CN107093891A - 一种柔性变电站系统直流线路保护方法及装置 - Google Patents

一种柔性变电站系统直流线路保护方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性变电站系统直流线路保护方法及装置，其包括：1)基于直流故障情况下的故障回路推导出故障电流数学表达式，进而得到故障电流；2)根据直流线路故障情况下电器元件应力和保护需求，确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。本发明不受故障类型、线路长短等因素影响，提高了直流线路故障后保护动作的速动性，同时也提高了整个系统运行的可靠性。本发明可以广泛在直流配电网保护技术领域中应用。

Description

一种柔性变电站系统直流线路保护方法及装置
技术领域
本发明涉及一种直流配电网保护技术领域，特别是关于一种柔性变电站系统直流线路保护方法及装置。
背景技术
随着分布式发电装置和电力电子技术的快速发展，智能电网未来的发展方向主要集中在配电网。尤其是直流配电网，以有效接纳分布式电源、高效稳定电压变换及控制、系统优化配置、电能质量高、供电可靠性强、经济性好等特点受到了国内外工程的广泛关注。为了实现直流配电网得到广泛、高效的应用，其直流配电系统故障特性与保护配置是实现直流配电网安全运行的核心关键技术。目前，对直流配电网中控制保护的研究正处于理论研究和探索阶段，而柔性变电站系统作为直流配电网拓扑中的特例，其保护研究正处于空白阶段。
相比于交流配电网而言，柔性变电站系统的故障特征与交流系统存在本质差异，其故障类型、故障发展过程、故障电压电流特性、故障后果均不相同，导致已有的交流系统保护方法难以直接应用于柔性变电站系统中。其中，给柔性变电站系统保护实现带来最大难题的主要原因是:全控型电力电子变流器的耐受过流能力相对较弱，元件本体保护要在2～5ms快速动作以防止设备损坏，其速度远大于常规系统保护动作速度，因此，给柔性变电站系统故障后的保护速动性带来了更高标准的要求。
而目前关于柔性变电站系统的研究主要集中于系统拓扑、系统控制设计等方面。而柔性变电站系统保护配置研究作为系统安全可靠运行的基础，仅局限于简单的定性仿真，研究较少。现有文献提出的保护原理大多需要在直流线路上增加电气元件，同时需要两端电气量分别计算线路电流并由此构造动作判据，导致保护计算量大，整定复杂，不具有快速性，工程实用性较差。因此，有必要研究柔性变电站系统直流故障电流特征，提出更适合柔性变电站系统直流线路保护方法。
发明内容
针对计算量大、不具有快速性等问题，本发明的目的是提供一种柔性变电站系统直流线路保护方法及装置，该方法不受故障类型、线路长短等因素影响，可以快速识别故障并有效动作。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于包括以下步骤：1)基于直流故障情况下的故障回路推导出故障电流数学表达式，进而得到故障电流；2)根据故障电流确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。
进一步，所述步骤1)中，所述故障电流数学表达式为：
式中，故障瞬间直流电压Udc是桥臂投入子模块的电容电压之和；uc(t)为故障后电容电压；I0为电感电流初值；为放电电流衰减的时间常数，其中电抗器的直流阻抗、电容器的串联阻抗以及放电回路金属构件的接触电阻统一用RStray表示，L表示电感；为振荡放电电流的角频率；C0为子模块电容初值；n为子模块个数。
进一步，所述故障电流数学表达式的求解过程包括以下步骤：1.1)直流线路发生故障后，电力电子换流器尚未闭锁，串并联在故障回路中的子模块电容经过桥臂电感和直流线路向故障点放电，所构成的故障回路简化等效成二阶电路，得到简化等效电路的等效参数；1.2)根据等效电路的等效参数求解出故障后电容电压uc(t)为：
式中，为放电电路固有角频率；为由初始电流引起的放电电流的初相角；由于远小于则认为ω＝ω0；1.3)根据故障后电容电压uc(t)以及子模块电容初值C0得到故障电流数学表达式。
进一步，所述高速电流突变量保护整定原则确定方法包括以下步骤：2.1)将故障电流数学表达式进行微分得到故障电流变化率；2.2)根据故障电流变化率di/dt确定高速电流突变量保护判据，根据高速电流突变量保护判据确定保护整定原则。
进一步，所述故障电流变化率为：
进一步，所述高速电流突变量保护判据为：
式中，E表示电流上升率起始门限，简称为起始门限；F表示电流上升率复位门限；Δt表示延时时间；Δtset表示延时时间整定值。
进一步，所述电流上升率复位门限F为：
式中，IN表示直流线路额定电流,ΔT表示正常情况下直流系统功率调整时间。
