基于ROF优化算法的微电网自适应过电流保护.pdf
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1、0引言微电网是对分布式电源(distributed generator,DG)的有效整合,其将分布式电源、负荷、储能及控制装置结合,形成独立的供电系统1。微电网有两种运行模式,且由于 DG 的高渗透率使微电网的潮流呈现双向特征,因此传统既定式的保护方案无法满足微电网保护的要求。文献2探讨了不同故障位置以及微源不同输出电流时故障点处等值阻抗的变化情况,发现在发生故障时系统等效电势和阻抗值处于实时变化中,而传统自适应过电流保护中系统等效电势和阻抗值恒定,因此如何计算故障时的系统等效电势和阻抗值是微电网自适应过电流保护的关键点。目前国内外对于微电网保护的研究方法主要有自适应保护、故障分量保护、区域化
2、微电网保护。其中自适应保护是研究的热点,文献3提出的自适应电流保护方案采用分层节点阻抗矩阵的构建方法,计算各馈线继电器背侧系统等效电源电压和系统等效阻抗。文献4-5提出了基于正序等效DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2023.03.017 收稿日期:20220519基金项目:国家自然科学基金项目(52067020);新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题(2018D04005)。基于 ROF 优化算法的微电网自适应过电流保护糟伟红,袁至(新疆大学可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心,乌鲁木齐830047)摘要:微电网在发生故障时系统等效阻抗值实时变化,影响自适应过
3、电流保护整定值的计算,降低了保护的可靠性。为了实时计算出系统等效阻抗值,提出用鲁丁、奥社和法特米(rudin osher and fatemi,ROF)去噪模型优化戴维南等效阻抗值的方法。将计算戴维南等效阻抗最优值问题转化为优化去噪问题,采用 ROF 去噪模型优化戴维南等效阻抗值,用原-对偶混合梯度下降算法求解目标函数,并提出一整套自适应过电流保护方法。最后对微电网不同的运行模式、故障位置和故障类型等工况建立PSCAD/EMTDC 仿真模型,使用 Matlab 软件对提取的信号进行分析,验证所提方法的有效性和优越性。关键词:微电网;自适应过电流保护;ROF 优化算法;等效阻抗值Adaptive
4、 Overcurrent Protection for Microgrid Based on ROF Optimization AlgorithmZAO Weihong,YUAN Zhi(Engineering Research Center for Renewable Energy Power Generation and Grid Connection Control ofMinistry of Education,xinjiang university,Urumqi 830047,China)Abstract:The realtime variation of equivalent im
5、pedance will,in case of fault of the microgrid,affect thecalculation of the setting value of adaptive overcurrent protection and reduce the reliability of protection.For calculating the equivalent impedance of the system in real time,a denoising model of rudin osher andfatemi(ROF)is proposed to opti
6、mize the equivalent impedance of Devinan.The problem of calculating theoptimal value of Thevenin s equivalent impedance is transformed into an optimal denoising problem.TheROF denoising model is used to optimize the Thevenin s equivalent impedance.The primedual hybrid gradient descent algorithm is u
7、sed to solve the objective function,and a set of adaptive overcurrent protectionmethods are proposed.Finally,the PSCAD/EMTDC simulation model is set up such conditions as differentoperating modes,fault locations and fault types of the microgrid.Matlab software is used to analyze the extracted signal
