基于正序突变量相轨迹辨识的可再生能源配电网电流保护

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23078

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 753-764.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23078

基于正序突变量相轨迹辨识的可再生能源配电网电流保护

王伟杰¹, 曾鑫洁², 徐远途¹, 李书仪², 阮灿华¹, 童宁², 武小梅²

^1.广东电网有限责任公司清远供电局, 广东省清远市 511500
^2.广东工业大学自动化学院, 广东省广州市 510006

收稿日期:2024-01-20 修回日期:2024-04-30 出版日期:2024-08-31 发布日期:2024-08-27
通讯作者: 童宁
作者简介:王伟杰(1991)，男，工程师，主要研究方向为电力系统规划设计，18218301991@189.cn；
童宁(1988)，男，博士，副教授，主要研究方向为电力系统继电保护与直流输电技术，本文通信作者，tongning@gdut.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51907069);中国南方电网有限责任公司科技项目(GDKJXM20220821);广州市基础与应用基础研究项目(202201010188)

Renewable Energy Distribution Network Overcurrent Protection Based on Positive-Sequence Sudden-Change Component Locus Identification

Weijie WANG¹, Xinjie ZENG², Yuantu XU¹, Shuyi LI², Canhua RUAN¹, Ning TONG², Xiaomei WU²

^1.Qingyuan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co. , Ltd. , Qingyuan 511500, Guangdong Province, China
^2.School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China

Received:2024-01-20 Revised:2024-04-30 Published:2024-08-31 Online:2024-08-27
Contact: Ning TONG
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51907069);Science and Technology Project of China Southern Power Grid Co., Ltd(GDKJXM20220821);Basic and Applied Basic Research Project of Guangzhou(202201010188)

摘要/Abstract

摘要：

目的随着可再生能源的大量接入，中性点经小电阻接地的配电网潮流不确定性使得传统三段式电流保护的整定变得日趋复杂，其灵敏性和可靠性都有所降低。为了解决上述问题，提出了一种基于正序突变量电流相轨迹辨识的新型电流保护方法予以应对。方法首先，分析了故障点上游、下游的正序突变量电流大小及其分布特征；其次，利用亲和力聚类算法，根据聚类结果识别定义的主故障路径；最后，提出一种搜索方法，将搜索得到的正序突变量产生源头，即位于主故障路径上的最后一级馈线视为故障馈线。结果基于PSCAD的仿真研究表明，所提出的保护方法能够适应各种故障工况，不受分布式电源加入的影响，具有较高的灵敏度和可靠性。结论研究结果有助于提升中性点经小电阻接地的配电网运行安全性，同时提升故障排查效率。

关键词: 可再生能源, 配电网, 继电保护, 正序突变量, 亲和聚类算法

Abstract:

Objectives With the widespread integration of renewable energy, the uncertainty of power flow in distribution networks with neutral points grounded through small resistors has made the setting of traditional three-stage current protection increasingly complex, and reduced its sensitivity and reliability. To solve the above issues, a new type of current protection based on positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory identification was proposed. Methods Firstly, the magnitude and distribution characteristics of the positive sequence sudden-change variable current upstream and downstream of the fault point were analyzed. Secondly, using the affinity clustering algorithm, the defined “main fault path” based on the clustering results was identified. Finally, a novel searching method was proposed to identify the source of the positive sequence sudden-change variable, which was the last level feeder located on the main fault path, as the faulted feeder. Results Simulation research based on PSCAD shows that the proposed protection method can adapt to various fault conditions, is immune to the integration of renewable energy, and has high sensitivity and reliability. Conclusions The research findings are helpful to enhance the operational safety of distribution networks with neutral points grounded through small resistors, and improve the efficiency of fault detection.

Key words: renewable energy, distribution network, relay protection, positive-sequence sudden-change component, affinity clustering algorithm

中图分类号:

TK 01

王伟杰, 曾鑫洁, 徐远途, 李书仪, 阮灿华, 童宁, 武小梅. 基于正序突变量相轨迹辨识的可再生能源配电网电流保护[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 753-764.

Weijie WANG, Xinjie ZENG, Yuantu XU, Shuyi LI, Canhua RUAN, Ning TONG, Xiaomei WU. Renewable Energy Distribution Network Overcurrent Protection Based on Positive-Sequence Sudden-Change Component Locus Identification[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(4): 753-764.

