一种基于控制网络的逆变器微电网继电保护方法与流程

1.本发明涉及一种基于控制网络的逆变器微电网继电保护方法，属于电网智能继电器的技术领域。


背景技术：

2.借助网络集成多个高渗透率性的分布式发电源(dgs)，由于dg电源工作电压较低，而形成了一个低压供电网络系统称为微电网系统。因此可以把微电网定义为多dgs、电能存储装置及大量小负载的低压网络系统，该低压网络系统既可以孤岛模式运行，也可与大电网并网模式运行，如果一个微电网连接到主电网系统，可以把它看作是一个单一的总负荷或电源。微电网的主要优势之一是它可以为用户提供更加可靠的电力供应，因为当主电网发生故障时，微电网可以孤岛运行。
3.微电网孤岛运行的保护是目前需要解决的一个关键性问题，微电网与主电网连接或孤岛运行时故障电流有显著的不同，此外连接的高渗透逆变器本身具有限制过流保护措施。
4.由于微电网可以在并网和孤岛模式下运行，他的保护系统必须适应这两种运行模式，因此需要找到一种在这两种操作模式中均能发挥良好保护作用的新的保护方法。对于孤岛模式运行微电网的保护有多种不同的理念存在，一种理念认为一旦孤岛运行的微电网探测到故障发生，关闭整个微电网系统。另一种理念为了增加供电的可靠性，保护系统快速故隔离故障馈线，而负载和dg源与非故障馈线连接保持不变，微电网被强制分成了两个较小的孤岛网络系统，这种情况下只有在每个小系统的电源和负载相匹配时才能很好地工作。还有一种理念为避免微电网解列，需要增加环路馈线以保证馈线或支线发生故障时不会导致供电服务中断，然而高可靠性必然带来系统建设成本升高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于控制网络的逆变器微电网继电保护方法，利用同步相测量和基于智能继电器能够检测所有类型故障，能够保护微电网在并网和孤岛模式下运行，尤其是环路结构配置可以大大提高微电网供电的可靠性，有效地解决了故障线路切除后引起的发电功率与负载不匹配的问题。
6.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于控制网络的逆变器微电网继电保护方法，利用同步相测量和基于智能继电器检测微电网的高阻抗故障，其具体流程如下：在微电网每条馈线段两端分别安装智能继电器，各馈线的主保护依赖于瞬时差动电流保护：保护方案一，如果发现两个样本的绝对值超过跳闸阈值，跳闸信号被发送到开关设备；保护方案二，如果开关设备拒动，此时测量的差分电流仍然高于阈值，经过大于0.3秒而小于0.6秒的时间延迟，后备跳闸信号将被发送到同一馈线上相邻继电器；
保护方案三，如果继电器或通信链路均失败，将向所有其他连接继电器发出报警并告知差分保护丢失；报警信号同时被发送到微电网控制中心，所有继电器将依靠电压比较保护方案，直到系统恢复。
7.作为本发明的进一步改进，所述智能继电器包括标准的过流和过/欠压保护功能，而且具有可编程能力，并有光纤和多种控制网络接口，提供电量测量和事件录波报告。
8.作为本发明的进一步改进，在主保护继电器上电压电流数字采样频率不低于1.5khz，然后通过光纤通信链路传输到另一端继电器上；对于通信距离小于30km的光纤通道，数据传输时间小于0.1ms的馈线，馈线两侧不需进行时间同步测量；对于超过30km长的线路，测量单元gps实现时问同步，以此建立差分继电保护方案。
9.作为本发明的进一步改进，所述电压比较保护方案是在每一个继电器上比较电压的有效值，如果电压值小于0.7pu，则最低电压的继电器将在0.6～0.9s的时间发出跳闸信号，以使得前面的保护方案一和保护方案二有充分的动作时间。
10.作为本发明的进一步改进，微电网中的每个dgs配备欠压跳闸保护，其欠压保护是在电压小于0．7pu后延迟1s动作。
11.作为本发明的进一步改进，建立微电网实验仿真系统架构，在开关设备和继电器故障的情况下，利用matlab simulink simpower systems仿真系统仿真测试后备保护系统的有效性，simulink采样时间步长设定2us。
12.作为本发明的进一步改进，所述matlab simulink simpower systems仿真系统包括四种不同工作情景：放射状配置并网模式、放射状配置孤岛模式、环结构配置并网模式和环结构配置孤岛模式；对所述四种不同工作情景，当相到地pg故障发生时，在线路上继电器测量到正常运行的电流和电压波形进行仿真试验。
13.作为本发明的进一步改进，所述放射状配置孤岛模式，继电器是在两个采样周期内检测到接地故障，并在一个正弦周期内发出跳闸命令；所述放射状配置并网模式与述放射状配置孤岛模式的区别是：微电网作为主电网的一部分始终与主电网连接，差额功率被发送到主电网系统或从主电网接收，具有发电负荷匹配。
14.作为本发明的进一步改进，所述环结构配置孤岛模式对于主回路的负载线路上的任何故障，主保护切除线路后通过环结构继续保持向所有的负载供电，并维持微电网内发电功率的平衡；所述环结构配置并网模式与所述环结构配置孤岛模式的区别是：环结构的连接减少了到故障点的线路阻抗。
15.作为本发明的进一步改进，所述仿真试验中，对于高阻抗故障，总故障电流不低于额定电流的10％，电流额度是在电流互感器额定工作范围内。
16.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提出了利用智能继电器及控制网络辅助的微电网系统保护方法，模拟了一个微电网实例用于验证保护方案的有效性；增加环路馈线使微电网形成一个环结构，提高微电网供电的可靠性；建立了新的高阻抗故障探测方法，并验证了该方法用于高阻抗故障
