一种故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸方法及系统

本发明属于电力系统继电保护和配电网自动化，尤其涉及一种故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸方法及系统。

背景技术：

1、分布式电源具备的低电压穿越能力，在故障期间呈现出与传统电源截然不同的动态特性，分布式电源的接入对配电网的供电可靠性提出了更高要求，同时其在故障期间的运行特性也给传统保护控制方式带来了新挑战。当配电网发生故障时，具备低电压穿越能力的分布式电源将在故障期间持续并网运行，并向故障点提供一定故障电流，这可能阻碍故障点电弧的熄灭，导致瞬时性故障转化为永久性故障，不仅延长了故障检测时间，更显著增加了传统自动重合闸重合失败的风险。若在故障未消除时盲目重合闸，断路器直接合闸于永久性故障上，严重威胁线路设备以及主网的安全稳定运行，并可能引发连锁性停电事故，影响配电线路的供电恢复的快速性与可靠性。

2、现有的围绕低电压穿越与重合闸的配合问题展开的重合闸研究，可分为三个方面：一是基于时间调整的配合方案，通过延长重合闸延时以避开分布式电源的低电压穿越时段，但该方法易导致恢复延时过长，可能引发分布式电源因并网时间超出限值而脱网；二是基于故障隔离的策略，通过划分孤岛或利用智能终端隔离故障区，但其依赖于通信可靠性或特定的网络结构，适用性受限；三是基于故障特征识别的自适应方法，如利用电压幅值恢复、相位差变化等电气量判别故障性质，然而在电压严重跌落或故障点远离测量点时，其辨识灵敏度与可靠性可能不足，且易受过渡电阻、负荷波动等因素干扰。因此，针对分布式光伏并网场景下有源配电网的自动重合闸，研究一种能够可靠识别故障性质，并能自适应协调重合闸与低电压穿越动作时序的方法，对提高供电恢复成功率、降低新能源脱网风险、提高配电网运行可靠性具有重要的工程意义。

3、再者，随着分布光伏渗透率的不断提高，配电网在故障处理与快速恢复供电方面面临巨大挑战。传统重合闸基于单电源、无源配电网架构，未能充分考虑分布式光伏接入后故障电流的分布特性、低电压穿越控制与重合闸动作之间复杂的时序耦合关系，存在故障性质辨识可靠性不足、动作时序配合失当等问题。这些问题不仅影响了有源配电网故障后的快速供电恢复，也增加了设备冲击与新能源脱网风险，对配电网供电恢复的可靠性、快速性提出了更高要求。

4、如何通过分析故障前后等效阻抗的变化特征并协调各项保护与控制动作的时序配合是需要解决得技术问题。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸方法及系统。本发明不仅能够实现故障性质的准确、快速、可靠判别，还能通过动态整定检测与重合时间，有效解决重合闸与低电压穿越之间的失配问题，显著提高有源配电网的供电可靠性，对增强电网安全运行水平、降低故障损失具有重要的现实意义。

2、所述技术方案如下：一种基于故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸方法，该方法包括以下步骤：

3、s1、当故障电流超过设定阈值时，依据反时限过流保护中反时限动作方程动态计算跳闸动作时间，使在近端大电流故障时快速动作，远端故障时可靠动作，为后续故障性质辨识提供清晰的跳闸起始时刻；

4、s2、采集分布式光伏并网点的电压、电流数据，实时计算故障恢复前后等效阻抗特征，应用阻抗差积分的信号处理方法，判定故障性质；

5、s3、接收故障性质辨识结果，通过自适应重合闸的时序配合方法综合低电压穿越并网时间、保护动作跳闸时间、故障检测时间以及最大电弧去游离时间多重时间约束，结合经检同期重合闸，动态计算并输出最优重合闸检测窗口与最终合闸指令信号。

