基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法

1.本发明属于电力系统配电网继电保护技术领域，基于花瓣式有源配电网独特的故障特性，具体涉及一种基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法。

背景技术：

2.为构建“低碳、安全、高效”的新型电力系统、实现电力能源的低碳化转型，电力系统的形态结构正在发生深刻改变。
3.一方面，为满足高新区域电力用户对供电可靠性和电能质量的要求，我国广州、泰州、雄安等地区借鉴供电可靠性水平处于国际领先地位的新加坡配电网接线方式，在高负荷密度和高供电可靠性需求的区域建设闭环运行的花瓣式配电网。与传统辐射状配电网相比，花瓣式配电网运行方式灵活多变，常常具有更短的停电时间、更高的设备利用率和更优的电能质量。另一方面，随着新能源发电技术的发展和国家政策的支持，越来越多的分布式电源接入到配电网中，改变了配电网的供电模式，使配电网潮流分布变得更加复杂。
4.当分布式电源接入花瓣式配电网后，新型配电网网架结构与分布式电源相互配合，在改善电力系统节点电压分布、提高电网供电效率与可靠性的同时，使花瓣式有源配电网呈现出更加复杂的故障特性，从而给配电网的保护带来了巨大的挑战。
5.传统反时限过电流保护应用于花瓣式有源配电网时，故障点上游保护存在选择性失调问题，故障点下游保护存在协调性失配问题。此外，由于花瓣式配电网的故障电压特性与辐射状配电网有很大不同，故障电压随故障位置移动的变化规律不再是简单的单调关系，而是随着故障距离的增大呈现出先增大后减小的趋势，且具有一定的对称性。这一特性使常规电压加速因子的加速原理难以实现，导致基于辐射状有源配电网故障电压特性提出的电压加速反时限过电流保护难以适用于花瓣式有源配电网。
6.因此，有必要研究适用于花瓣式有源配电网的电压加速反时限过电流保护新方法，以适应其独特的故障特性，在保障保护协调性的同时提升保护速动性。

