CN107681640B - 柔性直流输配电系统故障判别方法、差动保护方法及装置 - Google Patents

柔性直流输配电系统故障判别方法、差动保护方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流输配电系统故障判别方法、差动保护方法及装置，其中故障判别方法包括：根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，所述条件为：1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。本发明无需经过傅里叶变换提取基波有效值，因此具有更快的故障检测速度，为提供较早的保护出口时间提供了可能，更适应于故障电流发展速度快的柔性直流输配电系统。

Description

柔性直流输配电系统故障判别方法、差动保护方法及装置
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电系统故障判别方法、差动保护方法及装置，属于电力电子技术与直流输配电技术领域。
背景技术
采用模块化多电平换流器的柔性直流输电或配电系统，具有不存在换相失败的问题、不需要交直流滤波器、有功无功独立控制等优点。另外，高压大容量直流断路器技术日益成熟，柔性直流输配电具有广阔的发展前景。
然而模块化多电平换流器包含大量的电容器，交直流侧发生故障，都会快速产生很大的故障电流，广泛应用于交直流系统的传统差动保护方法的故障检测时间相对较长，保护出口的时间也相对较迟。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输配电系统故障判别方法、差动保护方法及装置，用于解决传统差动保护的故障检测速度和保护出口时间相对较慢的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性直流输配电系统故障判别方法，步骤如下：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
进一步的，若要求保护的设备为交流连接线，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure BDA0001419948940000021
其中，ITV(k)为第k个采样点的变压器阀侧电流，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
进一步的，若要求保护的设备为桥臂电抗器，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure BDA0001419948940000022
其中，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Ibp(k)为第k个采样点的上桥臂电流，Ibn(k)为第k个采样点的下桥臂电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
进一步的，若要求保护的设备为换流阀，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure BDA0001419948940000023
其中，当为上桥臂换流阀，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的上桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的正极电流；当为下桥臂换流阀，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的下桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的负极电流；Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
本发明还提供了一种柔性直流输配电系统故障判别装置，包括故障判别处理器，所述故障判别处理器用于处理指令以实现如下方法：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
进一步的，若要求保护的设备为交流连接线，条件1)和条件2)的表达式为：
其中，ITV(k)为第k个采样点的变压器阀侧电流，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
进一步的，若要求保护的设备为桥臂电抗器，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure BDA0001419948940000032
其中，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Ibp(k)为第k个采样点的上桥臂电流，Ibn(k)为第k个采样点的下桥臂电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
进一步的，若要求保护的设备为换流阀，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure BDA0001419948940000033
其中，当为上桥臂换流阀时，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的上桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的正极电流；当为下桥臂换流阀时，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的下桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的负极电流；Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
本发明还提供了一种柔性直流输配电系统差动保护方法，步骤如下：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，差动保护动作；所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
本发明还提供了一种柔性直流输配电系统差动保护装置，包括差动保护处理器，所述差动保护处理器用于处理指令以实现如下方法：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，差动保护动作；所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
本发明的有益效果是：
计算连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和，若该值大于第一电流设定阈值，则表明要求保护的设备可能存在故障；如果连续第二设定值个采样时刻的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值，则说明不是扰动，要求保护的设备发生故障；由于本发明无需经过傅里叶变换求幅值或有效值的计算，直接采用采样电流进行计算，具有更快的故障检测速度，为提供较早的保护出口时间提供了可能，更适应于故障电流发展速度快的柔性直流输配电系统。
附图说明
图1是本发明提供的柔性直流输配电系统的换流器单线图；
图2是本发明柔性直流输配电系统差动保护方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
图1是本发明提供的柔性直流换流器单线图简图，柔性直流换流器的交流连接线保护、桥臂电抗器保护和换流阀保护所需的电流测点布置如图1中所示。
针对交流连接线保护、桥臂电抗器保护和换流阀保护，本发明的柔性直流输配电系统差动保护方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：
(1)根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样。
(2)若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，所述条件为：
条件1：连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
条件2：连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
