一种含逆变型分布式电源的配电网纵联

保护系统

  完成单位：山东科技大学

  主要完成人：张超、徐明燕、高岩、刘宇、王志源、王涛、柴龙安

一、研发背景

1.顺应清洁能源发展的趋势

发展清洁能源是解决能源危机和环境保护问题的有效途径和必然趋势。当前，中国已经成为全球清洁能源最大的消费国，为实现"双碳"目标，我国清洁能源装机容量还将迎来持续发展高潮。根据国家电网能源院测算，2020~2030年新能源年均新增装机容量7000万kW左右，可以完成2030年碳排放达峰。因此，2060年实现碳中和背景下新能源将迎来跨越式的发展，电网也正在积极探索如何构建以新能源为主的新型电力系统， "十四五"期间，国家将在消纳指标制定、分布式光伏开发建设、海上风电补贴等方面提供一定的政策支撑，如最近整县推进屋顶光伏试点工作，将直接推动清洁能源保持快速增长。

2.新能源技术发展的需要

随着新能源技术的发展，分布式光伏大量并网，并网逆变器等含有大量电力电子器件的设备被广泛的应用于电力系统中，这种情况不仅使得电力系统振荡问题逐渐明显，也使得电力系统内部的暂态故障特征变得复杂且持续时间短，给现有的故障检测和定位、测距等技术带来了一定的影响。配电网由于成分复杂、分支较多，因此其故障后的故障特征非常模糊。同时配电网受到现场的噪声与谐波等干扰和信号采集设备的传变特性的影响，使得各种故障之间的内在关联更加难以寻找。本案例针对目前分布式光伏发电的普及以及配电网故障检测、定位技术存在的缺陷，提出了一种基于分布式光伏电源及并网逆变器入直流信号的测距方法，通过分析谐波阻抗来定位故障点，完成测距。

3.促进电网安全稳定运行

现有基于电压源换流器的直流电网采用脉冲宽度调制技术，与模块化多电平换流器相比，具有结构简单、成本低、控制易实现等优点；但当其直流线路发生故障时，直流大电容迅速放电，再加上线路本身阻抗低，故障电流在几毫秒内就会达到峰值，对系统中的电力电子器件造成了极大威胁。为了避免系统设备损坏，并快速恢复系统正常运行，在故障发生后应尽快切除故障并准确定位出故障点。快速准确的故障定位很有必要，其有助于系统快速修复、快速恢复供电和减少停电时间等；因此，快速准确的故障定位对电网安全稳定运行具有重要意义。

二、发明团队介绍

1.项目负责人介绍

张超，山东科技大学副教授。入选首批青岛市科技创新高层次人才团队，山东省高等学校青年创新团队。研究方向为电网异常状况监控与电力电子应用。主持国家自然科学基金，山东省自然科学基金，青岛市科技计划，中国博士后自然科学基金，参与国家自然科学基金等国家级、省部级科研项目。担任山东电机工程学会安全技术专委会委员。共发表SCI/EI收录论文20余篇，授权专利10余项、软件著作权3项。获青岛市青年科技奖、山东电机工程学会“五四”优秀青年科技工作者、山东电机工程学会先进个人等称号。

2.团队主要技术成员介绍

本案例组成员有着扎实的电力系统理论基础，长期致力于新能源技术、电网调控运行、配电网故障检测、等专业方向，专业知识、经历经验丰富，拥有较多高学历人才，具有多项新能源发电与并网相关的项目研究经历。