技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于花瓣式配电网独特的故障电压特性构造了改进的反时限动作特性方程，提出了一种基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，在改善保护协调性的前提下显著提升了过电流保护的速动性。
8.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
9.一种基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
10.s1、对各保护的启动电流ip、时间系数tds和电压参数k进行整定，得到满足各保护动作时间配合关系的启动电流ip、时间系数tds及电压参数k的整定值；
11.s2、将整定得到的启动电流ip、时间系数tds整定值录入各保护装置，同时录入基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程；
12.s3、当花瓣式有源配电网主干线上发生故障时，若流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向相反时，保护立即闭锁；若流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向相同，且保护装置检测到流过的故障电流大于启动电流整定值时，保护立即启动，进入故障识别模式；
13.s4、当保护启动进入故障识别模式后，将采集到的故障电压、电流信息代入基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程，计算得到各保护的动作时间，各保护按照计算得到的动作时间延时动作，切除线路故障。
14.而且，所述步骤s2、s4所述基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程基于充分考虑故障时花瓣式配电网各母线电压随故障位置移动的变化规律，构造改进电压加速因子对反时限动作特性方程进行分段优化，所述动作特性方程的表达式为：
[0015][0016]
其中：
[0017]ithi
为各保护的电流阈值，由于故障电压随故障位置的变化呈现先增大后减小的趋势，则必然存在某一故障位置使故障电压取得最大值，将该位置发生故障时，流经保护的故障电流定义为电流阈值；
[0018]ki
为各保护的电压参数，其取值与花瓣式配电网发生故障时保护处的故障电压最大值有关。
[0019]
而且，所述步骤s1中启动电流ip的整定具体操作为：
[0020]
由于花瓣式配电网中各线路最大负荷电流具有对称性，若按照如式(2)所示的辐射状配电网反时限过电流保护启动电流整定计算式来确定，会使得保护的启动电流大小与保护动作时间配合之间存在矛盾关系，从而导致保护动作曲线出现交点，
[0021][0022]
10kv花瓣式有源配电网拓扑结构中，保护9的启动电流按照式(2)来确定整定值，保护1、3、5、7的启动电流按照式(3)确定整定值，
[0023][0024]
δi
set
为上下级保护启动电流整定级差，其取值参考采用传统整定方法时各保护启动电流整定值之差，此处取为0.1ka，使得使保护1、3、5、7、9的启动电流满足i
p1
》i
p3
》i
p5
》i
p7
》i
p9
，同理，保护2、4、6、8、10按照相同的思路来确定启动电流整定值。
[0025]
而且，所述步骤s1中时间系数tds和电压参数k的整定具体操作为：
[0026]
考虑反时限过电流保护作为本线路故障时的主保护和下级线路故障时的后备保护，以各线路发生故障时的主、后备保护动作时间之和最小为优化目标，建立如下优化目标
函数：
[0027][0028]
其中：t为所有故障情况下主后备保护的动作时间之和；
[0029]
m为所有故障点总数；
[0030]
n为所有主保护数目；
[0031]
l为所有后备保护数目；
[0032]
t
pij
和t
bik
分别为点i处发生故障时主保护j和后备保护k的动作时间；
[0033]
为确保保护的选择性，设置如下式所示的约束条件来确保主后备保护之间的配合，
[0034]
t
pij-t
bik
≥δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0035]
其中：δt为主后备保护动作时间级差，其取值与保护装置类型有关，此处取为0.3s，
[0036]
此外，需要规定参数tds和k的取值范围，如下式所示：
[0037]
tds
min
≤tdsi≤tds
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0038]kmin
≤ki≤k
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0039]
其中：tds
max
和tds
min
分别是时间系数tds的取值上限和下限，此处分别取为1、0.001；
[0040]kmax
和k
min
分别是电压参数k的取值上限和下限，此处分别取为50、0，
[0041]
搭建起以式(4)为目标函数、式(5)～(7)为约束的反时限过电流保护参数优化整定模型，基于matlab仿真软件求解该数学模型，得到优化后的各保护时间系数和电压参数整定值。
[0042]
本发明的优点和有益效果为：
[0043]
本发明在花瓣式有源配电网中采用基于改进电压加速因子的反时限过电流保护，能够在改善保护协调性的前提下显著提升了过电流保护的速动性。与现有技术相比，本发明所能产生的积极效果包括以下几点：
[0044]
1、本发明仅需利用保护安装处的本地电流、电压信息，无需借助通信，避免了昂贵的通信成本，易于在工程中实施。
[0045]
2、本发明基于故障电压随故障距离的增大呈现出先增大后减小的趋势这一特性提出，由于花瓣式有源配电网发生各类型短路故障时，均具有该电压故障特性，因此本发明所提反时限过电流保护方法不受故障类型的影响。
[0046]
3、本发明所提保护方法不仅能够大幅度提升保护的动作速度，同时可以维持相对稳定的主后备保护动作时间差值，在保证保护选择性的前提下，亦不会引起后备保护动作时间过长的问题，保证了上下级保护协调配合关系。
附图说明
[0047]
图1为10kv花瓣式有源配电网拓扑结构图；
[0048]
图2为图1所示配电网中各母线故障电压随故障位置移动的曲线图；
[0049]
图3为采用常规方法整定启动电流时的花瓣式配电网反时限动作特性曲线示意
图；
[0050]
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
[0051]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0052]
花瓣式配电网的故障电压特性与辐射状配电网有很大不同，故障电压随故障位置移动的变化规律不再是简单的单调关系，而是随着故障距离的增大呈现出先增大后减小的趋势，且具有一定的对称性。
[0053]
基于常规电压加速因子的反时限过电流保护的加速原理：当线路发生故障时，电压加速因子的大小与故障点和保护之间距离成正比例关系，即保护越接近故障点，电压加速因子越小，保护的动作时间越小。
