基于序电流突变量及其功率方向的含DER点状网络逆功率保护方法

摘要

本发明公开了一种基于序电流突变量及其功率方向的含分布式电源(distributed energy resource，DER)点状网络逆功率保护新方法，该方法考虑DER出力特性以及低压负荷波动对电流突变量定值的影响，以识别故障引起的逆功率与正常功率倒送现象，并利用正序功率以及负序功率方向确定故障位置区间，最后制定了新型逆功率保护方法的实现逻辑与定值整定原则。该方法能够有效改善保护性能并提高DER高度渗透点状网络运行的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，特别涉及一种基于序电流突变量及其功率方向的含DER点状网络逆功率保护方法。

背景技术

社会经济的发展对供电可靠性尤其短时停电的要求越来越高。传统的辐射性网络主要通过手拉手方式提高供电可靠性，但仍需要停电转供负荷。点状网络(Spot Network)作为一种低压多源并供系统，可有效解决持续停电以及短时停电问题，是公认的最为可靠且最为灵活的供电方式，主要用于机场、医院、大型数据中心等重要场合。目前，美国田纳西州St.Jude儿童研究医院、NBA孟菲斯灰熊队主场体育馆以及多伦多皮尔逊国际机场等均采用了该供电方式。点状网络中电源与负荷均通过低压母线集中接入，有利于分布式电源(Distributed Energy Resource,DER)的接入控制以及能量就地消纳。传统点状网络的低压侧配置了逆功率保护，用于防止正常运行时因各条进线出力严重不均衡而出现功率倒送；虽然有些相应的潮流控制方法可有效均衡进线出力问题，但DER接入容量较大且随机性出力较强时，某些电源进线仍会出现功率倒送从而引起逆功率保护动作；且当退出运行的进线电压满足接入条件时，对应断路器会自动重新合闸。上述两个过程重复出现，会使线路开关频繁“跳跃”，系统无法正常运行。可见，传统点状网络的逆功率保护在一定程度上限制了DER接入容量。

在IEEE 1547中规定逆功率保护的定值按照变压器容量的0.5％来设置，定值一般为1kW-2kW，难以适应DER运行特性以及宽限接入要求。有专家提出在逆功率保护中增加延迟环节，按照反时限动作特性，结合逆功率大小决定动作时间，DER波动引起功率倒送后，该保护会延迟跳开，而中压侧故障时能够瞬时动作，但该方法仅适用于DER的小容量接入和进线短时逆功率运行的情况，未考虑逆功率大小及持续时间与负荷特性、DER出力等因素之间的关联性，保护定值及动作时间设定缺乏有效的理论支撑。也有专家基于站域保护的思想，通过实时监测点状网络的低压负荷、进线功率与DER实际出力，综合判断引起逆功 率的原因；信息完整时该方法可有效提高含DER点状网络运行稳定性，但信息一旦缺失，该方法将会失效。还有人提出在负荷较轻时，主动降低DER出力或直接使其退出，以防止出现逆功率运行引起保护误动作，但该方法通过限制DER出力来应对，不利于DER的充分利用。另有专家针对点状网络逆功率保护可能存在的保护死区问题，提出通过记忆电压的方式予以改进，没有涉及DER的接入影响。总之，现有的点状网络逆功率保护方法难以解决DER宽限接入带来的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种含DER点状网络的逆功率保护新方法，该方法利用序电流突变量及其功率功率方向确定故障位置区间，并给出了新型逆功率保护方法的实现逻辑与定值整定原则，目的在于考虑了DER出力特性以及低压负荷波动对电流突变量定值的影响，及故障引起的逆功率与正常功率倒送的区别。

