基于参考电压的新形态配电网纵联比较保护方法

作     者：王泽乾 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛伟

授予年度：2023年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：新形态配电网 参考电压 电压二次积分 波形相似性比较 余弦相似度 纵联比较 

摘      要：“双碳目标的提出推动了新型电力系统的快速构建及新能源发电的快速发展,配电网是新型电力系统的重要组成部分,担负着分配电能、为用户可靠供电的任务,且新能源大多以分布的形式接入配电网。随着大规模新能源发电接入配电网,电力电子技术、直流配用电技术、数字化技术、智能化技术的应用,使得配电网正在发生深刻变革,由传统形态向新形态快速转变。新形态配电网能够有效地增加新能源消纳能力、降低能耗成本、提高能源利用效率,是配电网发展的必然趋势。然而新形态配电网结构复杂多样,包含直流电网、交流电网及交直流混联电网,供电电源包含高比例分散接入的新能源。这导致新形态配电网的运行原理、故障电气量特性、信号类型与传统交流系统差别明显,传统的交流保护原理不适合直接应用到新形态配电网中,因此亟需研究面向新形态配电网的保护原理,用于提高新形态配电网的运行安全性和供电可靠性。本文基于测量电压、电流和线路模型定义了参考电压,根据不同位置故障时测量电压与参考电压的波形及幅值关系,研究了适用于新形态配电网的保护方法。论文的主要工作内容如下:(1)根据新形态配电网故障后输出电压、电流的特征,提出了一种基于参考电压的纵联比较保护原理。首先,介绍了新形态配电网的典型结构,并确定了本文所研究的柔性直流配电网、含DG交流配电网及交直流混联配电网的结构;其次,采用仿真方法分析了在此结构下各形态配电网的故障特征;最后,在此基础上提出了基于参考电压的纵联比较保护原理,对参考点位置和线路模型的选取进行了分析,并设计了相应的纵联比较逻辑。该保护原理基本不受电源类型、运行方式的影响,适用于新形态配电网的各种结构形态。(2)针对柔性直流配电网,根据参考电压的保护原理,并基于柔性直流配电线路在区内外故障时参考电压幅值正负性的差异,提出了一种基于参考电压二次积分值的纵联比较保护方法。首先,分析了在换流器子模块不同故障阶段的故障特性,并推导了参考电压正负极性与区内、外故障的关系,发现参考电压正极性对应保护范围外部故障、参考电压负极性对应保护范围内部故障的规律;其次,在此对应关系的基础上,提出了基于参考电压二次积分值的保护方法,采用计算二次积分值的方法提高保护判据的可靠性,并分析了保护判据的延时和断路器的动作时间;最后,在PSCAD/EMTDC上搭建了柔性直流配电网故障仿真模型,验证了该保护方法具有较高的可靠性和良好的适用性,且具有较强的抗过渡电阻能力,对分布电容和噪声干扰导致的计算误差也具有良好的应对能力。此外,该保护方法最快能够在1 ms内动作,且可以适用于故障后全过程。(3)针对含DG交流配电网,根据参考电压的保护原理,并基于含DG交流配电线路在区内外故障时测量电压与参考电压波形相似性的差异,提出了一种基于参考电压波形相似性的纵联比较保护方法。首先,从DG类型及DG接入位置两方面分析了DG接入对配电网保护的影响;其次,分析并推导了在区内外故障时测量电压与参考电压的波形关系,发现测量电压与参考电压波形相似对应保护范围外部故障、测量电压与参考电压波形不相似对应保护范围内部故障的规律;再次,在此对应关系基础上,提出了基于参考电压波形相似性的纵联比较保护方法,采用余弦相似度表征波形相似性;最后,在PSCAD/EMTDC上搭建了含DG交流配电网故障仿真模型,验证了该保护方法具有较高的可靠性和良好的适用性,具有一定的抗过渡电阻能力,不受不可测负荷分支的影响,且受噪声干扰的影响较小。(4)针对交直流混联配电网,根据直流配电网和交流配电网的基于参考电压保护方法在交直流混联配电网的适应性,采用基于参考电压波形相似性的纵联比较保护方法。首先,分析了交直流混联配电网中交流侧及直流侧发生故障时的故障耦合特性;其次,对直流配电网和含DG交流配电网的基于参考电压保护方法的适应性进行分析,发现基于参考电压波形相似性的纵联比较保护方法完全适用于交直流混联配电网;最后,在PSCAD/EMTDC上搭建了交直流混联配电网故障仿真模型,验证了基于参考电压波形相似性的纵联比较保护方法在交直流混联配电网中具有良好的可靠性和适用性。