6、在步骤s1中，反时限动作方程为：

7、；

8、式中，为保护的动作时间，为保护的时间常数，均为反时限曲线参数，取0.14，取0.02；为动作电流，为保护的测量电流；

9、在步骤s2中，采集分布式光伏并网点的电压、电流数据，实时计算故障恢复前后等效阻抗特征包括：

10、在故障持续阶段，电压发生跌落，pv采用低电压穿越控制，输出无功电流，支撑电压恢复；得跳闸后故障期间光伏电源并网点端口的等效阻抗表达式：

11、；

12、式中，为并网点处的电压与电流比值所计算出的等效阻抗，为pv并网线路的电阻，为母线处至故障点处的线路电阻，为pv并网线路的电感，为母线处至故障点处的线路电感，为交流相量分析中的虚数单位，为配电变压器等值电感，为负荷的等值电阻，为负荷的等值电感，为交流信号的角频率，，为频率；为故障点处过渡电阻；

13、等效阻抗式简化得到：

14、；

15、式中，为并网点处的电压与电流比值所计算出的等效阻抗，为pv并网线路的阻抗，为配电变压器等值阻抗，为阻抗增量；

16、等效阻抗简化式中有下列关系式：

17、；

18、；

19、；

20、；

21、；

22、式中，为负荷的等值阻抗，为母线处至故障点处的线路阻抗；

23、故障清除后，分布式光伏仍处于低电压穿越并网极限时间内，孤岛电压特性取决于分布式光伏输出功率与负荷功率的匹配程度，推得孤岛电压表达式为：

24、；

25、式中，为孤岛电压，为分布式光伏输出的有功功率，为负荷额定功率，为系统额定电压幅值，为分布式光伏与负荷有功功率比值；

26、当bc相间瞬时性故障消失后，得瞬时性故障恢复后光伏电源并网点端口的等效阻抗表达式为：

27、；

28、等效阻抗式简化得到：

29、；

30、式中，为简化后等效阻抗；

31、由于等效阻抗符合欧姆定律，推得等效阻抗关于电压、电流的表达式：

32、；

33、式中，分别为故障期间对应故障相的相间电压和故障相电流的相量值。

34、步骤s2中，阻抗差积分的信号处理方法包括：

35、自断路器跳闸时刻计起，对分布式光伏出口电气量采集幅值信息，对分布式光伏出口电压与电流的比值，即等效阻抗的差值进行积分，判断是否发生阻抗上升的变化，进而判断故障是否恢复；阻抗差积分表达式为：

36、；

37、式中，为阻抗差积分值，表示阻抗幅值与时间乘积和阻抗积分值的差值；为并网点处的等效阻抗幅值，为从保护跳闸时刻开始计起的时间；

38、针对电压电流互感器存在测量误差，以及在永久性故障、随机噪声及电弧波动非故障恢复工况下，阻抗差积分量在零点附近产生小幅波动；判据表达式为：

39、；

40、式中，为考虑到测量误差以及非故障恢复工况下阻抗差积分的零点附近的波动而设置的门槛阈值，设置为2。

41、在步骤s3中，自适应重合闸的时序配合方法包括：

42、自适应重合闸的整定时间与低电压穿越并网时间相配合，得低电压穿越并网时间表达式：

43、；

44、式中，为分布式光伏在并网点电压跌落时能够保持并网运行的持续时间限值，为光伏并网逆变器并网点电压正序分量；

45、当配电网侧发生故障时，电压跌落至0.9p.u.以下时，保护动作，断路器跳闸后，分布式光伏由于低电压穿越控制可能会短暂并网，判断故障状态，并配合时间约束条件进行相应检测；检测持续时间被限制在并网点电压所对应分布式光伏的并网极限时间与保护动作跳闸时间的差值，得表达式：