保护的有效性。高阻抗故障保护对于微电网保护系统来讲是非常重要的，不仅因为在低压微电网系统故障中高阻抗故障发生比例非常高，也是因为微电网在孤岛运行模式下通常有较低的故障电流，高阻抗故障保护将有效地提高低压供电系统的可靠性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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。
18.图1是本发明保护方法的结构原理图；图2是本发明微电网径向结构示意图；图3是放射状配置孤岛模式，馈线3
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5上发生lg故障时馈线2
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4测量到的电压电流波形；图4是放射状配置孤岛模式，馈线 3
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5测量到的差分电流波形；图5是放射状配置孤岛模式，后备保护动作馈线 3
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5 测量到的差分电流；图6是放射状配置孤岛模式，后备保护动作馈线2
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4测量到的电压电流波形；图7是放射状配置孤岛模式，第二后备保护动作馈线 2
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4测量到的电压电流波形；图8是放射状配置并网模式，主保护设备动作馈线 2
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4测 量到的电压 电流波形；图9是环结构配置孤岛模式，主保护正常动作在馈线 2
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4测量到的电压电流波形；图10是环结构配置并网模式，主保护正常动作在馈线 2
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4测量到的电压电流波形；图11是放射状结构孤岛运行在馈线3
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5发生hif时继电保护正常动作，在馈线2
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4上测量到的电压电流波形；图12是馈线3
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5发生hif测量到的差分电流。
具体实施方式
19.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明
书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
22.因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
23.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
24.如图1所示，一种基于控制网络的逆变器微电网继电保护方法，利用同步相测量和基于智能继电器检测微电网的高阻抗故障，其具体流程如下：在微电网每条馈线段两端分别安装智能继电器，各馈线的主保护依赖于瞬时差动电流保护：保护方案一，如果发现两个样本的绝对值超过跳闸阈值，跳闸信号被发送到开关设备，开关设备可选用真空断路器，真空断路器可以确保在3～5个周期内(60～100ms)切断电流。实际上各种各样的故障电流变化范围很宽，一般在0.5～20倍的额定负载电流，因此要求电流互感器在大范围故障电流内具有足够的精确性。
25.保护方案二，如果开关设备拒动，此时测量的差分电流仍然高于阈值，经过大于0.3秒而小于0.6秒的时间延迟，后备跳闸信号将被发送到同一馈线上相邻继电器；保护方案三，如果继电器或通信链路均失败，将向所有其他连接继电器发出报警并告知差分保护丢失；报警信号同时被发送到微电网控制中心，所有继电器将依靠电压比较保护方案，直到系统恢复。
26.本实施例具体的，所述智能继电器包括标准的过流和过/欠压保护功能，而且具有可编程能力，并有光纤和多种控制网络接口，提供电量测量和事件录波报告。
27.智能继电器仍然需要合理的传感器和断路器配置，否则将影响到配电系统故障保护功能的完整性和系统的成本效益。随着智能电网技术已经全面部署，不需设置专用的通信通道，成本还可以进一步得到控制。
28.本实施例具体的，在主保护继电器上电压电流数字采样频率不低于1.5khz，然后通过光纤通信链路传输到另一端继电器上，对于通信距离小于30km的光纤通道，数据传输时间小于0.1ms，数据处理时间大约需要几个微秒，能够满足大多数分布式系统的要求，因此对于较短的馈线，没有必要再从线两侧进行时间同步测量。
29.对于通信距离小于30km的光纤通道，数据传输时间小于0.1ms的馈线，馈线两侧不需进行时间同步测量；对于超过30km长的线路，测量单元gps实现时问同步，以此建立差分继电保护方案。
30.本实施例具体的，所述电压比较保护方案是在每一个继电器上比较电压的有效值，如果电压值小于0.7pu，则最低电压的继电器将在0.6～0.9s的时间发出跳闸信号，以使得前面的保护方案一和保护方案二有充分的动作时间。
