CN104934950B - 一种多级直流配电馈线的保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级直流配电馈线的保护方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、采集多级直流配电馈线的各级直流母线出口处的电流ix(k)，并计算电流增量测量值Δix(k)，其中，x为A,B,…M级，k为各级直流母线出口处的电流的采样点数；步骤2、判断多级直流配电馈线的故障区段；步骤3、换流器重启。本发明一种多级直流配电馈线的保护方法，能够与换流器保护形成配合，正确识别直流馈线故障区段，并由相应的馈线保护切除故障，且其相邻馈线保护不会误动，保证直流断路器的动作具有选择性。
Description
技术领域
本发明属于直流配电网继电保护技术领域，具体涉及一种多级直流配电馈线的保护方法。
背景技术
随着电力负荷的迅速增长，现有交流配电网日益受到供电半径的限制，特别是电力电子装置的大量应用给交流配电系统注入了大量谐波，交流配电网的电能质量还受到了严重的影响。随着高压直流输电技术及柔性直流技术有了长足的发展和广泛的工程应用，近年来国内外专家学者提出在供电、配电的电压等级上进行直流供电。与交流配电系统相比，直流配电系统存在供电容量大、线路损耗小、线路造价低、可靠性好、电能质量好、电磁辐射小等优势。但是，目前对直流配电系统的研究尚处在理论分析和试验探索阶段，其重要原因之一就是直流线路保护技术不完善。
对此，各国学者展开了多方面研究：1)在多端柔性直流系统中常常采用常规交流断路器代替直流断路器，通过和换流站控制系统或直流侧隔离开关相配合来隔离故障线路；2)在地铁直流牵引供电系统中直流线路保护主要有大电流脱扣保护、电流上升率及电流增量保护等；3)在基于VSC的舰船直流配电系统的保护与重构方案中，用可关断器件代替了换流器中的反并联二极管来实现限制、分断短路电流的作用，使得故障被快速隔离。
以上各保护方案主要是针对“单级”直流线路的，但是多端柔性直流系统或直流牵引供电因其特殊的结构或用途，它们的线路保护方案并非传统意义上的配电馈线保护，具有很强的特殊性，且大多是针对换流器出口侧只有一条直流线路，该直流线路较少出现T接负载或分布式电源支路。所以这些直流线路保护方案不可直接应用于直流供配电网中“多级”馈线的保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级直流配电馈线的保护方法，能够准确判别直流线路的故障区段，在短时间内切除故障。
本发明所采用的技术方案是，一种多级直流配电馈线的保护方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采集多级直流配电馈线的各级直流母线出口处的电流ix(k)，并计算电流增量测量值Δix(k)，
其中，x为A,B,…M级，
k为各级直流母线出口处的电流的采样点数；
步骤2、判断多级直流配电馈线的故障区段；
步骤3、换流器重启。
本发明的特点还在于：
步骤1中电流增量测量值Δix(k)采用3点采样值的计算方法得到，为：
步骤2判断多级直流配电馈线的故障区段的具体步骤为：
步骤2.1、当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)不小于换流器保护动作电流值时，换流器保护启动，立即切断供电电源，然后开始检测各级直流母线出口处的电流ix(k+1)；当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)小于换流器保护动作电流值时，继续检测各级直流母线出口处的电流ix(k+1)；
步骤2.2、若任意有一级直流母线出口处的电流大于馈线保护启动电流，根据各级馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值和实际值的大小关系判断故障是否发生在本级：若满足本级馈线的I段保护动作条件，则本级直流断路器立即跳闸，若满足本级馈线的II段保护动作条件，则本级直流断路器延时跳闸，转到步骤3；否则返回步骤2.1。
步骤2.1中换流器保护动作电流值不大于1000A。
步骤2.2中各级馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值的计算过程为：
