基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法

摘要

本发明公开了基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法，主要步骤为：1)确定电力系统，并获取电力系统的基本数据。2)建立方向过流继电器协调模型，使所有主继电器的工作时间之和达到最小。3)基于方向过流继电器协调模型，建立方向过流继电器跳闸特性曲线。4)在检测到继电器出现过电流故障时，根据方向过流继电器跳闸特性曲线确定方向过流继电器的跳闸时间。本发明不需要断开分布式能源或重新调整继电保护整定即可解决分布式能源对继电保护协同工作的负面影响，可以显著减少所有一次继电器的总运行时间。本发明可广泛应用于分布式能源并网中方向过电流继电保护的协同工作中。

说明书

技术领域

本发明涉及继电保护领域，具体是基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法。

背景技术

分布式发电包括风力发电、太阳能发电和生物质能发电等，有利于缓解线路阻塞、降低功率损耗以及保护环境。然而，分布式发电也会对保护系统带来不便，例如，继电器协调保护缺失，增加短路电流水平。因此，为保证电力系统的可靠安全运行，有必要仔细研究分布式发电对继电保护的影响。

过电流保护(OCR)是一种继电保护类型，当电流幅值超过预设水平，保护开关动作。过流继电器通常和方向单元一起连接，当电流幅值超过预设水平，且电流方向和参考方向相同时，继电保护动作。如果故障位于相反方向，则不会发生任何动作。方向过流继电器(DOCR)一般应用于配电系统中，DOCR最优协调对于任何保护系统都是一个非常重要的问题。这些保护设置的正确选择对DOCR的最优协调起着重要的作用。DOCR的可靠协调意味着一次继电器应快速隔离其所在区域的故障，将系统故障限制在最小范围内，备用继电器应在一次继电保护动作后运行。

尽管目前提出了不同的技术来减轻分布式能源渗透对DOCR协调性能的负面影响，但这些技术仍然面临许多限制。传统的优化算法，如线性规划(LP)和非线性规划(NLP)，都被用来解决该协调问题。然而，当电力系统变大时，寻找全局解的传统优化技术的失效概率也随之增加。故障检测时断开分布式电源以避免孤岛和防止其故障电流贡献是现有实践之一，这种做法存在着许多问题，如降低电力系统的可靠性、可能出现的稳定性问题等问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法，主要包括以下步骤：

1)确定电力系统，并获取电力系统的基本数据。

所述电力系统主要包括方向过流继电器、主继电器、备用继电器和分布式能源DGS。

所述分布式能源DGS主要包括内燃机、燃料电池和可再生能源。

所述可再生能源主要包括风力发电、地热能发电、太阳能发电和朝夕能发电。

所述电力系统的基本数据主要包括各节点电压和电流。

2)建立方向过流继电器协调模型，使所有主继电器的工作时间之和达到最小。

建立方向过流继电器协调模型的主要步骤如下：

2.1)确定继电器特性曲线的非线性数学方程，即：

式中，λ和α为随继电器特性而变化的常数。n为出现过电流故障的继电器序号。TDS_n为设置的拨号时间。IP_n为第n个继电器测量得到的电流。If_n为继电器n测量的故障电流。

2.2)确定继电器参数，主要包括主继电器启动时间Tb_i、备用继电器启动时间Tp_r、TDS和第n个继电器测量得到的电流IP_n。

主继电器启动时间Tb_i与备用继电器启动时间Tp_r的关系如下所示

Tb_i-Tp_r≥CTI。(2)

式中，CTI为协调时间间隔。

TDS如下所示：

TDS_min≤TDS≤TDS_max。(3)

式中，TDS_min为设置的拨号时间下限。TDS_max为设置的拨号时间上限。

第n个继电器测量得到的电流IP_n如下所示：

Ip_min≤Ip_n≤Ip_max。(4)

式中，Ip_min为电流下限。Ip_max为电流上限。

2.3)基于公式1至4，建立方向过流继电器DOCR的优化目标函数OF，即：

式中，T_n是第n个主继电器的工作时间。N为主继电器的总数目。OF为主继电器的工作时间之和。

2.4)利用MWCA方法，计算得到主继电器的工作时间之和的最小值OF_min。

3)基于方向过流继电器协调模型，建立方向过流继电器跳闸特性曲线。

建立方向过流继电器跳闸特性曲线的主要步骤如下：

3.1)计算PCRC指标，并建立继电器特性曲线；PCRC指标如下所示：

式中，Vp_n为第n个继电器测量得到的相电压幅值。Vs_n为第n个继电器的规定相电压值。T_n为继电器的工作时间。δ为随继电器特性变化的常数。

3.2)设定Vp_n＝Vs_n，基于公式6，建立第n个继电器测量得到的相电压幅值Vp_n和时间的特性关系，并绘制方向过流继电器跳闸特性曲线。

4)在检测到继电器出现过电流故障时，根据方向过流继电器跳闸特性曲线确定方向过流继电器的跳闸时间。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明提出了一种方向过流继电器跳闸特性曲线，以保持含分布式能源电网以及不含分布式能源电网之间的协调。本发明的目的是在协调含分布式电源的电力系统中DOCR的保护动作。

