值所對應的保護范圍之外時，ZdirS正值;反之， 若發生區內故障，則Zdir為負值。
[0029] 另外，含DG配電網中所有保護均配置過電流保護。過電流保護即電流III段的啟動 電流按照躲開保護所在線路上可能出現的最大負荷電流進行整定，其整定公式為
實中尤i1丨為可靠系數，Kms為自啟動系數，K re為返回系數，Iuliax為正常運行 時的最大貨荷電流。在三段式電流保護中，過電流保護的整定值最小。因此，當含DG配電網 的不同位置發生故障時，可能存在故障線路和非故障線路上多個保護的電流III段均動作 的情況。
[0030] 下面以圖2中區域1和區域2內的不同位置發生故障為例，介紹根據DG上游區域首 端保護中Zdir的極性信息進行故障定位的基本原理。
[0031] 1)當f6點發生故障時，保護7的電流III段將動作，保護6和保護11的電流III段在 DG3外汲電流的作用下也可能動作，同時保護1、保護2、保護3、保護4、保護9和保護10的電流 III段在DGl和DG2反向電流的影響下也可能動作。此時，只要DG3下游區域保護的電流III段 動作，則無需考慮饋線1上DG上游區域保護電流III段的動作情況，直接判斷故障點位于DG3 下游區域，并且在DG3最下游的電流III段動作的保護7所在的線路GH上，并向保護7發送跳 閘命令，斷開故障線路GH。
[0032] 2)當心點發生故障時，故障點系統側的保護1、保護2和保護3的電流III段將動作， 故障點DG側的保護4、保護9和保護10在DGl和DG2反向電流的影響下可能動作，保護6和保護 11在DG3反向電流的影響下可能動作，DG下游區域內所有保護的電流III段不動作。若保護9 不動作，則直接判斷故障點位于電流III段動作信息不一致的保護3和保護9之間的線路CD 上，并向保護3和保護9發送跳閘命令，斷開故障線路CD。若區域1內所有保護的電流III段均 動作，或者區域1和區域2內所有保護的電流III段均動作，則通過首端保護內不同整定阻抗 值對應的補充阻抗的極性判斷故障位置。此時，只有區域1首端保護1中Z dir_AD的極性為負。 由于Zse3t_AD對應的保護范圍跨越了區域1的線路AD和區域2的線路DE，因此需結合區域2首端 保護4中Z dir_DE的極性信息來判斷故障點位置。當信息處理中心接收到Zdir_ AD的極性為負而 Zdir』E的極性為正，直接判斷故障位置在線路CD上，并向保護3和保護9發送跳閘指令，斷開 故障線路⑶。
[0033] 3)當5點發生故障時，不同區域內保護電流III段的動作情況同情況2)中所述，仍 需結合首端保護的極性信息判斷故障位置。此時，不同區域的首端保護中，只有Z dir_AC和 Zdir_AD的極性為負，即保護范圍大小是相鄰關系的Zse3t_AB和Zse3t_AB所對應的Zdir的極性相反。 因此，故障點在Z se3t_AB和Zse3t_AC所對應保護范圍的重疊區域。此時，信息處理中心首先向保護 3發送跳閘指令，此后將接收不到保護2上傳的過電流保護動作信息，則判斷故障點在線路 ⑶上，并向保護9發送跳閘指令。
[0034] 4)當f3點發生故障時，不同區域內保護電流III段的動作情況與情況2)類似，也需 結合首端保護的極性信息判斷故障位置。與3)相比，不同之處在于，信息處理中心在向保護 3發送跳閘指令之后，仍能接收到保護2上傳的過電流保護動作信息，因此判斷故障點在線 路BC上，并向保護2發送跳閘指令。
[0035] 5)當f4點發生故障時，不同區域內保護電流III段的動作情況也與情況2)類似，仍 需結合首端保護的極性信息判斷故障位置。此時，只有區域2首端保護4中Z dir_DE的極性為 負，并且區域2內只有一條線路，因此直接判斷故障點在線路DE上，并向保護4和保護10發送 跳閘指令，切除故障線路DE。
[0036] 6)當&點發生故障時，不同區域內保護電流III段的動作情況與情況5)相同，仍需 結合首端保護的極性信息判斷故障位置。與5)相比，不同之處在于，區域1首端保護1中 Zdir_AD的極性在該情況下為負。由于區域1和區域2為相鄰區域，并且區域2首端保護4中 Zdir_DE的極性為負，因此直接判斷故障點在距離系統較遠的區域2上，即故障點在線路DE上， 并向保護4和保護10發送跳閘指令，切除故障線路DE。
