一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法

摘要

本发明公开了一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法，包括以下步骤：继电保护装置上电；初始化线路参数；获取各分布式电源功率；获取馈线两侧电压相量和电流相量；计算分布式电源输出电流；计算馈线两侧比较电压的大小；若比较电压大于整定值，则为馈线区内故障，启动故障定位算法；假设故障发生在某一区段计算测量距离百分比，若测量距离百分比小于100％，则为该区段故障。该方法能有效解决多个分布式电源T接于线路时的继电保护和故障定位问题，且本方法不受分布式电源接入数量、接入位置、故障类型以及过渡电阻的影响，具有较强的适用性和工程实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法。

背景技术

配电网故障区间定位是实现故障区段有效隔离和快速恢复供电的前提，对于保证供电质量和提高系统可靠性具有重要作用。随着越来越多的分布式电源接入中低压配电网，配电系统的结构发生了根本性的变化，由单电源系统变成多电源系统，快速故障定位将更加复杂。此外，由于分布式电源具有灵活方便的控制模式，若能有效隔离故障区段，可以利用分布式电源向其他健全区域继续供电，减小停电范围。

目前，接入中低压配电网的分布式电源多为光伏发电系统或风力发电系统的逆变型DG(Inverter-interfaced distributed generator，IIDG)。随着IIDG渗透率和并网容量的不断增大，为防止IIDG大规模脱网对电网的正常运行带来影响，光伏电站和风电场并网技术规定中对IIDG提出了低电压穿越的要求。即使在配电网发生故障的情况，IIDG仍并网运行，且输出更多的无功电流支撑电压。在故障情况下，IIDG输出电流与IIDG的容量、当前出力、故障类型和故障位置有关，这将导致传统的配电网故障定位方法不再适用。尤其是当IIDG分散接入馈线时，即使IIDG可以等效为压控电流源，然而其并网点电压并不能容易获得，因此故障电流分布的求解也就存在困难。因此，如何利用尽可能少的故障信息，准确判断故障发生位置，实现快速故障隔离，是保证配电网安全可靠运行的关键因素。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法，该方法有效解决了多个分布式电源T接于线路时的继电保护问题，且本方法不受分布式电源接入数量、接入位置、故障类型以及过渡电阻的影响，具有较强的适用性和工程实用性。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法，所述方法包括以下步骤：

1)继电保护装置上电；

2)初始化线路参数；

3)获取分布式电源的有功参考功率P_ref,j和无功参考功率Q_ref,j，其中，j为第j个分布式电源，j＝1、2、3……n，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数；

4)母线M和母线N处的继电保护装置分别对母线M、母线N的三相电压和三相电流进行采样、变换，得到母线M的正序电压相量和母线M的正序电流相量母线N的正序电压相量和母线N的正序电流相量

5)假设线路正常运行，分别从母线M处和母线N处计算各个公共联接点PCC点的正序电压和的值；

6)根据继电保护装置获取的各PCC点的参考功率和计算所得的母线M处和母线N处PCC点正序电压和以及各分布式电源的控制策略，计算各分布式电源的输出电流从而进一步计算下一个分布式电源的公共联接点电压；

7)根据从母线N侧推导所得的母线M处的正序电压与步骤4)测得的母线M的电压向量计算母线M侧的比较电压绝对值同样地，根据从母线M侧推导所得的母线N处的正序电压与步骤4)测得的母线N的电压向量计算母线N侧的比较电压绝对值

8)判断母线M侧的比较电压绝对值是否大于M侧的比较电压整定值或母线N侧的比较电压绝对值是否大于N侧的比较电压整定值若是，则判断为馈线区内故障，启动保护动作，同时启动故障定位算法，否则，则表明区内无故障，返回步骤5)；

