CN108258667B

CN108258667B - 一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法及系统

Info

Publication number: CN108258667B
Application number: CN201810146774.3A
Authority: CN
Inventors: 盛万兴; 李蕊; 吴鸣; 焦在滨; 孙丽敬; 张海; 马钊
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2038-02-12
Also published as: CN108258667A

Abstract

一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法及系统，包括：根据采集的电流数据判断故障是否发生；当故障发生时，根据所述电流数据和预设的过电流保护整定值确定过电流保护段是否发生动作，同时闭锁不动作的过电流保护段；当故障清除后，解锁所有闭锁的过电流保护段。本发明的技术方法具有选择性强，且动作速度快的优点，能够满足未来多端柔性直流电网建设的需求。

Description

一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法及系统。

背景技术

近年来，随着分布式电源的飞速发展，储能技术的不断完善，电动汽车等直流负荷的不断增加，以及电力电子技术的飞跃式发展，柔性直流输、配电技术已经成为了国内外研究和应用的热点。尤其是多端柔性直流系统，由于其在传输容量、线损、可靠性以及有功和无功的独立灵活控制等方面所具有的巨大优势，正成为未来电网发展的主流趋势。然而，柔性直流电网的发展尚面临着几大难点，其中直流故障的快速有效识别和隔离是最为关键的技术难点之一。与传统的交流系统或常规的直流系统相比，柔性直流系统具有“低阻尼”特性，直流故障发生后，故障电流非常大，故障发展过程极快，通常在几个ms内就能危及整个电网的安全。尤其在多端柔性直流电网中，多个换流站故障电流的叠加使得线路的过流危害更加突出。因此，快速且有选择性的切除故障线路，保证柔性直流电网的安全可靠运行是柔性直流电网建设的关键技术。

目前，已建成投运的柔性直流工程大多采用交流侧断路器来切除直流侧故障，该方法虽然简单，可靠，不需要利用直流断路器，投资成本低，但是缺乏选择性，且动作速度慢，不能满足未来多端柔性直流电网建设需求。

发明内容

为了解决现有技术中所存在缺乏选择性，且动作速度慢，不能满足未来多端柔性直流电网建设需求的不足，本发明提供一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法及系统。

本发明提供的技术方案是：

一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法，包括：

根据采集的电流数据判断故障是否发生；

当故障发生时，根据所述电流数据和预设的过电流保护整定值确定过电流保护段是否发生动作，闭锁不动作的过电流保护段；

当故障清除后，解锁所有闭锁的过电流保护段。

优选的，根据预先采集的电流数据判断故障是否发生，包括：

根据采集的电流数据计算电流变化率；

判断所述电流变化率是否超过故障阀值，若所述电流变化率超过故障阈值，则发生故障；否则，没有发生故障。

优选的，所述根据预先采集的电流数据计算电流变化率的计算式如下：

式中，i(t)为t时刻的电流数据采样值，i(t-ΔT)是上一时刻的电流数据采样值，ΔT为采样时间间隔。

优选的，所述过电流保护整定值的设定，包括：

选取被保护线路末端短路时的短路电流在第一延时时间后的数值作为过电流保护I段的整定值的参考值并且配合过电流保护I段的可靠系数计算过电流保护I段整定值；

选取被保护线路的相邻线路末端短路电流在第一延时时间后的数值作为过电流保护II段的整定值的参考值并且配合过电流保护II段的可靠系数计算过保护电流II段整定值；

所述过电流保护I段整定值大于过电流保护II段整定值。

优选的，所述过电流保护I段整定值，按下式计算：

式中，

表示过电流保护I段的整定值；

表示过电流保护I段的可靠系数；

表示过电流保护I段的整定值的参考值。

优选的，所述过电流保护II段整定值，按下式计算：

式中，

表示过电流保护II段的整定值；

表示过电流保护II段的可靠系数；

表示过电流保护II段的整定值的参考值。

优选的，所述根据所述电流数据和所述过电流保护整定值确定过电流保护段是否动作，闭锁不动作的过电流保护段，包括：

检测到的电流数据不小于所述过电流保护I段整定值，过电流保护I段动作；否则，闭锁过电流保护I段；

检测到的电流数据不小于所述过电流保护II段整定值，增加第二延时时间后，与相邻线路过电流保护I段相配合，若故障未消失，则过电流保护II段动作；检测到的电流数据小于所述过电流保护II段整定值，则闭锁过电流保护II段。