三、取得专利

1.一种电力电子检测装置

专利号：ZL 2019 2 0118753.0

专利权人：山东科技大学电

发明人：侯良宵；张超；张术鹏

发明名称：一种电力电子检测装置

2.基于嵌入式的配电网故障数据采集装置

专利号：ZL 2019 2 0891694.0

专利权人：国网山东省电力公司东营供电公司

山东科技大学

发明人：张志东；张术鹏；刘兆栋；高岩；张超；王平；张玉峰；侯秀山

发明名称：基于嵌入式的配电网故障数据采集装置

3.一种适用配电网的多类型故障检测和定位装置

专利号：ZL 2019 2 0879644.0

专利权人： 山东科技大学

发明人：伦月；张超；刘兆栋；张术鹏 ；吴旋旋；宋娜；董新华；陈子健；侯良宵；李瑶

发明名称：一种适用配电网的多类型故障检测和定位

装置

4.基于附加电源的井下失电线路故障检测方法及系统

专利号：ZL 2020 1 0934290.2

专利权人：山东科技大学

发明人：张超；侯良霄；刘兆栋；宋娜；吴旋旋；张术鹏；孙泉；张国超；杜晓光；刘梦瑶；王怀宇；李润

发明名称：基于附加电源的井下失电线路故障检测方法及系统

5.基于波形分析的配网故障告警系统

专利号：ZL 2019 2 0018393.7

专利权人：山东科技大学

发明人：宋娜；张超

发明名称：基于波形分析的配网故障告警系统

四、成果（专利）转化情况介绍

1.创新点

（1）本项目提出基于电力电子的配电网主动故障诊断方法及系统，在电网受扰情况下，用于探测的特征电气量由电力电子设备主动发出，探测行为本身是主动的，利用电力电子检测装置的注入能力主动施加探测信号，是一种结合设备控制能力与被动式保护的协同方法，利用电力电子设备的高可控性，提高原有被动式保护原理的可靠性和灵敏度。

（2）提出基于分布式并网逆变器谐波阻抗的故障测距方法，通过分析谐波阻抗来定位故障点，完成测距。研发一种适用配电网的多类型故障检测和定位装置，并针对直流配电网中埋于地下的电缆线路, 还提出了基于附加电源的井下失电线路故障检测方法及系统，实现井下失电线路的故障检测。

（3）研发构建配电网故障告警系统，由信号处理模块、波形分析引擎模块和故障告警模块协同工作，实现故障告警，提高电网运行的安全性与稳定性。

2.主要做法

（1）配电网故障诊断

准确高效地对故障信号进行识别与分类是提高配电网稳定性、完成配电网故障定位、故障测距等研究工作地重要前提，本案例中提出一种电力电子检测装置和一种基于嵌入式的配电网故障数据采集装置，当线路故障跳闸后，通过基于IGBT电力电子器件的并网逆变器向停电后的三相线路注入电压脉冲信号，通过检测三相线路的电流响应信号来识别故障。图1所示为数据采集装置工作原理图，采用单相电源供电，单相电源通过IGBT桥臂与三相线路连接。故障发生后，通过控制IGBT以不同组合导通从而将单相电源接入三相故障线路，响应电流通过故障相、故障点和其他故障相或地回流到电源构成故障回路。当配电网线路中出现不同的故障时，会有不同的故障等效电路，检测到的响应电流信号也会有所不同。通过对响应电流信号的分析，确定故障类型，并根据所识别的故障类型决定通知断路器重合或闭锁。

图1 配电网故障数据采集装置工作原理图

（2）配电网故障测距

通过配电网故障数据采集装置识别出故障类型之后，在进行配电网故障测距，在本案例中提出一种适用配电网的多类型故障检测和定位装置，通过在线路首端施加电压脉冲信号，故障相就会产生相应的电流信号，对激励电压信号和响应电流信号进行FFT(Fast Fourier Transform)得到激励电压信号和响应电流信号中的谐波分量，以此来计算得到故障相的谐波阻抗，从而分析得到故障距离。且直流配电网多为电缆线路, 并埋于地下, 虽然线路距离较短, 但人工巡线查找故障点的方法几乎难以实现，因此本案例还提出了基于附加电源的井下失电线路故障检测方法及系统，实现井下失电线路地故障检测。

（3）配电网故障告警

构建配电网故障告警系统，当信号处理模块接受到故障信息，并经过配电网故障分析，识别出故障类型信息与位置信息，故障告警模块根据波形分析引擎模块输出的异常的波形数据生成告警报告，并将告警报告传送至中央服务器；中央服务器通过Web或电子邮件将可操作信息传递至调度员，为配电网提供故障前操作的可靠信息，使调度员及时采取措施，从而提高配电网运行的安全性与稳定性。

五、经济效益与社会效益介绍

本案例中提出的技术，不仅可以应用于自动重合闸装置，也能够在断路器跳闸后对线路故障进行检测、判断故障类型并通知断路器重合或闭锁，避免传统自动重合闸装置盲目重合对供电系统带来的二次伤害，而且可以应用于故障测距装置，测距结果准确，动作迅速，以便于尽快地进行相应的抢修措施，缩小故障影响并恢复电力系统的稳定运行，对电网安全稳定运行具有重要意义。