CN108258662A - 一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法及装置，所述方法包括：当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足第二判据，且故障距离满足第三判据时，经过延时时段后判断保护安装处故障电流是否满足所述第一判据；若是，则控制继电保护装置启动保护动作；其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取，本发明提供的技术方案，基于暂态电气量，保护方案无需边界，动作速度快，不需要通信，在多种过渡电阻及噪声干扰条件下，该保护方案仍能可靠动作，能够耐受较强的过渡电阻和噪声干扰。

Description

一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法及装置

技术领域

本发明属于直流配电故障保护技术领域，特别是涉及一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法及装置。

背景技术

分布式能源的大规模发展，使得可再生能源广泛接入、就地消纳成为了配电网未来发展的主要方向。相比于传统交流能量传输网络，直流系统在降低线路损耗、减少分布式电源接入过程的变流能耗等方面均具备明显的优势。近年来随着电压源换流器(voltagesourcedconverter，VSC)技术的飞跃式发展，直流区域闭环组网运行已经成为现实。进一步推动了直流配电网络的技术革新。越来越多的国家把直流配电系统作为未来智能电网的重要组成部分。

现投运的直流保护工程中，多以行波保护作为主保护，其动作速度快，但其可靠性和灵敏性容易受干扰的影响。作为后备保护的电流差动保护，由于要躲过故障暂态过程的影响，保护的速动性较差，只能检测故障的发生，不能识别具体的故障线路，并且受雷电干扰、故障距离、过渡电阻等多种因素的影响，其保护判据难以整定。

针对上述问题，国内外的学者对直流保护进行了研究，提出了一些方法。1)通过识别线路两侧的电容值来区分区内、外故障，该方法不受过渡电阻等影响，计算简单，易于实现。但在多端柔性直流配电系统中，各端换流站电容的存在使得区内故障时也无法准确识别电容参数，该方法无法再适用；2)利用线路两端的边界元件，通过小波变换提取区内、外故障的高频暂态能量差异识别线路故障。该方法动作速度快，无需通信。但对于多端柔性直流配电网，需要在原有系统的直流线路两端安装直流电抗器，增加了系统成本，并且电抗器的选择与配置直接影响换流装置的稳定控制；3)利用R-L模型新型变量获取方法以及提高算法数值稳定性的测距式方法实现保护。该保护采用新的变量获取方法，具有良好的精度，耐噪声能力强。所提方法没有考虑单极短路故障时不同过渡电阻对测距误差的影响，保护动作时间较长，在某些系统中不能满足保护速动性的要求。

另一方面，目前国内外关于直流配电保护技术方面的研究主要集中在地铁、舰船等少数领域，但由于柔性直流配电系统结构及工作模式的改变，仅利用以上电流、电压的保护只能检测故障的发生，不能识别具体的故障线路，并且受雷电干扰、故障距离、过渡电阻等多种因素的影响，保护可靠性低，动作判据难以整定。因此，有必要研究快速、可靠的柔性直流配电线路保护。

发明内容

本发明提供一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法及装置，其目的是利用检测直流线路过电流实现保护启动，并计算线路一侧正、负极暂态电压的标准差系数识别故障极，利用区内故障时各电气量的时域解析关系计算故障距离实现区内、外的故障识别，无需构造保护边界，仅利用单端电流电压量即可实现保护。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法，其改进之处在于，所述方法包括：

当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足第二判据，且故障距离满足第三判据时，经过延时时段后判断保护安装处故障电流是否满足所述第一判据；

若是，则控制继电保护装置启动保护动作；

其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取。

优选的，所述延时时段为2ms。

优选的，根据故障电流按下式确定所述第一判据：

I_t＞I_op-set

上式中，It为保护安装处第t时段的故障电流的幅值；I_op-set为启动整定值。

进一步的，所述启动整定值I_op-set＝0.1KI_n中，I_n为直流配电系统额定运行电流，K为可靠系数，为防止采样值抖动而导致保护频繁误启动，当It连续三点大于I_op-set时，保护启动判据动作。

所述启动整定值I_op-set＝0.1KI_n中，I_n为直流配电系统额定运行电流，K为可靠系数。

优选的，根据故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值按下式确定所述第二判据：

上式中，a为第一阈值，取值范围为1.1～1.3，b为第二阈值，取值范围为0.77～1.1，K_p为故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值。

进一步的，按下式故障后短时窗内的正负极电压标准差系数确定K_p的比值。

K_p＝CV₊/CV_-

上式中，CV+为正极电压的标准差系数；CV-为负极电压的标准差系数。

进一步的，按下式确定正极电压的标准差系数CV+和负极电压的标准差系数CV-：

上式中，CV+、CV-分别为正、负极电压与其轴线电压的标准差系数；u±(k)为极电压第K采样值；U+(k)、U-(k)分别为正、负极正常稳态电压第K次轴线值的采样值，N为样本的总集合数。