优选的，所述第一延时时间为1ms。

优选的，所述第二延时时间为3ms。

本发明的另一目的在于提出一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护系统，包括：故障判断模块、故障动作模块和解锁模块；

所述故障判断模块，用于根据采集的电流数据判断故障是否发生；

所述故障动作模块，用于根据所述电流数据和预设的过电流保护整定值确定过电流保护段是否发生动作，闭锁不动作的过电流保护段；

所述解锁模块，用于当故障清除后，解锁所有闭锁的过电流保护段。

优选的，所述故障判断模块，包括：阀值判断子模块；

所述阀值判断子模块，用根据预先采集的电流数据计算电流变化率；并判断所述电流变化率是否超过故障阀值。

优选的，还包括：预设计算模块；

所述预设计算模块，用于选取被保护线路末端短路时的短路电流在第一延时式间后的数值作为过电流保护I段的整定值的参考值并且配合过电流保护I段的可靠系数设定过电流保护I段整定值；

并选取被保护线路的相邻线路末端短路电流在第一延时时间后的数值作为过电流保护II段的整定值的参考值并且配合过电流保护II段的可靠系数设定过电流保护II段整定值。

优选的，所述故障动作模块，包括：I段动作子模块和II段动作子模块；

所述I段动作子模块，用于检测到的电流数据不小于所述过电流保护I段整定值，过电流保护I段动作；否则，闭锁过电流保护I段；

所述II段动作子模块；用于检测到的电流数据不小于所述过电流保护II段整定值，增加第二延时时间后，与相邻线路过电流保护I段相配合；若故障未消失，则过电流保护II段动作；

检测到的电流数据小于所述过电流保护II段整定值，则闭锁过电流保护II段。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案通过根据采集的电流数据判断故障是否发生；根据电流数据和预设的过电流保护整定值确定过电流保护段是否发生动作，闭锁不动作的过电流保护段；当故障清除后，解锁所有已经闭锁的过电流保护段。利用了阶段式保护的思想，仅依靠线路中的电流数据来快速识别故障线路的阶段式过电流保护策略，有效的解决直流故障的快速有效识别和隔离的难题。

本发明依赖于直流断路器，能够在3-5ms的时间内快速识别并切除故障线路，且过电流保护II段还可以作为相邻线路的后备保护，增强了保护的可靠性。

本发明的技术方案中线路任意一端的保护出口之后会同时向本端和对端的断路器发送跳闸信号，增强了保护的速动性和可靠性，在未来多端柔性直流电网建设，尤其是多端柔性直流配电网建设中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1本发明的直流双极短路故障时，换流器闭锁前，电容等效放电电路图；

图2本发明的直流双极短路故障时，换流器闭锁后，交流系统往故障点注入短路电流的等效电路图；

图3本发明的线路两端保护装置及通信示意图；

图4本发明典型的四端环网状柔性直流系统示意图；

图5本发明的阶段式过电流保护流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明旨在提供一种多端柔性直流系统保护方法，以克服现有背景技术下多端柔性直流系统直流故障难以快速有效识别和隔离的问题。为此，本发明提出了利用阶段式保护的思想，仅依靠线路中的电流数据来快速识别故障线路的阶段式过电流保护策略。该保护策略主要包括两部分，过电流保护I段和过电流保护II段。其中过电流保护I段是速动段，保护整定值较高，没有任何延时，一旦检测到线路中的电流超过过电流保护I段的整定值

保护立即出口，给线路两端断路器发送跳闸信号，但过电流保护I段不能保护线路全长。过电流保护II段可以保护线路全长，它的保护整定值较低，需要添加延时t_set与相邻线路过电流保护I相配合，防止过电流保护II段越级误动作。过电流保护I段与过电流保护II段相互配合，保证线路在发生故障时可以被快速可靠的隔离。

