一种自适应电压保护方法

摘要

本发明公开了电力系统技术领域中的一种自适应电压保护方法。本发明构建了原始系统数据库；并根据故障前后相电压差与相电流的关系，构造配电网自适应电压主保护，并求得电压主保护的整定值和电压主保护的测量值，当主保护整定值小于测量值时，主保护不动作；当主保护整定值大于测量值时，主保护出口跳闸；根据故障前后相电压差与相电流的关系，构造配电网自适应电压后备保护，并求得电压后备保护的整定值和后备保护的测量值，当后备保护整定值小于测量值时，后备保护不动作；当后备保护整定值大于测量值时，后备保护出口跳闸。本发明可以随电力系统的运行方式和故障类型的变化而实时调整，使得该保护在对称故障和不对称故障下均能可靠动作。

权利要求

1.一种自适应电压保护方法，其特征是该方法包括以下步骤：步骤1：构建原始系统数据库；

步骤2：获取电压主保护的整定值和电压主保护的测量值，当主保护整定值小于测量值时，主保护不动作；当主保护整定值大于测量值时，主保护出口跳闸；

所述主保护的整定值的计算公式为：其中：

Uset1为主保护的整定值；

kd为故障类型系数；

kr1为自适应电压主保护的可靠系数；

为在母线M处测量的相电流；

Zmn为线路MN的阻抗；

所述主保护的测量值的计算公式为：其中：

Um1为主保护的测量值；

分别为母线M处的任意两故障相电压；

步骤3：获取电压后备保护的整定值和后备保护的测量值，当后备保护整定值小于测量值时，后备保护不动作；当后备保护整定值大于测量值时，后备保护出口跳闸；

所述后备保护的整定值的计算公式为：其中：

Uset2为后备保护的整定值；

kd为故障类型系数；

kr2为自适应后备保护可靠系数；

为在母线J处测量的相电流；

Zjm为线路JM的阻抗；

所述后备保护的测量值的计算公式为：其中：

Um2为后备保护的测量值；

分别为IED3测量的任意两故障相电压；IED3位于后备保护所在线路的下级线路上；

分别为IED1测量的对应相故障电压；IED1位于后备保护所在线路上。

说明书

一种自适应电压保护方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及一种自适应电压保护方法。

背景技术

[0002] 传统继电保护以电力系统最大运行方式下计算定值，最小运行方式下校验灵敏度的方式进行离线整定，且保护定值在运行过程中始终保护不变。然而，当电力系统处于非最大运行方式时，保护定值却非最佳整定值，传统继电保护也无法达到最佳保护效果。当电力系统处于最小运行方式时，传统继电保护甚至会失效。鉴于此，一些专家学者提出了自适应保护的概念，即能够根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。

[0003] 近年来，随着分布式电源(DG)的接入，电网的运行方式变得更加灵活，自适应保护的选择性、灵敏性和可靠性之间的矛盾也表现的愈加突出。

发明内容

[0004] 针对上述背景技术中提到的传统继电保护不能随电力系统运行方式改变，导致保护效果不佳或失效不足，本发明提出了一种自适应电压保护方法。

[0005] 本发明的技术方案是，一种自适应电压保护方法，其特征是该方法包括以下步骤：

[0006] 步骤1：构建原始系统数据库；

[0007] 步骤2：获取电压主保护的整定值和电压主保护的测量值，当主保护整定值小于测量值时，主保护不动作；当主保护整定值大于测量值时，主保护出口跳闸；

[0008] 步骤3：获取电压后备保护的整定值和后备保护的测量值，当后备保护整定值小于测量值时，后备保护不动作；当后备保护整定值大于测量值时，后备保护出口跳闸。

[0009] 所述主保护的整定值的计算公式为：

[0010]

[0011] 其中：

[0012] Uset1为主保护的整定值；

[0013] kd为故障类型系数；

[0014] kr1为自适应电压主保护的可靠系数

[0015] 为在母线M处测量的相电流；；

[0016] Zmn为线路MN的阻抗。

[0017] 所述主保护的测量值的计算公式为：

[0018]

[0019] 其中：

[0020] Um1为主保护的测量值；

[0021] 分别为母线M处的任意两故障相电压。

[0022] 所述后备保护的整定值的计算公式为：

[0023]

[0024] 其中：

[0025] Uset2为后备保护的整定值；

[0026] kd为故障类型系数；

[0027] kr2为自适应后备保护可靠系数；

[0028] 为在母线J处测量的相电流；

[0029] Zjm为线路JM的阻抗。

[0030] 所述后备保护的测量值的计算公式为：

[0031]