46、；

47、式中，为保护装置动作跳闸的延时时间；

48、检测期间，若满足判据则故障已清除，经最大电弧去游离时间0.3s等待故障点电弧熄灭，再经检同期重合闸；否则，超出检测时间闭锁重合闸；

49、若检测持续时间，分布式光伏在保护动作跳闸完成前退出运行，则转入无源配电网工况，固定延时0.5s重合闸。

50、进一步，检同期重合闸包括：检测断路器两侧的电压相位，判断是否满足预设的同期合闸条件，向断路器发出合闸命令；

51、在故障被判定为瞬时性故障且经过预设去游离延时后，采集断路器两侧电压信号，计算两侧电压的相位角差；当处于预设允许范围内时，阈值设置为30°，输出合闸信号，进行重合闸。

52、在步骤s3中，动态计算并输出最优重合闸检测窗口与最终合闸指令信号中，监测设备持续监测各线路出口保护安装处的电流幅值，当出现电流突变且符合启动判据时，时限自适应重合闸流程开始启动，步骤如下：

53、（1）配电线路故障点发生短路故障，分布式光伏进入低电压穿越状态；

54、（2）线路出口保护通过检测电气量检测到故障，线路首端系统侧断路器保护动作跳闸；

55、（3）保护动作跳闸后，重合闸启动，开始计时并获取分布式光伏出口母线侧相关故障相电压电流信息，提取故障相电压电流幅值，利用欧姆定律，计算出等效阻抗幅值，计算检测持续时间；

56、（4）判断是否，若，转入无源配电网下的固定延时重合闸；若，进入步骤（5）；

57、（5）判断是否，若进入步骤（6）；若，闭锁重合闸信号，等待分布式光伏脱网，退出运行；

58、（6）进行故障恢复检测，若满足故障恢复判据，延时0.3s等待故障点电弧熄灭，若不满足故障恢复判据，跳转至步骤（5）；

59、（7）判断是否，若，进入步骤（8），若，进入步骤（9）；

60、（8）判断是否，若，分布式光伏仍处于低穿状态，进入步骤（9）；若，分布式光伏已退出运行，进入步骤（10）；

61、（9）进行同期检测，若满足同期条件，进入步骤（10）；若不满足同期条件，返回步骤（8）；

62、（10）合闸操作。

63、本发明的另一目的在于提供一种基于故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸系统，该系统实施所述基于故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸方法，该系统包括：

64、反时限过流保护模块，用于当故障电流超过设定阈值时，依据反时限过流保护中反时限动作方程动态计算跳闸动作时间，使在近端大电流故障时快速动作，远端故障时可靠动作，为后续故障性质辨识提供清晰的跳闸起始时刻；

65、故障性质辨识模块，用于通过采集分布式光伏并网点的电压、电流数据，实时计算故障恢复前后等效阻抗特征，并应用阻抗差积分的信号处理方法，准确判定故障性质；

66、时序配合模块，用于接收故障性质辨识结果，并综合低电压穿越并网时间、保护动作时间、故障检测时间、断路器固有动作时间以及最大电弧去游离时间多重时间约束，以及结合经检同期重合闸，动态计算并输出最优重合闸检测窗口与最终合闸指令信号。

67、进一步，所述基于故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸系统还包括：

68、检同期重合闸模块，用于检测断路器两侧的电压相位，判断是否满足预设的同期合闸条件，向断路器发出合闸命令。

69、进一步，所述基于故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸系统搭载在计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现所述基于故障性质辨识的有源配电网自适应重合闸系统中的功能。

70、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的有益效果为：

71、本发明通过以分布式光伏为研究对象，分析含分布式电源的配电网在保护动作后，其分布式电源出口等效阻抗在故障恢复前后的幅值变化规律，综合考虑故障类型、过渡电阻、负荷大小以及分布式电源低电压穿越时间等因素，建立基于阻抗差积分的故障性质辨识判据与时限自适应配合模型，形成一种能够快速、可靠判别故障性质并智能调整重合闸时间的自适应重合闸策略。该方法旨在有效解决有源配电网中传统重合闸与分布式电源低电压穿越控制之间的失配问题，提升故障恢复速度与供电可靠性，保障新能源接入配电网的安全稳定运行。

