基于广域保护系统的含光伏电源配电网故障区域定位方法与流程

1.本发明属于电力网络故障定位领域，具体涉及一种基于广域保护系统的含光伏电源配电网故障区域定位方法。


背景技术：

2.低污染、低损耗的分布式电源将会有更大的发展空间。当更多的分布式电源接入配电网后，配电网由单电源辐射状网络变为复杂的多电源结构，电网潮流也随之发生变化，这一变化为故障定位带来了难题。因而，配电网故障定位方法需更具稳定性和通用性。
3.目前的故障定位算法有行波法、人工智能算法和矩阵算法三种。行波法只适用于单一材料且支线较少的馈线，实用性不强；人工智能算法理论复杂且计算量大，在故障定位方面的应用不够成熟；以矩阵分析处理为基础的矩阵算法，原理简单，运算量小，在实际的故障定位中有广泛的应用。
4.基于配电网自动化的故障定位矩阵算法通过馈线终端设备(ftu)检测过流方向确定故障位置。该矩阵算法不需要规格化处理，没有乘法运算，判断原理简单直观，但是目前的配电网馈线分段开关处只装设a相、c相电流互感器，不装设电压互感器，所以过流方向难以检测。
5.新型的电流保护系统将广域保护应用到含分布式电源配电网的电流保护中。其中故障区域定位把电流综合幅值作为判别依据，故障区段定位把电流间的相位关系作为判别依据，克服了过流方向难以检测的缺点。但是在故障区域搜索部分的矩阵算法中，需要提前掌握节点信息，对中间节点和边缘节点采用不同的矩阵修订方法，修订过程比较繁琐。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于广域保护系统的含光伏电源配电网故障区域定位方法，本方法提出的故障区域定位部分的矩阵算法不必提前掌握节点信息，通过ied采集处理电流信息并确定搜索方向，形成故障搜索正方向矩阵和反方向矩阵，根据搜索反方向矩阵修订网络关联描述矩阵。该算法对不断变化的网络拓扑结构有适应性，并且在判据中能清楚分辨这两类节点，无矩阵相乘运算，运算量小，具有稳定性和通用性。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.基于广域保护系统的含光伏电源配电网故障区域定位方法，包括以下步骤：
9.1)故障发生时，判据故障区域搜索方向，包括：
[0010]1‑
3)判断三分支电路电流综合幅值的大小；
[0011]1‑
4)根据电流综合幅值比较结果，判断故障区域搜索的正方向和反方向；
[0012]
2)对故障区域进行定位包括以下算法：
[0013]2‑
1)构建网络关联描述矩阵d，描述每个分段开关处智能电子设备ied的相邻关系；
[0014]2‑
2)将故障搜索方向以矩阵的形式存放，故障搜索正方向为z，计算故障搜索反方向矩阵f＝d
‑
z；
[0015]2‑
3)根据搜索反方向矩阵f对网络关联描述矩阵d进行修订，修订的结果就是故障判别矩阵p；
[0016]2‑
4)对故障判别矩阵p进行分析，判别故障发生区域。
[0017]
步骤1
‑
1)故障时三分支电流综合幅值的比较包括：
[0018]
电流综合幅值是故障电流的正序分量幅值和负序分量幅值之和，即
[0019][0020]
假设s
a
系统的阻抗z
sa
＝|z
sa
|∠α，dg1的阻抗z
ga
＝|z
ga
|∠β，故障时dg1的电压u1＝u1∠γ，∠α、∠β是阻抗角；∠γ是dg1的电压相位，是正弦交流电表达式里的参数，为可测量到的已知量；
[0021]
s
a
系统侧分支正序分量为
[0022][0023]
dg1分支正序分量为
[0024][0025]
指向故障点方向的支路电流的正序分量为
[0026][0027]
根据余弦定理可得
[0028][0029]
由于发电机暂态电抗是感性的，系统和线路的阻抗也是感性的，所以 |α
‑
β|≈0，即
[0030][0031][0032]
指向故障点方向支路的电流正序幅值最大；
[0033]
同理可得
[0034][0035][0036]
指向故障点方向支路的电流负序幅值最大；则指向故障点方向支路的电流综合幅值最大。
[0037]
步骤1
‑
2)具体包括：根据三分支电路电流综合幅值的大小比较，幅值最大支路的电流方向为故障区域搜索的正方向，与搜索正方向相反的方向是故障区域搜索的反方向。
[0038]
步骤2
‑
1)网络关联描述矩阵的构建包括：
[0039]
