阅读说明：本技术 一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法及系统 (method and system for judging fault direction of power distribution network containing inverter type power supply ) 是由 郑涛 朱逸凡 张嘉琴 于 2019-01-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法,所述方法包括：确定逆变型电源的接入位置,使电力系统提供的最小短路电流恒大于逆变型电源提供的最大短路电流；计算保护安装处的正序故障分量测量阻抗的相角；如果相角在大于-135°并且小于-45°的范围内,则为保护正方向故障；如果相角在大于-45°并且小于0°的范围内或相角在大于-180°并且小于-45°的范围内,则对所述保护安装处测量电流和所述逆变型电源提供的最大短路电流进行比较：通过电流幅值的比较判断故障方向。本发明提高了正方向故障和反方向故障交界处故障方向判断的灵敏性。(the invention discloses a method for judging the fault direction of a power distribution network containing an inverter type power supply, which comprises the following steps: determining the access position of the inverter power supply, so that the minimum short-circuit current provided by the power system is constantly larger than the maximum short-circuit current provided by the inverter power supply; calculating the phase angle of the positive sequence fault component measuring impedance at the protection installation; if the phase angle is in the range of more than-135 degrees and less than-45 degrees, then the positive direction fault is protected; comparing the measured current at the protective installation with a maximum short circuit current provided by the inverter type power supply if the phase angle is in the range of greater than-45 ° and less than 0 ° or the phase angle is in the range of greater than-180 ° and less than-45 °: and judging the fault direction through comparison of the current amplitude. The invention improves the sensitivity of judging the fault direction at the junction of the positive fault and the negative fault.)

一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法及系统

技术领域

本发明涉及继电保护技术领域，特别是涉及一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法及系统。

背景技术

近年来新能源发电发展迅速，风电、光伏等分布式电源的装机容量不断增大。然而大量的分布式电源接入配电网，使得传统的辐射状网络变成了双端或者多端网络，阶段式电流保护不再适用。为了解决这一问题，有人提出对于分布式电源上游的双端供电网络，需要加装保护和方向元件，防止反方向故障时电流保护误动。然而分布式电源的结构特征与控制方法不同于传统同步发电机，其故障特性相当复杂，传统方向元件可能存在适应性问题。传统的正序故障分量方向元件的工作原理如下：

图1为传统双端电源系统的正序故障附加网络，其中，当n侧保护正方向故障时，有：

式中：分别为n侧保护安装处的正序电压突变量、故障后正序电压、故障前电压；分别为n侧保护安装处的正序电流突变量、故障后正序电流、故障前电流；Z_n为n侧系统的等值阻抗，可以近似为纯电感，则

当n侧保护反方向故障时，与的比值为对侧系统等值阻抗与线路阻抗之和，则

考虑一定的裕度，得到保护正方向的判据为：

然而由于分布式电源的结构特征与控制方法不同于传统同步发电机，其故障特性非常复杂，给传统方向元件的可靠动作造成极大影响。为了方便讨论，针对逆变型电源，定义等效正序突变量阻抗ΔZ₁：

其中，为保护安装处故障后正序电压和故障前电压；为保护安装处故障后正序电流和故障前电流，正方向为母线指向线路。

以n侧保护正方向故障为例，根据此定义，与的相角差

如果系统由传统双端电源供电，则ΔZ₁等于保护安装处背侧系统的等值阻抗，其相角为90°。有文献指出，对于逆变型电源，其等效正序突变量阻抗相角可能会在0°到180°之间变化，保护安装处的会在正、反方向的交界处徘徊，可能会造成方向元件灵敏度不足甚至是误判。

发明内容

本发明的目的是提供了一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法及系统，提高了故障分量判断方法的灵敏性和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法，所述方法包括：

确定逆变型电源的接入位置，使电力系统提供的最小短路电流I_smin恒大于逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax；

计算保护安装处的故障分量测量阻抗的相角其中，arg()表示取相角，表示所述保护安装处的正序故障分量电压，表示所述保护安装处的正序故障分量电流；

如果则为所述保护的正方向故障；

如果或则对所述保护安装处测量电流I_m和所述逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax进行比较：

对于所述电力系统侧保护，如果：

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的正方向故障；

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的反方向故障；

对于所述逆变型电源侧保护，如果：

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的正方向故障；

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的反方向故障。

可选的，所述电力系统提供的最小短路电流I_smin恒大于所述逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax，具体包括：I_smin＞kI_IIGmax，其中k为大于或等于2的整数。

