CN105322536A - 一种典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法 - Google Patents

Abstract

一种典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，将典型多端柔性直流配电系统划分交流系统保护区、主换流器保护区、直流线路保护区和接入换流器保护区；在保护区域划分的基础上，结合直流配电系统的运行要求及其故障电气特性等因素，为每一保护分区配置保护方案，该方案应包括几种不同的保护算法，以保护本区域设备的安全并同时可作为其它区域的后备保护。保护装置配置是简便可靠为原则，确定保护装置的安装位置和数量。本方法能够快速可靠的判断出直流配电系统中的故障位置并实现故障的切除与隔离，不仅能够保障多端柔性直流配电系统的稳定运行，而且对其保护系统的后续研究有一定的指导意义。

Description

一种典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及一种基于ModularMulti-levelConverter，模块化多电平换流器的典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法。

背景技术

随着城市负荷的复杂化和分布式电源接入率的快速增加，传统交流配电网在满足供电可靠性、电能质量、输送容量上面临越来越大的困难。在用电密集的城市电网中采用MMC技术，可利用它的快速可控性解决城市供电中存在的供电困难、运行成本高以及潮流难以控制的问题，维持城市电网的安全、可靠、经济运行。发展直流配电系统还可以利用其良好的兼容性将分布式新能源与储能设备接入，减少迅速发展的新能源发电设备、储能设备、电动汽车充电站和大量的直流负荷接入电网的中间环节。这种方式可以降低上述设备和负荷的接入成本，提高功率转换效率和电能质量，促进能源的合理有效经济利用，充分发挥分布式能源的价值和效益。随着新能源发电渗透率的日渐提升，直流配电在未来电网中将发挥越来越重要的作用。

目前直流配电技术的应用主要局限于舰船系统、商业和楼宇办公系统、数据中心、电信系统及铁路牵引系统等方面。将直流配电技术应用于城市电网建设是近年来研究的新趋势。利用直流配电系统实现城市供电中分布式电源与大电网的协调运行，提高新能源电源的接入率与可靠性在技术上还有很多需要进一步研究的地方。

常规直流及柔性直流的输电技术，国内外学者做了大量研究，并取得了一系列成果。但对于柔性直流配电技术的研究均处于起步阶段，还需要大量的理论研究与工程验证。目前亟需解决的技术问题主要包括，柔性直流配电系统分析技术、柔性直流配电控制及保护策略、交直流配电网并联运行技术、柔性直流配电网可靠性分析技术、柔性直流配电过电压与绝缘配合技术等。

多端柔性直流配电系统的保护策略国内外已有部分研究，但国内还没有工程应用，然而国内的多端柔性直流输电工程已有较多的工程应用，如舟山多端柔性直流输电工程、南澳多端柔性直流输电工程、上海南汇柔性直流输电示范工程、葛-南柔性直流输电工程、三-常柔性直流输电工程等。虽然柔性直流输电系统的保护策略已经相对较成熟，柔性直流输电与配电系统的保护策略又有很多相似之处，但柔性直流配电系统独特的电气特性，如负荷接入较多、配电线路多且复杂、电能质量要求高、潮流翻转快等特点，均需我们研究针对这些特点保护的配置策略。

发明内容

为了解决多端柔性直流配电工程中没有具体的保护配置方案的技术问题，本发明公开了一种典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，该方法可以在柔性直流配电系统发生各种类型的交直流故障时，实现故障的迅速判别与隔离，保证设备安全和系统稳定运行。

为实现上述目的，本发明采用如下具体方案：

一种典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，其特征在于，所述保护配置方法包括以下步骤：

(1)将典型多端柔性直流配电系统划分为四类保护区，即交流系统保护区、主换流器保护区、直流线路保护区和接入换流器保护区；

(2)对每类保护区配置对应的保护方案，在交流系统保护区配置的保护有联接变压器过流保护、交流过电压保护、交流低电压保护、交流连接母线接地保护；主换流器保护区配置的保护有桥臂过流保护、桥臂差动保护、阀直流过流保护、桥臂电抗器差动保护；直流线路保护区配置的保护有直流电压不平衡保护、直流线路断线保护、直流低电压过电流保护、直流线路差动保护、直流母线差动保护以及直流线路过电流保护；接入换流器保护区配置的保护有交流过电流保护、直流过电流保护、换流器差动保护；

(3)将相邻的交流系统保护区、主换流器保护区内所配的保护集中到一台保护装置内；每一条或每两条直流线路所属的直流线路保护区与‘T’接至该一条或两条直流线路上的接入换流器所属接入换流器保护区所配的保护集中到一台保护装置内。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤(1)中，交流系统保护区包括联接变压器、交流联接母线；