31.本实施例具体的，微电网中的每个dgs配备欠压跳闸保护，其欠压保护是在电压小
于0．7pu后延迟1s动作。
32.如图2所示，建立微电网实验仿真系统架构，共有7个节点连接了不同类型发电源和负载，电源模型是由matlab
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simulink建模获得。系统承受负载容量是1mva，通过一个1mva变压器连接到主电网，有四个基于逆变器连接的太阳能电池阵列、一个备用蓄电池储能装置连接在不同的母线上。太阳能电池阵列连接到三相逆变器提供了总共800kw功率，微电网孤岛运行时要并入一个200kw的蓄电池组电源。
33.放射状微电网的结构，其可靠性很容易受故障干扰。例如当节点5和7之问的馈电线路上发生故障时，一个太阳能电池阵列从系统中切除，如果此时微电网孤岛运行，这将导致约200kw的微电网供电不足。微电网在孤岛模式下运行时，切除任何馈电线路都会发生供电不足的问题，为了解决这一问题，就需要增加一条馈线形成一个环路结构。该环路馈线应增加在尽可能多的连接微发电源，形成一个中心环，能最大限度地增加供电的可靠性。在实验研究中在母线6和母线7之间增加一条环线。如图2中虚线所示，一个环型结构的微电网保护可抵御突发故障，大大提高系统稳态运行的可靠性。
34.在开关设备和继电器故障的情况下，利用matlab simulink simpower systems仿真系统仿真测试后备保护系统的有效性，simulink采样时间步长设定2us。
35.本实施例具体的，所述matlab simulink simpower systems仿真系统包括四种不同工作情景：放射状配置并网模式、放射状配置孤岛模式、环结构配置并网模式和环结构配置孤岛模式；对所述四种不同工作情景，当相到地pg故障发生时，在线路上继电器测量到正常运行的电流和电压波形进行仿真试验。
36.本实施例具体的，所述放射状配置孤岛模式，继电器是在两个采样周期内检测到接地故障，并在一个正弦周期内发出跳闸命令；图3所示，当pg(相到地)故障发生时，在线路2
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4上(母线4侧)继电器测量到正常运行的电流和电压波形。在线路3
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5上(母线3侧)继电器测量到的差分故障电流波形如图4所示。从图3可以看出，故障线被切除后，由于小的孤岛网络不能满足负荷要求，引起网络电压下降，这种波形是典型的径向连接系统波形。通过所有典型位置故障仿真实验可得出同样结论，故障切除后形成两个子孤岛，如果一个子孤岛的负荷要求高于发电源出功，另一个子孤岛负荷要求必定低于发电源出功。这种情况需要一个环结构的网络，在馈线切除掉的情况下，可以继续维持微电网内的发电源功率平衡。
37.故障发生位置不变，而主保护开关设备拒动的情况下，输出波形如图5、图6所示，故障在0.3s延迟后被清除。
38.此外，由于二级或后备操作要跳开额外负荷和发电源离线，在线路2．4上流过的电流只有c相电流(负载2)。、在不同的其他位置观测到的电压波形是相似的，电流流动的方向取决于故障发生的位置。如果后备继电保护也失败，电压后备保护将发挥作用，如图7所示故障电流在0．6s被清除，故障所产生的电压和电流与开关设备故障的情况大致相同。
39.所述放射状配置并网模式与述放射状配置孤岛模式的区别是：微电网作为主电网的一部分始终与主电网连接，同时有一个完美的发电负荷匹配，因为差额功率可以被发送到主电网系统或从主电网接收。然而，在这种情况下，微电网中包含微电源总是或多或少的发电。因为整个系统有比dgs更大的短路容量，所以系统暂态过程非常大。pg故障时电压和
电流波形如图8所示，值得注意的是故障清除后没有电压跌落。
40.本实施例具体的，所述环结构配置孤岛模式对于主回路的负载线路上的任何故障，主保护切除线路后通过环结构继续保持向所有的负载供电，并维持微电网内发电功率的平衡；由于开关设备决速打开，许多线路的功率流发生逆向，因此线路暂态过程变得非常大。如图9所示为pg故障时正常运行的继电器测量到的电压和电流。开关设备打开后，线中上没有发生电压下降现象，进一步验证了环路系统能增加了供电的可靠性。
41.所述环结构配置并网模式与所述环结构配置孤岛模式情况非常相似，由于系统短路容量非常大，线路的暂态过程也非常强，主保护继电器成功动作后，pg故障时电压和电流波形如图10所示，图中显示a相电流(实线)出现异常高是由于环结构的连接减少了到故障点的线路阻抗的结果。
42.本实施例具体的，所述仿真试验中，对于高阻抗故障，只要总故障电流不低于额定电流的10％，继电器能够检测到hif（高阻抗故障）时电流差异，实验设定的pg故障功率为28．5kw，这一电流额度是在电流互感器额定工作范围内，也就说电流互感器工作在线性区，因此测量误差很小。a相接地高阻抗故障的电压和电流波形如图11所示，差动继电器测量到的电流波形如图12所示。
43.本实施例提出的基于智能继电器控制网络辅助的微电网保护方法，主要是依靠电流差分保护，电流电压采样频率1.5khz。增加的环结构设计能够提高微电网供电的可靠性，因为径向配置微电网在孤岛运行时很容易发崩溃，同样环型结构配置能使微电网在故障线路切除后最大限度地连接微电源个数，以保持微电网内发电负荷平衡。仿真结果表明该方案能够快速检测和清除所有故障，包括hif故障。在此基础上提出了提高可靠性和降低成本的改进方案，即设置中央控制器，用智能数字测量单元代替价格昂贵的继电器，中央控制器与数字测量单元通过控制网络连接能够实现同样的保护功能，其代价大大降低。