在保护装置中存放一个网络关联描述矩阵d，对馈线节点处的ied进行编号，假设共有n个ied，则可构造一个n
×
n方阵d，定义如下：
[0040]
若第i和j个ied相邻，表示为iedi和iedj，则网络关联描述矩阵d中对应的元素d
ij
＝1，d
ji
＝1；若iedi和iedj不相邻，则网络关联描述矩阵d中对应的元素d
ij
＝0，d
ji
＝0；矩阵中所有的d
ii
＝0，即网络关联描述矩阵d的对角线上所有元素为0。
[0041]
步骤2
‑
2)故障搜索反方向矩阵的计算包括：
[0042]
各个ied采样和比较三个分支的电流综合幅值，确定故障搜索方向，与集中控制器进行通信，将故障搜索方向以矩阵的形式存放，故障搜索正方向为z，故障搜索反方向矩阵为f；
[0043]
ied a用于采样和比较三个分支的电流综合幅值，ied b用于采样和比较两个分支的电流相位；
[0044]
逐个对每个ied a的三分支进行电流综合幅值比较，对于iedi，若经过电流综合幅值的比较，确定故障搜索方向指向与之相邻的iedj，则搜索正方向矩阵z 中第i行的第j列元素z
ij
为1，其余元素均为0；
[0045]
搜索反方向矩阵f＝d
‑
z，f
ij
为1表示ied i的搜索反方向上有直接和iedi 相连的iedj，若f
ji
为1表示iedj的搜索反方向上有直接和iedj相连的iedi；若f 矩阵中第i行为全零行表示iedi的搜索反方向上没有直接和iedi相连的ied。
[0046]
步骤2
‑
3)对网络关联描述矩阵d的修订包括：
[0047]
若f第i行是1的元素只有一个f
ij
＝1，即在iedi的搜索反方向上直接和iedi 相连的只有iedi，修订矩阵中d
ii
、d
ij
两个元素，其余元素保持不变，有 p
ii
＝d
ii
+1＝1，p
ij
＝d
ij
‑
1＝0；
[0048]
若f第i行是1的元素不止一个，f
ij
＝1、f
ik
＝1，即在iedi的搜索反方向上直接和iedi相连的有iedj、iedk，修订矩阵中d
ii
、d
ij
、d
ik
，其余元素保持不变，有p
ii
＝d
ii
+1＝1，p
ij
＝d
ij
‑
1＝0，p
ik
＝d
ik
‑
1＝0；
[0049]
若f的第i行是全零行，即iedi的搜索反方向上没有和i直接相连的ied，则矩阵中第i行的元素不变，即p
ij
＝d
ij
。
[0050]
步骤2
‑
4)通过以下判据可定位故障搜索区域：
[0051]
若p
ij
&p
ji
＝1(i≠j)，故障发生在iedi、iedj之间，反之，二者间没有故障；它的物理意义是：iedi和iedj相邻，iedj在iedi的搜索方向上，iedi也在iedj的搜索方向上，那么故障就发生在二者之间；
[0052]
若p
ii
＝0，此ied所在节点为边缘节点，故障发生在此ied所连接的pv分支上游；它的物理意义是：iedi的搜索反方向没有直接和iedi相连的ied，那么此 ied所在节点是边缘节点，且故障发生在此ied的pv分支上游；
[0053]
若p
ii
＝1且p
ij
＝0(i≠j)，即此行内除p
ii
＝1外其余元素都是0，则此ied所在节点是边缘节点，故障发生在此ied的pv分支下游；它的物理意义是：在iedi 的搜索反方向上有直接和iedi相连的iedj，而且只有一个，那么对于处理三个分支的ied来说，此ied所在节点是边缘节点，且故障发生在此ied的pv分支下游。
[0054]
本发明具有的有益效果为：
[0055]
与现有技术相比，本发明提出了故障区域定位的改进算法，该算法不必提前掌握
节点信息，通过ied采集处理电流信息并确定搜索方向，形成故障搜索正方向矩阵和反方向矩阵，根据搜索反方向矩阵修订网络关联描述矩阵。算法对中间节点和边缘节点不作区分，使用同样的修订方法，简化了算法，对不断变化的网络拓扑结构有适应性，并且在判据中能清楚分辨这两类节点，无矩阵相乘运算，运算量小，具有稳定性和通用性。
附图说明
[0056]
图1为本发明广域保护下含光伏电源的配电网线路图；
[0057]
图2为本发明故障定位的流程图；
[0058]
图3为本发明三分支电路图；
[0059]
图4为本发明正序分量序网图；
[0060]
图5为本发明含多pv的配电网线路图。
具体实施方式
[0061]
