CN107677931A - 一种基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法，首先针对含电力电子换流器的多端柔性直流配电系统，根据直流双极短路故障发生后各阶段的电气量特征，获得直流线路故障后故障电流的数学表达式；再根据所得到的故障电流数学表达式，利用故障后电流波形曲率的变化差异，通过曲率算法识别出故障线路；然后根据直流电流变化率di/dt的变化情况，选择线路开关动作，实现线路的故障保护。上述方法以故障后线路电流的突变特性为基础，通过曲率算法表征电流波形曲率的突变，达到识别区外故障的目的，提高了电流突变量保护的选择性。
Description
技术领域
本发明涉及直流配电网技术领域，尤其涉及一种基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法。
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学者的广泛关注。而直流配电网中的保护技术作为该系统的关键技术之一，其中包含直流故障的快速、可靠的识别技术，正处于理论研究和试验探索阶段。
相比于交流配电网而言，直流配电网保护难以套用交流配电网的保护方法，主要是由于其故障类型、故障发展过程、故障电压电流特性、故障后果都不相同。其中，给直流配电网保护实现带来最大难题的是保护的速动性与选择性。当系统中任意直流线路发生故障时，所有直流线路都会发生过流现象，因电力电子器件的耐受过流能力相对较弱，要在2-5ms内快速识别直流故障以防止设备损坏，所以若利用过流保护实现故障的识别，则要求直流断路器可以在2-5ms内快速动作，难度较大。而距离保护则对精确测距提出了更高的要求。现有技术中关于柔性直流配电网的研究主要集中于系统控制设计等方面，仅局限于简单的定性仿真，研究较少，且现有文献提出的保护原理大多通过直流系统中元件频段的谐波电流进行区内外故障识别，动作时间是20ms(50Hz)，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法，该方法以故障后线路电流的突变特性为基础，通过曲率算法表征电流波形曲率的突变，达到识别区外故障的目的，提高了电流突变量保护的选择性。
一种基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法，所述方法包括：
步骤1、针对含电力电子换流器的多端柔性直流配电系统，根据直流双极短路故障发生后各阶段的电气量特征，获得直流线路故障后故障电流的数学表达式；
步骤2、根据所得到的故障电流数学表达式，利用故障后电流波形曲率的变化差异，通过曲率算法识别出故障线路；
步骤3、再根据直流电流变化率di/dt的变化情况，选择线路开关动作，实现线路的故障保护。
在所述步骤1中，获得直流线路故障后故障电流的数学表达式的过程为：
设电容电压初值为V0，电感电流初值为I0，电抗器的直流阻抗、电容器的串联阻抗、放电回路金属构件的接触电阻统一用RStray表示，则故障后电容电压通过求解二阶微分方程得到：
式中，为放电电流衰减的时间常数；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；
进一步得到直流线路故障后故障电流的数学表达式为：
式中，Udc是桥臂投入子模块的电容电压之和，C0为子模块电容初值，n为子模块个数，σ为放电电流衰减的时间常数；ω为振荡放电电流的角频率；α为由初始电流引起的放电电流的初相角。
在所述步骤2中，
首先将所得到的故障电流数学表达式进行微分，得到故障分量电流的变化率表示为：
进一步将故障电流数学表达式带入曲率公式，计算故障初始时刻直流电流的弯曲程度表示为：
所述弯曲程度与直流配电系统等效的电阻、电抗相关，能同时反应电阻R和电感L的物理特性，进而通过曲率算法识别出故障线路。
所述步骤3的具体过程为：
若系统稳定运行，则直流电流变化率di/dt一直保持为零；
在发生故障瞬间，若计算di/dt值大于本地线路故障整定值Imax时，则两侧换流器全部闭锁，本地线路开关动作；
若计算di/dt启动且未达到Imax值时，则利用所述步骤2的曲率算法识别出故障线路，再根据计算结果，利用保护装置有选择性的闭锁换流站，最后开关动作。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法以故障后线路电流的突变特性为基础，通过曲率算法表征电流波形曲率的突变，达到识别区外故障的目的，提高了电流突变量保护的选择性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法流程示意图；
图2为本发明实施例所举出的多端直流配电系统结构示意图；