本发明是通过以下技术方案实现的：

这种基于序电流突变量及其功率方向的含分布式电源(distributed energy resource，DER)点状网络逆功率保护方法，过程如下：

(1)某条电源进线逆功率保护上游发生三相短路故障时，流过该保护的正序功率方向为负，而流过其余电源进线保护以及分布式电源(DER)的正序功率方向都为正；

(2)某条电源进线逆功率保护下游发生三相短路故障时，流过所有电源进线保护以及DER的正序功率方向都为正；

(3)某条电源进线逆功率保护上游发生相间短路故障时，流过该电源进线处的负序功率方向为正，而流过其余电源进线保护以及DER的负序功率方向都为负；

(4)某条电源进线逆功率保护下游发生相间短路故障时，流过所有电源进线保护以及DER的负序功率方向都为负；

(5)尽管DER普遍具有间歇性与随机性出力特点，但相对故障电流而言，其变化周期较长，在一定时间之内可视为平滑，其正常运行时不会导致明显的序电流突变量；利用序电流突变量作为启动元件，可有效躲过DER出力特性的影 响，结合功率方向能够识别故障引起的逆功率与DER出力较大而导致的功率倒送。考虑到功率方向计算时间，序电流突变量启动后需保持一定时间，该时间决定于突变量计算方法；

(6)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：

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

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；

(7)低压母线上单相负荷急剧变化时，其电压不平衡度会发生变化，电网中会产生负序电流突变量。根据国家相关标准规定，低压公共接入点电压不平衡度需满足U₂/U₁≤4％。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：

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

式中，—低压母线最大不平衡度对应的单相负载功率；

(8)中压侧进线首端发生短路时，逆功率保护应具有足够的灵敏度，故正序突变量启动元件的灵敏系数按下式计算，

$K_{\mathrm{sen}.\mathrm{re}.1}=\frac{I_{k.\mathrm{re}.\min .1}}{I_{\mathrm{set}.\mathrm{re}.1}}---\left(3\right)$

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；

(9)负序突变量启动元件的灵敏系数按下式计算，

$K_{\mathrm{sen}.\mathrm{re}.2}=\frac{I_{k.\mathrm{re}.\min .2}}{I_{\mathrm{set}.\mathrm{re}.2}}---\left(4\right)$

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。

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能够有效区别DER出力引起的逆功率运行与中压 侧故障导致的功率倒送之间的差异，可在一定程度上提高含DER点状网络运行的稳定性。

附图说明

附图1为含DER的3条进线点状网络拓扑结构。

附图2为点状网络逆功率保护逻辑图。

附图3为原有保护下进线出力与DER出力波形。 

附图4为原有保护下进线1故障后进线出力与DER出力波形。 

附图5为改进保护下进线出力与DER出力波形。 

附图6为改进保护下进线1故障后进线与DER出力波形。 

具体实施方式

本发明提出基于序电流突变量及其功率方向的含DER点状网络逆功率保护方法，下面结合附图和实施例对本发明予以详细说明。

1、实施例1

(1)三相短路故障时的逆功率保护方法

如图1所示，以具有3条电源进线的含DER点状网络为例进行故障特征分析。其中，为各条进线的等效电动势；为各条进线电源等值内阻抗；为各条进线的等值阻抗；P_i(i＝1,2,3)为待分析的逆功率保护。

以进线1为例，在保护P1上游和下游，即f1和f2处发生三相短路故障。在f1处发生三相短路时，即P1上游发生三相短路时流过该保护的正序功率方向为负，而流过P2、P3以及DER的正序功率方向为正。在f2处发生三相短路时，即在P1下游三相短路时，流过P1、P2、P3以及DER的正序功率方向均为正。

通过判断正序功率方向能够有效识别三相短路故障的位置。

(2)相间短路故障时的逆功率保护方法

为提高保护的灵敏度，在相间短路时考虑采用负序分量及其功率方向构成判据。当图1中f1与f2处分别发生相间短路故障时，f1处短路时，即保护P1上游相间短路时，流过P1的负序功率方向为正，而流过P2，P3以及DER的负序 功率方向为负。在f2处发生相间短路时，即P1保护下游故障时，流过进线P1、P2、P3以及DER的负序有功功率方向均为负。