按照传统的三段式电流保护思想，在动作阈值上，本级馈线的I段保护按本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率整定；而本级馈线的II段保护整定值与下一级馈线的I段保护整定值相配合；在动作时间上，本级馈线的I段保护为无延时动作，与相邻馈线的保护动作时间无关；而本级馈线的II段保护动作时间需与下一级馈线的I段的动作时间相配合；x级为本级，x+1级为下一级，其中x为A,B,…M级，dif/dt为本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率；为本级馈线的I段保护整定值；为本级馈线的II段保护整定值；为下一级馈线的I段保护整定值；Krel’、Krel”分别为I段保护和II段保护的可靠系数；Δt为保护采样时间，则I段和II段的整定值为式(2)所示：
本级馈线的I段保护动作条件为：
式(3)中T1是直流断路器固有动作时间，t为保护动作时间；
本级馈线的II段保护动作条件为：
式(4)中T2为本级馈线的II段保护相对于下一级馈线的I段保护的动作延迟时间，t为保护动作时间。
本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt的计算过程为：
在进行馈线保护动作阈值整定时，直流网络视为一个串联的RLC二阶电路，设单极直流电容为C1，直流馈线每公里电阻、电感分别为r1和l1，故障点距电源端换流器的距离为a，Rf为过渡电阻，则当发生极间故障时，
R＝2ar1+Rf (5)
L＝2al1 (6)
C＝C1/2 (7)
上述串联的RLC二阶电路可用一个二阶微分方程表示，对于直流配电馈线，R往往小于该电路的阻尼电阻，故电容电压uc(t)、直流电容放电电流i(t)、本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di(t)/dt用式(8)表示：
其中，t0为故障发生的起始时刻，α为二阶微分方程的时间常数，ωd为振荡频率，K1和K2均为二阶微分方程的两个积分常数、这两个积分常数是由电路初始条件决定的、其中K1由电容初始电压决定，K2由电容初始电流决定；
通过求解式(8)，即可得到本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di(t)/dt为：
di(t)/dt＝-Ce-αt{α2[K1cos(ωdt)+K2sin(ωdt)]-2α[-K1ωdsin(ωdt)+K2ωdcos(ωdt)]-K1ωd 2cos(ωdt)-K2ωd 2sin(ωdt)}
(9)
将t0＝0代入式(9)，即可得到本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt。
步骤3重启换流器具体为：直流断路器跳闸后保护装置立即向电源端换流器发出重启信息，若为瞬时性故障则换流器重启成功，转到步骤1；若为永久性故障，则换流器停止重启，即完成对多级直流配电馈线的保护。
本发明的有益效果是：
①本发明一种多级直流配电馈线的保护方法，当过渡电阻相同，而故障位置不同时，该保护方案能够正确识别直流馈线故障的区段，并由相应的馈线保护切除故障，且其相邻馈线保护不会误动。尤其是当短路故障发生在馈线末端时，可以由本级馈线的II段保护延时t1切除故障，而当故障发生在馈线首端时，本级馈线的I段保护经过判断会先于上一级馈线的II段保护发出动作信号，防止上一级馈线的II段保护误动，保证了保护动作的可靠性，选择性，速动性。
②本发明一种多级直流配电馈线的保护方法，原理简单且易于实现。
附图说明
图1是本发明多级直流配电馈线的系统结构图；
图2是本发明多级直流配电馈线的故障简化电路图；
图3是本发明中电容放电电流的计算波形与仿真波形图；
图4(a)是本发明的各级馈线末端故障时直流电容放电电流图；
图4(b)是本发明的各级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率图；
图5(a)是本发明的Cable A故障后各级线路电流波形图；
图5(b)是本发明的Cable A故障后各级保护发出的断路器控制信号图；
图5(c)是本发明的Cable A故障切断过程图。
