发明专利｜一种用于定位微电网中相故障的方法

本发明涉及一种在离网模式下定位微电网中相故障的方法。该方法包括获得具有至少两个汇流排的微电网的电网拓扑，并确定电网拓扑的所有断路器的位置。此外，采集包括电流大小和电压大小的测量数据。监控至少两个汇流排的相间电压或相对中性点电压之一的压降。在检测到压降时，确定具有最小相对中性点电压值的缺相。使用相方向信息对缺相执行汇流排分析和馈线分析。

本发明涉及一种用于定位微电网中电气故障的方法，尤其涉及一种包括分布式可再生和不可再生能源的微电网。

申请人：施耐德电器工业公司

发明人：P .阿利伯特 V .伊格纳托瓦

技术背景

微电网通常是局部电网，其旨在在隔离并且远离大型电能发电站的区域(诸如，例如岛屿、山区或沙漠区域)中发电和配电。当期望连接到宽配电网的建筑物、社区、校园或其他实体区别地管理其能量的产生以及例如提高其恢复能力时，微电网原理也是适用的。因此，总的来说，微电网是集成可再生和不可再生能源和/或储能装置的电气装备，其能够在并网模式(on-grid mode) (连接到公用电网)和离网模式(off-grid mode)两者下操作。

微电网可以由各种类型的能源组成，这些能源在空间上分布并从主电网即公用电网断开，也称为分布式能源DER(distributed energy resource，分布式能源)。这种微电网是作为能源供应的自治孤岛(autonomous island)而建立的。这些分布式资源可以包括可再生能源，诸如光伏电池、太阳能电池板和风力涡轮机。它们还可以包括发动机驱动型发电机(engine-generator)能源，诸如消耗燃料的发动机或涡轮机。并且它们可以包括用于局部储存能量的储能设施，储能设施可以包括诸如电池的化学类型储能装置，或者诸如飞轮的机械类型储能装置。电气装备中常见的是，各种局部部件简称为馈线间隔(feeder bay)或馈线，它们连接到具有单一电压的汇流排以便分配能量。

图1中示意性地示出了微电网的说明性示例。微电网可以在功能上分为资源平面、网络平面和控制平面。资源平面包括可再生能源、发电机和储能装置资源的分布式能源。反过来，每种不同类型的能源可以集中组织在不同的电厂(plant)中，诸如可再生能源电厂、发电机组电厂和储能装置电厂。网络平面包括配电网和被供应能量的负载。控制平面包括用于每种能源类型的电厂的局部控制器和用于集中控制不同能源电厂之间的协调的整体微电网中央控制器。

由于可再生能源作为DC(direct current，直流电)源操作，所以它们配备有逆变器以便提供可以耦合到电网的AC(alternating current，交流电)信号。逆变器提供的AC信号需要在相位和大小上都匹配电网。为了确保与电网的适当电气耦合，经由操作电气开关设备(诸如断路器)的保护继电器来监督/监控到电网的连接，使得能够将一个或多个能源从电网断开。例如，在微电网或电网中出现短路电流的情况下，这将是必需的。

这些可再生资源的逆变器的特点在于短路容量低。在电气故障的情况下，基于逆变器的电源将短路电流限制在不高于标称电流的值，以保护逆变器本身。

当具有光伏和储能装置资源的装备以并网模式操作时，在电气故障的情况下从电网输送的短路电流很高，并且使用传统的过流保护。当这些装备在离网模式下操作时，短路电流很低并且无法由过流保护设备检测到——至少对某些馈线而言。残余电流设备(Residual Current Device)可用于检测相对地(phase to ground)故障。然而，相故障，包括相间故障、相对中性点故障和三相故障，仍然未被检测到，呈现在几秒钟内起火的风险。

因此，需要额外的方法来检测、定位和保护微电网。

特别是，需要检测并隔离由分布式可再生和储能装置资源供电的装备的相电故障(phase electrical fault)的方法，并且其能够在与主电网断开的情况下操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种允许在离网模式下检测微电网上的相故障的方法。

在电气故障的情况下，所有能源都将输送最大电流，其中大部分有助于对电气故障馈电。每个故障位置都有一个独特的“特征”——由装备的每一点处的独特电流和电流大小定义，可用于识别故障位置。

所提出的方法使用基于软件的集中式系统，该系统与每个馈线处的保护和测量单元以及安装在源汇流排处的所有电压继电器进行通信。

在并网模式下，保护可以通过已知的过电流保护设备来确保。

在离网模式下，软件系统按如下方式识别故障的存在：

通过检测至少一个源汇流排上的压降来识别故障的存在。通过分析每个馈线中的电流和电压大小以及电流方向来确定故障位置。其中电流方向可以通过来自相方向元件的测量来确定。一旦故障被定位，触发命令就可以被发送到最近的开关设备，诸如一个或多个断路器，以将故障部件从对所定位的故障馈电的电源断开。