目前的广域保护系统分为分布式决策和集中式决策两种。分布式决策在每个分段开关处都安装一个智能电子设备(ied)，ied负责安装点电气信息的采集处理，每个ied和指定的ied之间互相交换信息，并由设定的算法进行故障定位然后跳闸；集中式决策由主机汇集保护区域内所有ied的信息，ied之间无通信，主机经过分析判断定位故障区段，对相应的ied发出跳闸指令。本发明基于广域保护系统采用集中式决策结构。
[0062]
如图1所示，广域保护下含光伏电源的配电网中ied有两种类型：ied a用于采样和比较三个分支的电流综合幅值，ied b用于采样和比较两个分支的电流相位。ied a有中间节点和边缘节点两类。
[0063]
故障发生后，每个ied a以三个分支的电流综合幅值为依据确定故障所在区域，如果故障发生在pv分支，则ied对pv分支发出跳闸指令，如果pv分支无故障则与已确定的故障区域中的ied b通信，每个ied b比较两个分支的相位关系，最终实现故障区段定位，故障定位的流程如图2所示。本发明提出的算法只针对故障区域定位部分。
[0064]
本发明提出的基于广域保护系统的含光伏电源配电网故障区域定位方法，包括以下步骤：
[0065]
步骤1)故障发生时，判据故障区域搜索方向
[0066]1‑
1)判断三分支电路电流综合幅值的大小：
[0067]
电流综合幅值是故障电流的正序分量幅值和负序分量幅值之和，即
[0068][0069]
图3是一个三分支电路，图4是发生故障时的正序分量序网图。假设s
a
系统的阻抗
[0070]
z
sa
＝|z
sa
|∠α，dg1的阻抗z
ga
＝|z
ga
|∠β，故障时dg1的电压u1＝u1∠γ，∠α、∠β是阻抗角；∠γ是dg1的电压相位，是正弦交流电表达式里的参数，为可测量到的已知量；
[0071]
s
a
系统侧分支正序分量为
[0072][0073]
dg1分支正序分量为
[0074][0075]
指向故障点方向的支路电流的正序分量为
[0076][0077]
根据余弦定理可得
[0078][0079]
由于发电机暂态电抗是感性的，系统和线路的阻抗也是感性的，所以α
‑
β≈0，即
[0080][0081][0082]
指向故障点方向支路的电流正序幅值最大。
[0083]
同理可得
[0084][0085][0086]
指向故障点方向支路的电流负序幅值最大。
[0087]
综上，指向故障点方向支路的电流综合幅值最大。
[0088]1‑
2)根据电流综合幅值比较结果，判断故障区域搜索的正方向和反方向，具体为：
[0089]
系统发生故障时，首先判断三分支电路电流综合幅值的大小，幅值最大支路的电流方向就是故障区域搜索的正方向，非最大幅值支路的电流方向并不是故障搜索反方向，与搜索正方向相反的方向才是故障区域搜索的反方向。
[0090]
步骤2)对故障区域进行定位，包括以下算法
[0091]2‑
1)构建网络关联描述矩阵d，描述每个分段开关处智能电子设备ied的相邻关系。
[0092]
在保护装置中存放一个网络关联描述矩阵d，描述每个ied的相邻关系。对馈线节点处的ied进行编号，假设共有n个ied，则可构造一个n
×
n方阵d，定义如下：
[0093]
若iedi和iedj相邻，则网络关联描述矩阵d中对应的元素d
ij
＝1，d
ji
＝1；若ied i和ied j不相邻，则网络关联描述矩阵d中对应的元素d
ij
＝0，d
ji
＝0；矩阵中所有的d
ii
＝0，即网络关联描述矩阵d的对角线上所有元素为0。
[0094]2‑
2)将故障搜索方向以矩阵的形式存放，故障搜索正方向为z，计算故障搜索反方向矩阵f＝d
‑
z。
[0095]
各个ied采样和比较三个分支的电流综合幅值，确定故障搜索方向，与集中控制器进行通信，将故障搜索方向以矩阵的形式存放，故障搜索正方向为z，故障搜索反方向矩阵为f。
[0096]
逐个对每个ied a的三分支进行电流综合幅值比较，对于iedi，若经过电流综合幅值的比较，确定故障搜索方向指向与之相邻的iedj，则搜索正方向矩阵z 中第i行的第j列
元素z
ij
为1，其余元素均为0。
[0097]
搜索反方向矩阵f＝d
‑
z，f
ij
为1表示ied i的搜索反方向上有直接和iedi 相连的iedj，若f
ji