8、s so to verify the effectiveness and superiority of the proposed method.Keywords:microgrid;adaptive overcurrent protection;ROF optimization algorithm;equivalent impedancevalue第44卷第3期:0126-01332023年6月电力电容器与无功补偿Power Capacitor&Reactive Power CompensationVol.44,No.3:0126-0133Jun.2023 1262023年第3期(总第207期
9、)糟伟红,等基于ROF优化算法的微电网自适应过电流保护阻抗、三阻抗圆交点的方法计算短路故障时的等效阻抗,该方案需要进行 3 次测量和计算,其数据测量和保护算法分析过程较为复杂,延长了保护的动作时间。文献6利用协方差方法推导出系统实时等效阻抗值,但该方法存在一定的误差。文献7提出基于补偿法的戴维南等值参数辨识方法,但该方法主要应用于配电网中。文献8采用强跟踪滤波器算法实时计算系统等值阻抗。文献9采用微遗传算法检测系统的变化,计算自适应过流保护的整定值。文献10使用晶闸管监控电压和电流,根据晶闸管测得的电压电流值计算系统等效阻抗值再计算保护整定值,该方法不适用于并网情况。以上对于系统等效阻抗计算值
10、的研究方法比较复杂,且计算值不精确,导致保护可靠性较低。基于以上分析,本文提出一种用奥社和法特米(rudin osher and fatemi,ROF)去噪模型优化戴维南等效阻抗值的方法。该方法将求解戴维南等效阻抗值问题转换为优化去噪问题,提高了戴维南等效阻抗计算值的稳定性和精确度,并在此基础上提出了一套自适应过电流整定算法。最后在 PSCAD/EMTDC 仿真软件上对该保护方案进行验证,仿真结果表明该方法能够在微电网不同的运行模式、故障位置和故障类型下都能正确地切断故障,满足微网对保护的要求,比现有的自适应过电流保护方法可靠性高。1微电网结构及故障特性分析1.1微电网拓扑结构根据 IEEE
11、1547 标准以及美国电力可靠性技术方 案 解 决 协 会(consortium for electric reliabilitytechnology solutions,CERTS)对微电网的定义11,建立如图 1 所示的微电网简化模型。图1微电网简化模型Fig.1The simplified model of microgrid图 1 为一个典型的微电网结构,电压等级为10.5 kV,微电网通过公共连接点(point of commoncoupling,PCC)与配电网相连,PCC 断开时,微电网进入孤岛运行,论文主要研究通过电力电子装置接入微网的分布式电源(inverterbased d
12、istributedgenerator,IBDG)12。IBDG1为风力发电微电源,IBDG2为直流电压源,IBDG3为储能蓄电池,IBDG4为光伏微电源。Load1Load5均为三相对称负载,R1-R5-5是馈线两端的保护装置,RIBDG1-RIBDG4是IBDG1-IBDG4并网点处的保护装置,RLoad1-RLoad5是负载 Load1-Load5入网点处的保护装置。1.2微电网故障特性1.2.1微电网故障特性原理分析微电网是双端电源供电,系统存在潮流双向的特点,直接采用方向保护会产生保护拒动问题,还可能造成 DG 脱网现象,导致微电网母线电压跌落。如图 1 所示的微电网中馈线 BC 段
13、的 60%位置(下同)F1处发生故障时,其戴维南等效电路见图 2。图2F1处发生故障时的戴维南等效电路Fig.2Thevenin equivalent circuit in case of of fault at F1图 2 中,Es与Esd分别为保护线路前侧和后侧的等效理想电压源,Zsj与Zd分别为保护 2 和保护 2-2端向前与向后看入的等效阻抗值。按照传统的自适应过电流保护整定值公式为Iset=KrelEZs+ZlKd(1)式中:Krel为可靠系数;Kd为故障类型系数;E为系统的等效相电动势;Zs为配网侧的等效阻抗;Zl为保护线路的等效阻抗。传统的自适应过电流保护整定值公式中E和Zs是不
14、变的,但微电网是由多个微源组成,由于各微源的运行状态和微网运行模式的不同,微电网在发生故障时保护处的等效电动势和等效阻抗值实时发生变化。如图 2 中,保护2 和保护 2-2 处的E值由Es与Esd共同提供,Zs值由Zsj与Zd共同提供。微电网两种运行模式下,E和Zs值相相差较多,导致两种运行模式下故障电流值差异较大13。所以传统的自适应过电流保护不适用于微电网,在对微电网自适应过电流保护设计时,应该重点考虑对E和Zs值的计算。1.2.2微电网故障特性仿真分析在图 1 中馈线 BC 段 F1处分别设置 AB 两相相 1272023年第3期电力电容器与无功补偿第44卷间短路故障和三相短路故障,0.
15、2 s 时故障发生,故障持续 0.2 s,总仿真时间为 0.5 s。0.20.3 s 系统并网运行,0.30.4 s 系统离网运行(下同)。故障发生时保护 2 和 2-2 处流过的故障电流见图 3、图 4。图3F1处两相相间短路故障保护2、2-2处的故障电流波形Fig.3 Fault current waveform at protection points 2 and2-2 in case of twophase short circuit fault at F1图4F1处三相短路故障保护2、2-2处的故障电流波形Fig.4Fault current waveform at protecti