进一步，所述电流上升率起始门限E设定为故障情况下初始电流增长率的0.5倍。
进一步，所述保护整定原则如下：当di/dt＞F、di/dt＞E和Δt＝Δtset同时满足时，保护装置启动；保护启动后，若在延时时间内，故障电流变化率持续大于复位门限，则保护动作出口；若故障电流变化率小于复位门限，则保护装置复位。
一种柔性变电站系统直流线路保护装置，其特征在于包括：故障电流确定模块和电流保护整定模块；所述故障电流确定模块是基于预先推导出的故障电流数学表达式对柔性变电站系统直流线路故障电流特征进行分析，得到故障电流；所述电流保护整定模块根据故障电流确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据柔性变电站系统中直流线路故障瞬间电流变化的物理本质推导出故障电流数学表达式，并根据该故障电流数学表达式确定高速电流突变量保护整定原则，直流线路故障时能够更好地保证系统与阀级保护间的配合；当直流线路上发生故障时，电流突变量保护能够可靠启动，并快速动作，克服了现有含电力电子换流器系统的直流线路故障后传统保护不能快速动作的问题。2、本发明采用的高速电流突变量保护整定原则不受故障类型、线路长短等因素影响提高了直流线路故障后保护动作的速动性，同时也提高了整个系统运行的可靠性。综上所述，本发明可以广泛在直流配电网保护技术领域中应用。
附图说明
图1是本发明的整体流程示意图；
图2是本发明的故障状态简化等效回路示意图；
图3是本发明的柔性变电站系统拓扑结构示意图；
图4是本发明的直流线路极间故障情况下的故障分量电流示意图；
图5是本发明的故障分量电流的上升率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其包括以下步骤：
1)基于直流故障情况下的故障回路推导出故障电流数学表达式，进而得到故障电流；
其中，预先推导出的故障电流数学表达式是针对含电力电子换流器的柔性变电站系统，根据柔性变电站系统中直流线路故障瞬间电流变化的物理本质推导得到。
2)根据故障电流确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。
上述步骤1)中，故障电流数学表达式的求解过程包括以下步骤：
1.1)直流线路发生故障后，电力电子换流器尚未闭锁，串并联在故障回路中的子模块电容经过桥臂电感和直流线路向故障点放电，所构成的故障回路简化等效成二阶电路，并结合现有电力电子换流器的控制策略，得到简化等效电路的等效参数；
当直流线路发生双极短路故障时，电力电子换流器中串联电容首先通过直流线路向故障点快速放电，导致模块电容电压下降，直流电流上升，换流器会在故障后2-5ms后闭锁。换流器闭锁前，故障电流主要由子模块电容放电电流组成，故障瞬间子模块依然正常运行，桥臂子模块电容依次交替放电，根据叠加原理，故障状态可以等效为正常运行状态和故障附加状态的叠加，进而得到故障附加状态简化等效回路；
由于换流器闭锁前故障电流包含子模块电容放电电流和交流系统馈入电流，其中故障电流主要由子模块电容放电电流组成，即忽略交流馈入电流。故障瞬间子模块依然正常运行，桥臂子模块电容依次交替放电，在忽略换流器控制策略和故障前负荷电流影响的前提下，根据叠加原理，故障状态可以等效为正常运行状态和故障附加状态的叠加。因此，可以得到故障附加状态简化等效回路，如图2所示，电阻、电抗、电容均取关联参考方向。
1.2)根据等效电路的等效参数求解出故障后电容电压uc(t)为：
式中，故障瞬间直流电压Udc是桥臂投入子模块的电容电压之和，且在实际系统中电容放电过程是二阶振荡电路；I0为电感电流初值；为放电电流衰减的时间常数，其中电抗器的直流阻抗、电容器的串联阻抗以及放电回路金属构件的接触电阻统一用RStray表示，L表示电感；为放电电路固有角频率；为振荡放电电流的角频率；为由初始电流引起的放电电流的初相角；C0为子模块电容初值；n为子模块个数。一般情况下，远小于可以认为ω＝ω0。
1.3)根据故障后电容电压uc(t)以及子模块电容初值C0得到故障电流数学表达式为：
上述步骤2)中，高速电流突变量保护整定原则确定方法包括以下步骤：
2.1)利用短路情况下和正常运行情况下电流上升率的差异构成保护原理，用于快速检测直流线路中电流剧烈变化的短路故障，由于保护仅反应电流变化率，而不反应电流的大小，因此几乎不受负荷电流的影响。由于故障电流的变化率与故障分量电流的变化率相同，因此将故障电流数学表达式进行微分可以得到故障电流变化率：
其中，电感电流远远小于电容放电电流，故电感电流可忽略不计。因此，可以认为故障电流主要由电容放电电流组成，且故障电流的上升率与柔性变电站系统等效电抗有关，即反应出电感L的物理特性。
