微电网相间短路故障保护方法和系统与流程

本发明涉及电力系统的微电网保护领域，更具体地讲，涉及一种微电网相间短路故障保护方法和系统。

背景技术：

微电网是指由分布式电源、储能装置、负载、能量转换装置等组成的小型发配电系统。

微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。在微电网接入配电网并在并网运行模式下发生短路故障后，由于有大电网提供短路电流，微电网的故障电流较大，故可以采用传统的三段式电流保护并利用方向元件等常规手段进行故障保护。然而，当微电网在孤岛模式下运行或者微电网为独立型微电网时，在微电网发生短路故障后，微电网的短路电流主要由微电网内部的各种分布式电源提供，微电网内部的分布式电源按照接口分类主要分为变流器型、同步电机型、异步电机型。这三种类型的分布式电源对于短路电流的贡献不同，变流器型分布式电源由于电力电子器件的限制，其最大输出电流不超过额定电流的2倍。因此，传统的三段式电流保护手段在微电网孤岛模式下可能发生拒动。

因此，需要利用新的保护方法应对运行在孤岛模式下的微电网中所发生的包括相间短路故障在内的各种故障。

技术实现要素：

为了至少解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种微电网相间短路故障保护方法和系统。

本发明的一方面在于提供一种微电网相间短路故障保护方法，所述微电网相间短路故障保护方法包括：针对在孤岛模式下运行的中性点不接地的微电网，计算微电网中的支路的负序电压分量和负序电流分量；根据支路的负序电压分量和负序电流分量计算支路的负序有功功率；根据支路的负序有功功率的极性来确定支路是否发生相间短路故障，其中，所述微电网是中压微电网或低压微电网。

计算支路的负序电压分量和负序电流分量的步骤可包括：通过基于广义二阶积分器的正负序提取方法计算支路的负序电压α分量v_α、负序电压β分量v_β、负序电流α分量i_α以及负序电流β分量i_β。

计算支路的负序有功功率的步骤可包括：根据以下等式计算支路的负序有功功率p：

p＝(v_α×i_α+v_β×i_β)×1.5。

确定支路是否发生相间短路故障的步骤可包括：如果支路的负序有功功率的极性为正，则确定支路具有低的相间短路故障发生可能性；以及如果支路的负序有功功率的极性为负，则确定支路具有高的相间短路故障发生可能性。

所述微电网相间短路故障保护方法还可包括：当确定支路具有高的相间短路故障发生可能性时，进行以下操作：直接确定具有高的相间短路故障发生可能性的支路发生了相间短路故障；或者，计算具有高的相间短路故障发生可能性的支路的负序无功功率，如果计算出的支路的负序无功功率的极性为负，则确定支路发生了相间短路故障。

根据以下等式计算支路的负序无功功率q：

q＝(v_β×i_α－v_α×i_β)×1.5。

所述微电网相间短路故障保护方法还可包括：当确定支路发生了相间短路故障时，切除发生了相间短路故障的支路。

本发明的另一方面在于提供一种微电网相间短路故障保护系统，包括：计算单元，针对在孤岛模式下运行的中性点不接地的微电网计算微电网中的支路的负序电压分量和负序电流分量，并根据支路的负序电压分量和负序电流分量计算支路的负序有功功率；故障确定单元，根据支路的负序有功功率的极性来确定支路是否发生相间短路故障，其中，所述微电网是中压微电网或低压微电网。

所述计算单元可通过基于广义二阶积分器的正负序提取方法计算支路的负序电压α分量v_α、负序电压β分量v_β、负序电流α分量i_α以及负序电流β分量i_β。

所述计算单元可根据以下等式计算支路的负序有功功率p：

p＝(v_α×i_α+v_β×i_β)×1.5。

如果支路的负序有功功率的极性为正，则所述故障确定单元可确定该支路具有低的相间短路故障发生可能性；以及如果支路的负序有功功率的极性为负，则所述故障确定单元可确定该支路具有高的相间短路故障发生可能性。

当确定支路具有高的相间短路故障发生可能性时：所述故障确定单元可直接确定具有高的相间短路故障发生可能性的支路发生了相间短路故障，或者，所述计算单元可计算确定的具有高的相间短路故障发生可能性的支路的负序无功功率，如果计算出的支路的负序无功功率的极性为负，则所述故障确定单元可确定该支路发生了相间短路故障。