16、on points 2 and2-2 in case of threephase short circuit fault at F1对比图 3、图 4 可看出,在两种运行方式下,微电网无论发生何种故障,保护 2 流过的故障电流总是比保护 2-2 处的大。因为保护 2 处的故障电流由主电网和非故障馈线上的 DG 共同提供,保护 2-2处的故障电流仅由 DG 提供,所以保护 2 处的故障电流大于保护 2-2 处的,这也验证了上述理论分析结果。2自适应过电流保护方案2.1自适应过电流保护整定值计算原理对于图 2 中 F1处发生故障时,因为保护背侧有IBDG2接入,这不是传统的辐射状供电系统,是双电源
17、供电系统,故障电流由主网和 DG 共同提供。因此在进行自适应电流整定值计算时应考虑式(1)中E和Zs的变化。当 F1处发生故障时,其戴维南等效电路图如图 2 所示。由图 2 分析可知,对于所有接地故障,Esd不会在保护 2 处产生电流,对于两相短路故障和三相短路故障Esd会在保护 2 处产生电流。根据复合序网理论,有短路点故障相电压公式为UF1=UF()0Z1+Z2Z2(2)式中:UF()0为短路点故障前的电压;Z1+Z2分别为序网的正序/负序等值阻抗。又因为UF()0=EsdZsj+Z0L1Zsj+Z0L+Zd(3)取Z1=Z2简化式(3),则根据等效电路,此时Esd在保护 2 处产生的电流
18、为IF1=UF1Zsj+Z0L1=Esd2(Zsj+Z0L+Zd)(4)根据叠加定理,可得最终的自适应过电流保护整定值公式为IIset=|KrelEsKdZsj+Z0L-Kt|Esd2(Zsj+Z0L+Zd)(5)式中,Kt为另一故障系数,对两相相间短路故障和三相短路故障取 1,其余接地故障取 0。2.2新型戴维南等效阻抗值算法Zsj值在发生故障时是实时变化的,本文提出采用 ROF 去噪模型优化Zsj的估值14。根据戴维南定理,保护 2 前侧电压Es可表示为Es=()I-IDGZsj+U(6)1282023年第3期(总第207期)糟伟红,等基于ROF优化算法的微电网自适应过电流保护U=IDGZ
19、d(7)式(6)中:Es和Zsj处于动态变化中,U是保护 2 处的相电压。假设Zsj在t内是一个常数,t=Nts。在每一次采样时通过快速傅里叶变换(fast fouriertransform,FFT)得到电压和电流相量值,并利用之前采集的参数组成阵列计算出Zsj的值15。则(6)和(7)可以用方差表示为Es=()I-IDGZsj+U(8)Zd=UIDG(9)式中,“”表示t跨度内的方差;根据复随机变量协方差的定义和性质推导出如下公式16CovEs,Zd=()CovI,Zd-CovIDG,ZdZsj+CovU,Zd(10)式中,Zd和Es分别为 DG 侧和系统侧的方差。假设这两个方差是独立的,推
20、导出他们之间的协方差为 0,则式(10)可以转化为式(11)。0=()CovI,Zd-CovIDG,ZdZsj+CovU,Zd(11)由式(11)可算出Zsj,公式为Zsj=-CovU,ZdCovI,Zd-CovIDG,Zd(12)式中CovI,Zd-CovIDG,Zd0,需要测量的相量值包括Zd,U,I和IDG,对 10 万个独立事件进行随机模拟实验,在每一个独立的事件中,都会产生相同长度 N 的两个复随机阵列M和K,然后计算他们之间的协方差Q=CovM,K,可以观察到Q的实部和虚部都遵从高斯分布G(),2,当0时,Q是均值,是与 N 相关的标准差17。在估值方法中,只要 N 足够大,那么Z
21、d和 Es之间的协方差就会足够小,这样式(12)计算的结果就能在实际值附近保持稳定。但是在实际应用过程中,希望 N值尽可能小。为了解决这一矛盾,提出了一种改进的优化去噪模型来估计戴维南等效电路的参数。在 m 个时间间隔上获取连续的测量参数值,式(12)变换为ai=CovI,Zdi-CovIDG,Zdi,i=1,2,mbi=CovU,Zdi,i=1,2,m(13)y1=CovEs,Zd1=a1Zsj1+b1y2=CovEs,Zd2=a2Zsj2+b2ym=CovEs,Zdm=amZsjm+bm(14)因此,式(14)可以改写为Y=AZsj+B(15)式 中:Y=Y1Y2YmT;A=diag()a
22、1,a2,am;B=b1b2bmT;Zsj=Zsj1Zsj2ZsjmT。式(15)有两个未知变量 Y 和Zsj,理论上该式有无穷多个解,这是一个病态方程。但是,在计算机模拟实验中变量 Y 服从零均值高斯分布,所以可以认为其是高斯白噪声。在实际微网中,式(15)要求Zsj解的变量在 m 个连续的时间间隔t中,大部分时间内保持恒定值,偶尔发生部分突变。在此基础上,将式(15)变换为采用 ROF 去噪模型优化Zsj值,该模型中Zsj信号受高斯白噪声干扰,在大部分时间是稳定的,偶尔有突变。minZsjf:=12AZsj+B22+1TV()Zsj(16)AZsj+B22:=n=1m|anZsjn+bn2
23、=n=1m()anZsjn+bn()anZsjn+bn(17)式(16)中,TV()Zsj:=n=1m-1|Zsjn+1-Zsjn。式(16)中的第 1 项是数据保真项,为了最大限度地满足式(16)的要求。第 2 项是规则项,即在Nm数据点的时间内使Zsj的总变化量的绝对值最小化。2表示l2在复空间的范度,0是规则项参数平衡数据保真项和规则项的条件。式(16)的优点是他保留了Zsj的部分突变性,本文采用原-对偶混合梯度下降算法求解式(16)对应的优化目标函数,动态计算出系统戴维南等效阻抗值18。运用式(6)-(16)计算出Zsj,再将值代入式(5)计算出实时自适应过电流保护的整定值,并利用通信
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- 基于 ROF 优化 算法 电网 自适应 电流 保护
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