2.2)根据故障电流变化率di/dt确定高速电流突变量保护判据，根据高速电流突变量保护判据确定保护整定原则，要求该保护能够从定值上正确区分故障和正常运行状态下功率进行调整时的工况，保证故障情况下保护可靠动作、正常运行状态下保护不会误动，保护判据为：
式中，E表示电流上升率起始门限，简称为起始门限；F表示电流上升率复位门限，简称为复位门限,IN表示直流线路额定电流,ΔT表示正常情况下直流系统功率调整时间；Δt表示延时时间；Δtset表示延时时间整定值。
上述步骤2)中，根据高速电流突变量保护判据确定的保护整定原则如下：
当di/dt＞F、di/dt＞E和Δt＝Δtset同时满足时，保护装置启动。在短路情况下的使初始电流上升率应大于起始门限E，以保证保护装置的可靠启动。其中，直流故障情况下的di/dt可由通过求解针对简化等效回路的微分方程得到，从继电保护的可靠性出发，为保证任何故障情况下保护装置的可靠动作，在最恶劣条件下，(di/dt)t＝0应大于E；兼顾保护的灵敏性，可将起始门限整定为最恶劣条件下初始微分计算值的一半。
保护启动后，引入延时机制，使延时时间与延时时间整定值相同，进而避免噪声或错误采样导致保护误动，从而提高电流突变量保护的可靠性。若在延时时间内，电流微分持续大于复位门限，则保护动作出口；若电流微分小于复位门限，则保护装置复位。其中，为了能够识别出任何情况下的短路故障，可以适当降低电流上升率起始门限E，但必须躲开正常运行情况下最大的电流上升率。
本发明还提供一种柔性变电站系统直流线路保护装置，其包括电气元件应力和保护需求确定模块和电流保护整定模块；
电气元件应力和保护需求确定模块是基于预先推导出的故障电流数学表达式对柔性变电站系统直流线路故障电流特征进行分析，明确直流线路故障情况下电气元件应力和保护需求；
电流保护整定模块根据直流线路故障情况下电器元件应力和保护需求，确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。
实施例：如图3所示，针对柔性变电站和集中式光伏之间DC±10kV线路，线路末端(即集中式光伏侧)发生极间金属性故障时，保护安装位置流过的电流故障分量及其上升率分别如图4、图5所示。
根据实际工程的系统参数在故障发生瞬间t＝0ms时刻，有：
从图5中可知，故障发生后，电流上升率将迅速下降，因此，为保证电流突变量保护动作的可靠性和灵敏性，通常情况下，将电流上升率起始门限E设定为故障情况下初始电流增长率的0.5倍。为使保护尽快动作，尽量减小故障电流对设备的威胁，延时时间整定为0.5ms即：
F值应大于直流线路负荷电流上升率的最大值，使得负荷电流变化时该保护可靠返回，以免出现误动的情况。分析系统运行的情况，正常运行状态下，最大的负荷电流上升率约为25A/ms，即系统允许负荷在10ms内由0A升至额定电流，则将F整定为：
式中：IN表示直流线路额定电流；SN表示直流线路传输的额定功率；UDC表示直流线路正负极间额定电压；ΔT表示正常情况下直流系统功率调整时间。
仿真结果表明，在柔性变电站系统的直流线路运用提出的电流突变量保护后，直流线路故障时能够更好地保证系统与阀级保护间的配合；当直流线路上发生故障时，电流突变量保护能够可靠启动，并快速动作。同时，电流突变量保护不受高阻故障影响。提高了直流线路故障后保护动作的速动性。
上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于包括以下步骤：
1)基于直流故障情况下的故障回路推导出故障电流数学表达式，进而得到故障电流；
2)根据故障电流确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。
2.如权利要求1所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述故障电流数学表达式为：
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式中，故障瞬间直流电压Udc是桥臂投入子模块的电容电压之和；uc(t)为故障后电容电压；I0为电感电流初值；为放电电流衰减的时间常数，其中电抗器的直流阻抗、电容器的串联阻抗以及放电回路金属构件的接触电阻统一用RStray表示，L表示电感；为振荡放电电流的角频率；C0为子模块电容初值；n为子模块个数。
3.如权利要求2所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述故障电流数学表达式的求解过程包括以下步骤：
1.1)直流线路发生故障后，电力电子换流器尚未闭锁，串并联在故障回路中的子模块电容经过桥臂电感和直流线路向故障点放电，所构成的故障回路简化等效成二阶电路，得到简化等效电路的等效参数；
1.2)根据等效电路的等效参数求解出故障后电容电压uc(t)为：
