CN106684842A - 双端直流配电网保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双端直流配电网保护方法，包括：以电流方差值代替电流差值作为启动阈值，构成反时限电流方差保护，减小了过渡电阻以及负荷变化带来的波动影响；并利用电压作为加速因子加快反时限过电流保护对线路近端故障的切除速度；引入了电流微分方向判据实现线路故障区内外的区分，加快方向判据判别的速度，防止保护误动。本发明是基于本地测量量，无需通信，动作速度快，具有一定的耐过渡电阻能力。

Description

双端直流配电网保护方法

技术领域

本发明属于直流配电网继电保护领域，尤其涉及一种双端直流配电网保护方法。

背景技术

目前，直流配电网的保护方案尚处于理论研究阶段。传统的保护方案在直流配电网中应用时都存在一定的问题，其中如过电流、电压、微分保护等，在直流配电网中应用时，由于选择性以及整定等问题的存在，在直流配电网尤其是双端或多端直流配电网中适用性较差。如距离保护在直流配电网中应用时，由于受到算法的限制，在故障发生时变流器闭锁，以及电压、电流的非线性变化会造成暂态振荡，使得阻抗计算的精度难以提高。如差动保护在直流配电网中应用时，在故障电流高速率变化时受数据同步的影响较大。

可见，传统的保护方案对直流配电网的适用性较差，有必要研究适用于直流配电网的保护方案。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种双端直流配电网保护方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种双端直流配电网保护方法，包括以下步骤：

(1)在反时限过电流保护中，以电流方差值代替电流差值作为启动阈值，构成反时限电流方差保护；计算电流方差，若电流方差大于阈值，保护启动；

(2)将电压作为加速因子，与反时限电流方差保护相结合，构成新的保护动作方程，加快反时限过电流保护对线路近端故障的切除速度；

(3)引入了电流微分方向判据实现线路故障区内外的区分，电流微分为正则表示正方向，反之为反方向；正方向时断路器动作，反之不动作。

有益效果：本发明与现有技术相比较，具有以下优点：适用于直流配电网；利用电流方差代替电流突变量，减小了过渡电阻以及负荷变化带来的波动影响；加入了电压加速因子，加速了近端故障的切除；引入了电流微分正负值代替电流反转过零作为方向判据，加快方向判据判别的速度，防止保护误动；不需要太高的采样频率，基于本地量且无需通信。

附图说明

图1是双端直流配电网的示意图及动作电流方差曲线图；

图2是本发明所述的双端直流配电网保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示是双端直流配电网的示意图。如图2所示是本发明所述的双端直流配电网保护方法的流程图，具体包括以下步骤：

第一步，以电流方差值作为反时限过电流保护的启动阈值，实现反时限电流方差保护，若电流方差大于方差阈值，保护启动，代替传统的使用电流突变量的过电流保护。

传统过电流保护的电流突变量算法如式1：

Δi_k＝i_k-i_k-1/Δi_k＝i_k-i₀ 1

其中，i_k表示第k个采样点的电流采样值，i_k-1表示与第k-1个采样点对应电流采样值，i₀表示系统的稳态电流值。

传统的电流突变量算法原理简单，易于实现。系统正常运行时，Δi_k的值较小，但当直流配电网的线路发生故障时，电流上升发生突变，Δi_k开始增大，当Δi_k大于设定阀值时，即可判断直流配电网发生故障。但基于差值算法的传统过电流保护在直流配电网中应用时，容易受到冲击电流和过渡电阻的影响，因此传统电流突变量算法在直流配电网中应用时算法精度以及保护的灵敏性较差。

连续性的电流方差算法如式2：

其中，I_av表示时间区间[T₁，T₂]内的平均电流。

用于微机保护的离散型电流方差算法如式3：

其中，I₁、I₂...I_n表示第1、2...n个采样点的电流值，E(I)是n个采样值的均值。

电流方差用来度量电流采样值和其数学期望(即均值)之间的偏离程度，相对于传统的电流突变量算法相比，电流方差受过渡电阻的影响较小，抗波动性能力更高，可以设置更加合理的电流方差保护阀值以保证动作的灵敏性。

电流方差相较于传统的电流突变量具有更好的抗波动变化的能力，因此，在反时限过电流保护中，用电流方差代替电流差值作为启动阈值，构成反时限电流方差保护，其动作时间方程为：

其中，t为保护动作时间；A为时间常数；I为故障电流；I_op为保护启动电流；a为曲线平移系数，为了使保护在启动电流下能动作通常取为1；n为曲线形状系数，即决定曲线的曲率，D(I)为电流方程，D(I_op)为电流方程阈值。