[0054]
花瓣式配电网独特的故障电压特性使基于常规电压加速因子的反时限过电流保护的加速原理难以成立，导致基于辐射状有源配电网故障电压特性提出的电压加速反时限过电流保护难以适用于花瓣式有源配电网，有必要基于花瓣式有源配电网独特的故障电压特性提出新的电压加速反时限过电流保护方法。
[0055]
如图4所示，本发明一种基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，其创新之处在于：所述方法包括如下步骤：
[0056]
s1、对各保护的启动电流ip、时间系数tds和电压参数k进行整定，得到满足各保护动作时间配合关系的启动电流ip、时间系数tds及电压参数k的整定值；
[0057]
s2、将整定得到的启动电流ip、时间系数tds整定值录入各保护装置，同时录入基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程；
[0058]
s3、当花瓣式有源配电网主干线上发生故障时，若流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向相反时，保护立即闭锁；若流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向相同，且保护装置检测到流过的故障电流大于启动电流整定值时，保护立即启动，进入故障识别模式；
[0059]
s4、当保护启动进入故障识别模式后，将采集到的故障电压、电流信息代入基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程，计算得到各保护的动作时间，各保护按照计算得到的动作时间延时动作，切除线路故障。
[0060]
步骤s2、s4所述基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程基于充分考虑故障时花瓣式配电网各母线电压随故障位置移动的变化规律，构造改进电压加速因子对反时限动作特性方程进行分段优化，所述动作特性方程的表达式为：
[0061][0062]
其中：
[0063]ithi
为各保护的电流阈值，由于故障电压随故障位置的变化呈现先增大后减小的趋势，则必然存在某一故障位置使故障电压取得最大值，将该位置发生故障时，流经保护的
故障电流定义为电流阈值；
[0064]ki
为各保护的电压参数，其取值与花瓣式配电网发生故障时保护处的故障电压最大值有关。
[0065]
明确基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护的电压修正原理。以附图1中保护1为例，说明本发明所提电压加速反时限过电流保护方法的电压修正原理。
[0066]
附图1中，主干线共包含5条线路，按照顺时针方向依次编号为l1～l5；各线路两端均配置有保护装置，依次编号为保护1～10，对于某编号保护所在线路来说，定义编号较小的保护装置所在的线路为上游线路，反之则为下游线路。此外，系统共包含5段母线，按照顺时针方向依次编号为a～e，母线a为花瓣网变电站出口10kv母线，母线b～e均为开关站母线，各开关站含有多条馈出线。分布式电源在母线e处接入，其控制策略及故障等值模型与文献[1]陈晓龙，袁姝，李永丽，等.含逆变型分布式电源花瓣式配电网单相接地故障特性分析[j]. 电力自动化设备，2022，42(04)：129-13保持一致。t1为主变压器，其变比为 110kv/10kv；t2为系统接地变压器；rs为t2中性点接地电阻，取为6ω。
[0067]
保护1处的故障电压即为ua。由式(1)所示的改进电压加速反时限过电流保护动作特性方程可知，当故障电流大于电流阈值时，电压加速因子的形式为ua，当故障电流小于电流阈值时，电压加速因子的形式为k
1-ua。经过k
1-ua变换后的故障电压曲线如附图2所示。图中，改进后的电压加速因子能随着故障距离的增大而实现单调递增，满足保护越靠近故障点加速因子越小的加速原理，有效解决了花瓣式配电网故障电压特性与电压加速原理之间相悖的难题。而且，电压参数的取值与保护处故障电压最大值有关，以保护1为例，其电压参数k1需不小于保护1处故障电压最大值u
1max
的2倍。
[0068]
步骤s1中启动电流ip的整定具体操作为：
[0069]
由于花瓣式配电网中各线路最大负荷电流具有对称性，若按照如式(2)所示的辐射状配电网反时限过电流保护启动电流整定计算式来确定，会使得保护的启动电流大小与保护动作时间配合之间存在矛盾关系，从而导致保护动作曲线出现交点，保护1、3、5、7、9为例，其保护动作特性曲线如附图3所示。
[0070][0071]
10kv花瓣式有源配电网拓扑结构中，保护9的启动电流按照式(2)来确定整定值，保护1、3、5、7的启动电流按照式(3)确定整定值，
[0072][0073]
δi
set
为上下级保护启动电流整定级差，其取值参考采用传统整定方法时各保护启动电流整定值之差，此处取为0.1ka，使得使保护1、3、5、7、9的启动电流满足i
p1
》i
p3
》i
p5
》i
p7
》i
p9
，同理，保护2、4、6、8、10按照相同的思路来确定启动电流整定值。
[0074]
步骤s1中时间系数tds和电压参数k的整定具体操作为：
[0075]
考虑反时限过电流保护作为本线路故障时的主保护和下级线路故障时的后备保
护，以各线路发生故障时的主、后备保护动作时间之和最小为优化目标，建立如下优化目标函数：
[0076][0077]
其中：t为所有故障情况下主后备保护的动作时间之和；
[0078]
m为所有故障点总数；
[0079]
n为所有主保护数目；
[0080]
l为所有后备保护数目；
[0081]
t
pij
和t
bik
分别为点i处发生故障时主保护j和后备保护k的动作时间；
[0082]
为确保保护的选择性，设置如下式所示的约束条件来确保主后备保护之间的配合，
[0083]
t
pij-t
bik
≥δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0084]
其中：δt为主后备保护动作时间级差，其取值与保护装置类型有关，此处取为0.3s，
[0085]
此外，需要规定参数tds和k的取值范围，如下式所示：
[0086]
tds
min
≤tdsi≤tds
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0087]kmin
≤ki≤k
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0088]
其中：tds
max
和tds
min
分别是时间系数tds的取值上限和下限，此处分别取为1、0.001；
[0089]kmax
和k
min
分别是电压参数k的取值上限和下限，此处分别取为50、0，
[0090]
搭建起以式(4)为目标函数、式(5)～(7)为约束的反时限过电流保护参数优化整定模型，基于matlab仿真软件求解该数学模型，得到优化后的各保护时间系数和电压参数整定值。
[0091]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：

