CN107681644A - 一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法,所述方法包括以下步骤:步骤1.对母线所连各支路上电流的正方向作出规定,简化母线电流差动保护的判据及其判断流程:步骤2提出直流正极母线和直流负极母线电流差动保护判据;步骤3制定直流母线故障的判断规则;步骤4.故障隔离。采用该比率制动式电流差动保护方法,能够快速、正确、有选择、灵敏地识别内部故障;外部故障,即使部分支路电流传感器溢出时,保护也具有足够的灵敏度,不需设置专门的电流传感器溢出判据;判据中相关系数的整定方便,对母线所连支路数的数目具有自适应能力。

Description

一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域,具体涉及一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法。
背景技术
直流母线是直流输、配电系统中的重要设备,其连接的设备多、电气接线复杂,相关设备操作较频繁。设备外绝缘击穿、机械损坏、外力异物等均可能造成直流母线故障,母线故障是直流输配电系统中最严重的故障之一。由于母线故障,连接在该母线上的所有设备均受影响,并造成较大面积的停电。因此,需配置直流母线保护,以便在母线故障时及时切除故障,保证电力系统的安全运行。
目前直流母线保护的具体判据仍待进一步完善,常规的比率制动式母线电流差动保护,依靠差动电流和制动电流的大小关系判断母线内外部故障。但针对正、负极母线配置的能够识别单极和双极母线故障的判据较复杂,母线发生故障时,有可能发生因电流霍尔元件测量误差及不同电流传感器误差差异而影响保护的灵敏性;另一方面,对于接有较多电源支路的直流母线,外部故障时,故障点所在支路电流可能急剧增大并超出该支路配置的电流传感器(如霍尔元件),使得电流传感器溢出,导致母线差动保护误动。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法,首先对母线所连正负极线路的电流传感器正方向分别作了规定,简化了母线电流差动保护的判据及其判断流程。其次,提出了直流母线电流差动保护判据。
本发明的具体技术方案如下。一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法,包括以下步骤:
步骤1对母线所连各支路上电流的正方向作出规定:对于正极母线所连支路,规定电流从线路流向被保护母线为正,电流从母线流向线路为负;对于负极母线所连支路,规定电流从线路流向被保护母线为负,电流从母线流向线路为正。
步骤2提出直流正极母线电流差动保护判据,如式(1)所示,
提出直流负极母线的比率制动式电流差动保护判据,如式(2)所示。
其中,IdP、IdN分别为正、负极母线差动保护对应的差动电流,计算时分别取正、负极母线所连各支路采样电流之和,需计大小和正负,所述电流通过各支路的母线侧电流传感器测量得到;
IresP、IresN分别为正、负极母线差动保护对应的制动电流,计算时取该极母线所连各支路采样电流的绝对值之和;
K′为比率制动系数,取该极母线所连支路数的一半向上取整。例如,正极母线连接有3条支路,则此时K′取2。K″为差动电流比率系数,取0.85-1;
Iset.0为母线差动电流保护的最小动作电流,其按以下两个原则整定,并取其中的最大值作为定值;
1)可靠躲过外部双极、单极短路故障时差回路的最大不平衡电流
Iset.0=KrelKstKTAIk.max/nTA (3)
其中,Krel为可靠系数,取1.5~2;Kst为电流传感器的同型系数,各支路电流传感器型号相同时取0.5,型号不同时取1;KTA为电流传感器的固有误差;Ik.max为外部直流系统发生双极、单极短路时二者中故障稳态电流较大者;nTA为电流传感器的变比。
所述不平衡电流也可通过实测得到,若实测不平衡电流为I′unb,则Iset.0可整定为
Iset.0=KrelI′unb (4)
2)躲过直流母线所连支路中最大正常运行电流,以防止电流传感器回路断线导致直流母线电流差动保护误动。
Iset=KrelIL.max (5)
其中,Krel为可靠系数,取1.3~1.5,IL.max为该极母线所连支路的最大正常运行电流二次值。
采用该比率制动式电流差动保护判据及整定原则,在电流传感器有误差的情况下,保护也具有足够的灵敏度;在外部故障时,即使故障支路电流传感器溢出,保护也具有可靠的选择性。
步骤3.制定直流母线故障的判断规则;
若式(1)所示的直流正极母线的电流差动保护判据连续成立M次,则判为正极母线故障;若式(2)所示的直流负极母线的电流差动保护判据连续成立M次,则判为负极母线故障;若式(1)、式(2)同时连续成立M次,则判为直流母线双极故障。
所述M的取值范围(M∈[Ml,Mh]),计算方法如下:
1)左边界Ml
Ml=top.minfs (6)
其中,top.min为电力系统要求直流母线电流差动保护动作的最快时间。fs为母线电流差动保护的采样频率。
2)右边界Mh
Mh=top.maxfs (7)
其中,top.max为电力系统允许直流母线电流差动保护动作的最长时间。
步骤4.故障隔离。1)若判为正极母线故障,则跳开正极母线所连各支路靠近被保护母线侧的断路器或其它故障隔离设备;若没有配置断路器或其它故障隔离设备,则需要就近闭锁DC/DC或DC/AC变流器。2)若判为负极母线故障,则跳开负极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器或其它故障隔离设备;若没有配置断路器或其它故障隔离设备,则需要就近闭锁DC/DC或DC/AC变流器。3)若判为直流母线双极故障,则跳开正、负极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器或其它故障隔离设备;若没有配置断路器或其它故障隔离设备,则需要就近闭锁DC/DC或DC/AC变流器。