从属权利要求中阐述了本发明的特定实施例。

参考附图，本发明的其他目的、方面、效果和细节将在以下对多个示例性实施例的详细说明书中描述。

发明专利要点简析

1 .一种用于在离网模式下定位微电网中的相故障的方法，包括：

获得(301)微电网的电网拓扑，所述微电网具有至少两个要监控的汇流排(30，31，32)；

确定(302)电网拓扑的所有断路器的断路器位置数据；

采集(303)测量数据，所述数据包括电流大小和电压大小；

监控(304)至少两个汇流排的相间电压或相对中性点电压之一中的压降；以及在检测到压降时：

确定具有最小相对中性点电压值的缺相；并且对至少一个汇流排执行汇流排分析。

2 .根据权利要求1所述的方法，其中执行汇流排分析包括：

基于电流大小数据确定对于具有最小相对中性点电压的缺相具有最大相电流的至少两个馈线；以及

基于相方向数据确定具有最大电流的至少两个馈线的相电流方向；并且如果具有最大电流的至少两个馈线的电流方向都在汇流排方向上，则生成用于触发与被分析的汇流排的馈线相关联的所有断路器的信号。

3 .根据权利要求2所述的方法，其中执行汇流排分析包括：

如果所述至少两个馈线中具有最高最大电流的一个馈线的电流方向在馈线方向上，则对所述馈线执行馈线分析；或者

如果具有最大电流的至少两个馈线中具有最高最大电流的馈线的电流方向在汇流排方向上，则对具有最大电流的至少两个馈线中的第二馈线执行馈线分析。

4 .根据权利要求3所述的方法，其中执行馈线分析包括：

如果被分析的馈线不位于两个发电机之间，则以预定的时间延迟触发与所述馈线相对应的断路器；或者

如果被分析的馈线位于两个发电机之间，则确定馈线相反端上的第二方向相元件的电流方向，并且然后：

如果第二测量设备的电流相方向朝向所述馈线，则触发与第一相方向元件和第二相方向元件相关联的两个断路器；或者

如果第二相方向元件的电流方向朝向下游汇流排，则通过对所述下游汇流排执行汇流排分析来定位故障。

5 .根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法是计算机实现的方法。

6 .一种包括具有指令的计算机程序的计算机程序产品，当所述指令在至少一个处理器上执行时，使得所述至少一个处理器执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。

7 .一种其上存储有由控制微电网的计算机处理器执行的计算机可执行代码的计算机可读介质，其中，可执行代码的指令的执行使得计算机处理器在微电网上执行根据权利要求1-5所述的计算机实现的方法。

8 .一种微电网中央控制器，包括：

通信装置，用于从测量设备收集测量数据并与控制设备交换控制数据；

至少一个计算机处理器，用于执行指令；以及计算机程序产品，包括具有指令的计算机程序，当所述指令在所述至少一个处理器上执行时，使得所述至少一个计算机处理器执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。

9 .一种用于在离网模式下定位微电网中的相故障的方法，包括：

基于相方向数据，确定汇流排的至少两个馈线的相电流方向，所述馈线对于具有最小相对中性点电压的相具有最大相电流；

如果这些具有最大电流的至少两个馈线的电流方向都在汇流排方向上，则触发与所述汇流排的馈线相关联的所有断路器；

否则，执行馈线分析，包括：

如果最高电流的方向在馈线方向上，并且如果具有所述最高电流的馈线不在两个发电机之间，则以时间延迟触发馈线；或者

并且如果具有所述最高电流的馈线在两个发电机之间，则确定同一条馈线中第二方向相测量设备的电流相方向，并且然后如果第二测量设备的电流相方向在馈线方向上，则触第一测量设备和第二测量设备的两个相关联的断路器；

或者如果第二测量设备的电流相方向朝向汇流排，则通过对下游汇流排的汇流排相方向分析来定位故障；

如果最高电流的方向在汇流排方向上，以及第二高电流的方向在馈线方向上，并且如果具有所述第二最高电流的馈线不位于两个发电机之间，则以时间延迟触发馈线；

或者如果具有所述第二高电流的馈线位于两个发电机之间，则确定同一条馈线中第二方向相测量设备的电流相方向，并且然后如果第二测量设备的电流相方向在馈线方向上，则触发第一测量设备和第二测量设备的两个相关联的断路器；

如果第二测量设备的电流相方向是朝向汇流排，则通过对下游汇流排的汇流排相方向分析来定位故障。