可选的，所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角中 和分别为所述保护安装处故障后正序电压和故障前电压；和分别为所述保护安装处故障后正序电流和故障前电流。

可选的，所述逆变型电源的最大输出功率为1.5MW。

本发明还公开了一种含逆变型电源的配电网故障方向判别系统，所述系统包括：

逆变型电源的接入位置确定模块，用于确定逆变型电源的接入位置，使电力系统提供的最小短路电流I_smin恒大于逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax；

保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的计算模块，用于计算保护安装处的故障分量测量阻抗的相角其中，arg()表示取相角，表示所述保护安装处的正序故障分量电压，表示所述保护安装处的正序故障分量电流；

保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的判断模块，用于判断故障方向，如果则为所述保护的正方向故障；

所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的判断模块包括电流幅值比较单元，用于当所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的判断模块判断所述相角满足或时，对所述保护安装处测量电流I_m和所述逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax进行比较：

对于所述电力系统侧保护，如果：

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的正方向故障；

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的反方向故障；

对于所述逆变型电源侧保护，如果：

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的正方向故障；

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的反方向故障。

可选的，所述电力系统提供的最小短路电流I_smin恒大于所述逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax，具体包括：I_smin＞kI_IIGmax，其中k为大于或等于2的整数。

可选的，所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角中 和分别为所述保护安装处故障后正序电压和故障前电压；和分别为所述保护安装处故障后正序电流和故障前电流。

可选的，所述逆变型电源的最大输出功率为1.5MW。

根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法及系统，通过计算保护安装处的故障分量测量阻抗的相角，并且对故障分量测量阻抗的相角为或时对保护安装处的测量电流和逆变型电源的最大短路电流进行比较判断故障方向，提高了正方向故障和反方向故障交界处故障方向判断的灵敏性，从而提高了故障方向判断的灵敏性和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统双端电源系统的正序故障附加网络图；

图2为本发明实施例一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法流程示意图；

图3为本发明实施例一种含逆变型电源的配电网故障方向判别系统结构示意图；

图4为本发明实施例包含逆变型电源配电网模型示意图；

图5为图4中K₁处三相故障时保护3和4时正序突变量阻抗相角示意图；

图6为图4中K₁处两相故障时保护3和4时正序突变量阻抗相角示意图；

图7为图4中K₁处两相接地故障时保护3和4时正序突变量阻抗相角示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法及系统，实现了针对正方向故障和反方向故障交界处故障方向的判断，提高了故障方向判断的灵敏性和准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法流程示意图，如图1所示，本发明提供的一种含逆变型电源的配电网故障方向判别方法，包括：

步骤101：确定逆变型电源的接入位置，使电力系统提供的最小短路电流I_smin恒大于逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax，并留有一定的裕度，即I_smin＞kI_IIGmax，式中，k为门槛值，k取值为2；

步骤102：计算保护安装处的故障分量测量阻抗的相角其中，arg()表示取相角，表示所述保护安装处的正序故障分量电压，表示所述保护安装处的正序故障分量电流；

步骤103：判断相角是否满足

如果满足进行步骤104：判断故障方向为所述保护的正方向故障；

如果不满足转至步骤105；

步骤105：判断相角是否满足或如果满足则进行步骤107，如果不满足进行步骤106；

步骤107：对所述保护安装处测量电流I_m和所述逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax进行比较：

在满足I_smin＞2I_IIGmax的前提下，以1.5I_IIGmax为整定值，可以通过幅值比较的方式区分短路电流性质：

(1)若保护安装处短路电流大于1.5I_IIGmax，则该短路电流由系统等值电源提供；

(2)若保护安装处短路电流小于1.5I_IIGmax，则该短路电流由逆变型电源提供。

然后根据保护安装处测量电流与1.5I_IIGmax的比较结果，方向元件即可判断正、反方向故障。

其中，步骤107，具体包括：

对于所述电力系统侧保护，如果：

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的正方向故障；

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的反方向故障；

对于所述逆变型电源侧保护，如果：

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的正方向故障；

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的反方向故障

步骤106：判断电力系统为反方向故障。

图4为本发明实施例包含逆变型电源配电网模型示意图，如图4所示，将背侧为系统等值电源的保护称为系统侧保护，如保护1和3；将背侧为逆变型电源的保护称为IIG(Inverter-Interfaced Generation)侧保护，如保护2和4。

