分布式电源接入配电网的快速且可扩展方案
Dhivya Sampath Kumar, Student Member, IEEE, Dipti Srinivasan, Senior Member, IEEE, and Thomas Reindl
摘要：现代电网中分布式电源（DGs）的普及率越来越高，导致不同的故障电流等级和网络场景可能影响常规过电流保护继电器。这就需要一个保护计划能够有效的判断故障信号及灵活的处理能力来预防突发事件。在本文中，提出了一个新颖的、快速的自适应继电器机制来保护接入了分布式电源的辐射型配电网。这里运用了一种快速递归离散傅里叶变换（FRDFT）算法来有效的跟踪不同电力系统的信号。使用FFT算法的数字继电器设计嵌有一个用于改变系统条件的情况下获得最佳保护设置的模糊逻辑决策模块。所提出的自适应方案是通过模拟各种案例研究，配备了分布式电源标准IEEE34母线配电系统进行测试。仿真结果表明，该自适应继电器能够捕捉不断变化的系统场景，并选择相应的保护设置。
关键词：自适应继电器机制，分布式电源，故障信号估计，模糊逻辑决策，最佳保护设置，过电流保护继电器
1 背景
分布式电源接入现有的配电网络可能会导致一些保护问题，这些问题取决于它们的类型，位置等性质。最普遍的配电系统都是径向保护，旨在为能量单向流通。然而，分布式电源的存在使得功率流可能不再是单向的，使传统的定向过流继电器的操作发生误动[1]。此外，分布式电源在电网连接和孤岛模式中的行为可以改变故障电流的水平和扰乱继电器的协调。这是因为，由中继看到的系统的短路功率是比孤岛模式中的并网模式的情况下更高。
故障电流电平的变化可能导致延迟保护，换言之，可以被称为“保护的失败”。过流继电器保护设置在其运行的关键因素，在网络设计中的任何改变都需要在保护设置的变化。配电网中引入分布式电源，修改其孤岛运行模式运作下的拓扑结构，需要改变和协调继电器的保护设置。因此，当电源孤岛模式生成时，由于系统中一些其他的干扰，继电器的协调也变成了一个严重的问题。此外，与高水平分布式电源渗透，孤岛问题也日渐突出，这需要修订在传统的保护方法中多方面的问题[2]。在保护设置的变化中，根据本系统的操作，需要嵌入算法的智能逻辑。因此，自适应方案是必要的，根据网络拓扑和操作方式进行精确的故障检测，以确定在保护参数设置。
保护的协调与公用电网列入分布式电源系统的问题已经由文献 [3] - [5] 解决。在文献[6][7]已经使用启发式算法找到与分布式电源微网渗透的最佳协调设置。最小化时间乘数设定，在文献[8]中提出获得一个可行的当前设置的新方法。在文献[9]中，作者提出了不同的保护设置为使用传统的过流保护并网和孤岛条件。然而，使用预定义的保护设置可能不足以与高度变化的分布式电源的渗透。此外，过流继电器的传统算法可能缺乏跟踪分布式电源的情况下准确的时间变化的基本相量的能力。目前微处理器的快速增长，是可以实现高速判断故障信号，准确估算计算密集型算法，文献[10]和[11]中提出。故障发生在配电系统与分布式电源可能会扭曲故障信号，并介绍直流分量和谐波，使得跟踪相量充满挑战的过程。因此，适当的相量估计算法是必要的信号的快速，高效的估计。传统的离散傅里叶变换（DFT）的算法非常适合由基波频率和谐波频率分量的信号。然而，该算法与直流偏移基本相量的估计带来了很多的错误。为了抑制信号中的直流和次同步频率分量，文献[12]开发了动态相量估计算法。相对于传统的DFT，虽然该技术表现出较强的性能，但在通过基于DFT的方法相量估计存在固有的误差。此外，变换是基于所述傅立叶算法，有泄漏影响和错误的积累。为了解决这些量化误差，在递归滤波器中引入导致递归DFT（密度泛函理论）的发展，文献[13]。虽然RDFT证明相比在提取的基本相量而言其它算法是有效的，由于递归环路数量，计算变得密集和缓慢。电网的大尺寸和复杂性，需要高速，低成本，和计算有效的信号处理方法。