72、本发明构建故障性质辨识判据：通过深入分析分布式光伏并网点在故障恢复前后等效阻抗的幅值变化规律，利用阻抗差分积分方法，提取能够准确表征故障是否已清除的变化特征，构建具有抗扰能力的故障性质辨识判据。本专利提出了一种基于阻抗变化的积分差判据，旨在克服传统方法易受系统暂态波动与过渡电阻影响的缺点，实现对瞬时性故障与永久性故障的快速、可靠判别，为后续重合闸决策提供准确依据。

73、本发明提出实现时间自适应调整的时序配合方案：通过系统分析分布式光伏低电压穿越的并网时间、反时限过流保护动作时间、故障性质辨识所需检测时间以及重合闸时间之间的配合关系，本发明提出了一种自适应的重合闸时序配合方案，旨在动态确定最优的故障检测时间窗口与重合闸延时，确保在瞬时性故障清除后能够快速重合，恢复供电；同时在永久性故障时可靠闭锁重合闸，避免二次冲击，从而有效解决重合闸与低电压穿越之间的失配问题。

74、本发明不依赖复杂通信网络或大规模新增一次设备，主要基于分布式光伏并网点电压、电流采样数据进行等效阻抗计算和阻抗差积分判断，可作为配电自动化终端、线路保护装置或重合闸控制模块的功能扩展。因此，其转化成本相对可控，适合在分布式光伏渗透率较高的配电线路中推广应用。其商业价值主要体现在：减少重合闸失败和设备冲击带来的运维成本，降低新能源脱网风险，提高用户供电可靠性，并为配电网新能源消纳和故障后快速恢复提供技术支撑。

75、现有技术对重合闸方面已有相关研究，本发明是在现有重合闸与低电压穿越配合研究的基础上，针对“分布式光伏不脱网条件下的故障恢复辨识及重合闸时序协调”这一具体场景，提出了不同于既有方法的技术路线。现有方法虽然能够在一定程度上改善传统重合闸与分布式光伏低电压穿越之间的配合问题，但仍存在一些局限：部分方法通过延长重合闸时间来躲避低电压穿越过程，可能导致分布式光伏因电压跌落持续时间过长而脱网；部分故障识别方法基于电气量固定阈值判据，容易受到过渡电阻、负荷波动和暂态扰动的影响。而本发明利用故障清除前后网络结构变化导致的等效阻抗幅值变化，进一步构建辨识判据，提高了故障恢复辨识的可靠性。本发明在含分布式光伏有源配电网重合闸领域，补充和完善了不脱网故障性质辨识、自适应时序配合的技术路径。

76、本发明并非解决了行业长期未能解决的技术难题，而是针对现有分布式光伏并网线路重合闸策略中仍存在的dg脱网风险、永久性故障盲合风险、固定延时适应性不足以及故障恢复判据易受扰动影响等问题，提出了一种更适用于分布式光伏持续并网场景的改进方案，具有明确的工程改进意义和创造性辅助支撑作用。

77、本发明在含分布式电源故障场景下，为避免重合闸与低电压穿越冲突，通常倾向于通过延长固定重合闸时间、等待分布式电源退出运行，或者先隔离故障点后再重合。这类思路虽然可以降低部分风险，但容易带来供电恢复延迟、分布式光伏脱网风险增加、对通信或隔离设备依赖较强等问题。

78、第二类技术偏向是：故障恢复判断通常倾向于采用电压幅值恢复、相位差等直接电气量固定阈值作为判据。但在过渡电阻、噪声和电弧扰动等因素影响下，电气量固定阈值判据容易出现灵敏度不足或误判。

79、本发明利用故障支路存在或消失引起的等效阻抗动态变化，并采用阻抗差积分方式增强对暂态波动和测量误差的抑制能力。因此，本发明针对现有技术路径的惯性认识和技术偏向，提出了以等效阻抗变化特征为故障辨识判据的自适应重合闸方案，具有较明确的创造性辅助支撑作用。