本发明的有益效果,采用该比率制动式电流差动保护方法,能够快速、正确、有选择、灵敏地识别内部故障;外部故障,即使部分支路电流传感器溢出时,保护也具有足够的灵敏度,不需设置专门的电流传感器溢出判据;判据中相关系数的整定方便,对母线所连支路数的数目具有自适应能力。母线发生单极和极间故障时,本发明方法能够快速、正确、有选择、灵敏地识别,且提高了耐受电流传感器误差的能力。外部故障时,该保护不误动,即便在故障支路电流传感器溢出情况下,仍能正确不动作,不需设置专门的电流传感器溢出判据。判据中相关系数的整定方便,对母线所连支路数具有自适应能力。
附图说明
图1为光伏电站直流并网系统图。
图2为直流母线极间故障时各电流传感器测得的电流曲线图。
图3为直流母线外部故障时各电流传感器测得的电流曲线图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明进一步详细说明。
以图1所示光伏直流并网系统为例进行说明。光伏直流接入系统主要包括光伏阵列、DC/DC换流器、并网逆变器和交流系统四部分。DC/DC换流器实现直流升压和最大功率跟踪;并网逆变器采用MMC换流器,采用定直流电压和定无功功率控制,调制方式为最小电平逼近方式。系统含3个±30kV/1MW共同组成集中式光伏电站,参考某市日均净辐照度约637.45MJ/m2,日平均气温约14.9℃,接入±30kV直流电网,直流电网等效电阻5Ω。直流电网经过10km电缆后,与35kV交流系统通过并网变流器连接。交流系统电压35kV,等效阻抗254Ω,额定容量4.8MVA。
CT1~CT8是被保护直流母线所连支路的电流传感器,CB1~CB8为各支路上配置的断路器。其中,CT1、CT3、CT5、CT7和CB1、CB3、CB5、CB7分别位于正极母线所连各支路上;CT2、CT4、CT6、CT8和CB2、CB4、CB6、CB8分别位于负极母线所连各支路上。F1是母线故障点,F2是母线外部直流线路故障点。故障为永久性故障,起始时刻为0.6秒(0.6s)。
后续计算均采用标幺值。
1)首先,在被保护母线所有所连支路上配置电流传感器;依据直流母线差动保护的采样频率(本次取2kHz)进行电流采样。对图1所示系统,由于母线所连正负极线路各4条,因此比率制动系数K′按整定原则求得为2;差动电流比率系数K″取1。母线差动电流保护的最小动作电流Iset.0根据式(3)、(4)及整定原则,求得Iset.0=0.04。
2)将正极母线所连支路的电流采样值,代入式(1)计算正极母线判据,若连续10组采样点计算得到式(1)均满足,则判为正极母线故障;否则,判为正极母线无故障。将负极母线所连支路的电路采样值,代入式(2)计算负极母线判据,若连续10组采样点计算得到式(2)均满足,则判为负极母线故障;否则,判为负极母线无故障。若连续10组采样点计算得到式(1)、式(2)均满足,则判为直流母线双极故障。
3)若判为正极母线故障,则跳开正极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器CB1、CB3、CB5、CB7;若判为负极母线故障,则跳开负极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器CB2、CB4、CB6、CB8;若判为直流母线双极故障,则跳开正、负极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器CB1~CB8。
4)直流母线(极间/双极)故障情况验证
直流母线双极故障(图1中F1点)前后,CT1~CT8的测量电流分别如图2所示。
故障前,正极母线对应的差动电流(即式(1)左侧的值)约为0.002,但式(1)右侧的值约为0.148,因此,判据(1)不满足,不会误判为故障;同理,判据(2)也不满足,不会误判为故障。
故障后,由图及式(1)、(2)得,虽然动作电流和制动电流在开始的较短时间内大幅变化,但该两式始终是成立的,即,能可靠识别母线极间故障。例如0.6s时,正负极判据的差动电流约为0.6,而式(1)、(2)右侧约为0。故障发生后约5ms跳断路器CB1~CB8。
5)母线外部故障(直流线路极间短路)情况验证
直流母线外部故障(图1中F2点发生极间故障)前后,CT1~CT8的测量电流分别如图3所示。
故障前,正极母线对应的差动电流(即式(1)左侧的值)约为0.02,式(1)右侧的值约为0.158,因此,判据(1)不满足,不会误判为故障;同理,判据(2)也不满足,不会误判为故障。
故障后,由图及式(1)、(2)得,该两式始终是不成立的,即外部故障时能可靠不误动。例如0.602秒时,式(1)、(2)左侧约等于0.15,但两式右侧约等于15,差动判据不会误动。
此外,当外部故障所在支路的电流传感器出现溢出情况(所测电流超出电流传感器的量程,造成削顶),可能造成常规电流差动保护的误动,但本发明的差动保护不会误动。本例中,假定各电流传感器能承受的过载倍数为额定电流的50倍,则在F2点发生极间故障时,CT1~CT6不会出现溢出。但是,CT7和CT8会因短路电流过大而溢出,造成削顶,此时CT7和CT8只能测到标幺值约为1.4的电流。此时差动电流很大,约为2.8,制动电流约为5.6,由于常规比率制动式电流差动保护中制动系数常取0.3~0.4,则常规的直流母线差动保护误动。即便在常规电流差动保护中提高制动系数,也无法避免所有外部故障不误动,且会降低内部故障时保护的灵敏度。但本发明中,式(1)、(2)左侧为差动电流2.8,右侧为一个综合电流,且制动系数有简单明确的求取方法,综合电流求得约为5.6,此时保护判据不满足,因此保护可靠不误动。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然,本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例,熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化,但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种直流母线故障的比率制动式电流差动保护方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1.对母线所连各支路上电流的正方向作出规定,简化母线电流差动保护的判据及其判断流程:
步骤2.提出直流正极母线和直流负极母线电流差动保护判据;
步骤3.制定直流母线故障的判断规则;
步骤4.故障隔离。
2.根据权利要求1所述方法,其特征在于,步骤1中所述规定包括:对于正极母线所连支路,规定电流从线路流向被保护母线为正,电流从母线流向线路为负;对于负极母线所连支路,规定电流从线路流向被保护母线为负,电流从母线流向线路为正。
3.根据权利要求1所述方法,其特征在于,步骤2中所述保护判据包括:
直流正极母线电流差动保护判据为如式(1)所示,
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mn>.0</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msup> <mi>K</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msup> <mi>K</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
直流负极母线电流差动保护判据如式(2)所示:
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mn>.0</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msup> <mi>K</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msup> <mi>K</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msup> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中,IdP、IdN分别为正、负极母线差动保护对应的差动电流,计算时分别取正、负极母线所连各支路采样电流之和,需计大小和正负,所述电流通过各支路的母线侧电流传感器测量得到;
IresP、IresN分别为正、负极母线差动保护对应的制动电流,计算时取该极母线所连各支路采样电流的绝对值之和;
K′为比率制动系数,取该极母线所连支路数的一半向上取整,K″为差动电流比率系数,取0.85-1;
Iset.0为母线差动电流保护的最小动作电流。
4.根据权利要求2所述方法,其特征在于,步骤2中Iset.0按以下两个原则整定,并取其中的最大值作为定值;
1)可靠躲过外部双极、单极短路故障时差回路的最大不平衡电流
Iset.0=KrelKstKTAIk.max/nTA (3)
其中,Krel为可靠系数,取1.5~2;Kst为电流传感器的同型系数,各支路电流传感器型号相同时取0.5,型号不同时取1;KTA为电流传感器的固有误差;Ik.max为外部直流系统发生双极、单极短路时二者中故障稳态电流较大者;nTA为电流传感器的变比;
所述不平衡电流或通过实测得到,若实测不平衡电流为I′unb,则Iset.0整定为
Iset.0=KrelI′unb (4)
2)躲过直流母线所连支路中最大正常运行电流,以防止电流传感器回路断线导致直流母线电流差动保护误动
Iset=KrelIL.max (5)
其中,Krel为可靠系数,取1.3~1.5,IL.max为该极母线所连支路的最大正常运行电流二次值。
5.根据权利要求1所述方法,其特征在于,步骤3所述判断规则包括;
若式(1)所示的直流正极母线的电流差动保护判据连续成立M次,则判为正极母线故障;若式(2)所示的直流负极母线的电流差动保护判据连续成立M次,则判为负极母线故障;若式(1)、式(2)同时连续成立M次,则判为直流母线双极故障;
所述M的取值范围(M∈[Ml,Mh]),计算方法如下:
1)左边界Ml
Ml=top.minfs (6)
其中,top.min为电力系统要求直流母线电流差动保护动作的最快时间。fs为母线电流差动保护的采样频率。
2)右边界Mh
Mh=top.maxfs (7)
其中,top.max为电力系统允许直流母线电流差动保护动作的最长时间。
6.根据权利要求1所述方法,其特征在于,步骤4所述故障隔离包括以下操作:
1)若判为正极母线故障,则跳开正极母线所连各支路靠近被保护母线侧的断路器或其它故障隔离设备;若没有配置断路器或其它故障隔离设备,则需要就近闭锁DC/DC或DC/AC变流器;
2)若判为负极母线故障,则跳开负极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器或其它故障隔离设备;若没有配置断路器或其它故障隔离设备,则需要就近闭锁DC/DC或DC/AC变流器;
3)若判为直流母线双极故障,则跳开正、负极母线所有所连支路靠近被保护母线侧的断路器或其它故障隔离设备;若没有配置断路器或其它故障隔离设备,则需要就近闭锁DC/DC或DC/AC变流器。
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