适用于微电网的基于虚拟负荷的故障快速隔离方法与系统与流程

本发明涉及一种继电保护领域，特别是一种适用于微电网的基于虚拟负荷的故障快速隔离方法与装置。

背景技术：
传统电力网络向智能电网的转变将成为21世纪电网改造的新方向。在智能电网中，智能微电网由于其能利用绿色清洁能源，能分布于用户附近提高负荷侧的供电可靠性，及能实现能源梯级利用，节能环保，能源利用效率高等，逐渐获得世界各国的青睐。微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。微电网和大电网通过PCC(PointofCommonCoupling公开连接点)进行能量交换(如图1)，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性；运行方式包括并网运行及孤岛运行。根据Q/GDW480—2010《分布式电源接入电网技术规定》：200kW及以下分布式电源接入380V电压等级电网；200kW以上分布式电源接入10kV(6kV)及以上电压等级电网。微电网的出现给传统配电系统的运行、保护和控制等带来一系列的问题，其中对继电保护的影响尤其不能忽视，接入微电网的配电系统变为多电源、双向潮流问题、孤岛运行故障电流小、分布式电源(DG)接入位置不同影响传统保护的灵敏度的影响等问题。0.4kV微电网系统包含多种分布式电源及储能设备；并网运行时微电网内部故障由主进电源和分布式电源、储能设备提供故障电流，故障支路故障电流较大；并网运行配电网故障，微电网分布式电源向主网提供较小的故障电流； 子微网孤岛运行时内部故障时由分布式电源及储能设备提供故障电流，故障电流较小；光伏、风机等设备属于逆变式分布式电源，逆变器提供的最大电流为1.5In，因此微电网具有潮流双向性、孤岛运行故障电流小的特点，对继电保护的要求具有明确的方向性及高灵敏性，传统配电网的微型断路器、熔断器动作时间非常慢，无法满足微电网故障快速切除的要求。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种适用于微电网的基于虚拟负荷的故障快速隔离方法与系统，用以解决现有继电保护方法无法满足微电网要求的问题。为实现上述目的，本发明的方案包括：适用于微电网的基于虚拟负荷的故障快速隔离方法，步骤如下：微电网的各线路分别配置分布式保护单元；当分布式保护单元的故障启动元件动作后，发送正方向阻抗元件、反方向阻抗元件以及低电压元件的动作结果到集中式综合判别单元，集中式综合判别单元根据上述正方向阻抗元件、反方向阻抗元件以及低电压元件的动作结果判别故障点，并使故障点对应线路的分布式保护单元跳开相关联断路器，实现快速故障隔离；所述集中式综合判别单元用于判别故障点的判据为：正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时，判别为分布式保护单元对应线路故障；反方向阻抗元件、低电压元件同时动作，判别为微电网母线故障。集中式综合判别单元和分布式保护单元通过GOOSE报文传递的正方向、反方向阻抗元件及低电压元件的动作信息。故障启动元件为过流启动元件，判据为或为相间电流，为相电流，IZD为过电流定值。正方向阻抗元件判据为:且|Xm|＜|ZZD*Sinθ|(2)式(2)采用正序记忆电压极化；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Zset为整定阻抗定值，Xm为测量电抗，θ为阻抗角，ZZD为阻抗定值。反方向阻抗元件判据为：且|Xm|＜|ZZD*Sinθ|(3)，式(3)采用正序记忆电压极化。适用于微电网的基于虚拟负荷的故障快速隔离系统，其特征在于，包括一个集中式综合判别单元以及与集中式综合判别单元通讯连接的、微电网各线路配置的分布式保护单元；当分布式保护单元的故障启动元件动作后，发送正方向阻抗元件、反方向阻抗元件以及低电压元件的动作结果到集中式综合判别单元，集中式综合判别单元根据上述正方向阻抗元件、反方向阻抗元件以及低电压元件的动作结果判别故障点，并使故障点对应线路的分布式保护单元跳开相关联断路器，实现快速故障隔离；所述集中式综合判别单元用于判别故障点的判据为：正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时，判别为分布式保护单元对应线路故障；反方向阻抗元件、低电压元件同时动作，判别为微电网母线故障。