9)根据分布式电源接入点的位置对馈线进行分区，分为n+1个区段，每个区段的阻抗分别为Z₁、Z₂、Z₃……Z_n+1，从区段1开始，假设第k个区段发生故障，计算故障点离区段首端的PCC点的测量阻抗Z'_k和测量距离百分比l'_k％，若0％<l'_k％<100％，则故障发生在区段k，否则，假设第k+1个区段发生故障，计算其测量距离百分比。

优选的，步骤5)中，所述由母线M处的测量电压、电流推导所得的PCC点正序电压的计算方式为：

其中，Z_m为第m个区段的线路阻抗，为第j个分布式电源的输出电流计算值，为母线M的正序电压向量，为母线M的正序电流相量，k表示所要计算分布式电源并网点电压的第k个PCC点；

所述由母线N处的测量电压、电流推导所得的PCC点正序电压的计算公式为：

其中，Z_n+1-m为第n+1-m个区段的线路阻抗，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，j表示第j个分布式电源，m表示第m个区段，k表示所要计算分布式电源并网点电压的第k个PCC点，为第j个分布式电源的输出电流计算值，为母线N的正序电压相量，为母线N的正序电流相量。

优选的，步骤6)中，各分布式电源的输出电流的计算公式为：

式中，为线路正常运行时公共联接点的正序电压有效值，为分布式电源并网点的实际正序电压，P_ref,j、Q_ref,j为分布式电源的有功参考功率和无功参考功率，I_max为分布式电源最大输出电流，δ为公共联接点正序电压A相轴线与d轴的夹角，I_d表示d轴电流，I_q表示q轴电流，i为虚部符号。

优选的，步骤7)中，从母线N侧推导母线M处的正序电压的计算公式为：

此处，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，j表示第j个分布式电源，m表示第m个区段，Z_n+1-m为第n+1-m个区段的线路阻抗，为第j个分布式电源的输出电流，为母线N的正序电压相量，为母线N的正序电流相量；

从母线M侧推导母线N处的正序电压的计算公式为：

此处，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，j表示第j个分布式电源，m表示第m个区段，为第j个分布式电源的输出电流，Z_m为第m段线路的线路阻抗，为母线M的正序电压相量，为母线M的正序电流相量。

优选的，步骤8)中，所述母线M侧比较电压整定值的计算公式为：

式中为发生最靠近母线M侧的区外故障时M侧母线比较电压的大小；

所述母线N侧比较电压整定值的计算公式为：

式中为发生最靠近母线N侧的区外故障时N侧母线比较电压的大小。

优选的，步骤8)中，所述母线M侧的比较电压绝对值的计算公式为：

所述母线N侧的比较电压绝对值的计算公式为：

其中，为母线M的正序电压相量，为母线N的正序电压相量，为从母线N侧推导所得的母线M处的正序电压，为从母线M侧推导所得的母线N处的正序电压。

优选的，步骤9)中，测量阻抗Z'_k的计算公式为：

式中，

其中，为母线M的正序电压相量，为母线N的正序电压相量，为母线M的正序电流相量，为母线N的正序电流相量，为第j个分布式电源的输出电流，Z_m为第m段线路的线路阻抗，Z_n+1-m为第n+1-m个区段的线路阻抗。

优选的，步骤9)中，测量距离百分比l'_k％的计算公式为：

优选的，步骤9)中，根据分布式电源接入点的位置对馈线进行分区，分为n+1个区段，每个区段的阻抗分别为Z₁、Z₂、Z₃……Z_n+1，Z₁为母线M与第一个公共联接点PCC₁之间的线路阻抗，Z_n+1为母线N与第n个公共联接点PCC_n之间的线路阻抗，Z_j为第j-1个公共联接点PCC_j-1与第j个公共联接点PCC_j之间的线路阻抗。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用分布式电源的故障等值模型，通过推导分布式电源的并网点电压即可实现对分布式电源输出电流的求解。