[0037] 以上內容僅為本發明的實施例，其目的并非用于對本發明所提出的系統及方法的 限制，本發明的保護范圍以權利要求為準。在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，本領域 技術人員在不偏離本發明的范圍和精神的情況下，對其進行的關于形式和細節的種種顯而 易見的修改或變化均應落在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于多點狀態量信息的含DG配電網保護方法，包括下面幾個方面： (1) 在含DG配電網的變電站中設置一個信息處理中屯、，并且各個保護均配置過電流保 護，即電流III段保護，過電流保護的整定電流）癢中：片2為可靠系數； Kms為自啟動系數;Kre為返回系數;ILmax為正常運行時的最大負荷電流； (2) 將DG接入點和饋線首端之間的區域定義為DG上游區域，當饋線上有多個DG接入時， WDG并網點作為各個DG上游區域分界點，將DG上游區域內距離變電站最近的保護定義為DG 上游區域首端保護，同時將距離饋線首端最遠的DG接入點到饋線末端之間的區域定義為DG 下游區域； (3) 在變電站內變壓器低壓側的母線上和DG并網點處均裝有PT,為只反映正方向故障， 參考方向阻抗繼電器的比幅式動作方程，構建補償阻i，其中：Zmea為 測量阻抗值，Zset為整定阻抗值，并將補償阻抗的最大靈敏角設置為線路阻抗角，使其靈敏 性最優； (4) 為僅依靠首端保護中Zdir的極性信息來準確判斷DG上游區域內的故障位置，設置 Zset的個數與DG上游區域內線路的條數相等，并且每個Zset的取值按式Zset = KrelZL整定，其 中：Krel為數值大于1的可靠系數，孔為區域首端保護到DG上游區域內各條線路上距離變電 站較遠一端的阻抗值； (5) 為使得Zmea與DG上游區域內故障點到首端保護安裝處的距離成正比，并且不受故障 類型、DG類型和數量、DG容量和出力因素的影響，通過=組相間電壓和對應的相間電流計算 得到立組2。63; (6) 當含DG配電網中某個或某些保護的電流HI段動作時，該保護主動上傳此信息，若 該保護為DG上游區域首端保護，則其將同時上傳補償阻抗極性信息，并且只要流過該保護 的短路電流超出電流HI段整定值，就每隔一定時間間隔上傳此動作信息，信息處理中屯、接 收到不同保護發送的狀態量信息后，首先對運些保護的位置進行判斷，然后根據不同情況 采取不同的動作邏輯。2. 根據權利要求1所述的保護方案，其特征在于，（6)中，信息處理中屯、接收到不同保護 發送的狀態量信息后，首先對運些保護的位置進行判斷，然后根據不同情況采取不同的動 作邏輯： (i) DG下游區域和沒有DG接入的饋線為單電源福射狀區域，只要在運些區域或饋線上 存在保護的電流III段動作的情況，則無需考慮DG上游區域各個保護電流HI段是否動作， 直接判斷故障位置在有短路電流流過和沒有短路電流流過的兩個保護之間，并向運些區域 中電流HI段動作的最下游保護發送跳閩指令； (ii) 當DG上游區域某線路兩端保護的電流HI段動作信息不一致時，直接判斷故障位 置在此線路上，并向該線路兩端的保護發送跳閩指令； (iii) 對于某一含有多條線路的DG上游區域，當保護范圍大小是相鄰關系的兩個Zset對 應的Zdir的極性不同時，則故障位置肯定在兩個保護范圍的非重疊區域上，由于Zset的取值 大于首端保護到對應線路末端之間的線路阻抗值，因此相鄰兩個保護范圍的非重疊區域跨 越了兩條線路，需分W下兩種情況進行故障定位和保護動作邏輯分析： (a) 當非重疊區域跨越的是兩個不同DG上游區域內的兩條線路時，故障點的具體位置 取決于距離變電站較遠區域的首端保護中Zdir的極性，若Zdir的極性為正，則故障點在距離 變電站較近的線路上，否則，故障點在距離變電站較遠的線路上，故障定位后，向故障線路 兩端的保護發送跳閩指令； (b) 當非重疊區域跨越的是同一區域內的兩條線路時，非重疊區域內的保護是故障線 路的一端保護，因此首先向非重疊區域內的保護發送跳閩指令，然后根據與該保護相鄰的 變電站側保護的過電流保護動作信息，判斷故障的具體位置，若變電站側保護仍上傳過電 流保護動作信息，則故障線路為距離變電站較近的線路上，否則，故障點在距離變電站較遠 的線路上，故障定位后，向故障線路兩端的保護發送跳閩指令； (iv)當（iii)中所述DG上游區域內的各個Zset對應的Zdir的極性均為負時，故障位置在 整定值最小的Zset對應的保護范圍內，該范圍仍是跨越了兩條線路，因此同（iii)中（b)的處 理方式類似，首先向下游線路的保護發送跳閩指令，然后根據首端保護的過電流保護動作 信息，判斷故障的具體位置并向故障線路兩端保護發送跳閩指令； (V)對于同一饋線上兩個相鄰的DG上游區域，若其首端保護中均存在Zdir極性為負的情 況，則故障點必然在距離變電站較遠的區域內，若該區域內有多條線路，則之后的故障定位 和保護動作邏輯同（i i i )中所述。
【文檔編號】H02H7/28GK105914720SQ201610377078
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】陳曉龍, 李永麗
【申請人】天津大學