优选的，根据故障距离按下式确定所述第三判据：

l≤l_set

上式中，l为故障距离，l_set为预设故障距离的整定值。

进一步的，所述故障距离的确定过程包括：

当发生单极接地故障时，按下式确定所述故障距离：

其中，A为单极接地故障系数，其公式为：

上式中u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离；

当发生双极接地故障时，按下式确定所述故障距离：

其中，B为双极接地故障系数，其公式为：

上式中u_n、i₄分别为保护安装处测得的负极电压、电流，u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

一种多端柔性直流配电网线路暂态保护装置，其改进之处在于，所述装置包括：

判断单元，用于当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足第二判据，且故障距离满足第三判据时，经过延时时段后判断保护安装处故障电流是否满足所述第一判据；

若是，则控制继电保护装置启动保护动作；

其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案，利用所述的第一判据、第二判据和第三判据控制继电器保护装置启动保护动作，其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取，该保护方法不需要在系统中配置直流电抗器，不会增加系统经济成本，也不会对多端柔性直流环网的稳定性造成影响，同时，基于本地测量信息即可实现保护功能，不依赖通信，在快速动作的条件下也能保证保护的可靠性，进一步的，在多种过渡电阻及噪声干扰条件下，该保护方法仍能可靠动作，能够耐受较强的过渡电阻和噪声干扰。

附图说明

图1为本发明提供的一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法的流程图；

图2为本发明实施例中单极线路接地短路故障示意图；

图3为本发明实施例中直流线路双极短路故障示意图；

图4为本发明实施例中直流线路区内、外故障示意图；

图5为本发明实施例中环状柔性直流配电网络拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明拟在系统分析直流配电线路故障暂态信号特性的基础上，针对基于VSC的多端柔性直流配电线路提出一种故障暂态保护方法，利用检测直流线路过电流实现保护启动；分别计算线路一侧正、负极暂态电压的标准差系数识别故障极，利用区内故障时各电气量的时域解析关系计算故障距离实现区内、外的故障识别，基于上述判据，利用单端电流电压量实现保护，因此，本发明提供一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法及装置，所述方法包括：

根据第一判据、第二判据和第三判据控制继电器保护装置启动保护动作，其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取。

具体的，第一判据、第二判据和第三判据分别为相互独立的保护判据，需同时满足上述三个判据才能控制继电保护装置启动保护动作，因此，所述根据第一判据、第二判据和第三判据控制继电器保护装置启动保护动作的具体过程，如图1所示，包括：

当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足所述第二判据，且故障距离满足所述第三判据时，延时2ms后判断保护安装处第t时段的故障电流是否满足所述第一判据，若是，则控制继电保护装置启动保护动作，若否，则结束操作。

进一步的，需分析多端柔性直流配电网保护原理给出所述第一判据、第二判据和第三判据，具体包括：

根据故障电流按下式确定所述第一判据：

I_t＞I_op-set

上式中，It为保护安装处第t时段的故障电流的幅值；I_op-set为启动整定值。

其中，所述启动整定值I_op-set＝0.1KI_n中，I_n为直流配电系统额定运行电流，K为可靠系数。

为刻划两极电压暂态波形的变化特征，引入两极电压与稳态轴线电压的标准差系数(CoefficientofVariance，CV)，即标准差与平均数的比值，用于描述或衡量单位均值上的离散程度，也是反映标志变动度的相对指标。在2ms时窗内，对正极电压和负极电压分别与其稳态轴线电压做标准差系数计算，因此，按下式确定正极电压的标准差系数CV₊和负极电压的标准差系数CV-：

上式中，CV₊、CV-分别为正、负极电压与其轴线电压的标准差系数；u_±(k)为极电压第K采样值；U₊(k)、U-(k)分别为正、负极正常稳态电压第K次轴线值的采样值，即U₊(k)＝10kV，U-(k)＝-10kV，N为样本的总集合数；

定义正极电压的标准差系数CV₊与负极电压的标准差系数CV_-的比值K_p，并按下式故障后短时窗内的正负极电压标准差系数确定K_p的比值：

K_p＝CV₊/CV_-

若对故障后2ms内的两极电压与其轴线电压做标准差系数计算，正极故障时，正极电压标准差系数要远远大于负极电压标准差系数，即K_p≥1；负极故障时，负极电压标准差系数要远远大于正极电压标准差系数，即K_p<1；双极短路故障时，正极电压标准差系数与负极电压标准差系数相差不大，即K_p接近于1,故可以利用故障后短时窗内的正、负极电压标准差系数的比值K_p来识别故障极。

