基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护方法及系统与流程

本发明属于电力系统及其自动化，涉及一种量测信息缺失的有源配网功率差动后备保护方案。

背景技术：

1、新能源并网接入作为实现国家能源战略目标的有效手段，并网接入比例预计未来将超过集中式电站。然而含光伏、储能和风机的高比例多源新能源接入，使得配网拓扑结构改变，光伏、储能和风机的新能源接入所形成的多源运行方式造成潮流双向流动；新能源接入所采用的电力电子变流器，引入了大量谐波或弱特性，对电网安全稳定运行造成冲击；同时，受成本限制，配网中量测装置缺失，光伏等新能源多以t接形式并网接入，造成保护范围内存在多源不可观测；加之光伏、储能和风机的新能源对输出电流或功力的主动控制导致故障特性变化复杂，使得现有的保护原则无法适应大规模新能源，降低保护四性，冲击电网的坚强性。因此，研究适用于光伏、储能和风机的高比例新能源接入状态下配网保护原理，有助于削弱光伏、储能和风机的新能源接入对于配网安全稳定的影响，打破高比例新能源并网的技术壁垒。

2、差动保护基于保护区域内两侧装置的电气采集信息构建保护判据，具有很强的速动和选择性，对数据同步要求极高，国内外研究学者针对新能源并网接入的故障特性提出相应的纵联保护算法。主要的纵联保护方案有：(1)针对故障后正序电流相角变化，提出基于正序电流相角变化的差动保护方案；(2)基于正反向故障相位变化故障特性，提出基于短路电流变化的保护方案；(3)基于频率偏移、电流和噪声进行傅里叶变换，精确提取相位信息，确定相角变化范围，所提出保护方案选择性较好，但是计算复杂且需在新能源并网接入位置增加量测装置。现有方法没有考虑光伏、储能和风机的新能源t接方式并网接入情况，双端纵联通道只能实现线路两侧的电气交换，光伏、储能和风机的新能源采用t接方式并网接入后，在保护范围内的新能源的电气信息无法传递到线路量测，光伏、储能和风机的新能源输出对于两侧的保护装置来说是未知的。在这种情况下，保护范围内新能源的输出电流本质上与不平衡电流相同，保护的整定值必须计及新能源最大输出电流，随着高比例新能源的接入，保护极易拒动尤其是经高阻接地的故障。加之，由于配网的通信条件限制，需要严格对时的纵联差动保护具有一定的局限性。因此，针对光伏、储能和风机的新能源t接并网的情况，需要实时估算新能源运行状态，且方向纵联保护对数据的同步性要求不高，能够很好解决配网通信条件差的问题。

3、基于以上分析，急需研究一种基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服故障前后在光伏、储能和风机的逆变型电源接入系统中，正序方向元件和负序方向元件的动作性能均受逆变型电源控制策略、故障条件以及负荷电流影响，导致传统纵联方向保护可靠性降低。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、一种基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护方法，包括以下步骤：

4、步骤一：基于将序电流突变量作为启动判据，采用当区域内量测到的单位t时间段序电流突变量大于整定值iop时，区域内保护装置启动；

5、步骤二：基于故障分量计算逆变型电源接入下故障分量序阻抗，受故障穿越控制策略、故障条件和负荷电流影响，逆变型电源等效正负序阻抗突变，消除dg变化阻抗角，采用相角补偿的方式补偿dg带来的相角变化；

6、步骤三：基于更新后故障功率方向判断故障区域；通过新能源故障分量阻抗补偿，得到更新后正负序阻抗方向，重新计算序功率方向，功率方向相同则为区内故障，保护装置动作切除故障分支，实现基于故障分量功率极性纵联保护。

7、本发明首先利用序电流突变量作为启动元件判断系统运行状态，其次，保护启动后通过潮流推算并网电压，根据计算的并网点电压推算新能源故障分量阻抗；最后，通过新能源故障分量阻抗补偿，重新计算序功率方向确定故障位置，实现基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护。本发明采用故障前后新能源阻抗变化等价关系，确定不含新能源的网络二端口等效阻抗值，从而自适应的相角补偿量，补偿故障后新能源控制策略转变带来的相角变化，更新故障分量功率方向，实现保护区域内故障分量功率极性纵联保护准确动作；传统的纵联方向保护在逆变型电源接入后阻抗变化带来的保护失效，该方案能够适用逆变型分布式能源接入保护情况，最后，通过pscad仿真验证故障相角计算的准确性，所提出的保护方案不受装置延时、过渡电阻和噪声的影响。

