CN105162093A - 一种用于直流配电系统短路故障的纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于直流配电系统短路故障的纵联保护方法，包括：步骤1：根据所采集的直流线路首端、末端的直流电流信息，计算直流电流变化率di/dt，判断电流变化率是否超过整定值，如果超过，则启动故障判别程序，进入步骤2，否则，保护故障判别程序不启动；步骤2：若线路首端电流突变量大于线路首端保护整定值，且线路末端电流突变量大于线路末端保护整定值，则确定直流线路短路故障，跳开该直流线路的直流断路器。该保护方法使用的保护原理简单，故障时快速性好、可靠性高，同时不受过渡电阻和系统运行方式的影响，为直流配电系统的安全可靠运行提供技术支撑。

Description

一种用于直流配电系统短路故障的纵联保护方法

所属技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及用于直流配电系统短路故障的保护方法。

背景技术

智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网未来发展方向主要集中在配电网，国际上正在积极开展配电网领域前瞻性研究。

目前越来越多的家用电器和办公电器基于电子产品，其最终用电形式是直流，如手机、液晶显示器、计算机、电动汽车等；日益增多的家用负荷和工业负荷为提高效率采用变频技术，这些负荷可视为间接直流负荷。同时部分基于可再生能源的分布式发电产生的电力是直流，如光伏发电、燃料电池发电。因而便产生了一种提高效率和减少能耗的天然解决方法——使用直流配电系统。随着现代电力电子技术的快速发展，应用于直流配电的换流元件已日趋成熟；同时直流配电系统具有电能质量高、可靠性高、经济性好、传输容量大、电能损耗低、拓扑结构简单和适应分布式电源(DistributedGenerator，DG)接入等优点。在直流线路严重极间短路故障暂态时，电容快速放电，故障电流变化率及其峰值都非常大，对系统元件造成巨大冲击及损害，而故障稳态时也同样对会二极管造成损坏，因此需要保护毫秒级快速动作；此外，由于过渡电阻的存在，使基于单端量的电压、电流保护配合非常困难。因此，直流配电系统的发展受到了国内外学者的广泛关注。然而，目前对直流配电系统的研究尚处在理论研究阶段，尚无实际的工程应用经验。

作为直流配电系统发展的关键技术之一，继电保护技术起着保证直流配电系统安全可靠运行的作用。目前直流配电保护技术的研究尚处于起步阶段，还没有直流配电系统保护配置的实践经验和标准。

发明内容

本发明旨在针对基于脉宽调制的直流配电系统中直流线路故障，提出一种基于用于直流配电系统的直流电流突变量的纵联保护方法。该保护方法使用的保护原理简单，故障时快速性好、可靠性高，同时不受过渡电阻和系统运行方式的影响，为直流配电系统的安全可靠运行提供技术支撑。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于直流配电系统短路故障的纵联保护方法，包括以下步骤：

步骤1：根据所采集的直流线路首端、末端的直流电流信息，计算直流电流变化率di/dt，判断电流变化率是否超过整定值k_start，如果超过，则启动故障判别程序，进入步骤2，否则，保护故障判别程序不启动；

步骤2：若线路首端电流突变量i₁-i_normal1大于线路首端保护整定值I_set1，且线路末端电流突变量i₂-i_normal2大于线路末端保护整定值I_set2，则确定直流线路短路故障，跳开该直流线路的直流断路器。

步骤1中，如果计算出的di/dt连续三次超过保护启动的整定值k_start，则启动故障判别程序。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.该保护方法能够很好的应对直流线路极间短路故障时过渡电阻不同的情况，不受过渡电阻和系统运行方式的影响，具有很高的可靠性；

2.该方法具有一定的自适应性，不要求两端电流值的实时同步，因此具有较高的可靠性。由于应用暂态电流的突变量，因此该方法能保证保护动作速度快，配合混合型直流断路器的使用，系统可以在1ms左右的时间切除故障线路。