在继电保护领域中，定义保护安装处短路电流正方向为母线流向线路，对于保护1和3，当其正方向发生故障时，流过保护安装处的短路电流由系统等值电源提供，当其反方向发生故障时，流过保护安装处的短路电流由IIG提供；对于保护2和4，当其正方向发生故障时，流过保护安装处的短路电流由IIG提供，当其反方向发生故障时，流过保护安装处的短路电流由系统等值电源提供。

基于上述结论，通过限制逆变型电源的接入位置，系统侧以及IIG侧方向元件采用不同的判别逻辑：

(1)电力系统侧保护(保护1、3)，若

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的正方向故障；

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的反方向故障。

(2)逆变型电源侧保护(保护2、4)，若

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的正方向故障；

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的反方向故障。

式中：I_m为保护安装处测量电流大小，I_IIGmax为逆变型电源提供的最大短路电流。

基于上述判据，仅根据短路电流大小，系统侧和逆变型电源侧保护均可准确识别正、反方向故障。

在满足I_smin＞2I_IIGmax的前提下，在PSCAD(Power Systems Computer AidedDesign)中建立图2所示仿真模型，模型参数见表1：

表1：含IIG配网的模型参数

利用PSCAD分别对k1(线路L2末端)、k2(线路L3上距离母线B 1km处)、k3(线路L4首端)发生三相、两相相间、两相接地短路进行仿真，保护3(系统侧保护)、4(IIG侧保护)处的正序故障分量测量阻抗相角和短路电流幅值以及正反方向的判别情况如表2、3、4所示：(1.5I_IIGmax＝0.279kA)

另外，以k1故障为例，保护3、4的正序故障分量方向元件的测量结果如附图5、6、7所示，灰色区域表示不需进行下一步幅值比较的区域。

表2：k1故障时保护的判断情况

注：“～”表示不需进行短路电流幅值比较环节

表3：k2故障时保护的判断情况

表4：k3故障时保护的判断情况

如表2、3、4所示，对于系统侧保护3，只利用正序故障分量方向元件已经可以判断故障方向，而对于IIG侧保护4，正序故障分量测量阻抗角可能会落在边界处，造成保护的灵敏性不足，在进入幅值比较环节后，能够准确判断故障的方向

通过对电流幅值的比较，使故障分量测量阻抗角落在边界处时，提高故障方向判断的准确性，从而提高对保护安装处保护的灵敏性。

其中，步骤102，具体包括：所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角中 和分别为所述保护安装处故障后正序电压和故障前电压；和分别为所述保护安装处故障后正序电流和故障前电流。

其中，步骤101中所述逆变型电源的最大输出功率为1.5MW。

图2为本发明实施例一种含逆变型电源的配电网故障方向判别系统结构示意图，如图2所示，本发明提供的一种含逆变型电源的配电网故障方向判别系统，包括：

逆变型电源的接入位置确定模块201，用于确定逆变型电源的接入位置，使电力系统提供的最小短路电流I_smin恒大于逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax，并留有一定的裕度，即I_smin＞2I_IIGmax；

保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的计算模块202，用于计算保护安装处的故障分量测量阻抗的相角其中，arg()表示取相角，表示所述保护安装处的正序故障分量电压，表示所述保护安装处的正序故障分量电流；所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角中 和分别为所述保护安装处故障后正序电压和故障前电压；和分别为所述保护安装处故障后正序电流和故障前电流；

保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的判断模块203，用于判断故障方向，

如果则为所述电力系统的正方向故障；

所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的判断模块203包括电流幅值比较单元，用于当所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角的判断模块判断所述相角满足或时，对所述保护安装处测量电流I_m和所述逆变型电源提供的最大短路电流I_IIGmax进行比较：

对于所述电力系统侧保护，如果：

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的正方向故障，所述保护安装处测量电流I_m由所述电力系统等值电源提供；

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述系统侧保护的反方向故障，所述保护安装处测量电流I_m由所述逆变型电源提供；

对于所述逆变型电源侧保护，如果：

I_m＜1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的正方向故障，所述保护安装处测量电流I_m由所述逆变型电源提供；

I_m＞1.5I_IIGmax，则为所述逆变型电源侧保护的反方向故障，所述保护安装处测量电流I_m由所述电力系统等值电源提供。

所述保护安装处的故障分量测量阻抗的相角中 和分别为所述保护安装处故障后正序电压和故障前电压；和分别为所述保护安装处故障后正序电流和故障前电流。

所述逆变型电源的最大输出功率为1.5MW。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。