针对现有含分布式电源的电力系统中DOCR难以协同工作问题，本发明提出了一种DOCR新型跳闸特性曲线，来协调含分布式能源电网以及不含分布式能源电网的继电保护工作情况。

本发明提出了新的特性曲线，不需要断开分布式能源或重新调整继电保护整定即可解决分布式能源对继电保护协同工作的负面影响，可以显著减少所有一次继电器的总运行时间。本发明可广泛应用于分布式能源并网中方向过电流继电保护的协同工作中。

附图说明

图1为特性曲线(Vs＝0.6，TDS＝1.1)。

图2为IEEE 39节点系统拓扑图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法，主要包括以下步骤：

1)确定电力系统，并获取电力系统的基本数据。

所述电力系统主要包括方向过流继电器、主继电器、备用继电器和分布式能源DGS。继电器是一种电控制器件。

所述分布式能源DGS主要包括内燃机、燃料电池和可再生能源。

所述可再生能源主要包括风力发电、地热能发电、太阳能发电和朝夕能发电。

所述电力系统的基本数据主要包括各节点电压和电流。

2)建立方向过流继电器协调模型，使所有主继电器的工作时间之和达到最小。解决方向过流继电器DORS协调问题的主要目的是维护电网的可靠性安全。这一目标可以通过找到最优的继电器设置以最小化所有主继电器的工作时间之和来实现，并保持继电器对之间顺序操作的有效性。

建立方向过流继电器协调模型的主要步骤如下：

2.1)确定继电器特性曲线的非线性数学方程，即：

式中，λ和α为随继电器特性而变化的常数。n为出现过电流故障的继电器序号。TDS_n为设置的拨号时间。IP_n为第n个继电器测量得到的电流。If_n为继电器n测量的故障电流。对于标准继电器类型，λ和α分别为0.14和0.02。

2.2)确定继电器参数，主要包括主继电器启动时间Tb_i、备用继电器启动时间Tp_r、TDS和第n个继电器测量得到的电流IP_n。

主继电器启动时间Tb_i与备用继电器启动时间Tp_r的关系如下所示

Tb_i-Tp_r≥CTI。>

式中，CTI为协调时间间隔。

主继电保护和后备继电器同时检测故障。备用继电器必须在一段协调时间间隔(CTI)之后启动，如果主继电器未能操作以维持选择标准并在继电器对之间创建区分裕度。CTI取决于断路器的工作时间、安全裕度和继电器类型。CTI的值从0.2到0.5s不等，这取决于继电器类型，本实施例的CTI值为0.2s。

