CN110661238B - 一种基于限流电感电压的多端柔性直流配电网保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于限流电感电压的多端柔性直流配电网保护方法，包括故障启动、故障检测、故障识别、故障选极；所述故障启动是采用du/dt、di/dt进行判据；故障检测是采用低压、过流保护来实现进一步检测线路是否发生故障；故障识别是利用直流线路两端的限流电感电压来进行可靠识别区内、外故障；故障选极是利用直流线路两端的限流电感电压来确定***发生了正极、负极还是双极故障；当检测到相应的故障后，发出跳闸信号，相应直流断路器动作，切除故障。本发明解决了传统直流配电网保护速动性不强问题。本发明通过限流电感两端的电压进行故障识别。

Description

一种基于限流电感电压的多端柔性直流配电网保护方法

技术领域

本发明涉及直流保护方法，具体为基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流配电网保护方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术和直流储能装置的发展，电力***中的电源和负载发生了很大的变化，分布式电源在电源中的占比越来越高，各种各样的直流负荷通过变换器与电网相连。利用传统的交流配电网实现分布式电源和直流负荷的消纳时，需要经过多级换流站与交流配电网相连，大量电力电子设备的投入增加了投资成本。相较于交流配电***，直流配电网具有电能传输容量大、便于分布式能源接入、线路损耗小、可靠性和供电质量高等优点。

多端柔性直流配电网能够通过直流配电线路实现与交流配电网的对接，是直流配电***的重要发展方向。目前，国内外关于多端柔性直流配电网的继电保护研究还处于理论阶段，与交流配电网相比，缺乏完善的保护方法，因此，多端柔性直流配电网的保护与故障识别是亟待解决的核心技术之一。直流配电网由于***阻尼小、无自然过零点，一旦直流侧发生故障，故障电流峰值高、上升速度快，将会迅速波及到整个电网。对于多端柔性直流配电网，发生故障后多个换流站故障电流叠加将会给***带来进一步的损害，这就对保护方法的速动性提出了更高的要求，通常情况下，保护方法需要在3ms内识别故障。ABB和SIMENS公司针对高压直流输电***提出以行波保护和微分欠压保护作为主保护，差动保护作为后备保护的保护方法，但是直流配电网由于线路较短，行波法难以捕捉波头，存在较大误差，因此，直流配电网保护很少采用行波法。“握手法”可以在直流断路器没有研制出的情况下利用交流侧断路器切除直流侧故障，对于早期的直流保护研究有重要的参考价值，但是该保护方法需要断开所有的交流断路器，造成了非故障区域短时停电，降低了供电可靠性且故障切除速度较慢，无法满足直流保护对选择性和速动性的要求。基于直流断路器和基于换流器自清除的直流故障保护方法能够满足直流保护对速动性的要求，但是由于其核心思想还是“握手法”，仍然无法满足保护对选择性的要求。针对直流电网选择性的不足，利用反时限电流方差保护方法能够识别直流侧故障并能判别故障的严重程度，但该方法只适用于双端直流配电网，无法识别多端柔性直流配电***区内外故障。针对多端直流电网，可以利用直流侧故障电流变化率来识别故障，但在多端柔性直流电网中相邻电网的馈流会对保护方法造成一定的影响。

综上所述，多端柔性直流配电网研究的主要难题是：直流配电网由于***阻尼小、无自然过零点，一旦直流侧发生故障，故障电流峰值高、上升速度快，将会迅速波及到整个电网，保护方法在满足速动性、选择性要求的前提下，应该尽可能简单，阈值整定应该尽可能有理有据而不是只通过仿真实验来获得。

发明内容

本发明为了解决已有技术无法满足多端柔性直流配电网对保护速动性和选择性要求的不足，提出了一种基于限流电感电压的多端柔性直流配电网保护方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于限流电感电压的多端柔性直流配电网保护方法，其特征是利用直流线路限流电感的电压与电流来判断故障启动、故障检测、故障识别、故障选极。

S1：故障特性分析

(1)双极短路故障

***发生双极短路故障或单极接地故障时，交流侧馈入的短路电流只是电感的续流，故障电流主要以电容放电电流为主，直流线路故障电流的频域i_l(s)表达式为：

式中：u_c(0)、i_L(0)表示故障发生瞬间电容电压、电感电流，R、 L、C为直流侧故障回路的等值电阻、电感和电容；s为拉普拉斯算子。

正常情况下，双极短路故障的过渡电阻为0，且直流线路的电阻也很小，故障回路为欠阻尼状态，即

故障电流的时域 il₍t)表达式为：

式中：R_eq、L_eq、C_eq分别为直流线路的等值电阻、电感和电容；为了方便式子的表达，为了简化文中公式而引入了没有实际意义的中间变量α、β、ω₀、ω_d；e为指数函数In的底，t表示时间。