图中，1.霍尔电流传感器，2.保护判断模块，3.保护操作机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种多级直流配电馈线，系统结构如图1所示，多级直流馈线分别为Cable A、Cable B、…Cable M，其中线路保护和直流断路器分别配置在各级馈线首端，直流断路器从左(即与换流器连接的一端)至右依次为直流断路器A、直流断路器B、…直流断路器M，线路保护包括依次连接的霍尔电流传感器1、保护判断模块2、保护操作机构3，霍尔电流传感器1、保护操作机构3均与直流断路器连接。电源端换流器控制直流网络的电压。各级馈线分别配置两段保护，分别为保护I段和保护II段，其中I段保护为瞬时性保护，考虑到I段保护不能保护本级线路全长，于是加入具有延时动作的II段保护作为近后备保护，其保护范围延伸至下一级线路的首端。而换流器保护则可作为整个馈线保护的远后备保护。
本发明一种多级直流配电馈线的保护方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、霍尔电流传感器1实时采集多级直流配电馈线的各级直流母线出口处的电流ix(k)，得到各级直流电流采样值：ix(1)、ix(2)、ix(3)、…、ix(k)，x为A,B,…M级，k为各级直流母线出口处的电流的采样点数；电流采样时间为Δt。然后采用3点采样值的方法计算电流增量测量值Δix(k)：
步骤2、判断多级直流配电馈线的故障区段：
步骤2.1、当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)不小于换流器保护动作电流值(换流器保护动作电流值不大于1000A)时，说明直流配电系统发生故障，为了保护换流器开关管，换流器保护启动，立即切断供电电源，然后开始检测各级直流母线出口处的电流ix(k+1)；当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)小于换流器保护动作电流值时，说明馈线上没有故障发生，继续检测各级直流母线出口处的电流ix(k+1)；
步骤2.2、若任意有一级直流母线出口处的电流大于馈线保护启动电流，根据各级馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值和实际值的大小关系判断故障是否发生在本级：若满足本级馈线的I段保护动作条件，则本级直流断路器立即跳闸，若满足本级馈线的II段保护动作条件，则本级直流断路器延时跳闸，转到步骤3；否则返回步骤2.1。
下面具体描述各级馈线的I段保护和II段保护的整定规则及动作阈值的计算。
利用不同故障位置下，电源端直流电容放电电流变化率的不同构成馈线主保护。
由图1知，故障点距离换流器越近，则直流电容放电电流变化率越大。按照传统的三段式电流保护思想，在动作阈值上，本级馈线的I段保护按本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率整定；而本级馈线的II段保护整定值与下一级馈线的I段保护整定值相配合；在动作时间上，本级馈线的I段保护为无延时动作，与相邻馈线的保护动作时间无关；而本级馈线的II段保护动作时间需与下一级馈线的I段的动作时间相配合；x级为本级，x+1级为下一级，其中x为A,B,…M级，dif/dt为本级馈线末端故障时直流电容放电电流的初始变化率；为本级馈线的I段保护整定值；为本级馈线的II段保护整定值；为下一级馈线的I段保护整定值；Krel’、Krel”分别为I段保护和II段保护的可靠系数；Δt为保护采样时间，则本级馈线的I段保护和II段保护的整定值为式(2)所示：
本级馈线的I段保护动作条件为：
式(3)中T1是直流断路器固有动作时间，t为保护动作时间；
本级馈线的II段保护动作条件为：
式(4)中T2为本级馈线的II段保护相对于下一级馈线的I段保护的动作延迟时间，t为保护动作时间。
具体计算本级馈线末端故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt的计算过程为：
从时序上，可将极间短路故障的发展过程分为三个阶段：1)电源端换流器保护动作阶段；2)直流电容放电阶段；3)馈线电感续流阶段。
其中，电源端换流器保护动作阶段为极间故障的第一阶段，该阶段以故障发生时刻t0为始，以换流器封锁开关管触发脉冲并切断电源时刻t1为止。