为提高防拒动的裕度，选择可靠系数K_rel＝1.3，因此可根据故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值按下式确定所述第二判据：

上式中，a为第一阈值，取值范围为1.1～1.3，b为第二阈值，取值范围为0.77～1.1，K_p为故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值。

所述第三判据根据故障距离获取，因此，根据故障距离按下式确定所述第三判据：

l≤l_set

取2ms内测量数据代入式(6)或(9)计算故障距离，当满足l≤l_set时，保护动作，上式中，l为故障距离，l_set为预设故障距离的整定值。

进一步的，所述故障距离的确定过程包括：

当发生单极接地故障时，如图2所示，将线路用π型等值电路来模拟，通过保护安装处测得的正极电压、电流分别为u_p、i₁，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，电流i₂为流经电容的电流，i₃为流经电阻和电感的电流，l为故障点到保护安装点的距离。

当距保护安装处l远处发生单极接地短路故障时，根据基尔霍夫定律可列如下时域方程：

式中保护安装处测得的电压u_p、电流i₁以及线路参数为已知量，在3个不同的时刻，分别建立3个独立的微分方程，即可求解故障距离l，因此，按下式确定所述故障距离计算公式：

式中：

上式中u_n、i₄分别为保护安装处测得的负极电压、电流，u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

当发生双极接地故障时，如图3所示，通过保护安装处测得的负极电压、电流分别为u_n、i₄，其他参数含义均与图2中相同。

当距保护安装处l远处发生双极短路故障时，同样可根据基尔霍夫定律得到相似的时域方程：

式中保护安装处测得的正极电压u_p、电流i₁，负极电压u_n、电流i₄，以及线路参数为已知量，在3个不同的时刻，分别建立3个独立的微分方程，即可求解故障距离l，因此，按下式确定所述故障距离计算公式：

式中：

上式中u_n、i₄分别为保护安装处测得的负极电压、电流，u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

首先判断发生故障类型，包括：单极接地故障和双极接地故障，直流配电系统要求保护动作完成时间尽量控制在5ms以内，所以选取的数据时窗长度越短，在相同断路器开断时间内动作越快；但是如果选取数据时窗过短，会造成采样数据不全面、不准确等问题；综合以上两个方面的考虑，本发明优选实施例中所选数据时窗2ms既能够满足数据充足完整，又能够较快的判断故障，所以取2ms内测量数据代入上述故障距离计算公式，计算故障距离l，根据所述第三判据，当故障距离l满足l≤l_set时保护动作。在其他实施例中也可以根据需求选择其他数值作为数据时窗的长短，如1.8ms，2.2ms，2.5ms等。保护定值设为所保护线路全长的90％。

基于上述距离保护的区内、外故障识别方法首先需要进行方向性判断。以图4所示的保护11为例，其背侧故障包括背侧换流站出口故障、背侧交流系统故障和背侧直流线路故障，这些故障情况下直流线路的距离保护11不应误动作。

将直流线路两端的电流正方向定义为由母线指向线路，反方向定义为由线路指向母线。如图4所示，直流线路两端安装保护测量装置，当故障发生在Line1时，保护11检测到的正极直流线路电流为正方向，负极电流为反方向时，说明相对于保护11的正方向保护区域内发生故障；同时，保护21检测到的正极直流线路电流为正方向，负极电流为反方向时，说明相对于保护21的正方向保护区域内发生故障。保护11和21再根据故障选极判据判断出的不同故障类型代入不同故障测距公式即可进行区内、外故障判断。

当故障发生在Line2时，保护11检测到的正极直流线路电流为正方向，负极电流为反方向时，说明相对于保护11的正方向保护区域内发生故障；同时，保护21检测到的正极直流线路电流为反方向，负极电流为正方向时，说明相对于保护21的反方向保护区域内发生故障。只有保护11根据不同故障测距公式进行区内、外故障判断。

实施例

本发明以环网式中压直流配电系统为研究对象，其拓扑结构如图5所示。系统直流侧额定电压为±10kV，直流配电网系统包括AC/DC并网换流站(P1端)、风机(P2端)、光伏阵列(P4端)、储能装置(P3端)、直流变电站(P5端)以及由DC/DC换流站连接的居民区(P8端)、机车供电系统(P7端)和工业园区数据中心(P6端)。

根据故障暂态发展过程，单极短路故障整个暂态过程可以分为两个阶段：电容放电阶段和交流侧馈入阶段；双极短路故障整个暂态过程可分为三个阶段：电容放电阶段、二极管自由导通阶段及交流侧馈入阶段。