2、本发明通过假设所保护馈线正常运行，从而利用两端电压互相推导的结果与实际测量电压的比较，判断馈线内部是否发生故障，作为故障定位的启动判据。

3、本发明通过假设不同区段故障进行一一求解，当求解所得的故障距离满足假设条件即可判断该假设区段为实际故障区段，从而实现含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位。

4、本发明考虑了多个分布式电源T接于线路的情况，并通过两端电压电流测量值计算故障距离，有效解决了多个分布式电源T接于线路时的故障定位问题，且本方法不受分布式电源接入数量、接入位置、故障类型以及过渡电阻的影响，具有较强的适用性和工程实用性。

附图说明

图1为本发明一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法的配电网单线图。

图2为本发明一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例以图1所示的10kV中性点不接地简单配电网为例，系统基准容量为500MVA，基准电压为10.5kV，系统阻抗值为x_s＝0.126Ω。线路均为架空线路，其线路参数为x₁＝0.347Ω/km，r₁＝0.27Ω/km。馈线1有4个逆变型分布式电源接入，将馈线分为4个区段，各区段的长度分别为0.8km，1km，2km，3km；馈线2只有一个逆变型分布式电源接入，其长度为4km。IIDG1～IIDG5的容量分别为2MW，2MW，1MW，1.5MW和1.2MW，正常运行时各IIDG的出力分别为1.8MW，1.5MW，1MW，1.5MW和1.2MW。负荷1为7MW，负荷2为4MW，功率因数均为0.9。

利用PSCAD/EMTDC仿真软件对系统进行仿真分析，馈线内部故障判据中，k_rel为1.2，和分别为0.3638和0.3684。因此，馈线内部故障的判别判据为

本实施例提供了一种含多T接逆变型分布式电源配电网的故障定位方法，该方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤一、继电保护装置上电；

步骤二、初始化线路参数：各个分布式电源之间的线路阻抗分别为Z₁＝0.216+i0.2776、Z₂＝0.27+i0.347、Z₃＝0.54+i0.694、Z₄＝0.81+i1.041和Z₅＝1.08+i1.388，其中Z₁为母线M与第一个公共连接点PCC₁之间的线路阻抗，Z₂为第一个公共连接点PCC₁与第二个公共连接点PCC₂之间的线路阻抗；

步骤三、获取每个分布式电源的实际功率P_DG,j，其中，j为第j个分布式电源，j＝1、2、3……n，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，各个分布式电源实际功率分别为：1.8MW，1.5MW，1MW，1.5MW和1.2MW；

步骤四、母线M和母线N处的继电保护装置分别对母线M、母线N的三相电压和三相电流进行采样、变换，得到母线M的正序电压相量和母线M的正序电流相量母线N的正序电压相量和母线N的正序电流相量

步骤五、假设线路正常运行，分别从母线M处和母线N处计算各个公共联接点PCC点的正序电压和的值；

所述由母线M处的测量电压、电流推导所得的PCC点正序电压的计算方式为：

其中，Z_m为第m个区段的线路阻抗，为第j个分布式电源的输出电流计算值，为母线M的正序电压向量，为母线M的正序电流相量，k表示所要计算分布式电源并网点电压的第k个PCC点；

所述由母线N处的测量电压、电流推导所得的PCC点正序电压的计算公式为：

其中，Z_n+1-m为第n+1-m个区段的线路阻抗，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，j表示第j个分布式电源，m表示第m个区段，k表示所要计算分布式电源并网点电压的第k个PCC点，为第j个分布式电源的输出电流计算值，为母线N的正序电压相量，为母线N的正序电流相量。

步骤六、根据继电保护装置获取的各PCC点的参考功率和计算所得的母线M处和母线N处PCC点正序电压和以及各分布式电源的控制策略，计算各分布式电源的输出电流从而进一步计算下一个分布式电源的公共联接点电压；