故障电流的微分方程为：

设故障初始时刻为t＝0+时刻，则该时刻故障电流的微分值为：

对于直流配电网而言，故障初始时刻直流电流与电压相差两个数量级以上，故t＝0+时刻电流的微分值为：

由式(5)可知，故障初始时刻电流微分值大于0。

(2)单极接地故障

直流配电网发生单极接地故障时其暂态过程可分为2个阶段，当过渡电阻较小时，电路处于欠阻尼状态，即

放电回路为幅值逐渐减小的RLC振荡电路，直流侧故障电流的表达式与双极短路故障相似；当过渡电阻较大时，电路处于过阻尼放电状态，即

故障电流的时域表达式为：

式中：P₁、P₂为定义的中间变量；R_f表示过渡电阻；R_eq、L_eq、 C_eq与式(2)的定义一样；e为指数函数In的底，t表示时间。

故障电流的微分方程为：

设故障初始时刻为t＝0+时刻，该时刻故障电流的微分值为：

对于直流配电网而言，故障初始时刻直流电流与电压相差两个数量级以上，故t＝0时刻电流的微分值为：

由式(5)和(9)可知，故障初始时刻，无论电路处于欠阻尼状态还是过阻尼状态，单极接地故障和双极接地故障的电流微分表达式均相同，故障初始时刻电流微分值大于0。

S2：保护判据

在直流***中，直流线路包括正负两条线路，每条线路出口都装设保护装置和限流电感，规定正极线路的正方向为母线指向线路，负极线路的正方向为线路指向母线。

当直流侧发生正极接地故障时，电流迅速增大，因此，对于限流电感而言，当正方向发生故障时，故障瞬间有d_i/d_t>0,正极线路电感两端电压也大于0，同理，当负极发生单极接地故障时，在规定的正方向下，负极线路电感两端电压也大于0；相反，当保护装置反方向发生故障时，故障电流反向增大，保护装置处的限流电感电压小于0。因此，根据线路两端的限流电感电压来构成纵联保护。具体流程如下：

(1)故障启动：采集线路Line1-Line4的电压、电流，采用d_u/ d_t、d_i/d_t作为故障启动判据，当d_u/d_t、d_i/d_t超过阈值时，保护启动。

(2)故障检测：利用低压、过流保护来实现故障检测，其作用是在故障启动判据的基础上进一步检测线路是否发生故障。

(3)故障识别：在规定的正方向测量每条线路两端限流电感的电压值，计算线路两端限流电感的电压值，利用直流线路两端的限流电感电压构成故障识别、故障选极判据，故障识别判据的作用是可靠识别区内外故障。

(4)故障选极：故障选极判据的作用是确定***发生了正极、负极还是双极故障。当检测到相应的故障后，发出跳闸信号，相应直流断路器动作，切除故障。

本发明解决了传统直流配电网保护速动性不强问题。利用在直流线路两端装设限流电抗器来构造边界元件，通过限流电感两端的电压进行故障识别。本发明不受过渡电阻、故障距离以及换流器功率反转的影响，在直流侧故障后能够准确识别区内外故障并选出故障极同时，能够满足直流保护对选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要求。

附图说明

(1)图1为多端柔性直流配电网示意图。

(2)图2为正负极线路方向标定图。

(3)图3为保护方法流程图。

具体实施方式

本发明包括多端环状直流配电***，多端环状直流配电***包括换流器、直流断路器和直流线路，换流器采用两电平电压源型变换器(voltage source converter，VSC)，如图1所示。

图1中：S1～S4表示交流***；VSC1～VSC4为换流器；Bus1～ Bus4为直流母线；12、14、21、23、32、34、41、43分别表示直流断路器编号；Line1～Line4为直流输电线路；F1～F4为故障点，其中： F1在Line1线路上，F2在Line2线路上，F3在Line4线路上，F4 在Bus2直流母线上。直流断路器安装于直流母线出口，限流电感安装于直流断路器和直流输电线路之间，每条输电线包括正负极两条线路。