为1表示iedj的搜索反方向上有直接和iedj相连的iedi；若f 矩阵中第i行为全零行表示iedi的搜索反方向上没有直接和iedi相连的ied。
[0098]2‑
3)根据搜索反方向矩阵f对网络关联描述矩阵d进行修订，修订的结果就是故障判别矩阵p。
[0099]
当配电网中发生故障后，每个ied a采样和比较三个分支的电流综合幅值，确定故障搜索的方向，然后根据搜索反方向矩阵对网络关联描述矩阵d进行修订，修订的结果就是故障判别矩阵p。
[0100]
对网络关联描述矩阵d的修订：
[0101]
1)若f第i行是1的元素只有一个f
ij
＝1，即在iedi的搜索反方向上直接和 iedi相连的只有iedi，修订矩阵中d
ii
、d
ij
两个元素，其余元素保持不变，有 p
ii
＝d
ii
+1＝1，p
ij
＝d
ij
‑
1＝0。
[0102]
2)若f第i行是1的元素不止一个，f
ij
＝1、f
ik
＝1，即在iedi的搜索反方向上直接和iedi相连的有iedj、iedk，修订矩阵中d
ii
、d
ij
、d
ik
，其余元素保持不变，有p
ii
＝d
ii
+1＝1，p
ij
＝d
ij
‑
1＝0，p
ik
＝d
ik
‑
1＝0。
[0103]
3)若f的第i行是全零行，即iedi的搜索反方向上没有和i直接相连的ied，则矩阵中第i行的元素不变，即p
ij
＝d
ij
。
[0104]2‑
4)对故障判别矩阵p进行分析，判别故障发生区域：
[0105]
通过以下判据可定位故障搜索区域：
[0106]
1)若p
ij
&p
ji
＝1(i≠j)，故障发生在iedi、iedj之间，反之，二者间没有故障，它的物理意义是：iedi和iedj相邻，iedj在iedi的搜索方向上，iedi也在iedj 的搜索方向上，那么故障就发生在二者之间。
[0107]
2)若p
ii
＝0，此ied所在节点为边缘节点，故障发生在此ied所连接的pv分支上游，它的物理意义是：iedi的搜索反方向没有直接和iedi相连的ied，那么此ied所在节点是边缘节点，且故障发生在此ied的pv分支上游。
[0108]
3)若p
ii
＝1且p
ij
＝0(i≠j)，即此行内除p
ii
＝1外其余元素都是0，则此ied 所在节点是边缘节点，故障发生在此ied的pv分支下游，它的物理意义是：在iedi 的搜索反方向上有直接和iedi相连的iedj，而且只有一个，那么对于处理三个分支的ied来说，此ied所在节点是边缘节点，且故障发生在此ied的pv分支下游。
[0109]
算例分析
[0110]
图5是广域保护下含多个光伏电源的典型配电网，各节点的编号代表各ieda 的编号。
[0111]
根据各节点连接情况形成网络关联描述矩阵d为
[0112][0113]
1、故障发生在中间节点之间：
[0114]
在pv4上游f1处发生故障，ied比较三分支的电流综合幅值，故障搜索正方向矩阵为
[0115][0116]
故障搜索反方向矩阵为
[0117][0118]
对网络关联描述矩阵d进行修订，得到故障判别矩阵p为
[0119][0120]
在p中：p
12
&p
21
＝0，故障未发生在ied 1、ied 2之间，p
24
&p
42
＝1，故障发生在ied 2、ied 4之间，p
31
&p
13
＝0，故障未发生在ied 1、ied 3之间，p
44
＝0， p
55
＝0，p
66
＝0，ied 4、5、6所在节点是边缘节点，故障发生在ied4、5、6的 pv分支上游，综上所述故障发生在ied 2、ied 4之间。
[0121]
2、故障发生在边缘节点下游
[0122]
在pv4下游f2处发生故障，故障搜索正方向矩阵为
[0123][0124]
故障搜索反方向矩阵为
[0125][0126]
得到故障判别矩阵为
[0127][0128]
在判别矩阵p中：p
12
&p
21
＝0，故障未发生在ied 1、ied 2之间， p
24
&p
42
＝0，故障未发生在ied 2、ied 4之间，p
31
&p
13
＝0，故障未发生在ied 1、ied 3之间，p
44
＝1且其余元素为0，则ied 4所在节点是边缘节点，故障发生在ied 4的pv分支下游，p
55
＝0，p
66
＝0，ied 5、6所在节点均为边缘节点，故障发生在ied 5、6的pv分支上游，综上所述故障发生在ied 4的pv分支下游。