随着直流电容的放电和直流电压的跌落，电源端换流器不仅要向故障点供电，还要为直流电容充电。此时电源端换流器会为了防止开关管过电流而封锁开关管的触发脉冲，同时切断电源。此时进入极间短路故障的第二阶段：直流电容放电阶段，该阶段内由于电源被切断，因此馈线故障电流仅由直流电容的放电过程提供。该阶段以换流器封锁开关管触发脉冲并切断电源时刻t1为始，以直流电容放电完毕，即直流电容电压为零时刻t2为止。
当电容电压为零时，极间故障进入第三阶段，即线路电感续流阶段，此时馈线电感通过电源端换流器桥臂上的反并联二极管续流。该阶段一直持续到回路电流降为零为止。
由于电源在故障第一阶段向故障点提供了故障电流，所以直流馈线的电流上升率在故障第一阶段总是最大的。为了保证保护在任何情况下都能可靠动作，应考虑最不利于保护动作的情况。所以在整定保护动作阈值时，忽略电源支路。
其次，当直流馈线发生不对称故障时，故障极直流电容总是先于非故障极直流电容向故障点放电。所以在故障初期，直流馈线的电流变化率主要取决于故障极电容的放电情况。基于此，在整定非对称故障的动作阈值时，忽略非故障极支路。
采取以上两个简化以后，在进行馈线保护动作阈值整定时，可将直流网络视为如图2所示的串联的RLC二阶电路。设单极直流电容为C1，直流馈线每公里电阻、电感分别为r1和l1，故障点距电源端换流器的距离为a，Rf为过渡电阻，则当发生极间故障时R、L、C的计算方法为：
R＝2ar1+Rf (5)
L＝2al1 (6)
C＝C1/2 (7)
上述串联的RLC二阶电路可用一个二阶微分方程表示，对于直流配电馈线，R往往小于该电路的阻尼电阻，故电容电压uc(t)、直流电容放电电流i(t)、本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di(t)/dt用式(8)表示：
其中，t0为故障发生的起始时刻，α为二阶微分方程的时间常数，ωd为振荡频率，K1和K2均为二阶微分方程的两个积分常数、这两个积分常数是由电路初始条件决定的、其中K1由电容初始电压决定，K2由电容初始电流决定。
通过求解式(8)，即可得到本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di(t)/dt为：
di(t)/dt＝-Ce-αt{α2[K1cos(ωdt)+K2sin(ωdt)]-2α[-K1ωdsin(ωdt)+K2ωdcos(ωdt)]-K1ωd 2cos(ωdt)-K2ωd 2sin(ωdt)}
(9)
将t0＝0代入式(9)，即可得到本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt。
步骤3、直流断路器跳闸后保护装置立即向电源端换流器发出重启信息，若为瞬时性故障则换流器重启成功，转到步骤1；若为永久性故障，则换流器停止重启，即完成对多级直流配电馈线的保护。
下面以三级直流配电馈线为例举例说明上述保护配置方案：
x级为本级，x+1级为下一级(x为A,B,…M级)，以x＝A级为例说明保护配置方案，此时B级为下一级。假设图1中f点发生故障，则故障点之前的各级馈线保护的直流电容放电电流变化率为di(t)/dt，B级馈线的I段保护动作阈值为(di/dt)I B，A级馈线的II段保护动作阈值为(di/dt)II A，则该故障将由B级馈线的I段保护率先动作切除故障。
保护配置中需要的各参数值如下：
直流电压udc＝750V；A级、B级、C级三级线路参数相同，线路电阻和线路电感分别为r1＝0.12Ω/km和l1＝1.3mH/km，每级线路长度l＝0.3km，每级线路各带负荷100kW，根据直流电压udc＝750V及每级线路各带100kW负荷可以计算得到第一级馈线Cable A(即A级)最大负荷电流为400A，第二级馈线Cable B(即B级)最大负荷电流为266.67A，第三级馈线CableC(即C级)最大负荷电流为133.33A，直流电容C1＝0.007F，换流器保护动作整定值为600A，故障过渡电阻Rf＝1Ω。
若在第一级馈线Cable A(即A级)末端0.3km处发生故障(以极间故障为例)且忽略故障过渡电阻，则根据步骤2-2中描述的故障电流计算方法得到电容放电阶段电流波形与Simulink仿真软件的仿真结果对比如图3所示。由图3可知，直流电容放电电流计算结果与仿真结果相差不大，说明上述计算电容放电电流的分析是正确的。
同理可得到各级馈线末端故障时，电容放电阶段电流波形，对电容放电电流的计算波形求导得到电容放电阶段直流电容放电电流变化率波形，分别如图4(a)和图4(b)。