集中式综合判别单元和分布式保护单元通过GOOSE报文传递的正方向、反方向阻抗元件及低电压元件的动作信息。故障启动元件为过流启动元件，判据为或为相间电流，为相电流，IZD为过电流定值。正方向阻抗元件判据为:且|Xm|＜|ZZD*Sinθ|(2)式(2)采用正序记忆电压极化；式中为相间正序记忆电压，为相间 电压，为相间电流，Zset为整定阻抗定值，Xm为测量电抗，θ为阻抗角，ZZD为阻抗定值。反方向阻抗元件判据为：且|Xm|＜|ZZD*Sinθ|(3)，式(3)采用正序记忆电压极化。在微电网的各线路配置分布式保护单元，每个分布式保护单元配置故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件。在故障启动元件动作后，分布式保护单元通过GOOSE报文发送阻抗元件及低电压元件的动作结果给集中式综合判别单元；集中式综合判别单元判别在故障启动元件动作后，根据分散采集单元GOOSE报文发送的阻抗元件及低电压元件动作信息识别故障点，如果发生区内故障时，发送GOOSE跳闸报文给分布式采集单元，跳开相关联的开关，实现快速故障隔离。附图说明图1是微电网系统保护配置图；图2(a)、(b)、(c)是图1的故障分析示意图；图3(a)、(b)是阻抗元件动作特性图；图4是馈线保护单元的保护故障判别流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。本发明所涉及的相关技术介绍如下：微网(微电网)是由分布式电源、储能和负荷及相关控制保护设备构成的供用电系统，可接入常规电网或独立运行，是发挥分布式电源能效的有效方式之一。微电网的本质是小型电力系统，既可并网运行，也可离网运行。从配电网角度看，微电网可以看成为一个节点，功率可以从配电网流向微电网，也可 以从微电网流向配电网。相对于大电网而言，微电网可以等效为一种特殊的负荷---“虚拟负荷”。“虚拟负荷”由分布式电源、储能和负荷等系列“虚拟负荷”构成，均可看成吸收或提供有功率、无功功率的负荷。本发明利用“虚拟负荷”理论，通过分布式采集、集中判别的方式识别微电网各支路入口测量阻抗为正常运行时“虚拟负荷”-负荷阻抗或故障阻抗的差异来进行故障定位，实现故障的快速隔离。IEC61850标准是迄今为止最为完善的变电站自动化标准，目前在智能变电站已广泛使用；IEC61850标准中定义了面向通用对象的变电站事件(GOOSE),具有优先级和虚拟局域网(VLAN)标志(IEEE802·1Q)的交换式以太网技术,保证了报文传输的实时性；GOOSE通信机制采用基于发布者/订阅者通信原理的多播应用关联(MCAA)模型,有效解决了一个数据源同时向多个接收者发送实时数据的问题。2002年发布的IEEE1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议(precioustimeprotocol，PTP)，其网络对时精度可达亚μs级，引起了工业自动化、通信等工业领域研究者的重视。2008年发布了IEEE1588V2版，进一步从对时精度、安全性、冗余等角度进行了规范和完善，签于IEEE1588高精度的分布式网络对时特点，IEC-TC第10工作组准备将IEEE1588引入IEC61850。IEC61850工作组的专家们在V2，V3版的提案中都提出了在变电站自动化系统中采用IEEE1588作为全站对时技术的建议。分组传送网(PacketTransportNetwork，PTN)技术是一种新型的光传送网络架构，在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本(TCO)，同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩 展、较高的安全性等。目前，基于IEEE1588V2的协议实现时间同步，在PTN设备中已得到广泛应用。如图1所示，在0.4kV微电网系统中，设有一个集中式综合判别单元，微电网的每个分支线路均配置一个独立的馈线保护单元，如图1中柴油发电机组线路L1的馈线保护单元Z1，PCS储能系统L2的馈线保护单元Z2，光伏系统L3的馈线保护单元Z3，负荷出线L4的馈线保护单元Z4等，PCC处还设有一个保护单元Z5；上述Z1、Z2、Z3、Z4、Z5均为分布式保护单元。