图3为本发明实施例所举出的故障状态简化等效回路图；
图4为本发明实施例所述故障电流几何表征示意图；
图5为本发明实施例中各故障点发生直流双极短路后测得的直流电流仿真示意图；
图6为本发明实施例所述相应的采样点示意图；
图7为本发明实施例所述电流突变量保护的仿真结果示意图；
图8为本发明实施例所述电流波形曲率保护的仿真结果示意图；
图9为本发明实施例所举出的电流波形曲率保护仿真对比结果示意图；
图10为本发明实施例所举出的电流波形曲率(含噪音)的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、针对含电力电子换流器的多端柔性直流配电系统，根据直流双极短路故障发生后各阶段的电气量特征，获得直流线路故障后故障电流的数学表达式；
在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所举出的多端直流配电系统结构示意图，图2中标注了故障点位置，当直流线路发生双极短路故障后，CDSM-MMC的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，阀级设备会在故障后2-5ms后闭锁，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。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3所示为本发明实施例所举出的故障状态简化等效回路图，图3中电阻、电抗、电容均取关联参考方向。
由于故障瞬间直流电压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，本实施例中设电容电压初值为V0，电感电流初值为I0，电抗器的直流阻抗、电容器的串联阻抗、放电回路金属构件的接触电阻统一用RStray表示，故障后电容电压可以通过求解二阶微分方程得到：
式中：为放电电流衰减的时间常数；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。一般情况下，远小于可以认为ω＝ω0。
进一步得到直流线路故障后故障电流的数学表达式为：
式中：Udc是桥臂投入子模块的电容电压之和，C0为子模块电容初值，n为子模块个数，σ为放电电流衰减的时间常数；ω为振荡放电电流的角频率；α为由初始电流引起的放电电流的初相角。
步骤2、根据所得到的故障电流数学表达式，利用故障后电流波形曲率的变化差异，通过曲率算法识别故障线路；
在该步骤中，当直流线路发生直流双极短路故障后，直流电流迅速变化(上升)。将故障点处放大，如图4所示为本发明实施例所述故障电流几何表征示意图，参考图4：故障后直流电流的变化图形(10Hz采样率)与数学中曲率定义的几何属性相同，即：从几何属性角度分析，在直流系统正常运行时，直流电流保持一条直线不变，当发生故障后，直流电流发生变化，直线发生弯曲；从物理属性角度分析，由于电流突变量保护是以电流微分(di/dt)定义，表达了直流电流的变化量，而由曲率原理可知曲率也是通过微分定义，即也可以表达直流电流的变化量。
通过上述分析，首先将所得到的故障电流数学表达式进行微分，得到故障分量电流的变化率(故障电流的变化率与故障分量电流的变化率相同)表示为：
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系统等效电抗有关，即反应出电感L的物理特性。
进一步的将故障电流表达式带入曲率公式中，计算故障初始时刻直流电流的弯曲程度：
该弯曲程度与直流配电系统等效的电阻、电抗相关，能同时反应电阻R和电感L的物理特性，进而通过曲率算法识别出故障线路。
步骤3、再根据直流电流变化率di/dt的变化情况，选择线路开关动作，实现线路的故障保护。
在该步骤中，具体过程为：
从理论上而言，若系统稳定运行，则直流电流变化率di/dt在不考虑功率转移的前提下一直保持为零(di/dt＝0)；
在发生故障瞬间，若计算di/dt值大于本地线路故障整定值Imax时，则两侧换流器全部闭锁，本地线路开关动作；
若计算di/dt启动且未达到Imax值时，则利用步骤2的曲率算法识别出故障线路，然后根据计算结果，保护装置有选择性的闭锁换流站，最后开关动作。
下面以具体的仿真算例对上述方法进行验证，综合考虑保护动作速度以及实际装置硬件水平，采样率设为10kHz，本仿真算例以保护图2中的故障点11为基准，选取故障前、后各1ms作为数据窗，直接截取采样点进行保护判据。
如图5所示为本发明实施例中各故障点发生直流双极短路后测得的直流电流仿真示意图，故障时刻为0.8s，位置分别包括区内近端(F1)、区内远端(F2)、区外远端(F3)，如图6所示为相应的采样点示意图。