设保护装置电流采样率为2000Hz，取各级馈线的I段保护可靠系数Krel’＝1.3、II段保护可靠系数Krel”＝1.2，则根据式2及图4(b)得到各级馈线保护的动作整定值如表1，其中本级馈线末端故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt取t0＝0时刻的电流变化率，保护的启动电流设为最大负荷电流的1.1倍，见表2。第一级馈线Cable A(即A级)的最大负荷电流为400A，第二级馈线Cable B(即B级)的最大负荷电流为266.67A，第三级馈线CableC(即C级)的最大负荷电流为133.33A。
表1各级馈线保护的动作整定值(单位为安培)
表2各级馈线保护的启动电流值(单位为安培)
然后利用RT-LAB实时仿真平台，在上面所述系统中对各级馈线保护进行几种故障情况下的仿真测试，以考察其性能。在仿真中用可关断开关管模拟直流断路器关断过程，且在仿真中为保护动作时间加入一段固有延时，以表征断路器动作时间。
假设第一级馈线Cable A(即A级)在距电源端换流器0.27km处在t＝1s时发生金属性故障，按照本发明所描述的保护方案，设电源端VSC换流器在t＝1.05s时重启，则各级馈线的电流波形如图5(a)所示；各级馈线保护发出的断路器控制信号如图5(b)所示(0代表分断，1代表闭合)；切断过程中各级电路电流如图5(c)所示：
由图5(a)及图5(b)可知，当t＝1s时Cable A发生故障后，A级馈线经过判断后，于t＝1.005s对断路器发出分断信号，切断了故障电流。其他馈线的保护装置并未发出分断信号，说明该保护方案可以快速判断并有选择性地切除故障线路，保证系统无故障部分继续运行。
对本发明所描述的主保护进行大量仿真测试。设故障发生在t＝1s，在不同过渡电阻、不同故障位置情况下，各级馈线保护的动作情况如表3所示，其中故障距离是指电源端换流器到故障点的距离，“-”表示该保护未动作。
表3不同故障情况下各级馈线保护的动作时间
由表3可以得到如下结论：
1)当过渡电阻相同，而故障位置不同时，该保护方案能够正确识别直流馈线故障的区段，并由相应的馈线保护切除故障，且其相邻馈线保护不会误动。尤其是当短路故障发生在馈线末端时，可以由本级保护II段延时切除故障，而当故障发生在馈线首端时，本级保护I段经过判断会先于上一级保护的II段发出动作信号，防止上一级保护误动。
2)当故障位置相同，而过渡电阻不同时，若过渡电阻小于保护整定中的Rf，则保护能够快速识别并切除故障；若过渡电阻大于保护整定中的Rf，则保护不能正常动作，这是因为表1中整定值是按Rf＝1Ω的条件计算得出，当过渡电阻超过整定条件时，电流变化率保护的范围将缩小。甚至有时保护会拒动。因此，为防止在发生高阻故障时保护拒动，就需要依靠后备保护或绝缘监察装置加以弥补。
Claims (5)
1.一种多级直流配电馈线的保护方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采集多级直流配电馈线的各级直流母线出口处的电流ix(k)，并计算电流增量测量值Δix(k)，电流增量测量值Δix(k)采用3点采样值的计算方法得到为：
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其中，x为A,B,…M级，
k为各级直流母线出口处的电流的采样点数；
步骤2、判断多级直流配电馈线的故障区段，具体步骤为：
步骤2.1、当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)不小于换流器保护动作电流值时，换流器保护启动，立即切断供电电源，然后开始检测各级直流母线出口处的电流ix(k+1)；当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)小于换流器保护动作电流值时，继续检测各级直流母线出口处的电流ix(k+1)；
步骤2.2、若任意有一级直流母线出口处的电流大于馈线保护启动电流，根据各级馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值和实际值的大小关系判断故障是否发生在本级：若满足本级馈线的I段保护动作条件，则本级直流断路器立即跳闸，若满足本级馈线的II段保护动作条件，则本级直流断路器延时跳闸，转到步骤3；否则返回步骤2.1；