分布式保护单元可以采用工业控制平台或PC设备实现。分布式保护单元完成微电网模拟量同步采集、状态量采集、阻抗元件及低电压元件判别、遥控命令的执行。上述的分布式保护单元Z1-Z5均配置有故障启动元件、正方向阻抗元件、反方向阻抗元件、低电压元件等。(下文中，正方向阻抗元件、反方向阻抗元件也称为正方向阻抗继电器、反方向阻抗继电器。)当分布式保护单元的故障启动元件动作后，发送正方向阻抗元件、反方向阻抗元件以及低电压元件的动作结果到集中式综合判别单元，集中式综合判别单元根据上述正方向阻抗元件、反方向阻抗元件以及低电压元件的动作结果判别故障点，并使故障点对应线路的分布式保护单元跳开相关联断路器，实现快速故障隔离；集中式综合判别单元用于判别故障点的判据为：正方向阻抗元件、低电压元件同时动作时，判别为分布式保护单元对应线路故障；反方向阻抗元件、低电压元件同时动作，判别为微电网母线故障。结合图2、图3，分析微电网各种故障情况下的保护动作特性，d1点AB故障，Z2点AB相测量阻抗位为阻抗平面第一象限，为故障阻抗；Z1点AB相测量阻抗位为阻抗平面第三象限，为故障阻抗；Z3点AB相测量阻抗与Z1点类似；Z4点由于UAB电压接近于零，IAB接近于零，Z4点AB相测量阻抗非常大。d2点AB故障，Z1、Z2、Z3点AB相测量阻抗均位为阻抗平 面第三象限，为故障阻抗；Z4点由于UAB电压接近于零，IAB接近于零，Z4点AB相测量阻抗非常大。配电网d4点故障，由于微电网故障点提供的故障电流非常小，变电压等效阻抗非常大，各支路的测量阻抗非常大。阻抗元件包括正方向阻抗继电器及反向阻抗继电器，正方向阻抗继电器用于反应馈线故障；反方向阻抗继电器用于反应0.4kV母线故障；阻抗继电均采用记忆正序电压极化，具有明确的方向性；由于0.4kV电压等级阻抗角较小，因此阻抗动作特性利用电抗线去掉多余动作区。通过上述分析可知，微电网内部任一支路故障，故障相电压非常低，故障支路的故障相测量阻抗非常小，且为正方向，位于第一象限，其它非故障的电源及储能支路的测量阻抗为反方向，位于第三象限，负荷支路的故障相测量阻抗非常大；微电网内部母线故障，各电源及储能支路的测量阻抗为反方向，位于第三象限，负荷支路的故障相测量阻抗非常大；配电系统发生故障，故障电流小，故障相电压变化很小，各支路的测量阻抗非常大。本发明采用分布式采集及集中式判别的方式，根据“虚拟负荷”理论判别微电网各支路的测量阻抗及电压特征，识别微电网内部是否发生故障及故障点所在，实现故障点的快速隔离。如图4所示为保护的动作流程：各分支入口设置分布式保护单元，采用PTN光纤通讯网架，基于IEEE1588同步机制实现同步采样，在故障启动元件动作后，通过GOOSE报文发送阻抗元件及低电压元件的动作结果给集中式综合判别单元；集中式综合判别单元判别在故障启动元件动作后，根据分散采集单元GOOSE报文发送的阻抗元件及低电压元件动作信息识别故障点，如果发生区内故障时，发送GOOSE跳闸报文给分布式采集单元，跳开相关联的开关，实现快速故障隔离。各元件的动作方程具体如下：本实施例中，故障启动元件采用过流启动元件，过流启动元件判据：或式中：为相间电流，为相电流，IZD为过电流定值。正方向阻抗元件判据：且|Xm|＜|ZZD*Sinθ|(2)式(2)采用正序记忆电压极化，具有明确的方向性；式中为相间正序记忆电压，为相间电压，为相间电流，Zset为整定阻抗定值，Xm为测量电抗，θ为阻抗角，ZZD为阻抗定值。反方向阻抗继电器：且|Xm|＜|ZZD*Sinθ|(3)式(3)采用正序记忆电压极化。式中符号同式(2)说明。低电压元件判据：或分别为相电压、相间电压，分别为相额定电压、相间额定电压。本发明专利的创新点为引进“虚拟负荷”理论，区分正常运行时“虚拟负荷”的等效负荷阻抗及微电网内部故障的故障阻抗大小、方向性及低电压特征，解决了微电网设备种类繁多、建模困难、故障电流小的难题。以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方法，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。