针对图1所示的四端柔性直流配电***，采用主从控制方式，换流器VSC1采用定直流电压控制，支撑起整个直流***的电压，作为***的平衡节点；换流器VSC2～VSC4采用定功率控制，作为***的功率节点。

一种基于限流电感电压的多端柔性直流配电网保护方法，包括下述步骤：

S1：故障启动

直流侧发生故障后，故障瞬间直流母线电压降低、电流增大。因此，根据故障后直流电压、电流的变化量构成故障启动判据，如式(1)所示，当式(1)的条件同时满足时，保护方案启动。

式中：u、i表示正极或负极的直流线路电压、电流，U_n、I_n表示直流电压、电流的额定值；t表示时间。

S2：故障检测

当***出现扰动或受到干扰时，可能会造成故障启动元件误动作，因此，需要构造故障检测判据来识别扰动和故障。由于***扰动相较于故障暂态过程而言时间要长，且不会造成严重的***欠压和过流，因此，根据低压、过流保护来构成故障检测元件，当各直流线路都连续3个采样点满足低压、过流条件时才可确定为故障，故障检测判据如式(2)所示，当式(2)的条件同时满足时，检测到故障。

式中：i表示正极或负极的直流线路电流，U_n表示直流电压、 I_n表示电流的额定值，U_dc表示直流侧极间电压。

S3：故障识别

(1)正负极线路方向标定

如图2所示，以换流站1为例，每条线路出口都装设保护装置和限流电感，12P和12N分别为正负极保护装置，Lr为限流电感，规定正极线路的正方向为母线指向线路，负极线路的正方向为线路指向母线。

当直流侧F1处发生正极接地故障时，电流迅速增大，因此，对于限流电感而言，当正方向发生故障时，故障瞬间有d_i/d_t>0，故有：

式中：U_L12P为正极线路限流电感两端的电压。

同理，当负极发生单极接地故障时，在规定的正方向下，负极线路电感两端电压也大于0。

相反，当图1中保护装置12P背侧F4处发生正极接地故障时，故障电流反向增大，因此有：

因此，保护装置m正方向发生故障的保护判据为：

式中：U_Lmt表示限流电感电压；m为直流断路器的编号，m＝ 12,21，14，23，41，32，43，34；t表示直流断路器的正负极，t ＝P、N，P表示正极，N表示负极；R_mt为正方向故障识别信号， R_mP＝1表示保护装置正极发生正方向故障，R_mN＝1表示保护装置负极发生正方向故障，R_mt＝0表示发生了反方向故障；U_set为保护判据阈值。

(2)阈值整定

U_set为保护判据阈值，根据理论分析，正常情况下限流电感两端电压为0，U_set可以设为0，但考虑到电压互感器的不平衡电压，该阈值应该大于0。根据国家电网公司企业标准(Q/GDW10531-2016)，直流电子式电压互感器的幅值误差为±0.2％，设一个互感器的误差为-0.2％，另一个为+0.2％，负荷状态下不平衡电压不大于0.4％，考虑可靠系数为2，保护判据阈值U_set可取为：

U_set＝2×0.4％×U_n (6)

(3)故障识别

根据直流线路两端的保护装置即可判断区内外故障，具体判据为：

式中：n表示m所在线路对端的直流断路器；R_mt为保护装置m 正方向故障识别信号，R_nt为保护装置n正方向故障识别信号；S_t为区内外故障识别信号，S_t＝1表示发生了区内故障，否则，为区外故障。

S4：故障选极

设置故障选极判据目的是为了进一步识别故障发生在正极还是负极，若发生了正极接地故障，则正极线路两端的直流断路器动作；若发生了负极接地故障，则负极线路两端的直流断路器动作；若发生了双极短路故障，则正负极线路两端的直流断路器都动作。故障选极判据为：

式中：S_P为正极故障识别信号，S_N为负极故障识别信号；S_P＝1 时，判定为正极故障，S_N＝1时，判定为负极故障，S_P*S_N＝1时，判定双极故障。

本发明的多端柔性直流配电网保护方法流程如图3所示。

故障启动：

当***运行起来时即开始进入保护环节，利用直流断路器读取电压值、电流值；并将电压、电流值分别对时间t进行微分d_u/d_t、 d_i/d_t计算，当满足式(1)的条件全部满足时保护启动，进行下一步的故障检测；