在本文中，将迭代的最小数目递归循环结构施加到RDFT，迎来第一中继算法的发展。本文的主要贡献有：1）通过配有方向元件所提出的FFT算法故障信号的精确估计采用不同的保护设置并网和孤岛条件; 2）模糊逻辑决策的能力（FLDM）模块，在FFT注册成立，以确定浮动根据网络架构的变化和变化的分布式电源的渗透保护设置。本文的其余部分安排如下：第二部分介绍了DFT修正算法的数学。第三节描述了电力系统的信号的估计。第四节讨论提出了自适应继电器的机制。第五节解释了测试例示出中继性能的详细仿真结果。
2 快速递推离散傅氏算法的改进
为了证明该算法，列出典型的电力系统故障信号，它是由基频，谐波，直流偏移和噪声组成
(1)
其中和是衰减直流成分的振幅和时间常数，和是该次谐波分量的振幅和相角，是采样间隔。（1）的取样每基本频率的周期的N倍被给定为DFT的
(2)
and . (3)
为了递归计算应用到DFT结构，（2）修改为
(4)
等式（4）可通过分离的正弦和余弦函数作为被简化
(5)
(6)
其中，引入到窗口的新的样本被认为是和丢弃样品为。因此，任何相量“a”可从来自(a-1)一般方程的第相量来计算
(7)
等式（7）是一个功率信号的传统的递归循环结构。为了减少算法的计算应力，引入具有低舍入误差最优系数的概念在传统的DFT算法。从（5）和（6）是离散正弦和余弦分量是
(8)
(9)
（9）中的余弦项被修改为找出最优系数以获得更高的精度。运用切比雪夫多项式在余弦项（9）
(10)
代（10）在（9），我们得到
(11)
修改（11）使用（9），我们得到
(12)
如果，而且,则（12）变为
(13)
等式（14）从通过[14]这里可以使用的，因为和是素数的值
(14)
将（14）带入（13），为
(15)
当, mod 。为了尽量减少舍入误差，数据灌输被修改为，其中“”是灵敏度因子
(16)
在（16）中的余弦项是使用（10）处理，为
(17)
(18)
因此，余弦和正弦的递归组分的浓缩形式变换被给定为
(19)
(20)
均方根值和功率信号的相对相位角可以从（19）和（20），为计算
(21)
(22)
从上面的配制方程，该信号的幅度和相位可以计算出来。用于故障分析的对称分量被从上面的表达式来确定。实现低舍入误差，该算法是依赖于频率的。在输入信号中的轻微变化可能会反映在频率“”。相位角与频率之间的关系，被称为“相位角的效果，”用于处理的频率偏差。对于频率稍有偏差，将“ATH”相量给出
(23)
当,而且。
考虑到
(24)
角速度被给定为
(25)
通过重新安排并利用（25）的推导，频率的变化可以计算为
(26)
因此，在任何高度波动信号的频率变化可被估计并通过准确地更新“相角效应”。可以观察到，该正弦曲线的估计的参数也取决于灵敏度标准的选择。因此，计算每次迭代的误差协方差之后被选择的的一个最佳值。在三角函数制剂中的变化减少了递归的循环数和所涉及的乘法运算的数量，使得该算法执行得更快。该草案可在简单的硬件实现快速，高效的相量的计算以相对较低的成本来实现。
3 系统信号估计的研究
从FFT算法测得的基本相量是在继电器机构用于进一步的处理。使用了信号的快速，高效处理，没有丢失任何信息提取的基本相量或舍入误差。数学计算是在Matlab-Simulink的平台开发的，并且可以在任何实时处理器通过嵌入式编码器一起使用。所开发的算法是采用了标准的IEEE34节点径向分布系统上进行测试[15]。在图中所示的60-Hz的，24.9千伏径向分布系统图1，通过一个69千伏/24.9千伏变压器馈送，通过包括不同类型的分布式电源的与表Ⅰ中给出的数据所提出的自适应继电器置于考虑的关键点中的主馈线和保护分支管和测试操作的径向和微网模式[18]。径向分布系统是在MATLAB / Simulink R2013b环境下开发的。一个“ABC-G”故障模拟节点890以显示FRDFT捕获的故障信号的瞬态行为。电压和电流相量的行为“是”，系统的瞬态状态期间FFT算法示于图估计。图2（a）和（b），分别为。
据观察，FRDFT能够跟踪准确期间和故障发生后的信号的行为。为了测试算法的灵敏度，小负荷变化进行了模拟在节点890。与它们的频率沿着所述估计的电流和电压信号在图中描绘。图2（c）和（d）表示。对于故障发生和负荷变化，断路器开关及重合闸发生在30-38根本周期的时间间隔。在幅度和频率的负载变化的变化比表示了该算法的跟踪能力的故障的情况下比较小。因此，在图2中显而易见的是，所述第一信号估计准确跟踪相量和响应，即使在系统中的最小的变化。