从图5的阶段式过电流保护流程图，可以看出一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法，包括：

S1、根据采集的电流数据判断故障是否发生；

根据采集的电流数据计算电流变化率；

电流变化率的计算式如下：

根据系统投入前的仿真结果计算给出过电流保护整定值，此整定值为固定值；

过电流保护整定值的设定，包括：

所述过电流保护I段整定值大于过电流保护II段整定值。

所述过电流保护I段整定值，按下式计算：

式中，

表示过电流保护I段的整定值；

表示过电流保护I段的可靠系数；

表示过电流保护I段的整定值的参考值。

所述过电流保护II段整定值，按下式计算：

式中，

表示过电流保护II段的整定值；

表示过电流保护II段的可靠系数；

表示过电流保护II段的整定值的参考值。

S2、根据所述电流数据和预设的过电流保护整定值确定过电流保护段是否发生动作，闭锁不动作的过电流保护段；

检测到的电流数据不小于所述过电流保护II段整定值，增加第二延时时间后，与相邻线路过电流保护I相配合，若故障未消失，则保护II段动作；

S3、当故障清除后，解锁所有已经闭锁的过电流保护段。

所述第一延时时间为1ms。

所述第二延时时间为3ms。

具体包括以下步骤：

以四端环网状直流系统(如图4的典型的四端环网状柔性直流系统示意图)中的线路1两端的保护Relay1和Relay2为例。

(1)如附录图3所示，线路两端装设的保护装置对线路中流过的电流数据进行实时采样；

(2)利用采样得到的电流数据判断电流变化率是否超过k_set＝100I_n/s，其中I_n为线路的额定电流，若电流变化率超过k_set，则启动相应的保护装置。

(3)对于线路1两端的保护Relay1和Relay2来说分别选取被保护线路末端短路时的短路电流在故障后1ms时的数值作为过电流保护I段的整定值的参考值，即Relay1选取Fault1处短路时的短路电流作为参考值；Relay2选取Fault2处短路时的短路电流作为参考值，记为

(4)为了保证过电流保护I段的可靠性，选取过电流保护I段的可靠系数

从而得到过电流保护I段的整定值的计算公式如下：

(5)由于过电流保护I段不能保护线路全长，所以引入过电流保护II段与之配合，保护线路的全长。选取被保护线路的相邻线路末端发生短路时的短路电流在故障后1ms时的数值作为过电流保护II段整定值的参考值，即Relay1选取Fault3处短路时的短路电流作为参考值；Relay2选取Fault4处短路时的短路电流作为参考值记为

(6)为了保证过电流保护II段的可靠性，选取过电流保护II段的可靠系数

从而得到过电流保护II段的整定值计算公式如下：

(7)由于过电流保护II段的保护范围已经延伸到了相邻线路，为了与相邻线路过电流保护I段相配合，防止本级线路过电流保护II段的越级误动作，给过电流保护II段加入了延时t_set，延时是考虑了相邻线路过电流保护I段的动作时间1ms，加断路器的动作时间2ms的时间之和，因此t_set＝3ms；

(8)故障发生后1ms内，当检测到

时，过电流保护I段动作，同时向本端和对端的断路器发送跳闸信号，切除故障线路，若在故障后1ms内，一直有

则闭锁过电流保护I段；

(9)故障发生后1ms内，当检测到

则启动延时t_set＝3ms，延时结束后，若故障还没有被清除，则过电流保护II段动作，同时给本端和对端断路器发送跳闸信号，切除故障线路。若在故障后1ms内，一直有