第二步，利用电压加速因子加快反时限电流方差保护对线路近端故障的切除速度。

当直流配电网的线路发生故障时，保护安装处的电压会下降，以双极短路故障为例，当线路发生故障时，故障瞬间换流器立即闭锁，电容快速放电，电流增大，故障点电压振荡过零。故障电压方程如式5：

式中有：

其中，v_c(0)、I₀分别为故障前的直流电压、电流稳态值；R、L分别为直流侧出口处到正、负极线路上故障点的总电感、总电阻；l为故障距离；r₀、L₀为单位线路长度电阻、电感值；R_f为故障时的过渡电阻；L_r为直流电抗器的电感值；C为换流器出口处并联的大电容。

因此将电压作为加速因子与反时限电流方差保护相结合，构成新的保护动作方程，如式6：

其中，u^*为电压标幺值，称为电压加速因子。

第三步，引入了电流微分方向判据实现线路故障区内外的区分，防止两侧保护装置整定值不一致，可能导致上一级保护误动，电流微分为正则表示正方向，反之为反方向，正方向时断路器动作，反之不动作。

如图1是双端直流配电网的动作电流方差曲线图，可以看出由于双端系统的两端保护装置整定值相同，使得电流方差保护或反时限电流方差保护在线路故障时可能发生保护拒动而失去动作的选择性，因此对于反时限保护在双端直流配电网的应用，两侧保护装置需设定不同的整定值以满足动作选择性要求。

对于典型的直流配电网参数，只有当初始电流I₀达到20kA左右时，故障瞬间的电流微分di/dt才会小于零，而对于正常运行期间的直流线路电流，即使初始电流I₀＞0时，也有故障瞬间电流微分di/dt＞0。因此，本发明采用的方向判据如式7：

i_k与i_k-1表示采样间隔ΔT内的相邻电流采样值。若电流微分di/dt＞0则表示正方向，反之为反方向，正方向时断路器动作，反之不动作。

如图2所示的算法流程图，首先电压、电流数据进行一定频率下的实时采集，然后对采集到的电流数据进行实时方差计算，若电流方差D(I)大于整定的电流方差阈值D(I_op)，则保护启动，若满足方向判据式7，则按动作方程式6进行故障切除，若不满足方向判据，则为区外故障，保护返回。

Claims (5)

1.一种双端直流配电网保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在反时限过电流保护中，以电流方差值代替电流差值作为启动阈值，构成反时限电流方差保护；计算电流方差，若电流方差大于阈值，保护启动；

(2)将电压作为加速因子，与反时限电流方差保护相结合，构成新的保护动作方程，加快反时限过电流保护对线路近端故障的切除速度；

(3)引入了电流微分方向判据实现线路故障区内外的区分，电流微分为正则表示正方向，反之为反方向；正方向时断路器动作，反之不动作。

2.根据权利要求1所述的双端直流配电网保护方法，其特征在于：所述步骤(1)中，连续性的电流方差算法如式：

$D\left(I\right)=\frac{1}{T_2-T_1}{\∫}_{T_1}^{T_2}{(I-I_{av})}^{2}dt$

其中，I_av表示时间区间[T₁，T₂]内的平均电流；

用于微机保护的离散型电流方差算法如式：

$\begin{array}{c}D\left(I\right)=E\{\mathrm{\Σ}{\[X-E\left(X\right)\]}^2=\frac{1}{n}\{(I_1-E{\left(I\right)}^2\\ \mathrm{....}+(I_2-E{\left(I\right)}^2++(I_n-E{\left(I\right)}^2)\}\end{array}$

其中，I₁、I₂...I_n表示第1、2...n个采样点的电流值，E(I)是n个采样值的均值。

3.根据权利要求2所述的双端直流配电网保护方法，其特征在于：所述步骤(1)中，反时限电流方差保护的动作时间方程为：

$t=\frac{A}{{\[D\left(I\right)/D\left(I_{op}\right)\]}^n-a}$

其中，t为保护动作时间；A为时间常数；I为故障电流；I_op为保护启动电流；a为曲线平移系数；n为曲线形状系数；D(I)为电流方差，D(I_op)为电流方差阈值。

4.根据权利要求3所述的双端直流配电网保护方法，其特征在于：所述步骤(2)中新的保护动作方程为：

$t=\frac{{\mathrm{Au}}^{*}}{{\[D\left(I\right)/D\left(I_{op}\right)\]}^n-a}$

其中，u^*为电压标幺值，为电压加速因子。

5.根据权利要求4所述的双端直流配电网保护方法，其特征在于：所述步骤(3)中的方向判据为：

$\frac{di}{dt}=\frac{i_k-i_{k-1}}{\mathrm{\Δ}T}$

其中，i_k与i_k-1表示采样间隔ΔT内的相邻的电流采样值。