图/表 24

图1 故障突变量网络示意图

Fig. 1 Diagram of the fault superimposed network

图2 10 kV配电网等效拓扑图

Fig. 2 Equivalent topology of 10 kV distribution network

表1 馈线参数

Tab. 1 Feeder parameters

参数	电阻	电感	电导
序	正/负序；零序	正/负序；零序	正/负序；零序
电抗/(Ω/km)	0.157；0.235	0.103；0.154	1.22×10^-5；8.15×10^-6

表2 馈线配置

Tab. 2 Feeder configurations

馈线编号	馈线类型	馈线长度/km
L₁	电缆	1.00
L₂	电缆	1.00
L₃	电缆	0.65
L₂₁	电缆	1.00
L₂₂	电缆	1.00
L₃₁	电缆	0.60
L₃₂	电缆	0.60
L₃₂₁	电缆	0.94
L₃₂₂	电缆	1.20
L₃₂₁₁	电缆	0.52
L₃₂₁₂	电缆	0.52
L₃₂₂₁	电缆	0.44

图3 不同频率下的相角差

Fig. 3 Angle difference under different frequencies

图4 馈线等级的划分

Fig. 4 Division of feeder grade

图5 保护判据流程

Fig. 5 Flowchart of protection criterion

表3 故障场景1正序突变量幅值与相角

Tab. 3 Amplitude and phase angle of positive sequence sudden-change variable under fault scenario 1

馈线编号	幅值/kA	相角/(°)
L₁	0.005 5	11.21
L₂	0.009 9	17.09
L₃	0.022 4	-159.87
L₂₁	0.004 6	19.49
L₂₂	0.005 3	15.01
L₃₁	0.006 4	5.96
L₃₂	0.028 6	-163.02
L₃₂₁	0.037 1	-165.10
L₃₂₂	0.008 6	7.94
L₃₂₁₁	0.048 7	-167.38
L₃₂₁₂	0.011 7	5.34
L₃₂₂₁	0.008 6	7.94

图6 故障场景1正序突变量电流相轨迹

Fig. 6 Positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory of fault scenario 1

图7 故障场景1聚类结果

Fig. 7 Clustering results of fault scenario 1

图8 故障场景1的聚类中心

Fig. 8 Clustering center of scenario 1

表4 故障场景2正序突变量幅值与相角

Tab. 4 Amplitude and phase angle of positive sequence sudden-change variable under scenario 2

馈线编号	幅值/kA	相角/(°)
L₁	0.167 3	27.35
L₂	0.812 1	-144.44
L₃	0.430 3	30.21
L₂₁	0.218 1	30.21
L₂₂	1.029 5	-145.57
L₃₁	0.123 4	27.56
L₃₂	0.307 9	35.97
L₃₂₁	0.200 9	36.40
L₃₂₂	0.107 0	35.17
L₃₂₁₁	0.100 5	36.40
L₃₂₁₂	0.100 5	36.40
L₃₂₂₁	0.107 0	35.17

图9 故障场景2正序突变量电流相轨迹

Fig. 9 Positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory of fault scenario 2

图10 故障场景2聚类结果

Fig. 10 Clustering results of fault scenario 2

图11 故障场景2的聚类中心

Fig. 11 Clustering center of scenario 2

表5 故障场景3正序突变量幅值与相角

Tab. 5 Amplitude and phase angle of positive sequence sudden-change variable under scenario 3

馈线编号	幅值/kA	相角/(°)
L₁	0.730 8	19.65
L₂	1.301 4	24.80
L₃	1.876 1	24.70
L₂₁	0.608 2	27.06
L₂₂	0.694 1	22.82
L₃₁	0.534 6	18.67
L₃₂	1.345 7	27.11
L₃₂₁	0.878 3	27.54
L₃₂₂	0.467 4	26.30
L₃₂₁₁	0.439 1	27.54
L₃₂₁₂	0.439 1	27.54
L₃₂₂₁	0.467 4	26.30

图12 故障场景3正序突变量电流相轨迹

Fig. 12 Positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory of fault scenario 3

图13 故障场景3聚类结果

Fig. 13 Clustering results of fault scenario 3

图14 故障场景3的聚类中心

Fig. 14 Clustering center of fault scenario 3

图15 分布式电源接入等效拓扑图

Fig. 15 Equivalent topology considering distributed generation access

图16 分布式电源接入的正序突变量电流相轨迹

Fig. 16 Positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory considering distributed generation access

图17 高阻接地场景下正序突变量电流相轨迹

Fig. 17 Positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory under high resistance grounding scenario

图18 含不可测分支的等效拓扑图

Fig. 18 Equivalent topology with unmeasurable branches

图19 含不可测分支的正序突变量电流相轨迹

Fig. 19 Positive sequence sudden-change variable current phasor trajectory with unmeasurable branches

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Renewable Energy Distribution Network Overcurrent Protection Based on Positive-Sequence Sudden-Change Component Locus Identification

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