[0032] 其中：

[0033] Um2为后备保护的测量值；

[0034] 为IED3测量的任意两故障相电压；

[0035] 为IED1测量的对应相故障电压。

[0036] 本发明具有以下优点：

[0037] 1.本发明不用具体分析分布式电源的类型、接入位置、数量、容量、运行方式和控制方式，避免了由于分布式电源接入而造成的继电保护误动作情况的发生。

[0038] 2.保护整定值随着系统的运行方式和故障类型的变化而实时调整，使得该保护在对称故障和不对称故障下均能可靠动作，实现了电压保护的自适应功能。

[0039] 3.主保护的保护范围不受故障类型的影响，即使在两相相间短路的不利情况下，其保护范围仍能接近本线路的90％。与传统电压保护相比，自适应电压主保护的保护范围得到了有效延伸。

[0040] 4.后备保护的保护范围不受故障类型的影响，后备保护不仅能够延伸至下级保护线路的80％左右，并且鉴于主保护的保护范围是线路全长的90％，因此，后备保护延伸到下级线路的保护范围小于主保护的保护范围，可满足保护配合的要求。

附图说明

[0041] 图1为简单供电网络示意图；

[0042] 图2为数字仿真测试系统示意图；

[0043] 图3为分布式电源(DG)控制方式图示意图；

[0044] 图4为区内三相故障时主保护的动作特性示意图；

[0045] 图5为区内两相故障时主保护的动作特性示意图；

[0046] 图6为区内三相故障时后备保护的动作特性示意图；

[0047] 图7为区内两相故障时后备保护的动作特性示意图。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0049] 本发明要解决的技术问题是：在无需考虑分布式电源接入的位置、数量和容量的情况下，利用有限区域集中式广域保护系统构成一种电力系统自适应电压保护新方法，达到含分布式电源的智能电网的自适应保护目的。

[0050] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案：利用有限区域集中式广域保护系统存储相关线路参数，实时获取电压、电流信息以及实现相关IED间的通信，在此基础上，根据故障前后相电压差与相电流的关系，构造了配电网自适应电压主保护和自适应电压后备保护。

[0051] 以下具体介绍本发明的内容，本发明主要利用有限区域集中式广域保护系统存储相关线路参数，实时获取电压、电流信息以及实现相关IED间的通信，在此基础上，根据故障前后相电压差与相电流的关系，构造新型配电网自适应电压主保护和自适应电压后备保护。

[0052] 步骤一初始化

[0053] 构建原始系统数据库，采集量包括：

[0054] 1)系统节点(母线)：采集内容包括节点编号、节点电压大小、相位等。

[0055] 2)线路：采集内容包括线路两端节点编号、线路的阻抗值、线路的类型和各条线路的负荷电流等。

[0056] 3)发电机：采集内容包括发电机所连节点编号、发电机的出力变化情况等。

[0057] 4)仿真类型：发生故障的线路、故障类型、故障发生时刻及清除时刻、仿真时间参数等。

[0058] 5)分布式电源：内容包括分布式电源的类型、容量、接入位置、数量、控制方式和实时运行方式等。

[0059] 6)负荷：内容包括负荷类型、大小、负荷变化情况等。

[0060] 步骤二获取新型电压主保护的整定值与测量值

[0061] 在如图1所示的简单供电网络中，母线J、M、N所连接的发电机分别表示等效供电系统，F点为故障点，线路MN、JM的阻抗分别为Zmn、Zjm，线路MF的阻抗为αZmn，因F点不固定，故系数α的取值为0到1。

[0062] 当F点发生三相故障时，IED3测量的三相故障电压 满足如下关系：

[0063]

[0064] 以φ2、φ3相为例，式(1)可展开为：

[0065]

[0066] 式中， 分别为三相故障情况下IED3测量的φ2、φ3相电流， 为三相故障情况下IED3测量的故障相电流。

[0067] 当F点发生φ2φ3相间故障时，IED3测量的φ2、φ3相故障电压 总满足：

[0068]

[0069] 式中， 分别为φ2φ3相间故障情况下IED3测量的φ2、φ3相电流。

[0070] 一般情况下，线路的正、负序电流分布系数相等，式(3)还可写成：

[0071]

[0072] 式中， 为φ2φ3相间故障情况下IED3测量的故障相电流。

[0073] 当系统正常运行时， 为母线M处的φ2、φ3的线电压，可进一步表示为：

[0074]

[0075] 式中， 表示母线M处的相电压。

[0076] 定义线路MN的自适应电压主保护的测量值Um1：

[0077]

[0078] 式中， 为母线M处的任意两故障相电压。

[0079] 定义线路MN的自适应电压主保护的整定值Uset1：

[0080]