8、其基本原理是，针对故障后光伏、储能和风机的新能源控制策略转变带来的相角变化，提出基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护，该方案采用故障后新能源相角变化值决定补偿的程度，从而自动计算原始网络阻抗关系，补偿故障后新能源相角变化，实现故障分量功率极性纵联保护准确动作。

9、进一步的，所述步骤一中区域内保护装置启动具体为：

10、

11、其中，di(1)m/dt、di(2)m/dt、di(0)m/dt为区域内保护首端测点m检测的正序、负序和零序电流突变量；di(1)n/dt、di(2)n/dt、di(0)n/dt为区域内保护首端测点n检测的正序、负序和零序电流突变量；i(1)op、i(2)op、i(0)op为序电流突变量门槛值。

12、进一步的，所述步骤二通过计算并网点电压确定故障穿越的控制方式以及相应的p*0、q*0，具体计算方法为：从m和n端推算并网点的dg并网点pcc的电压，计算公式如下：

13、

14、

15、

16、其中，um_pcc为从m点推算的并网点电压；un_pcc为从n点推算的并网点电压，upcc并网点电压实时估算值；um和im为m点电压和电流；un和in为n点电压和电流，ε为电压差值门槛；根据计算并网电压值确定故障穿越的控制方式以及相应的p*0、q*0；p*0、q*0为有功、无功功率直流分量参考值。

17、进一步的，所述步骤二中计算突变阻抗方法为：计算区域内正序和负序突变阻抗幅值和相角：

18、

19、

20、

21、

22、其中，系数k取0、1和-1，对应故障穿越控制目标分别为消除负序电流、消除有功和无功功率波动；和为dg等效正序阻抗变化幅值和相角；和为dg等效负序阻抗变化幅值和相角；unm、inm为逆变型电源额定相电压相电流峰值；δθ为正序电压跳变角；k1、k2、k3为为正、负序电压跌落系数、负荷电流与额定电流的比值；m和n为控制约束参数。

23、进一步的，所述步骤二中消除dg变化阻抗角的具体方法为：电网故障后，测点m和n测到的故障分量等效阻抗为：

24、

25、

26、

27、

28、其中，将测点m和n出口正、负序δu和δi的比值定义为等效正、负序故障分量测量阻抗δz(1)、δz(2)；u、i为m和n测量工频电压、电流相量，电流正方向为流出电源，下标fault、0分别为故障后和故障前电气量；

29、得到故障分量等效阻抗后，需要消除电网故障后逆变型电源对网络方向特性的干扰，计算方法如下：

30、z(1)new＝z(1)fault-δz(1)dg

31、z(2)new＝z(2)fault-δz(2)dg

32、其中，znew(1)、znew(2)为消除掉dg影响后网络的故障分量正负序阻抗。

33、进一步的，所述步骤三中更新故障后功率方向的具体方法为：消除电网故障后逆变型电源对网络方向特性的干扰后，重新计算功率方向，计算方法如下：

34、z(1)dir＝argz(1)new＝arccosz(1)new

35、z(2)dir＝argz(2)new＝arccosz(2)new

36、其中，zdir(1)、zdir(2)为更新后正负序阻抗方向。

37、进一步的，所述步骤三中判断区内和区外故障具体方法为：

38、d(1)＝z(1)m,dir×z(1)n,dir

39、d(2)＝z(1)m,dir×z(1)n,dir

40、其中，d(1)和d(2)为更新后正负序功率方向；当d(1)和d(2)均小于0，则判断为区外故障，当d(1)和d(2)均大于0，则判断为区内故障。

41、与上述方法对应的，本发明还提供一种基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护系统，包括：

42、保护启动模块，用于基于将序电流突变量作为启动判据，采用当区域内量测到的单位t时间段序电流突变量大于整定值iop时，区域内保护装置启动；

43、dg变化阻抗角消除模块，用于基于故障分量计算逆变型电源接入下故障分量序阻抗，受故障穿越控制策略、故障条件和负荷电流影响，逆变型电源等效正负序阻抗突变，消除dg变化阻抗角，采用相角补偿的方式补偿dg带来的相角变化；