每一台模块化多电平换流器MMC作为一个独立的主换流器保护区，主换流器保护区包括桥臂电抗器、阀组模块、直流电抗器；

每条直流线路划分成一个独立的直流线路保护区，直流线路保护区包括正负极直流线路、直流开关设备；

每一台与直流线路“T”接的接入换流器划分为一个独立的接入换流器保护区，接入换流器保护区包括接入换流器本体、两端高电压母线及开关设备。

每类保护区配置的保护方案都能够覆盖所属保护区域内所有设备的故障；其中，每一直流线路保护区所配置的直流电压不平衡保护、直流低电压过电流保护、直流线路过电流保护不仅能反映本段线路的故障，也能反映相邻线路的故障。

本发明提出的基于典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，其优点是：参考电气设备的安装位置及使用功能，提出了一种适用于柔性直流配电系统的保护区域划分方案，这种划分方法简洁明了有利于保护算法的集中管理和保护装置数目的确定。根据每个保护区域的电气特性和直流配电系统的故障特点配置保护方案，该方案能够迅速开断并隔离故障有效限制故障的蔓延，确保电气设备尤其是价格昂贵的直流设备的安全。这种保护配置方法符合柔性直流配电网络的运行特点及故障特性，可以实现全区域的电气设备的可靠保护。

附图说明

图1是典型多端柔性直流配电系统一次拓扑及保护区域划分示意图，系统中有6个换流器，是六端直流配电系统。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本申请以附图1所示的典型的六端柔性直流配电系统作为实施例。其中电压源型换流器VSC1、VSC2是连接交流和直流系统的主换流器，采用的是模块化多电平换流器；VSC3、UVSC为两电平换流器将交流微电网、交流负荷‘T’接至直流线路；DCSST、UDCSST是直流变压器将直流微电网、直流负荷T接至直流线路；连接变压器T1、T2采用Y/△联接方式、变比110kV/10kV，阀侧中性点经高电阻接地；直流线路L1～L5采用电缆的输送形式。

本申请公开的一种多端柔性直流配电系统的保护配置方法包括以下步骤：

步骤1：将柔性直流配电系统划分为四类保护区域，即交流系统保护区、主换流器保护区、直流线路保护区和接入换流器保护区；保护区域的划分是按照交直流系统分开，不同功能、不同电气单元的设备分开的划分原则。将具有相同故障电气特性的设备划分到一类保护区内，保护分区尽量具有可复制性，便于保护方案的配置和集中管理。

保护区域的划分情况如图1所示，保护区域划分如下：

保护区1、保护区13为所连接交流系统保护区域，包括联接变压器、变压器阀侧出线至VSC1、VSC2换流器桥臂电抗器网侧接线区域；

保护区2、保护区12为主换流器保护区域，包括VSC1、VSC2换流器桥臂电抗器网侧至换流器直流区域；

保护区3、保护区5、保护区7、保护区9及保护区11分别为直流线路L1～L5保护区域，每个保护区域包括直流线路本体和两侧的开关设备；

保护区4、保护区6、保护区8和保护区10是接入换流器保护区，每个保护区域包括换流器本体及其两端的高低压直流母线。

步骤2：根据每类保护区的故障特点,为步骤1中每个保护区域配置对应的保护方案。交流系统保护区配置的保护有联接变压器过流保护、交流过电压保护、交流低电压保护、交流连接母线接地保护；主换流器配置的保护有桥臂过流保护、桥臂差动保护、阀直流过流保护、桥臂电抗器差动保护；直流线路保护区配置的保护有直流电压不平衡保护、直流线路断线保护、直流低电压过电流保护、直流线路差动保护、直流母线差动保护以及直流线路过电流保护；接入换流器保护区配置的保护有交流过电流保护、直流过电流保护、换流器差动保护。这些内容是本发明技术方案中应该具有的统一的、共同的配置。

每类保护区配置的保护方案都能够覆盖本区域内所有设备的故障，某些保护可以延伸到下一个保护区域作为邻近设备的后备保护。如，直流电压不平衡保护、直流低电压过电流保护、直流线路过电流保护不仅能反映本段线路的故障，也能反映相邻线路的故障。

本实施例中配置的保护原理介绍见表1所示。

表1配置的保护原理介绍

结合本申请附图1所示的实施例，保护区1和保护区13是交流系统保护区，配置的保护包括联接变压器过流保护、交流阀侧连接母线接地保护、交流低电压保护和交流过电压保护。

保护区2、保护区12是主换流器保护区，配置的保护包括桥臂电抗器差动保护、桥臂差动保护、桥臂过流保护和阀直流过流保护。

保护区3、保护区5、保护区7和保护区9是直流线路保护区，配置的保护包括直流线路差动保护、直流电压不平衡保护、直流低电压过电流保护、直流过电压保护、直流低电压保护和直流断线保护。

保护区4、保护区6、保护区8和保护区10是接入换流器保护区，配置的保护包括直流母线差动保护、交流过电流保护和直流过电流保护。

步骤3：根据步骤1中保护区划分情况和步骤2中保护的配置情况，依据就近就简的原则确定保护装置的安装数量。即将某一个或相邻的某几个保护内配置的保护集中于一台保护装置内，便于保护的集中管理。