其中，各分布式电源的输出电流的计算公式为：

式中，为线路正常运行时公共联接点的正序电压有效值，为分布式电源并网点的实际正序电压，P_ref,j、Q_ref,j为分布式电源的有功参考功率和无功参考功率，I_max为分布式电源最大输出电流，δ为公共联接点正序电压A相轴线与d轴的夹角，I_d表示d轴电流，I_q表示q轴电流，i为虚部符号。

步骤七、根据从母线N侧推导所得的母线M处的正序电压与步骤四测得的母线M的电压向量计算母线M侧的比较电压绝对值同样地，根据从母线M侧推导所得的母线N处的正序电压与步骤四测得的母线N的电压向量计算母线N侧的比较电压绝对值

其中，从母线N侧推导母线M处的正序电压的计算公式为：

此处，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，j表示第j个分布式电源，m表示第m个区段，Z_n+1-m为第n+1-m个区段的线路阻抗，为第j个分布式电源的输出电流，为母线N的正序电压相量，为母线N的正序电流相量；

从母线M侧推导母线N处的正序电压的计算公式为：

此处，n为T接在线路MN上的分布式电源的个数，j表示第j个分布式电源，m表示第m个区段，为第j个分布式电源的输出电流，Z_m为第m段线路的线路阻抗，为母线M的正序电压相量，为母线M的正序电流相量。

步骤八、判断母线M侧的比较电压绝对值是否大于M侧的比较电压整定值或母线N侧的比较电压绝对值是否大于N侧的比较电压整定值若是，则判断为馈线区内故障，启动保护动作，同时启动故障定位算法，否则，则表明区内无故障，返回步骤五；

其中，所述母线M侧比较电压整定值的计算公式为：

式中为发生最靠近母线M侧的区外故障时M侧母线比较电压的大小；

所述母线N侧比较电压整定值的计算公式为：

式中为发生最靠近母线N侧的区外故障时N侧母线比较电压的大小。

所述母线M侧的比较电压绝对值的计算公式为：

所述母线N侧的比较电压绝对值的计算公式为：

其中，为母线M的电压相量，为母线N的电压相量，为从母线N侧推导所得的母线M处的正序电压，为从母线M侧推导所得的母线N处的正序电压。

步骤九、根据分布式电源接入点的位置对馈线进行分区，可分为区段1，2，……，n+1，各区段的线路阻抗分别为：Z₁＝0.216+i0.2776、Z₂＝0.27+i>3＝0.54+i>4＝0.81+i1.041和Z₅＝1.08+i1.388。从区段1开始，假设第k个区段发生故障，计算故障点离区段首端PCC点的测量阻抗Z'_k和测量距离百分比l'_k％，若0％<l'_k％<100％，则故障发生在区段k，否则，假设第k+1个区段发生故障，计算其测量距离百分比。

测量阻抗Z'_k的计算公式为：

式中

测量距离百分比l'_k％的计算公式为：

表1给出了区段L₁～L₅故障所得的比较电压大小，由表可知，当故障发生在馈线内部L₁～L₄时，比较电压的值都很大；而但故障发生在馈线外部L₅时，比较电压的值则非常小，因此比较电压的大小可以区分区内外故障。

表1

表2给出了在馈线不同区段中点设置不同故障类型时故障定位计算结果，由表2可知，只有当假设条件与实际故障情况一致时，其计算结果才满足假设条件，且故障定位准确。若故障点在假设故障发生区段的上游时，则其测量距离百分比将表现为负值；若故障点在假设故障发生区段的下游时，则测量距离将超过假设区段的长度，其测量距离百分比也就超过100％。

表2

表3给出了同一区段不同故障位置故障定位计算结果，由表可知，当故障发生在区段L₂的0％、25％、50％、75％和100％时，其计算结果与实际情况一致。

表3

表4进一步给出了区段L₂不同过渡电阻故障定位计算结果，由表可知，故障定位算法并不受过渡电阻影响，其故障定位结果仍能正确反映故障位置。

表4

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。