44、故障区域判断模块，用于基于更新后故障功率方向判断故障区域；通过新能源故障分量阻抗补偿，得到更新后正负序阻抗方向，重新计算序功率方向，功率方向相同则为区内故障，保护装置动作切除故障分支，实现基于故障分量功率极性纵联保护。

45、进一步的，所述dg变化阻抗角消除模块中通过计算并网点电压确定故障穿越的控制方式以及相应的p*0、q*0，具体计算方法为：从m和n端推算并网点的dg并网点pcc的电压，计算公式如下：

46、

47、

48、

49、其中，um_pcc为从m点推算的并网点电压；un_pcc为从n点推算的并网点电压，upcc并网点电压实时估算值；um和im为m点电压和电流；un和in为n点电压和电流，ε为电压差值门槛；根据计算并网电压值确定故障穿越的控制方式以及相应的p*0、q*0；p*0、q*0为有功、无功功率直流分量参考值；

50、计算突变阻抗方法为：计算区域内正序和负序突变阻抗幅值和相角：

51、

52、

53、

54、

55、其中，系数k取0、1和-1，对应故障穿越控制目标分别为消除负序电流、消除有功和无功功率波动；和为dg等效正序阻抗变化幅值和相角；和为dg等效负序阻抗变化幅值和相角；unm、inm为逆变型电源额定相电压相电流峰值；δθ为正序电压跳变角；k1、k2、k3为为正、负序电压跌落系数、负荷电流与额定电流的比值；m和n为控制约束参数；

56、消除dg变化阻抗角的具体方法为：电网故障后，测点m和n测到的故障分量等效阻抗为：

57、

58、

59、

60、

61、其中，将测点m和n出口正、负序δu和δi的比值定义为等效正、负序故障分量测量阻抗δz(1)、δz(2)；u、i为m和n测量工频电压、电流相量，电流正方向为流出电源，下标fault、0分别为故障后和故障前电气量；

62、得到故障分量等效阻抗后，需要消除电网故障后逆变型电源对网络方向特性的干扰，计算方法如下：

63、z(1)new＝z(1)fault-δz(1)dg

64、z(2)new＝z(2)fault-δz(2)dg

65、其中，znew(1)、znew(2)为消除掉dg影响后网络的故障分量正负序阻抗。

66、进一步的，所述故障区域判断模块中更新故障后功率方向的具体方法为：

67、消除电网故障后逆变型电源对网络方向特性的干扰后，重新计算功率方向，计算方法如下：

68、z(1)dir＝argz(1)new＝arccosz(1)new

69、z(2)dir＝argz(2)new＝arccosz(2)new

70、其中，zdir(1)、zdir(2)为更新后正负序阻抗方向。

71、所述故障区域判断模块中判断区内和区外故障具体方法为：

72、d(1)＝z(1)m,dir×z(1)n,dir

73、d(2)＝z(1)m,dir×z(1)n,dir

74、其中，d(1)和d(2)为更新后正负序功率方向；当d(1)和d(2)均小于0，则判断为区外故障，当d(1)和d(2)均大于0，则判断为区内故障。

75、本发明的优点在于：

76、本发明采用故障前后新能源阻抗变化等价关系，确定不含新能源的网络二端口等效阻抗值，从而自适应的相角补偿量，补偿故障后新能源控制策略转变带来的相角变化，更新故障分量功率方向，实现保护区域内故障分量功率极性纵联保护准确动作；传统的纵联方向保护在逆变型电源接入后阻抗变化带来的保护失效，该方案能够适用逆变型分布式能源接入保护情况，最后，通过pscad仿真验证故障相角计算的准确性，所提出的保护方案不受装置延时、过渡电阻和噪声的影响。

77、其基本原理是，针对故障后光伏、储能和风机的新能源控制策略转变带来的相角变化，提出基于相角补偿的故障分量功率极性纵联保护，该方案采用故障后新能源相角变化值决定补偿的程度，从而自动计算原始网络阻抗关系，补偿故障后新能源相角变化，实现故障分量功率极性纵联保护准确动作。