CN107240910B - 一种直流微网接地故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流微网接地故障保护方法，适用于负极接地直流微网系统，步骤如下：实时测量接地点处的电流，当该电流小于门槛值时，认为无故障发生；当该电流大于门槛值时，认定可能有故障发生，将限流器投入并启动保护。保护延时以躲避故障暂态过程，当判断故障进入稳态阶段后，电流互感器测量并采集各段线路的电流数据。对测量所得的电流数据使用最小二乘法处理，以减小互感器的测量误差，将处理后的电流数据上传至上层的决策机构。上层的决策机构对上传来的电流数据判断故障位置，并命令相应断路器跳闸。若判断结果为无故障发生，则发命令将限流器退出，系统恢复正常运行。

Description

一种直流微网接地故障保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种直流微网接地故障保护方法。

背景技术

近年来，由于化石能源的枯竭和开采难度增大，以及其造成了严峻的环境问题，新能源得到大规模推广，于此同时，诸如电动汽车、变频设备、LED照明灯、信息设备等直流负荷占总负荷的比例日益增加，而基于脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)的直流微网，作为分布式电源与直流负荷更高效率的接入形式，具有效率高、供电容量大、抗干扰性好、可靠性高、控制相对简单、电能损耗低等优点，受到广泛的关注。

研究直流微网并对其进行故障分析和保护，具重要价值和研究前景。目前学术界对直流微网保护的研究集中于过渡电阻较小极间故障，而对过渡电阻较大的接地故障研究较少。由于直流微网中使用电缆传输电能，当发生接地故障后，可能存在极大的过渡电阻，导致现有保护方法失去选择性。因此，针对直流微网接地故障，设计新型保护方法，是直流微网发展与推广的迫切需求。

发明内容

本发明提供一种可以减少一半电流互感器的装设，能够节约直流微网的建设成本的直流微网接地故障保护方法。本发明针对两电平VSC负极接地的直流微网系统，设计一种横联保护判据，能够保证在系统不同位置发生接地故障时保护的正确性，相较于其他保护方法，该保护方法在大过渡电阻情景下仍能可靠动作。技术方案如下：

一种直流微网接地故障保护方法，适用于负极接地直流微网系统，执行如下步骤：

(1)实时测量接地点处的电流，当该电流小于门槛值时，认为无故障发生；当该电流大于门槛值时，认定可能有故障发生，将限流器投入并启动保护；

(2)保护延时以躲避故障暂态过程，当判断故障进入稳态阶段后，电流互感器测量并采集各段线路的电流数据；

(3)对测量所得的电流数据使用最小二乘法处理，以减小互感器的测量误差，将处理后的电流数据上传至上层的决策机构；

(4)上层的决策机构对上传来的电流数据使用保护判据：

其中i_g为同段线路两极电流差的绝对值，i_n为近接地点处的线路电流，对于某段线路，当判据满足时，将该段线路的“故障判别标志位”置为1，否则，将该段线路的“故障判别标志位”置为0；上级的决策机构综合这些“故障判别标志位”信息，即可判断故障位置，并命令相应断路器跳闸；若判断结果为无故障发生，则发命令将限流器退出，系统恢复正常运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

相较传统的纵联差动保护，系统中所需的电流互感器减少一半，大大节约了直流微网的建设成本。保护选择性强，由于简单电阻限流器的接入，保护死区被消除，从而在大过渡电阻接地故障的情景下仍可以可靠动作。

附图说明

图1装设限流器后负极接地故障等效电路图。

图2为负极经小电阻接地方式原理图。

图3为单端供电系统接地故障原理图。

图4为辐射型网络正极接地故障电源S2故障回路。

图5为辐射型网络正极接地故障电源S1故障回路。

图6为辐射型网络负极接地故障电源S1故障回路。

图7辐射状直流微网系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示为装设限流器后负极接地故障等效电路图。本发明的保护判据利用了电流i₂在故障点的分流，即有关系：

当系统接地点出口发生大过渡电阻接地故障时，R_line极小，而R_f却很大，从而使i_d接近于0，导致该判据存在死区。因此于系统接地点附近装设限流器，原理解释如下：

在系统接地极处装设电流互感器，即测量i₃，正常工作时，该电流为0；接地故障发生后，该电流不再为0，此时，控制G1关断，将限流电阻R_lim串入电路中，相当于增大了线路电阻R_line，从而增大了经过大地的分流，使保护判据更加灵敏，消除了原有的保护死区。