通过负序功率方向即可判断相间短路故障的位置。由于中压侧中性点一般采用非有效接地运行方式，发生单相接地故障时，有专门的保护措施，此处不作分析。

(3)保护逻辑与整定原则

尽管DER普遍具有间歇性与随机性出力特点，但相对故障电流而言，其变化周期较长，在一定时间之内可视为平滑，其正常运行时不会导致明显的序电流突变量；因此利用序电流突变量作为启动元件，可有效躲过DER出力特性的影响，结合功率方向能够识别故障引起的逆功率与DER出力较大而导致的功率倒送。进线1对应的逆功率保护动作逻辑如图2所示，考虑到功率方向计算时间，序电流突变量启动后需保持一定时间t，该时间决定于突变量计算方法。

为躲过低压负载启动对正序突变量的影响，其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：

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

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。

低压母线上单相负荷急剧变化时，其电压不平衡度会发生变化，电网中会产生负序电流突变量。根据国家相关标准规定，低压公共接入点电压不平衡度需满足U₂/U₁≤4％。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：

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

式中，—低压母线最大不平衡度对应的单相负载功率。

(4)灵敏度校验方法

中压侧进线首端发生短路时，逆功率保护应具有足够的灵敏度，故正序突变量启动元件的灵敏系数按下式计算，

$K_{\mathrm{sen}.\mathrm{re}.1}=\frac{I_{k.\mathrm{re}.\min .1}}{I_{\mathrm{set}.\mathrm{re}.1}}---\left(3\right)$

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。

负序突变量启动元件的灵敏系数按下式计算，

$K_{\mathrm{sen}.\mathrm{re}.2}=\frac{I_{k.\mathrm{re}.\min .2}}{I_{\mathrm{set}.\mathrm{re}.2}}---\left(4\right)$

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。

2、实施例2

采用如表1和表2所示相关参数，以图1所示的含DER点状网络为例进行分析。

表1进线模型参数

表2仿真模型负荷与DER参数表

 >负荷1>负荷2>负荷3>DER>U_N(kV)>0.4>0.4>0.4>0.4>类型>恒功率>恒功率(单相)>恒功率>风机>视在功率(MVA)>0.09+j0.001>1.33+j0.001>2.10+j0.001>0.25+j0.05>

假定所带低压负载中三相设备的单台最大功率为P_max＝0.30MW，所带低压负载中单相设备的单台最大功率为P_max.a＝1.33MW，将模型参数代入式(2)，可得负序电流突变量整定值I_set2＝1.85kA。

在t＝6S时将DER投入，且控制其有功出力不断增加；而在t＝19S时设置进线1保护上游发生相间短路故障。

在原有逆功率保护下，进线出力与DER出力波形如图3所示，负荷稳定的前提下，随着DER出力不断增大，3个电源的出力逐渐减小，在t＝8.75S时进线 1出现功率倒送，P1保护动作将进线1跳开；P1保护上游发生短路时，传统逆功率保护能够可靠切除该故障线路，如图4所示。

在本专利提出的逆功率保护下，如图5所示，尽管DER出力较大导致进线1出现功率倒送，但尚未达到电流突变量启动定值，逆功率保护不会动作；由图6可见，改进的逆功率保护依然能够可靠切除进线故障。

在改进的逆功率保护下，对DER、最大单相及三相负载接入及退出时产生的影响进行了仿真分析，如表3所示。DER接入低压母线后会使进线1产生80kW的功率倒送，但尚未达到保护启动定值，逆功率保护不会动作。可见，改进的逆功率保护整定值能够躲开由于负荷及DER扰动所产生的正负序突变量，该保护能够适应DER宽限接入要求。

表3改进保护下DER接入与负荷扰动的影响仿真结果

在改进的逆功率保护下，保护上游不同位置上发生各种类型故障时，其动作特性如表4所示，可以发现本专利所提方法对保护上游短路故障功率方向特征分 析的正确性；点状网络某进线保护上游发生故障时，对应进线的逆功率保护能够可靠动作，而其他进线的保护不动作，满足了保护选择性要求；改进的逆功率保护具有一定的耐受过渡电阻能力，保护灵敏度值均大于1.5，能够满足保护灵敏性要求。

表4改进保护下进线中压侧故障时保护动作结果

以上所述仅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，所坐的任何变化都包含在本发明的保护范围之内。