<mrow> <msub> <mi>u</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msup> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mi>&amp;omega;</mi> </mfrac> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>nI</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;omega;C</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> </mrow>
式中，为放电电路固有角频率；为由初始电流引起的放电电流的初相角；由于远小于则认为ω＝ω0；
1.3)根据故障后电容电压uc(t)以及子模块电容初值C0得到故障电流数学表达式。
4.如权利要求1所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述高速电流突变量保护整定原则确定方法包括以下步骤：
2.1)将故障电流数学表达式进行微分得到故障电流变化率；
2.2)根据故障电流变化率di/dt确定高速电流突变量保护判据，根据高速电流突变量保护判据确定保护整定原则。
5.如权利要求4所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述故障电流变化率为：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>t</mi> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>4</mn> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;ap;</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>L</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
6.如权利要求4所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述高速电流突变量保护判据为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&gt;</mo> <mi>F</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&gt;</mo> <mi>E</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
式中，E表示电流上升率起始门限，简称为起始门限；F表示电流上升率复位门限；Δt表示延时时间；Δtset表示延时时间整定值。
7.如权利要求6所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述电流上升率复位门限F为：
<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mn>3</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mi>N</mi> </msub> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
式中，IN表示直流线路额定电流,ΔT表示正常情况下直流系统功率调整时间。
8.如权利要求6所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述电流上升率起始门限E设定为故障情况下初始电流增长率的0.5倍。
9.如权利要求6或7或8所述的一种柔性变电站系统直流线路保护方法，其特征在于：所述保护整定原则如下：
当di/dt＞F、di/dt＞E和Δt＝Δtset同时满足时，保护装置启动；
保护启动后，若在延时时间内，故障电流变化率持续大于复位门限，则保护动作出口；若故障电流变化率小于复位门限，则保护装置复位。
10.一种柔性变电站系统直流线路保护装置，其特征在于包括：故障电流确定模块和电流保护整定模块；
所述故障电流确定模块是基于预先推导出的故障电流数学表达式对柔性变电站系统直流线路故障电流特征进行分析，得到故障电流；
所述电流保护整定模块根据故障电流确定高速电流突变量保护整定原则，完成柔性变电站系统直流线路保护。
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