步骤3、换流器重启。
2.根据权利要求1所述的一种多级直流配电馈线的保护方法，其特征在于，所述步骤2.1中换流器保护动作电流值不大于1000A。
3.根据权利要求1所述的一种多级直流配电馈线的保护方法，其特征在于，所述步骤2.2中各级馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值的计算过程为：
按照传统的三段式电流保护思想，在动作阈值上，本级馈线的I段保护按本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率整定；而本级馈线的II段保护整定值与下一级馈线的I段保护整定值相配合；在动作时间上，本级馈线的I段保护为无延时动作，与相邻馈线的保护动作时间无关；而本级馈线的II段保护动作时间需与下一级馈线的I段的动作时间相配合；x级为本级，x+1级为下一级，其中x为A,B,…M级，dif/dt为本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率；为本级馈线的I段保护整定值；为本级馈线的II段保护整定值；为下一级馈线的I段保护整定值；Krel’、Krel”分别为I段保护和II段保护的可靠系数；Δt为保护采样时间，则I段和II段的整定值为式(2)所示：
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本级馈线的I段保护动作条件为：
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式(3)中T1是直流断路器固有动作时间，t为保护动作时间；
本级馈线的II段保护动作条件为：
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</mrow>
</mrow>
式(4)中T2为本级馈线的II段保护相对于下一级馈线的I段保护的动作延迟时间，t为保护动作时间。
4.根据权利要求3所述的一种多级直流配电馈线的保护方法，其特征在于，所述本级馈线末端故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt的计算过程为：
在进行馈线保护动作阈值整定时，直流网络视为一个串联的RLC二阶电路，设单极直流电容为C1，直流馈线每公里电阻、电感分别为r1和l1，故障点距电源端换流器的距离为a，Rf为过渡电阻，则当发生极间故障时R、L、C的计算方法为：
R＝2ar1+Rf (5)
L＝2al1 (6)
C＝C1/2 (7)
上述串联的RLC二阶电路可用一个二阶微分方程表示，对于直流配电馈线，R往往小于该电路的阻尼电阻，故电容电压uc(t)、直流电容放电电流i(t)、本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di(t)/dt用式(8)表示：
<mrow>
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其中，t0为故障发生的起始时刻，α为二阶微分方程的时间常数，ωd为振荡频率，K1和K2均为二阶微分方程的两个积分常数、这两个积分常数是由电路初始条件决定的、其中K1由电容初始电压决定，K2由电容初始电流决定；
通过求解式(8)，即可得到本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di(t)/dt为：
di(t)/dt＝-Ce-αt{α2[K1cos(ωdt)+K2sin(ωdt)]-2α[-K1ωdsin(ωdt)+K2ωdcos(ωdt)]-K1ωd 2cos(ωdt)-K2ωd 2sin(ωdt)} (9)
将t0＝0代入式(9)，即可得到本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率dif/dt。
5.根据权利要求1所述的一种多级直流配电馈线的保护方法，其特征在于，所述步骤3重启换流器具体为：直流断路器跳闸后保护装置立即向电源端换流器发出重启信息，若为瞬时性故障则换流器重启成功，转到步骤1；若为永久性故障，则换流器停止重启，即完成对多级直流配电馈线的保护。
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