(3)若判定要求保护的设备发生故障，差动保护动作。
下面分别以交流连接线保护、桥臂电抗器保护和换流阀保护为例，对上述的柔性直流输配电系统差动保护方法进行介绍。
一、交流连接线差动保护
交流连接线差动保护的保护范围为变压器阀侧电流互感器TTV与换流器交流出口电流互感器TCV之间的区域。
保护装置采样交流连接线两端的电流，即采集变压器阀侧电流ITV和换流器交流出口电流ICV，每相电流作差求绝对值，得到的是差流的绝对值，计算连续第一设定值个采样点(时刻)的差流绝对值与时间的乘积之和，当该值大于定值Δ1，表明交流连接线可能存在故障。如果连续第二设定值个采样点(时刻)的差流绝对值均大于定值Δ2，两条判据都满足后，表明交流连接线故障，保护将快速动作。
具体的，故障判别公式为：
Figure BDA0001419948940000061
其中，ITV(k)为第k个采样点的变压器阀侧电流，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
二、桥臂电抗器差动保护
桥臂电抗器快速差动保护的保护范围为换流器交流出口电流互感器TCV与上桥臂电抗器电流互感器Tbp和下桥臂电抗器电流互感器Tbn之间的区域。
保护装置采样换流器交流出口电流、上下桥臂电抗器电流，即采集换流器交流出口电流ICV、上桥臂电流Ibp和下桥臂电流Ibn，计算每相差流的绝对值，计算连续第一设定值个采样点(时刻)的差流绝对值与时间的乘积之和，当该值大于定值Δ1，表明桥臂电抗器可能存在故障。如果第二设定值个采样点(时刻)的差流绝对值均大于定值Δ2，两条判据都满足后，表明桥臂电抗器故障，保护将快速动作。
具体的，故障判别公式为：
其中，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Ibp(k)为第k个采样点的上桥臂电流，Ibn(k)为第k个采样点的下桥臂电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
三、换流阀保护
换流阀快速差动保护的保护范围为三相上桥臂电抗器电流互感器Tbp和直流正极Tdp之间的区域或者三相下桥臂电抗器电流互感器Tbn和直流负极Tdn之间的区域。
对于上桥臂换流阀差动保护，保护装置采样换流器上桥臂三相电流Ibp和正极电流Idp，计算换流阀差流的绝对值，计算连续第一设定值个采样点(时刻)的差流绝对值与时间的乘积之和，当该值大于定值Δ1，表明换流阀可能存在故障。如果连续第二设定值个采样点(时刻)的差流绝对值大于定值Δ2，两条判据都满足后，表明上桥臂换流阀故障，保护将快速动作。
具体的，上桥臂换流阀的故障判别公式为：
Figure BDA0001419948940000072
其中，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的上桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的正极电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
对于下桥臂换流阀差动保护，保护装置采样换流器下桥臂三相电流Ibn和直流负极电流Idn，由于下桥臂换流阀的保护判据与上述上桥臂换流阀的保护判据类似，此处不再叙述。
需要说明的是，上述的保护装置的程序执行周期Δt具体为保护装置的保护功能程序的执行周期，每个厂家设备的程序执行周期不一样，典型的有100微秒和625微秒两种。另外，在上述三种保护中，第一电流设定阈值Δ1，第二电流设定阈值Δ2，正整数N1和N2均可以根据保护的可靠性和灵敏性要求进行整定，具体整定方法属于现有技术，此处不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输配电系统故障判别方法，其特征在于，步骤如下：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输配电系统故障判别方法，其特征在于，若要求保护的设备为交流连接线，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure FDA0001419948930000011
其中，ITV(k)为第k个采样点的变压器阀侧电流，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输配电系统故障判别方法，其特征在于，若要求保护的设备为桥臂电抗器，条件1)和条件2)的表达式为：
其中，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Ibp(k)为第k个采样点的上桥臂电流，Ibn(k)为第k个采样点的下桥臂电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输配电系统故障判别方法，其特征在于，若要求保护的设备为换流阀，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure FDA0001419948930000021
其中，当为上桥臂换流阀，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的上桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的正极电流；当为下桥臂换流阀，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的下桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的负极电流；Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
5.一种柔性直流输配电系统故障判别装置，其特征在于，包括故障判别处理器，所述故障判别处理器用于处理指令以实现如下方法：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输配电系统故障判别装置，其特征在于，若要求保护的设备为交流连接线，条件1)和条件2)的表达式为：
Figure FDA0001419948930000022
其中，ITV(k)为第k个采样点的变压器阀侧电流，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
7.根据权利要求5所述的柔性直流输配电系统故障判别装置，其特征在于，若要求保护的设备为桥臂电抗器，条件1)和条件2)的表达式为：
其中，ICV(k)为第k个采样点的换流器交流出口电流，Ibp(k)为第k个采样点的上桥臂电流，Ibn(k)为第k个采样点的下桥臂电流，Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
8.根据权利要求5所述的柔性直流输配电系统故障判别装置，其特征在于，若要求保护的设备为换流阀，条件1)和条件2)的表达式为：
其中，当为上桥臂换流阀时，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的上桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的正极电流；当为下桥臂换流阀时，Ibpa(k)、Ibpb(k)、Ibpc(k)分别为第k个采样点的下桥臂a、b、c相电流，Idp(k)为第k个采样点的负极电流；Δt为保护装置的程序执行周期，Δ1为第一电流设定阈值，Δ2为第二电流设定阈值，N1和N2均为正整数。
9.一种柔性直流输配电系统差动保护方法，其特征在于，步骤如下：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，差动保护动作；所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
10.一种柔性直流输配电系统差动保护装置，其特征在于，包括差动保护处理器，所述差动保护处理器用于处理指令以实现如下方法：
根据柔性直流输配电系统中要求保护的设备的类型，进行相应的电流采样；
若下面的条件均满足，则判定要求保护的设备发生故障，差动保护动作；所述条件为：
1)连续第一设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值与保护装置程序执行周期的乘积之和大于第一电流设定阈值；
2)连续第二设定值个采样点的各采样电流的差流的绝对值均大于第二电流设定阈值。
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