4 自适应保护方案
由互感器处理的开发FRDF中继算法设计在以上电流的设定值的功能。电流信号的正弦和余弦波形产生，然后进行处理如通过FFT算法数字样本。所获得的样品被用于测量功率信号的rms值来估计它们的基本相量。在传统的过电流继电器，从（26）所估计的样本（27）中用于计算故障电流比和断路器跳闸时间
断路器跳闸时间 (27)
拾取电流的多个 (28)
其中，是通过过电流继电器的故障电流，是动作电流设置;是时间倍数设置;和被取为分别0.14和0.02。两个断路器（CB），并在图中使用的重合。1按照逆正定最小时间过流（27）中给出的操作特征。可以改变故障电流保护水平的主要问题是系统（并网/孤岛）和分布式电源在其插件和播放自然的情况下，不确定性自然的连接状态。
由于分布网络中的孤岛运行的增加的可能性，需要采用两套不同的保护设置到由任何中继算法。因此，FFT算法已经配备了一个方向元件采用一组不同的保护设置为每个条件，即连接电网模式和岛屿模式。然而，图1的分布式电源与配电系统渗透很深。在分布式电源产生一个小的变化可能会影响继电器的当前设置。这就需要不确定性有关分布式电源作为当前设置准确的预测约束纳入其中。在图中所示的提出的自适应中继方案。3包括在网络中狗的连接状态和不确定性，并提供最佳的保护设置，以确定准确的跳闸信号。
所提出的自适应中继方案的一步一步的描述如下给出。
步骤1）主要步骤是在分配系统中的仪表变压器电流和电压信号的测量。
步骤2）所测得的信号是通过对基本相量估计FFT算法进行处理。
步骤3）估计的幅度和电流和电压信号的角度为所有各相的给定为输入到定向单元。
步骤4）在FRDFT掺入的方向元件提供系统的中继的连接状态。不同组的当前设置和TMS值根据所述变化的系统条件而不FLDM系统选择。
步骤5）各个中继的电流 - 时间特性被存储和在计算的上游和下游继电器的故障电流比考虑。上游继电器现在的连接状态的信息，并能够相应地计算出保护设置。
步骤6）改变分布式电源功率和FRDFT推定的端电压相量被认为来估计使用的详细描述在第IV-B说明了FLDM模块的当前设置。避免了定向元件中的继电器更接近分布式电源和以容纳不同的分布式电源功率，所述FLDM模块被嵌入FRDFT。
1 定向纳入单位
孤岛检测可以通过提取通过FFT算法的幅值和电压和电流相量的角度，然后通过数学运算处理信号而实现。基于电流和电压相量的方向，孤岛检测和不同的设置，根据系统状态通过。包括在基于FRFT中继方向性单元的框图如图4。幅度和的电流和电压角度进行测量，以推断它们的方向之后的电压的方向与电流方向进行比较。当孤岛发生，电流的方向将是180相反的电压，并且中继方案切换到一组不同的保护设置适应网络架构。方向检测的段所用的微处理器使用简单的AND和OR运算来实现。
2 新的保护设置使用模糊逻辑决策（FLDM）模块
由分布式电源展出不确定性可以很好地启发式方法，如神经网络，模糊逻辑，支持向量机（SVM）进行处理。基于模糊逻辑的方案已被应用于故障检测和传输线分类。然而，浮动电流设置的概念来发出相应的跳闸信号，考虑到分布式电源的随机性质，一直没有迄今处理。模糊逻辑可以方便地与草案的不确定性处理工艺相结合。同样地，相比其他进化算法与基于DFT的方法模糊逻辑方案的应用在计算上是有效。
因此，FLDM这里使用结合发达FRDFT的自适应算法的闭环仿真。该FLDM可以用在配电系统中的模糊推理块被组合和输出结果可以反馈到系统完成在线闭环仿真。对于所提出的FLDM模块，电压相量和实际功率的分布式电源被作为输入和浮动电流设定值为输出获得。由FFT算法估计出的电流和电压的元素可以与FLDM为保护参数设置进一步的处理和预测被掺入
1）模糊化过程：模糊推理支持方
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