所述计算单元可根据以下等式计算支路的负序无功功率q：

q＝(v_β×i_α－v_α×i_β)×1.5。

所述微电网相间短路故障保护系统还可包括：故障处理单元，当确定支路发生了相间短路故障时，切除发生了相间短路故障的支路。

所述计算单元的数量、所述故障确定单元的数量和所述故障处理单元的数量可均与所述微电网中的支路的数量相同，并且，每个支路可对应于一个计算单元、一个故障确定单元和一个故障处理单元。

可选地，所述计算单元的数量、所述故障确定单元的数量和所述故障处理单元的数量可均为1。

本发明的一方面在于提供一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序包括用于执行以上所述的微电网相间短路故障保护方法的指令。

本发明的一方面在于提供一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质，所述程序包括用于执行以上所述的微电网相间短路故障保护方法的指令。

附图说明

通过下面结合附图对本发明示例性实施例的详细描述，本领域技术人员将会获得对本发明的全面理解，其中：

图1示出了在孤岛模式下运行的微电网拓扑图；

图2是示出根据本发明的示例性实施例的微电网相间短路故障保护方法的流程图；

图3示出了广义二阶积分器的框图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的微电网相间短路故障保护系统的框图。

图5至图7分别是在放电模式下的储能支路发生相间短路故障时储能支路、负载支路和光伏支路的负序功率波形图；

图8至图10分别是在充电模式下的储能支路发生相间短路故障时储能支路、负载支路和光伏支路的负序功率波形图；

图11至图13分别是在负载支路发生相间短路故障时负载支路、储能支路和光伏支路的负序功率波形图；

图14至图16分别是在光伏支路发生相间短路故障时光伏支路、储能支路和负载支路的负序功率波形图。

具体实施方式

现在将详细参照本公开的示例性实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指示相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便于解释本发明。显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。

在进行详细说明之前，对本公开中涉及的技术术语进行描述，以便于对本公开的具体内容的理解：

等值网络：电力系统中在发生短路时会产生一组不对称的电动势，电动势的各相电势与各相不对称电压大小相等、方向相反，这与发生不对称故障是等效的。当网络中发生不对称故障时，可以用在故障点接入一组不对称的电势源来代替不对称故障发生后产生的不对称电动势，这组不对称电势源可分解为正序、负序和零序三组对称分量，从而可得到等值网络。

相间短路：两相之间短路；

三相短路：三相之间短路；

中压微电网：6-35kv下的微电网；

正向故障和反向故障：从保护安装处看出去，在“母线指向线路”方向上发生的故障称为正向故障，反之称之为反向故障。

在以下的描述中将以中性点不接地的10kv的中压微电网为例对本发明进行描述，但是本发明不限于此，本发明可以被应用于中性点不接地的其它电压等级的中压微电网，并且也可以被推广应用于低压微电网(例如400v的低压微电网)。

图1示出了在孤岛模式下运行的微电网的拓扑图。

如图1中所示，所述微电网是辐射式拓扑结构，该拓扑结构包括三个支路，即，负载支路、储能支路和光伏支路，并且，所述微电网与大电网之间的公共连接点处于断开状态，因此所述微电网运行在孤岛模式下。

当所述微电网中发生相间短路时，所述微电网中会出现负序电压和负序电流。下面将参照图2详细地描述根据本发明的示例性实施例的微电网相间短路故障保护方法。

图2是示出根据本发明的示例性实施例的微电网相间短路故障保护方法的流程图。

如图2中所示，在步骤s100，针对在孤岛模式下运行的中性点不接地的微电网，计算微电网中的支路的负序电压分量和负序电流分量。

具体地讲，通过基于广义二阶积分器的正负序提取方法计算支路的负序电压α分量v_α、负序电压β分量v_β、负序电流α分量i_α以及负序电流β分量i_β。具体地讲，在如图1中所示的微电网包括三个支路的情况下，分别针对这三个支路中的每一条支路计算负序电压α分量v_α、负序电压β分量v_β、负序电流α分量i_α以及负序电流β分量i_β。下面将参照图3对此计算过程进行详细的描述。

图3示出了广义二阶积分器的框图，其中，v表示输入信号；k表示增益系数；ω0为无阻尼自然频率；e和eq均表示二阶广义积分器的输出信号，两者的相位相差90°，eq相位滞后e相位90°。由于每个支路的负序电压和负序电流的计算过程均相同，所以下面以负载支路为例进行说明。