附图说明

图1是直流配电系统测试模型拓扑结构图；

图2是短路故障时暂态直流电流波形示意图；

图3是直流配电系统的纵联保护方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

典型直流配电系统拓扑结构图如附图1所示，使用10kV交流系统作为主要供电电源，经过10/3.8kV变压器和整流器组成的配电换流站整流成10kV直流电，直接连接到10kV直流母线上；系统馈出线路分为三段，负载通过直流电缆连接至直流母线；系统中同时接有光伏电源，其接口电路为DC/DC变换器，并且采用最大功率跟踪控制。本发明的用于直流配电系统中基于电流突变量的直流线路的纵联保护原理，利用各直流线路首端和末端采集到的直流电流信息，并基于混合型直流断路器，使用电流变化率原理作为直流线路的保护启动元件，基于电流突变量的纵联保护作为直流线路的保护，按照继电保护中对电流正方向的规定，下文中直流电流的正方向均为由母线流向线路，并且本发明所指的线路首端指线路功率的输入端。具体为：

①如果直流电流变化率di/dt超过整定值k_start(即|di/dt|＞k_start)，启动直流线路保护；

②直流线路保护启动后，若线路首端电流突变量i₁-i_normal1大于线路首端保护整定值I_set1，且线路末端电流突变量i₂-i_normal2大于线路末端保护整定值I_set2，说明故障发生在本段线路范围内，则应立即断开该故障线路上的直流断路器。其中i_normal1为正常工作时线路首端通过的电流，i_normal2为正常工作时线路末端通过的电流，i₁为线路首端的测量电流，i₂为线路末端的测量电流。那么正常情况下，i₁为正方向，i₂为负方向，并且i_normal1＝-i_normal2。I_set1为线路首端电流变化量的门槛值，考虑到直流电流波动及互感器误差的影响，一般取为正常工作电流的0.1倍，即I_set1＝0.1i_normal1。I_set2为线路末端电流变化量的门槛值，考虑到过渡电阻较大时，线路末端电流突变量小且暂态时间短，因此为保证保护的可靠动作，选取I_set2＝0.05|i_normal2|。

将本发明提供的直流配电系统直流线路极间短路故障的保护方法应用在如附图1所示直流配电系统测试模型上，进行实例验证。

本发明使用电磁暂态仿真软件PSCAD搭建该实例模型，稳态运行时，系统各电气量如表1所示。

表1直流配电系统电气量

基于如附图2所示的短路故障时暂态直流电压、直流电流波形示意图，本发明制定了如附图3所示的直流配电系统的保护方法流程图。结合保护四性要求和保护方案参数整定原则，本发明如表2所示设置保护动作判据中各参数整定值。

表2各线路正常工作电流及保护整定值

Tab.2Thenormalcurrentsandthresholdsoflines

在PSCAD模型中设置线路九个不同位置的短路故障，分别是各个线路的30％、50％和80％处故障。将故障前后直流电流的数据输入到由MATLAB编程实现的故障判据中，得出以下结论：

(1)保护方案中故障启动元件非常灵敏，当系统线路3末端发生过渡电阻为100Ω的极间短路故障时，线路3首端电流变化率di/dt在0.02ms内达到200kA/s，因此保护启动门槛值设定为di/dt＝200kA/s，在直流线路发生故障时，启动元件能在30us左右启动直流线路保护。

(2)保护动作判别的时间仅用80us左右的时间，由于本方法是判别电流变化的方向，并非电流值的大小，因此在不同位置发生故障时，其保护动作信号发出的时间几乎一致。考虑到混合型直流固态断路器的一般动作时间为500us左右，而且系统线路较短，通信时间对保护影响相对较小，额外考虑保护装置数据转换及计算时间，该方法可以实现在1ms以内切除线路故障。

通过PSCAD和MATLAB仿真验证，验证了保护方法能够满足保护可靠性、速动性、选择性和灵敏性要求，证实了该直流配电系统纵联保护方法的可行性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种用于直流配电系统短路故障的纵联保护方法，包括以下步骤：

步骤1：根据所采集的直流线路首端、末端的直流电流信息，计算直流电流变化率di/dt，判断电流变化率是否超过整定值k_start，如果超过，则可启动故障判别程序，进入步骤2，否则，保护故障判别程序不启动；

步骤2：若线路首端电流突变量i₁-i_normal1大于线路首端保护整定值I_set1，且线路末端电流突变量i₂-i_normal2大于线路末端保护整定值I_set2，则确定直流线路短路故障，跳开该直流线路的直流断路器。

2.根据权利要求1所述的纵联保护方法，其特征在于，如果计算出的di/dt连续三次超过保护启动的整定值k_start，则启动故障判别程序。