如图7所示为本发明实施例所述电流突变量保护的仿真结果示意图，从图7可以看出：F1(近端)发生直流双极短路故障时的电流变化量与F1(近端)直流双极高阻接地故障时的电流变化量基本相同，验证了步骤2的理论分析，即di/dt保护不受电阻影响。F2(远端)发生直流双极短路故障时，无论故障点是否高阻接地，其电流变化量都要比F1(近端)直流双极短路故障时小，其原因在于故障点F1与F2之间直流线路存在电感，更加验证了步骤2所分析的真实性与准确性。当发生区外(F3)故障时，当F3(区外远端)发生直流双极短路故障时，利用电流波形曲率能明显区分区外故障，如图8所示为本发明实施例所述电流波形曲率保护的仿真结果示意图，由图8可验证本发明提出的保护方法的准确性与电流波形曲率算法的可靠性。
电流波形曲率保护仿真对比结果，当图2中的F5、F3发生直流双极短路故障时，如图9所示为本发明实施例所举出的电流波形曲率保护仿真对比结果示意图，从图9可以看出：该算法可以利用k值的大小区分多端直流配电网中区外故障线路。同时为区分F4(区外近端)与F2(区内远端)发生直流双极短路故障时保护11可以正确判别区内还是区外故障，可以采用适当的延时。
另外，还可以在仿真中加入信噪比为40dB的白噪声，测试噪音干扰对所提保护的影响，如图10所示为本发明实施例所举出的电流波形曲率(含噪音)的仿真结果示意图，本发明所提供的电流波形曲率算法依然可以正确计算。
由上述仿真结果可知，本发明实施例所提供的表明基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法以故障后线路电流的突变特性为基础，通过曲率算法表征电流波形曲率的突变，达到识别区外故障的目的，提高了电流突变量保护的选择性。该方法的优点主要是动作速度快，能在故障后1ms左右快速动作，有较好的选择性，可有效的识别区外故障，同时对系统采样率无特殊要求、抗噪能力强、计算量小，且不需要通信。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于直流电流波形曲率变化差异的故障快速识别方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、针对含电力电子换流器的多端柔性直流配电系统，根据直流双极短路故障发生后各阶段的电气量特征，获得直流线路故障后故障电流的数学表达式；
步骤2、根据所得到的故障电流数学表达式，利用故障后电流波形曲率的变化差异，通过曲率算法识别出故障线路；
步骤3、再根据直流电流变化率di/dt的变化情况，选择线路开关动作，实现线路的故障保护。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述步骤1中，获得直流线路故障后故障电流的数学表达式的过程为：
设电容电压初值为V0，电感电流初值为I0，电抗器的直流阻抗、电容器的串联阻抗、放电回路金属构件的接触电阻统一用RStray表示，则故障后电容电压通过求解二阶微分方程得到：
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式中，为放电电流衰减的时间常数；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；
进一步得到直流线路故障后故障电流的数学表达式为：
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式中，Udc是桥臂投入子模块的电容电压之和，C0为子模块电容初值，n为子模块个数，σ为放电电流衰减的时间常数；ω为振荡放电电流的角频率；α为由初始电流引起的放电电流的初相角。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在所述步骤2中，
首先将所得到的故障电流数学表达式进行微分，得到故障分量电流的变化率表示为：
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所述弯曲程度与直流配电系统等效的电阻、电抗相关，能同时反应电阻R和电感L的物理特性，进而通过曲率算法识别出故障线路。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：
若系统稳定运行，则直流电流变化率di/dt一直保持为零；
在发生故障瞬间，若计算di/dt值大于本地线路故障整定值Imax时，则两侧换流器全部闭锁，本地线路开关动作；
若计算di/dt启动且未达到Imax值时，则利用所述步骤2的曲率算法识别出故障线路，再根据计算结果，利用保护装置有选择性的闭锁换流站，最后开关动作。
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