首先，通过clark变换将abc坐标系下的三项瞬时值变换到αβ0坐标系下。

然后，将负序电压α分量v_α作为上述二阶广义积分器的输入信号v，并将输出信号e与eq分别定义为dα、qα，其中，qα相位滞后dα相位90°。

然后，将负序电压β分量v_β作为上述二阶广义积分器的输入信号v，并输出信号e与eq分别定义为dβ、qβ，其中，qβ相位滞后dβ相位90°。

此后，根据以下等式(1)和(2)，通过正负序提取方法得到负序电压α分量v_α和β分量v_β：

v_α＝0.5dα+0.5qβ(1)

v_β＝-0.5qα+0.5dβ(2)

此外，负序电流α分量i_α和负序电流β分量i_β的计算等式与负序电压α分量v_α和负序电压β分量v_β的计算等式一样，仅需要将负序电流α分量i_α和负序电流β分量i_β分别作为上述二阶广义积分器的输入信号v就可以，因此，此处不再进行重复的描述。

通过步骤s100可以得到支路的负序电压分量和负序电流分量，此后，在步骤s200，根据支路的负序电压分量和负序电流分量计算支路的负序有功功率。由于每个支路的负序有功功率的计算过程均相同，所以下面以负载支路为例进行说明。

具体地讲，根据以下等式(3)计算负载支路的负序有功功率p：

p＝(v_α×i_α+v_β×i_β)×1.5(3)

其中，v_α、v_β、i_α和i_β分别是负载支路的负序电压α分量、负序电压β分量、负序电流α分量以及负序电流β分量。

在步骤s300，可根据支路的负序有功功率的极性来确定支路是否发生相间短路故障。

具体地讲，在确定支路是否发生相间短路故障的过程中，如果支路的负序有功功率的极性为正，则确定该支路具有低的相间短路故障发生可能性，在这种情况下，可以确定该支路未发生相间短路故障，这种情况也被称为反向故障，可以将该支路闭锁返回。

如果支路的负序有功功率的极性为负，则确定该支路具有高的相间短路故障发生可能性。

具体地讲，当确定支路具有高的相间短路故障发生可能性时，可以直接确定具有高的相间短路故障发生可能性的支路发生了相间短路故障。在这种情况下，可以在保证一定精确度的情况下非常快速地确定该支路发生了相间短路故障，这种情况也被称为正向故障。

可选地，当确定支路具有高的相间短路故障发生可能性时，也可以进一步根据该支路的负序无功功率的极性来进一步地提高相间短路故障判断的精度。具体地讲，可以进一步计算确定的具有高的相间短路故障发生可能性的支路的负序无功功率，并判断该支路的负序无功功率的极性是否为负，如果该支路的负序无功功率的极性也为负，则可以确定该支路确实发生了相间短路故障。通过这样的进一步操作，可以在快速且准确地确定支路是否发生了相间短路故障，其中，可以根据以下的等式(4)来计算支路(例如，具有高的相间短路故障发生可能性的支路)的负序无功功率q。

q＝(v_β×i_α－v_α×i_β)×1.5(4)

通过步骤s300，最终快速准确地确定出支路是否发生了相间短路故障，即支路是否存在正向故障。

可选地，可在以上描述步骤s200之前首先根据以下的等式(5)分别计算支路的负序电压的有效值r，然后判断支路的负序电压的有效值r大于或等于预定阈值，如果支路的负序电压的有效值r大于或等于所述预定阈值，则针对相应的支路进行步骤s200，否则返回步骤s100，其中，所述预定阈值可以由用户根据实际情况进行设置。

此外，所述微电网相间短路故障保护方法可以根据在步骤s300的确定结果进行进一步的保护工作。具体地讲，当确定支路发生了相间短路故障时，所述微电网相间短路故障保护方法可以切除发生了相间短路故障的支路，如果确定支路未发生相间短路故障，则闭锁返回。

以上参照图2和图3描述的微电网相间短路故障保护方法可以并行地同时针对微电网中的所有支路被执行，这样可以针对每个支路独立且有针对性地快速响应。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的微电网相间短路故障保护系统10的框图。