交流系统保护区、主换流器保护区内所配的保护集中到一台保护装置内；每一条或每两条直流线路与‘T’接至其上的接入换流器所配的保护集中到一台保护装置内；根据工程中直流线路及接入换流器的数量即可确定保护装置的数量。

结合本申请附图1所示的实施例，本实施例中共配六套保护装置，安装位置如图1中数字1～6所示。每套保护装置的保护配置情况介绍如下：

保护装置1安装于保护区域2内，配置了保护区1和保护区2所需的保护，保护交流系统AC1和换流器VSC1区域；保护装置6安装于保护区域12内，配置了保护区12和保护区13的所需保护，保护交流系统2和换流器VSC2区域。保护装置1和装置6的保护配置完全相同，其配置的保护见表2所示。

表2装置1、装置6保护的配置情况

序号	保护名称	保护缩写	备注
				1	联接变压器过流保护	50/51CT	交流系统保护
2	交流阀侧连接母线接地保护	59ACVW	交流系统保护
				3	交流低电压保护	27AC	交流系统保护
4	交流过电压保护	59AC	交流系统保护
				5	桥臂电抗器差动保护	87BR	换流器区保护
6	桥臂差动保护	87CG	换流器区保护
				7	桥臂过流保护	50/51CA	换流器区保护
8	阀直流过流保护	76VA	换流器区保护
				9	直流电压不平衡保护	59/76DC	直流系统保护
10	直流低电压过电流保护	27DC/76	直流系统保护
				11	直流过电压保护	37DC	直流系统保护
12	直流低电压保护	27DC	直流系统保护
				13	直流断线保护	37DCOL	直流线路保护

装置2安装于保护区域3内，保护直流线路L1和换流器UVSC及其两端的高低压母线，配置的保护如表3所示。

表3装置2保护的配置情况

装置3安装于保护区域5内，保护直流线路L2和直流变压器UDCSST及其两端的高低压直流母线，配置的保护如表4所示。

表4装置3保护的配置情况

装置4安装于保护区7内，保护直流线路L3和换流器VSC3及其两端的高低压直流母线，其配置的保护见表5所示。

表5装置4保护的配置情况

装置5安装于保护区11内，保护直流线路L4、L5和直流变压器DCSST及其两端的高低压直流母线，其配置的保护见表6所示。

表6装置5保护的配置情况

申请人结合说明书附图以及表格对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例中各故障信息分数值以及影响因素修正系数仅为本发明的优选实施方案，本领域技术人员在本发明的发明思想下完全可能根据具体的发电机组励磁系统型号和实际工况对故障信息分数值以及影响因素修正系数进行合理的选择或修改。总之，本申请详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，其特征在于，所述保护配置方法包括以下步骤：

(1)将典型多端柔性直流配电系统划分为四类保护区，即交流系统保护区、主换流器保护区、直流线路保护区和接入换流器保护区；

(2)对每类保护区配置对应的保护方案，在交流系统保护区配置的保护有联接变压器过流保护、交流过电压保护、交流低电压保护、交流连接母线接地保护；主换流器保护区配置的保护有桥臂过流保护、桥臂差动保护、阀直流过流保护、桥臂电抗器差动保护；直流线路保护区配置的保护有直流电压不平衡保护、直流线路断线保护、直流低电压过电流保护、直流线路差动保护、直流母线差动保护以及直流线路过电流保护；接入换流器保护区配置的保护有交流过电流保护、直流过电流保护、换流器差动保护；

(3)将相邻的交流系统保护区、主换流器保护区内所配置的保护集中到一台保护装置内；将每一条或每两条直流线路所属的直流线路保护区与‘T’接至该一条或两条直流线路上的接入换流器所属接入换流器保护区所配置的保护集中到一台保护装置内。

2.根据权利要求1所述的典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，其特征在于：

在步骤(1)中，交流系统保护区包括联接变压器、交流联接母线；

每一台模块化多电平换流器MMC作为一个独立的主换流器保护区，主换流器保护区包括桥臂电抗器、阀组模块、直流电抗器；

每条直流线路划分成一个独立的直流线路保护区，直流线路保护区包括正负极直流线路、直流开关设备；

每一台与直流线路“T”接的接入换流器划分为一个独立的接入换流器保护区，接入换流器保护区包括接入换流器本体、两端高电压母线及开关设备。

3.根据权利要求1或2所述的典型多端柔性直流配电系统的保护配置方法，其特征在于：

每类保护区配置的保护方案都能够覆盖所属保护区域内所有设备的故障；其中，每一直流线路保护区所配置的直流电压不平衡保护、直流低电压过电流保护、直流线路过电流保护不仅能反映本段线路的故障，也能反映相邻线路的故障。