发生单、双极短路故障的故障初期，直流电压大于交流侧线电压，直流侧以电容放电为主，交流侧仅为交流电抗续流。直流侧将承受电容放电产生的快速过流，该阶段内直流电流快速上升；单极短路故障时(以正极故障为例)，故障极侧的电容电压由﹢Udc/2迅速下降为零左右，而非故障极两端的电压几乎等于故障前正常运行时的电压Udc；双极短路故障时，直流侧正极电压由﹢Udc/2迅速下降，负极电压由﹣Udc/2迅速上升。

本发明还提供一种多端柔性直流配电网线路暂态保护装置，所述装置包括：

判断单元，用于当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足第二判据，且故障距离满足第三判据时，经过延时时段后判断保护安装处故障电流是否满足所述第一判据；

若是，则控制继电保护装置启动保护动作；

其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取，所述延时时段为2ms。

具体的，根据故障电流按下式确定所述第一判据：

I_t＞I_op-set

上式中，I_t为保护安装处第t时段的故障电流的幅值；I_op-set为启动整定值。

所述启动整定值I_op-set＝0.1KI_n中，I_n为直流配电系统额定运行电流，K为可靠系数。

根据故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值按下式确定所述第二判据：

上式中，a为第一阈值，取值范围为1.1～1.3，b为第二阈值，取值范围为0.77～1.1，K_p为故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值。

按下式故障后短时窗内的正负极电压标准差系数确定K_p的比值，

K_p＝CV₊/CV_-

上式中，CV₊为正极电压的标准差系数；CV-为负极电压的标准差系数。

按下式确定正极电压的标准差系数CV₊和负极电压的标准差系数CV-：

上式中，CV₊、CV-分别为正、负极电压与其轴线电压的标准差系数；u_±(k)为极电压第K采样值；U₊(k)、U-(k)分别为正、负极正常稳态电压第K次轴线值的采样值，N为样本的总集合数。

根据故障距离按下式确定所述第三判据：

l≤l_set

上式中，l为故障距离，l_set为预设故障距离的整定值。

所述故障距离的确定过程包括：

当发生单极接地故障时，按下式确定所述故障距离：

其中，A为单极接地故障系数，其公式为：

上式中u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

当发生双极接地故障时，按下式确定所述故障距离：

其中，B为双极接地故障系数，其公式为：

上式中u_n、i₄分别为保护安装处测得的负极电压、电流，u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式，而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的，应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多端柔性直流配电线路暂态保护方法，其特征在于，所述方法包括：

当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足第二判据，且故障距离满足第三判据时，经过延时时段后判断保护安装处故障电流是否满足所述第一判据；

若是，则控制继电保护装置启动保护动作；

其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时时段为2ms。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，根据故障电流按下式确定所述第一判据：

I_t＞I_op-set

上式中，It为保护安装处第t时段的故障电流的幅值；I_op-set为启动整定值。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述启动整定值I_op-set＝0.1KI_n中，I_n为直流配电系统额定运行电流，K为可靠系数，当It连续三点大于I_op-set时，保护启动判据动作。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值按下式确定所述第二判据：

上式中，a为第一阈值，取值范围为1.1～1.3，b为第二阈值，取值范围为0.77～1.1，K_p为故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，按下式故障后短时窗内的正负极电压标准差系数确定K_p的比值：

K_p＝CV₊/CV_-

上式中，CV₊为正极电压的标准差系数；CV_-为负极电压的标准差系数。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，按下式确定正极电压的标准差系数CV₊和负极电压的标准差系数CV_-：

上式中，CV₊、CV_-分别为正、负极电压与其轴线电压的标准差系数；u_±(k)为极电压第K采样值；U₊(k)、U_-(k)分别为正、负极正常稳态电压第K次轴线值的采样值，N为样本的总集合数。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据故障距离按下式确定所述第三判据：

l≤l_set

上式中，l为故障距离，l_set为预设故障距离的整定值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述故障距离的确定过程包括：

当发生单极接地故障时，按下式确定所述故障距离：

其中，A为单极接地故障系数，其公式为：

上式中u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

当发生双极接地故障时，按下式确定所述故障距离：

其中，B为双极接地故障系数，其公式为：

上式中u_n、i₄分别为保护安装处测得的负极电压、电流，u_p、i₁分别为保护安装处测得的正极电压、电流，R、L、C分别为线路单位长度的电阻、电感、电容，l为故障点到保护安装点的距离。

10.一种多端柔性直流配电网线路暂态保护装置，其特征在于，所述装置包括：

判断单元，用于当故障后短时窗内的正负极电压标准差系数的比值满足第二判据，且故障距离满足第三判据时，经过延时时段后判断保护安装处故障电流是否满足所述第一判据；

若是，则控制继电保护装置启动保护动作；

其中，所述第一判据根据故障电流获取，所述第二判据根据故障后的短时窗内的正负极电压标准差系数的比值获取，所述第三判据根据故障距离获取。