则闭锁过电流保护II段；

(10)故障清除后，解锁各条线路两端已经闭锁的过电流保护I段和过电流保护II段。

进一步地，步骤2中通过实时采样的电流数据计算得到了电流变化率值，其计算公式如下：

其中i(t)为t时刻的采样值，i(t-ΔT)是上一时刻的采样值，ΔT为采样时间间隔。

进一步地，步骤3，步骤5中为了得到短路电流在1ms时的数值，推导了换流器闭锁前后，直流双极短路故障的故障电流表达式，计算过程如下：

换流器闭锁前，故障点的故障电流主要成分为子模块电容的放电电流，根据故障后的电容放电等效电路，如附录图1所示，利用KVL，可得：

其中，L为电容放电等效电路中的等效电感值，它包含两部分，一部分是桥臂等效电感Lm，另一部分则是直流线路等效电感Ldc；C是电容放电等效电路中的等效电容；Uc表示等效电容两端的电压；R为电容放电等效电路中的等效电阻，它也包含两部分，一部分是桥臂等效电阻Rm，另一部分是直流线路等效电阻Rdc。

设电容电压初始值为udc，电感电流的初始值为idc0，由上式可得，忽略交流侧注入的短路电流后的直流双极短路故障电流idc(t)为：

式中：

换流器闭锁后，子模块电容停止放电，故障点的故障电流主要成分为交流电网注入的短路电流，故障等效电路如附录图2所示，故障电流表达式如下：

其中：

式中：U_sm表示交流侧电压；L_ac，L_arm分别为交流侧等效电抗和桥臂电抗；Z_dc为直流线路等效阻抗，其大小与故障点位置有关；I_dcB为IGBT闭锁时直流侧电流；τ_dcB为时间常数，其数值与平波电抗器的电感值关系密切，一般在10ms左右；k为与导通重叠角γ相关的系数，且k的取值范围为

进一步地，步骤3中，选取被保护线路末端短路时的短路电流在故障后1ms时的数值作为过电流保护I段的整定值的参考值，其具体计算公式为：

式中计算τ_dc，ω_dc，R_dis，θ_dc时所带入的L_dc和R_dc都是被保护线路末端作为短路点时的等效直流线路电感和电阻。

进一步地，步骤4中，为了保证过电流保护I段的选择性，选取过电流保护I段的可靠系数

从而得到过电流保护I段的整定值的计算公式如下：

进一步地，步骤5中，由于过电流保护I段不能保护线路全长，所以引入过电流保护II段与之配合，保护线路的全长。选取被保护线路的相邻线路末端发生短路时的短路电流在故障后1ms时的数值作为过电流保护II段整定值的参考值，其具体计算公式为：

式中计算τ_dc，ω_dc，R_dis，θ_dc时所带入的L_dc和R_dc都是被保护线路的相邻线路末端作为短路点时的等效直流线路电感和电阻。

进一步地，步骤6中，为了保证过电流保护II段的选择性，选取过电流保护II段的可靠系数

从而得到过电流保护II段的整定值的计算公式如下：

进一步地，步骤7中，选取的延时是考虑了相邻线路过电流保护I段的动作时间1ms，加断路器的动作时间2ms的时间之和。

本发明的另一目的在于提出一种多端柔性直流系统阶段式过电流保护系统，该系统与多端柔性直流系统阶段式过电流保护方法具有相似原理，包括：

故障判断模块、故障动作模块和解锁模块；

下面对上述模块作进一步解释：

故障判断模块，用于根据采集的电流数据判断故障是否发生；

故障动作模块，用于根据所述电流数据和预设的过电流保护整定值确定过电流保护段是否发生动作，闭锁不动作的过电流保护段；

解锁模块，用于当故障清除后，解锁所有闭锁的过电流保护段。

故障判断模块，包括：阀值判断子模块；

还包括：预设计算模块；

所述预设计算模块，用于选取被保护线路末端短路时的短路电流在第一延时时间后的数值作为过电流保护I段的整定值的参考值并且配合过电流保护I段的可靠系数设定过电流保护I段整定值；

故障动作模块，包括：I段动作子模块和II段动作子模块；

I段动作子模块，用于检测到的电流数据不小于所述过电流保护I段整定值，过电流保护I段动作；否则，闭锁过电流保护I段；

II段动作子模块；用于检测到的电流数据不小于所述过电流保护II段整定值，增加第二延时时间后，与相邻线路过电流保护I段相配合；若故障未消失，则过电流保护II段动作；检测到的电流数据小于所述过电流保护II段整定值，则闭锁过电流保护II段。

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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。