TDS如下所示：

TDS_min≤TDS≤TDS_max。>

式中，TDS_min为设置的拨号时间下限。TDS_max为设置的拨号时间上限。

TDS_min和TDS_max是TDS的范围设置，设置为0.01s和1.1s。

第n个继电器测量得到的电流IP_n如下所示：

Ip_min≤Ip_n≤Ip_max。>

式中，Ip_min为电流下限。Ip_max为电流上限。上限为最大负荷电流的1.5倍，下限为最小故障电流的2/3。

2.3)基于公式1至4，建立方向过流继电器DOCR的优化目标函数OF，即：

式中，T_n是第n个主继电器的工作时间。N为主继电器的总数目。OF为主继电器的工作时间之和。

2.4)利用MWCA方法(多目标水循环优化算法)，计算得到主继电器的工作时间之和的最小值OF_min。

3)基于方向过流继电器协调模型，建立方向过流继电器跳闸特性曲线。

建立方向过流继电器跳闸特性曲线的主要步骤如下：

3.1)由于分布式能源渗透，继电保护难以协调是电力系统保护面临的重要挑战之一。为了减轻分布式能源在电力系统保护中的负面影响，提出了PCRC指标。

计算PCRC指标，并建立继电器特性曲线；PCRC指标如下所示：

式中，Vp_n为第n个继电器测量得到的相电压幅值。Vs_n为第n个继电器的规定相电压值。T_n为继电器的工作时间。δ为随继电器特性变化的常数。

3.2)设定Vp_n＝Vs_n，基于公式6，建立第n个继电器测量得到的相电压幅值Vp_n和时间的特性关系，并绘制方向过流继电器跳闸特性曲线，如图1所示。

当故障接近继电器时，会出现较大的电压降。同样的概念被用来区分使用参数的继电器，当Vp小于Vs时，继电器的工作时间会加快，反之亦然。本实施例选取的参数Vs等于或小于后备继电器的最小Vp值，在PCRC中，继电器的工作时间不仅取决于故障期间的实测电流，而且还取决于测量的相电压，以克服分布式能源对继电器之间协同工作的影响。所提议的特征曲线可在图1中以图形形式表示。通过设置Vp等于Vs，可以取消对传统DOCR操作时间的附加部分，而不会改变电流与时间之间的逆关系。

4)在检测到继电器出现过电流故障时，根据方向过流继电器跳闸特性曲线确定方向过流继电器的跳闸时间。

实施例2：

参见图1和图2，一种验证基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法的实验，主要包括以下步骤：

1)搭建电力系统，如图2所示，电力系统为IEEE 39节点系统，该系统由34条线路、12台变压器、10台发电机、68台DOCR、113对主、备用继电器对和136个优化变量组成。在MATLAB环境下，用2.3GHz的PC机和4GB的内存，实现了用MWCA来解决DOCR的协调问题。

2)无分布式能源的DOCR协调

在这一情况中，IEEE-39总线系统不安装分布式能源，并利用MWCA解决了基于传统继电特性曲线的DOCR协调问题。同样的继电保护设置用于PCSR。此外，Vs等于电压最小值。表1和表2分别列出了使用传统继电器特性曲线和PCSR的主继电器和备用继电器的工作时间样本和CTI值。

从表1至表5可以看出，两种方法均可保持主继保和备用之间的协调，其中继电保护之间的协调裕度大于CTI。使用PCPR(13.266s)获得的所有一次继电器的总工作时间小于使用常规继电器特性(35.997s)获得的所有一次继电器的工作时间。

表1采用传统继电器特性曲线的继电器主、后备运行时间及CTI值

表2采用传统继电器特性曲线的继电器主、后备运行时间及CTI值

表3使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

表4使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

表5使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

3)含单一分布式发电机的测试系统

在这种情况下，一个分布式发电机通过一个单位电抗0.01和10mVA容量的变压器连接到系统中。分布式发电机的容量为10MVA，暂态单位电抗为0.2。所有的DOCR设置都保持为原始设置。

表6至表9分别给出了使用传统继电器特性曲线和PCRC的主继电器和备用继电器的工作时间和CTI值的样本。从表6、表7中可以看出，在常规继电器特性曲线应用于固定继电器设置时，出现了三种不协调现象。这些违反约束条件的有(R7，R48)，(R8，R10)和(R49，R54)。从表8和表9可以看出，PCRC可以保持继电器之间的协调裕度，而无需重新调整继电器设置或断开分布式发电机。

表6采用传统继电器特性曲线的继电器主、后备运行时间及CTI值

表7采用传统继电器特性曲线的继电器主、后备运行时间及CTI值

表8使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

表9使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

4)含多个分布式发电机的测试系统

在这种情况下，在不同的位置设置不同的分布式发电机以验证所提出的方法的有效性。通过变压器将6个分布式发电机安装到IEEE-39总线系统。在不同地点不同大小的分布式发电机详细信息见表10。表11显示了在不同位置安装分布式发电机到IEEE-39总线系统时，使用传统继电器特性曲线的主继电器和备用继电器的一些工作时间和CTI值。这个表中可以看出，在应用传统继电器特性曲线的DOCR时，存在9个节点不协调(<0.2s)。

表12显示了使用PCRC的主中继和备份继电器的一些操作时间以及CTI值。在应用PCRC的DOCR，没有出现违反约束的情况。换句话说，可以说PCRC是足够可靠的，可以保持主中继对和备用中继对之间的协调裕度，而不需要在不存在或出现不同DGS大小的情况下更改原来的中继设置。

表1015节点系统的最优继电保护设定

表11采用传统继电器特性曲线的继电器主、后备运行时间及CTI值

表12采用传统继电器特性曲线的继电器主、后备运行时间及CTI值

表13使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

表14使用PCRC的继电器和CTI值的主操作时间和备份操作时间

综上所述，本发明提出的基于继电器新型特性曲线缓解分布式发电对方向过流继电器协作保护影响的方法不需要断开分布式能源或重新调整继电保护整定即可解决分布式能源对继电保护协同工作的负面影响，可以显著减少所有一次继电器的总运行时间。