[0081] 式中，kr1为自适应电压主保护的可靠系数，取0.9。 在母线M处IED3测量的相电流。kd为故障类型系数，三相故障时取 相间故障时取2，正常运行时取1。

[0082] 当系统正常运行时，根据式(7)可知，主保护整定值 其中，为母线M与母线N之间相电压差值，可表示为 考虑到正
常运行的线路两端电压幅值差不大，且为保持电力系统稳定性，线路两端相角差一般不大于90度。因此，有 成立。此时，主保护测量值由式(5)表示，分析
可知：故障前，自适应电压主保护的整定值小于其测量值，保护正确不动作。

[0083] 当F点发生故障时，式(7)中的 由负荷电流转变为故障电流，其值显著增大。于是，主保护整定值也显著上升，且其表达式与式(2)和式(4)所示的主保护测量值表达式仅在系数上有所区别。通过分析可知：无论发生三相故障还是相间故障，当α＜kr1时，均有Uset1＞Um1，主保护动作；当α＞kr1时，均有Uset1＜Um1，主保护不动作；当α＝kr1时，有Uset1＝Um1成立。即，当主保护整定值小于测量值时，主保护不动作；当主保护整定值大于测量值时，主保护出口跳闸。由此可确定自适应电压主保护的保护范围是α＝kr1＝90％。

[0084] 自适应电压主保护仅利用保护安装处的电压、电流信息，避免了广域保护系统的通信延时，满足主保护的速动性要求。

[0085] 为了说明正确性，本发明在图2所示的系统中进行了大量的数字仿真。该配电网的基准容量为500MVA，基准电压为10.5kV。其中，线路参数详见表1。负荷的额定功率为6MVA，额定功率因数为0.85。分布式电源(DG)接在母线C处，其额定功率为11MVA，采用电流型PQ控制方式，如图3所示。

[0086] 表1天津电网中某10.5kV配电网的网络参数

[0087]

[0088] 本文以保护R3为例说明自适应电压主保护的整定方法。保护R3的主保护整定值和测量值分别为Vps3和Vpm3。

[0089] 在仿真过程中，系统处于最大运行方式，DG出力为2.75MVA，故障均发生在T＝0.30s时刻，且消失在T＝0.80s时刻。当线路CD中点(主保护区内)发生三相短路情况下，保护R3的主保护自适应动作特性曲线如图4所示。当线路CD中点(主保护区内)发生两相相间短路情况下，保护R3的主保护自适应动作特性曲线如图5所示。

[0090] 通过图4和图5可以看出，当故障发生在主保护区内时，保护R3的自适应电压主保护的测量值Vpm3均迅速减小，与此同时，自适应电压主保护的整定值Vps3迅速增大。当测量值低于整定值时，主保护立即动作。

[0091] 表2保护R3的自适应电压主保护的整定值与测量值

[0092]

[0093] 表2为不同故障位置的保护R3自适应电压主保护仿真结果。由表2可知，即使在两相相间短路的不利情况下，自适应电压主保护的保护范围仍能达到本线路的90％。

[0094] 步骤三获取新型电压后备保护的整定值与测量值

[0095] 对于安装在母线J处的后备保护，首先依靠广域保护系统引入IED1、IED2的实测电流，并采用广域差动保护作为线路JM的近后备保护。若故障发生在线路JM上，且IED1所在主保护未动作，广域差动保护无延时动作，其动作时间仅为广域通信时间。此外，为了防止IED3所在保护或断路器拒动，采用如下方法实现线路MN的自适应电压后备保护。

[0096] 定义线路MN的自适应电压后备保护的测量值Um2：

[0097]

[0098] 式中， 为IED3测量的任意两故障相电压，并传给IED1；为IED1测量的对应相故障电压。

[0099] 定义线路MN的自适应电压后备保护的整定值Uset2：

[0100]

[0101] 式中，kr2为自适应后备保护可靠系数，取0.8。kd为故障类型系数，三相故障时取相间故障时取2，正常运行时取1。 为在母线J处IED1测量的相电流。

[0102] 当系统正常运行时，根据式(9)可知，线路MN的自适应电压后备保护的整定值为：

[0103]

[0104] 当系统正常运行时，线路MN的自适应电压后备保护整定值表达式(10)中 的 均 为 负 荷 电 流，且 有
成立。与此同时，线路MN的自适应电压后备保护
测量值为 因此，故障前，自适应电压后备保护的整定值小于其测
量值，保护正确不动作。

[0105] 当F点发生三相故障时，IED1测量的φ1、φ2、φ3三相故障电压满足如下关系：

[0106]