如图4中所示，微电网相间短路故障保护系统10可包括计算单元100和故障确定单元200。

所述计算单元100可针对在孤岛模式下运行的中性点不接地的微电网计算微电网中的支路的负序电压分量和负序电流分量。所述微电网可以是中压微电网或低压微电网。

具体地讲，所述计算单元100可通过基于广义二阶积分器的正负序提取方法计算支路的负序电压α分量v_α、负序电压β分量v_β、负序电流α分量i_α以及负序电流β分量i_β。具体地讲，在如图1中所示的微电网包括三个支路的情况下，分别针对这三个支路中的每一条支路计算负序电压α分量v_α、负序电压β分量v_β、负序电流α分量i_α以及负序电流β分量i_β。由于以上已参照图3对此过程进行了详细的描述，因此，此处不再进行赘述。

在计算出支路的负序电压分量和负序电流分量之后，所述计算单元100可根据支路的负序电压分量和负序电流分量计算支路的负序有功功率。具体地讲，所述至少一个计算单元100可根据以上的等式(3)来计算支路的负序有功功率。由于以上已进行了详细描述，因此，此处不再进行赘述。

所述故障确定单元200可根据支路的负序有功功率的极性来确定支路是否发生相间短路故障。

具体地讲，在确定支路是否发生相间短路故障的过程中，如果支路的负序有功功率的极性为正，则所述故障确定单元200可确定该支路具有低的相间短路故障发生可能性，在这种情况下，所述故障确定单元200可以确定该支路未发生相间短路故障，这种情况也被称为反向故障，该支路可被闭锁返回。

如果支路的负序有功功率的极性为负，则所述故障确定单元200可确定该支路具有高的相间短路故障发生可能性。

具体地讲，当确定支路具有高的相间短路故障发生可能性时，所述故障确定单元200可以直接确定具有高的相间短路故障发生可能性的支路发生了相间短路故障。在这种情况下，可以在保证一定精确度的情况下非常快速地确定该支路发生了相间短路故障，这种情况也被称为正向故障。

可选地，当确定支路具有高的相间短路故障发生可能性时，所述故障确定单元200也可以进一步根据该支路的负序无功功率的极性来进一步地提高相间短路故障判断的精度。具体地讲，在这种情况下，所述计算单元100可以进一步计算确定的具有高的相间短路故障发生可能性的支路的负序无功功率，然后所述故障确定单元200可判断该支路的负序无功功率的极性是否为负，如果该支路的负序无功功率的极性也为负，则所述故障确定单元200可以确定该支路确实发生了相间短路故障。通过这样的进一步操作，可以在快速且准确地确定支路是否发生了相间短路故障，其中，所述计算单元100可以根据以上的等式(4)来计算支路(例如，具有高的相间短路故障发生可能性的支路)的负序无功功率q。

据此，微电网相间短路故障保护系统10可最终快速准确地确定出各个支路是否发生了相间短路故障，即确定出正向故障的支路。

可选地，在计算出支路的负序电压分量和负序电流分量之后，所述计算单元100可首先根据以上的等式(5)分别计算支路的负序电压的有效值r，然后判断支路的负序电压的有效值r大于或等于预定阈值，如果支路的负序电压的有效值r大于或等于所述预定阈值，则所述计算单元100才根据相应的支路的负序电压分量和负序电流分量计算相应支路的负序有功功率。

此外，微电网相间短路故障保护系统10还可以包括故障处理单元300。当所述故障确定单元200确定支路发生了相间短路故障时，所述故障处理单元300可切除发生了相间短路故障的支路，如果所述故障确定单元200确定支路未发生相间短路故障，则所述故障处理单元300针对未发生相间短路故障的支路闭锁返回。

虽然图4中所示出的微电网相间短路故障保护系统10仅包括一个计算单元100、一个故障确定单元200和一个故障处理单元300，也就是说，可以利用一个计算单元100、一个故障确定单元200和一个故障处理单元300来实现对微电网中的所有支路的故障保护，但是可选地，微电网相间短路故障保护系统10可以包括多个计算单元100、多个故障确定单元200和多个故障处理单元300，并且计算单元100的数量、故障确定单元200的数量和故障处理单元300的数量可以均与所述微电网中的支路的数量相同，并且每个支路对应于一个计算单元100、一个故障确定单元100和一个故障处理单元100，换句话说，可以利用一个计算单元100、一个故障确定单元200和一个故障处理单元300来形成对一个支路的故障保护，例如，在微电网中存在三个支路的情况下，微电网相间短路故障保护系统10可包括3个计算单元100、3个故障确定单元200和3个故障处理单元300。