另外，故障保护原理利用的是稳态量，即保护不能实现快速地故障定位并清除。这就导致小过渡电阻正极接地故障发生后会产生较大的故障电流，而保护又不能瞬时将故障切除，从而对系统中诸如二极管等脆弱器件的安全性造成威胁。因此，需在接地点增加一个接地电阻，如图2所示，限制正极接地故障的故障电流，保证器件安全，为本发明所提出的保护方法提供基础。另外，由于限制了故障电流，亦可保证VSC内部IGBT不闭锁，在短时间内保证供电稳定。

以图3说明保护基本原理：正常工作状态下，同一段线路两极首端的电流互感器所测电流相同。当线路2发生接地故障(无论正负极)，相当于在回路a上并联了一条经大地的回路b，导致1与4处互感器所测电流不同，2和5处互感器所测电流不同，而3和6处所测电流相同。同理，当线路3故障时，1与4处互感器所测电流不同，2和5处互感器所测电流不同，3和6处所测电流亦不相同；而当线路1故障时，仅1与4处互感器所测电流不同。综合以上信息，即可判断故障位置。

对于典型的辐射型网络，首先讨论正极接地故障，如图4，容易看出，线路1故障时，仅1和4处的电流差值不为0；线路3故障时，仅1和4、3和6处电流差值不为0。而对于线路2的故障，需要重点说明：

对电源使用叠加原理，仅电源S1存在时，接地故障的发生增加了流经大地的故障电流回路，使得1处电流大于4处电流；仅电源S2存在时，2处电流小于5处电流。

然而，S1会对2、5处的电流产生影响，S2亦会对1、4处的电流产生影响。S2对1、4处电流的影响如图4所示，其中带箭头的线表示因为S2的存在所增加的电流通路，虚线表示电流由故障点经大地流向接地点，由箭头方向可知，该电流成分会进一步增加1处电流，减小4处电流，从而使1、4电流差更加明显。S1对2、5处电流的影响如图5中所示，其中带箭头的线表示因为S1的存在所增加的电流通路，由箭头方向可知，该电流成分会进一步减小2处电流，增大5处电流，从而使2、5电流差更加明显，从而有利于故障判别。

而对于负极接地故障，类似于上文，当线路2负极故障时，S2对1、4处电流的影响与图5中类似，即进一步增加1处电流，减小4处电流，从而使1、4处电流差更加明显。S1对2、5处影响如图6中箭头所示，增大了5处的电流，从而使2、5处电流差更加明显，有利于故障判别。

使用保护判据：

其中i_g为同段线路两极电流差的绝对值，i_n为近接地点处的线路电流，即图6中互感器4处所测电流。该判据基于故障稳态量，并通过最小二乘法处理互感器测得数据。容易看出，当同段线路两极电流不同时，其差的绝对值即为大地中的电流；当同段线路两极电流相同时，i_d＝0。因此，对于线路1，i_g＝|i₄-i₁|；对于线路2，i_g＝|i₅-i₂|；对于线路3，i_g＝|i₆-i₃|。当同段线路正负两极所测电流满足判据(2)时，认为两极电流不同，将该段线路的“故障判别标志位”置为“1”，当正负两极所测电流不满足式(2)时，认为两极电流相同，将该段线路的“故障判别标志位”置为“0”。上级的决策机构综合这些“故障判别标志位”信息，根据上文横联保护原理，即可判断故障位置。

Claims (1)

1.一种直流微网接地故障保护方法，适用于负极接地直流微网系统，包括简单电阻限流器的使用、保护判据、通过“故障判别标志位”逻辑关系判断故障位置，执行如下步骤：

(1)实时测量接地点处的电流，当该电流小于门槛值时，认为无故障发生；当该电流大于门槛值时，认定可能有故障发生，将限流器投入并启动保护；

(2)保护延时以躲避故障暂态过程，当判断故障进入稳态阶段后，电流互感器测量并采集各段线路的电流数据；

(3)对测量所得的电流数据使用最小二乘法处理，以减小互感器的测量误差，将处理后的电流数据上传至上层的决策机构；

(4)上层的决策机构对上传来的电流数据使用保护判据：

其中i_g为同段线路两极电流差的绝对值，i_n为近接地点处的线路电流，i_set为整定值，对于某段线路，当判据满足时，将该段线路的“故障判别标志位”置为1，否则，将该段线路的“故障判别标志位”置为0；上级的决策机构综合这些“故障判别标志位”信息，即可判断故障位置，并命令相应断路器跳闸；若判断结果为无故障发生，则发命令将限流器退出，系统恢复正常运行。