[0107] 以φ2、φ3相为例，当F点发生三相故障时，式(8)所示的线路MN的自适应电压后备保护的测量值表达式可展开为：

[0108]

[0109]

[0110]

[0111] 式中， 分别为三相故障时IED1测量的φ2、φ3相电流， 为三相故障时IED1测量的故障相电流。

[0112] 当F点发生φ2φ3相间故障时，式(8)所示的线路MN的自适应电压后备保护测量值表达式可展开为：

[0113]

[0114]

[0115]

[0116] 式中， 分别为φ2φ3相间故障时IED1测量的φ2、φ3相电流， 为φ2φ3相间故障时IED1测量的故障相电流。

[0117] 当F点发生故障时，式(9)中的 均由负荷电流变为故障电流，其值的显著增大导致了自适应电压后备保护整定值快速上升。通过对比式(9)和式(12)、式(13)可知，自适应电压后备保护的整定值表达式与其测量值表达式基本相同，仅在系数上有所区别，且无论发生三相故障还是相间故障，均有如下结论成立：当α＜kr2时，Uset2＞Um2，后备保护动作；当α＞kr2时，Uset2＜Um2，后备保护不动作；当α＝kr2时，Uset2＝Um2。即，当后备保护整定值小于测量值时，后备保护不动作；当后备保护整定值大于测量值时，后备保护出口跳闸。由此可确定自适应电压后备保护能够延伸至下级线路的保护范围是α＝kr2＝80％。此外，该自适应电压后备保护的保护范围小于自适应电压主保护的保护范围，满足保护选择性要求。

[0118] 为了说明正确性，本发明在图2所示的系统中进行了大量的数字仿真。以保护R3和R2为例说明自适应电压保护的整定与配合关系。保护R3的主保护整定值和测量值分别为Vps3和Vpm3，保护R2的后备保护整定值和测量值分别Vbs2和Vbm2。

[0119] 当线路CD上且靠近母线C处(后备保护区内)发生故障时，若保护R3的自适应电压主保护不动作，则保护R2将为线路CD提供自适应电压后备保护。图6和图7分别为三相短路和两相相间短路情况下，保护R2的后备保护的自适应动作特性曲线。

[0120] 由图6和图7可以看出，无论发生何种类型故障(对称故障或者不对称故障)，保护R2的后备保护测量值Vbm2均小于其整定值Vbs2，保护R2可实现线路MN的自适应后备保护功能。

[0121] 表3保护R2的自适应电压后备保护的整定值与测量值

[0122]

[0123]

[0124] 表3为不同故障位置的保护R2自适应电压后备保护仿真结果。由表3可知，即使在两相相间短路的不利情况下，自适应电压后备保护的保护范围能延伸到下级线路的80％，且能够与自适应电压主保护相配合，满足保护选择性。

[0125] 为了验证系统运行方式和DG的接入及其出力变化对自适应电压保护的影响，本文在改变系统运行方式和DG出力的情况下，进行了大量的仿真验证。其中，当线路CD上发生故障，且故障点与母线C的距离为线路全长的90％(主保护末端)时，保护R3自适应电压主保护仿真结果如表4所示；当线路CD上发生故障，且故障点与母线C的距离为线路全长的80％(后备保护末端)时，保护R2自适应电压后备保护仿真结果如表5所示。

[0126] 表4不同系统运行方式及DG出力情况下保护R3的自适应电压主保护[0127]

[0128] 表5不同系统运行方式及DG出力情况下保护R2的自适应电压后备保护[0129]

[0130]

[0131] 大量的仿真验证表明，自适应电压保护的定值随着配电网运行方式和分布式电源出力的变化而自动调整，但无论发生何种故障(对称故障或不对称故障)，自适应电压主保护和后备保护均不受电力系统运行方式以及分布式电源的接入及其出力变化的影响。

[0132] 本发明方法利用有限区域集中式广域保护系统存储相关线路参数，实时获取电压、电流信息以及实现相关IED间的通信，在此基础上，根据故障前后相电压差与相电流的关系，构造了自适应电压主保护和自适应电压后备保护。仿真结果表明该自适应保护能够根据系统运行方式和故障类型的变化而自动实时调整定值，不受分布式电源(DG)接入及其出力变化的影响，有效延伸了传统电压保护的保护范围。

[0133] 本发明采用有限区域集中式广域保护系统存储相关线路参数，实时获取电压、电流信息以及实现相关IED间的通信，在此基础上，根据故障前后相电压差与相电流的关系，构造了配电网自适应电压主保护和自适应电压后备保护。采用故障稳态分量理论构造新型电流保护。

[0134] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。