可选地，本发明不限于此，可以采用任何合适数量的所述至少一个计算单元200、所述至少一个故障确定单元200和所述至少一个故障处理单元300来实现以上描述的对微电网中的支路的故障保护。

以上描述了微电网相间短路故障保护方法和系统的发明构思，下面将进一步描述它们在支路故障判断中的应用。

图5至图16示出了图1中所示的微电网中的各个支路在发生相间短路故障时的负序功率波形图的情况，为了更清楚地对各个支路的负序功率波形图进行比较，图5至图16中均示出了各个支路的负序有功功率和负序无功功率的情况。

图5至图7分别是在放电模式下的储能支路发生相间短路故障时储能支路、负载支路和光伏支路的负序功率波形图。从图5至图7中可以看出，图5中示出的在放电模式下的储能支路的负序有功功率和负序无功功率的极性均为负，而图6和图7中分别示出的负载支路和光伏支路的负序有功功率均为正，根据这一特性，可以确定出与图5相应的放电模式下的储能支路发生了相间短路故障，而与图6相应的负载支路和与图7相应的光伏支路未发生故障，进而所述微电网相间短路故障保护方法或系统可根据确定的结果切除发生相间短路故障的储能支路。

图8至图10分别是在充电模式下的储能支路发生相间短路故障时储能支路、负载支路和光伏支路的负序功率波形图。从图8至图10中可以看出，图8中示出的在充电模式下的储能支路的负序有功功率和负序无功功率的极性均为负，而图9和图10中分别示出的负载支路和光伏支路的负序有功功率均为正，根据这一特性，可以确定出与图8相应的充电模式下的储能支路发生了相间短路故障，而与图9相应的负载支路和与图10相应的光伏支路未发生故障，进而所述微电网相间短路故障保护方法或系统可根据确定的结果切除发生相间短路故障的储能支路。

从以上描述的图5至图10中可以看出，所述微电网相间短路故障保护方法或系统对于充电模式和放电模式均适用，无论是在充电模式下还是在放电模式下，只要判断出某个支路的负序有功功率的极性为负或者某个支路的负序无功功率和负序有功功率的极性均为负，那么就可以确定该支路发生了相间短路故障，而不需要按照工作模式来切换保护策略。

图11至图13分别是在负载支路发生相间短路故障时负载支路、储能支路和光伏支路的负序功率波形图。从图11至图13中可以看出，图11中示出的负载支路的负序有功功率和负序无功功率的极性均为负，而图12和图13中分别示出的储能支路和光伏支路的负序有功功率均为正，根据这一特性，可以确定出与图11相应的负载支路发生了相间短路故障，而与图12相应的储能支路和与图13相应的光伏支路未发生故障，进而所述微电网相间短路故障保护方法或系统可根据确定的结果切除发生相间短路故障的负载支路。

图14至图16分别是在光伏支路发生相间短路故障时光伏支路、储能支路和负载支路的负序功率波形图。从图14至图16中可以看出，图14中示出的光伏支路的负序有功功率和负序无功功率的极性均为负，而图15和图16中分别示出的储能支路和负载支路的负序有功功率均为正，根据这一特性，可以确定出与图14相应的光伏支路发生了相间短路故障，而与图15相应的储能支路和与图16相应的负载支路未发生故障，进而所述微电网相间短路故障保护方法或系统可根据确定的结果切除发生相间短路故障的光伏支路。

以上所述的微电网相间短路故障保护方法和系统无需计算负序电压和电流的相角，仅通过根据各个支路的负序有功功率的极性就可以确定支路是否发生了相间短路故障，大大地降低了故障判断的复杂度。

此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序可包括用于执行上述微电网相间短路故障保护方法中的各种操作的指令。具体而言，所述程序可以包括用于执行参照图2所描述的各个步骤的指令。

此外，本发明还提供了一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质，所述程序包括用于执行上述微电网相间短路故障保护方法中的各种操作的指令。具体而言，所述程序可包括用于执行参照图2所描述的各个步骤的指令。

以上描述了本发明的各示例性实施例，应理解，上述描述仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明不限于所披露的各示例性实施例。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的范围为准。