式中：u、i分别表示正极或负极的直流线路电压、电流，U_n、 I_n分别表示直流电压、电流的额定值；t表示时间。

故障检测：

故障检测判据为：

式中：i表示正极或负极的直流线路电流，U_n、In分别表示直流电压、电流的额定值。

当满足上述条件，闭锁换流器，进行下一步故障识别；否则，循环进行读取电压值、电流值；

故障识别：

在规定的正方向测量每条线路两端限流电感的电压值，计算线路两端限流电感的电压值，根据直流线路两端的保护装置即可判断区内外故障，具体判据为：

式中：n表示m所在线路对端的直流断路器；R_mt为保护装置m 正方向故障识别信号，R_n为保护装置n正方向故障识别信号；S_t为区内外故障识别信号，S_t＝1表示发生了区内故障，否则，为区外故障。

故障选极：

设置故障选极判据目的是为了进一步识别故障发生在正极还是负极，若发生了正极接地故障，则正极线路两端的直流断路器动作；若发生了负极接地故障，则负极线路两端的直流断路器动作；若发生了双极短路故障，则正负极线路两端的直流断路器都动作。故障选极判据为：

式中：S_P为正极故障识别信号，S_N为负极故障识别信号；S_P＝1 时，判定为正极故障，S_N＝1时，判定为负极故障，S_P*S_N＝1时，判定双极故障。

保护方案包括故障启动、故障检测、故障识别、故障选极判据。其中，采用d_u/d_t、d_i/d_t作为故障启动判据；低压、过流保护来实现故障检测，其作用是在故障启动判据的基础上进一步检测线路是否发生故障；利用直流线路两端的限流电感电压构成故障识别、故障选极判据，故障识别判据的作用是可靠识别区内外故障；故障选极判据的作用是确定***发生了正极、负极还是双极故障。当检测到相应的故障后，发出跳闸信号，相应直流断路器动作，切除故障。

Claims (1)

1.一种基于限流电感的多端柔性直流配电网保护方法,包括故障启动、故障检测、故障识别、故障选极；所述故障启动是采用du/dT、di/dT进行判据；故障检测是采用低压、过流保护来实现进一步检测线路是否发生故障；故障识别是利用直流线路两端的限流电感电压来进行可靠识别区内、外故障；故障选极是利用直流线路两端的限流电感电压来确定***发生了正极、负极还是双极故障；当检测到相应的故障后，发出跳闸信号，相应直流断路器动作，切除故障；其特征是包括以下步骤：

(1)故障启动：当***运行起来时即开始进入保护环节，利用直流断路器读取电压值、电流值；并将电压、电流值分别对时间T进行微分du/dT、di/dT计算，当满足式(1)的条件全部满足时保护启动，进行下一步的故障检测；

式中：u表示正极或负极的直流线路电压，i表示正极或负极的直流线路电流，U_n表示直流电压的额定值、I_n表示直流电流的额定值；T表示时间；

(2)故障检测：

故障检测判据为：

式中：U_dc表示直流侧极间电压；

当满足上述条件，闭锁换流器，进行下一步故障识别；否则，循环进行读取电压值、电流值；

(3)故障识别：

规定正极线路的正方向为母线指向线路，负极线路的正方向为线路指向母线；

保护装置m正方向发生故障的保护判据为：

式中：U_Lmt表示限流电感电压；m为直流断路器的编号，m＝12,21，14，23，41，32，43，34；t表示直流断路器的正负极，t＝P、N，P表示正极，N表示负极；R_mt为正方向故障识别信号，R_mp＝1表示保护装置正极发生正方向故障，R_mN＝1表示保护装置负极发生正方向故障，R_mt＝0表示发生了反方向故障；U_set为保护判据阈值；

判据阈值U_set可取为：

U_set＝2×0.4％×U_n (4)

在规定的正方向测量每条线路两端限流电感的电压值，计算线路两端限流电感的电压值，根据直流线路两端的保护装置即可判断区内外故障，具体判据为：

式中：n表示m所在线路对端的直流断路器；R_mt为保护装置m正方向故障识别信号，R_nt为保护装置n正方向故障识别信号；S_t为区内外故障识别信号，S_t＝1表示发生了区内故障，否则，为区外故障；

(4)故障选极：设置故障选极判据目的是为了进一步识别故障发生在正极还是负极，若发生了正极接地故障，则正极线路两端的直流断路器动作；若发生了负极接地故障，则负极线路两端的直流断路器动作；若发生了双极短路故障，则正负极线路两端的直流断路器都动作；故障选极判据为：

式中：S_p为正极故障识别信号，S_N为负极故障识别信号；S_p＝1时，判定为正极故障，S_N＝1时，判定为负极故障。

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