1.一种基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：s1、对各保护的启动电流ip、时间系数tds和电压参数k进行整定，得到满足各保护动作时间配合关系的启动电流ip、时间系数tds及电压参数k的整定值；s2、将整定得到的启动电流ip、时间系数tds整定值录入各保护装置，同时录入基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程；s3、当花瓣式有源配电网主干线上发生故障时，若流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向相反时，保护立即闭锁；若流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向相同，且保护装置检测到流过的故障电流大于启动电流整定值时，保护立即启动，进入故障识别模式；s4、当保护启动进入故障识别模式后，将采集到的故障电压、电流信息代入基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程，计算得到各保护的动作时间，各保护按照计算得到的动作时间延时动作，切除线路故障。2.根据权利要求1所述基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，其特征在于：所述步骤s2、s4所述基于改进电压加速因子的反时限过电流保护动作特性方程基于充分考虑故障时花瓣式配电网各母线电压随故障位置移动的变化规律，构造改进电压加速因子对反时限动作特性方程进行分段优化，所述动作特性方程的表达式为：其中：i
thi
为各保护的电流阈值，由于故障电压随故障位置的变化呈现先增大后减小的趋势，则必然存在某一故障位置使故障电压取得最大值，将该位置发生故障时，流经保护的故障电流定义为电流阈值；k
i
为各保护的电压参数，其取值与花瓣式配电网发生故障时保护处的故障电压最大值有关。3.据权利要求1所述基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，其特征在于：所述步骤s1中启动电流ip的整定具体操作为：由于花瓣式配电网中各线路最大负荷电流具有对称性，若按照如式(2)所示的辐射状配电网反时限过电流保护启动电流整定计算式来确定，会使得保护的启动电流大小与保护动作时间配合之间存在矛盾关系，从而导致保护动作曲线出现交点，10kv花瓣式有源配电网拓扑结构中，保护9的启动电流按照式(2)来确定整定值，保护1、3、5、7的启动电流按照式(3)确定整定值，
δi
set
为上下级保护启动电流整定级差，其取值参考采用传统整定方法时各保护启动电流整定值之差，此处取为0.1ka，使得使保护1、3、5、7、9的启动电流满足i
p1
>i
p3
>i
p5
>i
p7
>i
p9
，同理，保护2、4、6、8、10按照相同的思路来确定启动电流整定值。4.据权利要求1所述基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，其特征在于：所述步骤s1中时间系数tds和电压参数k的整定具体操作为：考虑反时限过电流保护作为本线路故障时的主保护和下级线路故障时的后备保护，以各线路发生故障时的主、后备保护动作时间之和最小为优化目标，建立如下优化目标函数：其中：t为所有故障情况下主后备保护的动作时间之和；m为所有故障点总数；n为所有主保护数目；l为所有后备保护数目；t
pij
和t
bik
分别为点i处发生故障时主保护j和后备保护k的动作时间；为确保保护的选择性，设置如下式所示的约束条件来确保主后备保护之间的配合，t
pij-t
bik
≥δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中：δt为主后备保护动作时间级差，其取值与保护装置类型有关，此处取为0.3s，此外，需要规定参数tds和k的取值范围，如下式所示：tds
min
≤tds
i
≤tds
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)k
min
≤k
i
≤k
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中：tds
max
和tds
min
分别是时间系数tds的取值上限和下限，此处分别取为1、0.001；k
max
和k
min
分别是电压参数k的取值上限和下限，此处分别取为50、0，搭建起以式(4)为目标函数、式(5)～(7)为约束的反时限过电流保护参数优化整定模型，基于matlab仿真软件求解该数学模型，得到优化后的各保护时间系数和电压参数整定值。

技术总结

本发明涉及一种基于改进电压加速因子的花瓣式有源配电网反时限过电流保护方法，包括1)对各保护的启动电流、时间系数和电压参数进行整定；2)将上述整定值录入各保护装置，同时录入动作特性方程；3)当发生故障时，对流经保护装置的故障电流方向与保护预设正方向进行判定并决定保护的启动及闭锁；4)将采集到的故障电压、电流信息代入动作特性方程，计算得各保护的动作时间，各保护动作时间延时动作，切除线路故障。本发明设计科学合理，在改善保护协调性的前提下显著提升过电流保护的速动性，且仅需利用保护安装处的本地电流、电压信息，无需借助通信，避免了昂贵的通信成本，易于在工程中实施；本发明所提保护方法不受故障类型的影响。的影响。的影响。