CN108365595A - 基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统保护和控制领域，特别涉及到一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，针对换流器可闭锁的柔性直流配电系统，利用采样数据的正态分布特性，通过概率分布函数构成隶属函数进而构成模糊集作为保护的启动判据，利用不同级保护的时窗差，通过建立每一级保护的λ截集和闭锁换流器，实现一种单端量主动保护，实现了不同级单端量保护的配合。

Description

基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法

技术领域

本发明属于电力系统保护和控制领域，特别涉及一种换流器可闭锁故障电流的柔性直流配电系统的保护方法。

技术背景

柔性直流配电系统不仅能高效地接纳分布式电源与直流负荷，同时可以实现灵活控制、供电可靠性高、电能质量高等优点，但同时自身耐受短路电流的能力很脆弱，其控制保护目前已受到国内外广泛关注。柔性直流配电系统的故障特性主要与系统换流器有关，柔性直流配电系统随着换流器的发展，呈现出不同的故障特性，具有可闭锁直流故障的MMC换流器由于其优异的控制特性、较高的工作效率和更低的开关频率被视为柔性直流配电系统的换流器发展方向，同时其闭锁故障电流的能力也解决了柔性直流配电系统靠交流断路器隔离直流故障过慢和直流断路器技术不成熟的问题，其自身可以通过控制闭锁换流阀使故障电流消失。

针对可隔离故障电流能力的换流器拓扑来说，利用换流器的控制切断故障电流，再利用线路上的负荷开关隔离故障可以很好的处理直流故障，防止其对设备造成更严重的损害，但同时，换流器自身的闭锁时间可能最快达到1ms，这使保护可用的数据更加少，对保护提出了新的快速性要求。随着快速性要求的提高，保护可用的电气量由系统暂态的瞬时值构成，其中包含了大量的噪声和误差，并且由于控制系统的影响，也很难刻画出准确的解析式表达出系统的短路电流用以作为单端量保护相互配合的依据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于利用模糊数学构建可利用瞬时暂态量的更准确的保护启动判据，同时利用换流器的控制和截集阈值，实现了单端量保护的选择性和两级单端量保护之间配合。

为了达到以上目的，本发明的采用的技术方案为：

一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将通过大量正常运行时的采样数据建立的概率分布函数作为正常状态模糊集的隶属函数，以隶属度低于定值作为保护的启动判据；

步骤2、根据柔性直流配电系统的额定电流确定故障模糊集；

步骤3、根据不同故障情况下的短路电流仿真结果确定不同保护位置的数据采集窗长和λ截集阈值，作为保护判据，通过换流器闭锁短路故障电流构成主动保护，实现单端量保护的选择性。

进一步，柔性直流配电系统采集系统暂态瞬时值进行保护判据计算，采样数据包含随机误差和系统噪声，数据采样点满足正态分布，所述正常状态模糊集的隶属函数为：

其中f(x_i)＝1-P{X<x_i}，i为采样点数，P{X<x_i}为正态分布概率分布函数，

其中，μ为采样值期望，σ为采样值方差，以采样数据隶属度小于小概率事件发生概率值作为保护的启动判据。

进一步，正常运行时保护感受到的额定电流为‐I_N，以最小值为‐I_N最大值为2I_N进行归一化处理，构造故障模糊集的隶属函数，

进一步，保护采样频率为f_s，根据系统特性确定从故障发生至短路电流达到2I_N的最大时间值为Δt_max，最短时间为Δt_min，以0.9Δt_min作为低一级保护的时间窗长，以0.9Δt_min+5/f_s作为高一级保护的时间窗长；根据所述故障模糊集构造λ＝0.5的截集，A_1j＝{x|μ_A(x)≥λ＝0.5}以截集的第一列作为二进制数的最低位，以截集最后一列最为二进制数的最高为，以j-5位为1，其余位数为0的j位二进制数作为保护阈值，以此为保护判据。通过低一级保护闭锁故障电流，使高一级保护的截集值难以达到阈值，构成主动保护，使单端量保护具有选择性。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

(1)能够实现单端量保护的选择性和两级保护之间的配合，在提升了保护的快速性的同时保证了单端量保护的选择性。

(2)能够使利用电气量的暂态瞬时值的保护具有更高的可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法流程图；

图2是本发明实施方式的针对的可闭锁直流故障电流两级保护配置拓扑示意图；

图3是本发明AB段线路故障时的PD1处的故障电流仿真结果；

图4是本发明AB段线路故障时的PD2处的故障电流仿真结果；

图5是本发明BC线路故障时的PD1处的故障电流仿真结果；

图6是本发明BC段线路故障时的PD2处的故障电流仿真结果。

具体实施方式

本发明涉及一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，下面为其具体实施方式。

图1为本发明的一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法的流程图，包括以下步骤：

步骤1、通过大量正常运行时的采样数据建立的概率分布函数作为正常状态模糊集的隶属函数，以隶属度低于定值作为保护的启动判据；

步骤2、根据柔性直流配电系统的额定电流确定故障模糊集；

步骤3、根据不同故障情况下的短路电流仿真结果确定不同保护位置的数据采集窗长和λ截集阈值，作为保护判据，通过换流器闭锁短路故障电流构成主动保护，实现单端量保护的选择性。

步骤1中柔性直流配电系统采集系统暂态瞬时值进行保护判据计算，采样数据包含随机误差和系统噪声，数据采样点满足正态分布，正常状态模糊集的隶属函数为：

其中f(x_i)＝1‐P{X<x_i}，i为采样点数，P{X<x_i}为正态分布概率分布函数，

其中，μ为采样值期望，σ为采样值方差，以采样数据隶属度小于小概率事件发生概率值作为保护的启动判据。

步骤2中，正常运行时保护感受到的额定电流为‐I_N，以最小值为‐I_N最大值为2I_N进行归一化处理，构造故障模糊集的隶属函数，

步骤3中，保护采样频率为f_s，根据系统特性确定从故障发生至短路电流达到2I_N最大时间值为Δt_max，最短时间为Δt_min，以0.9Δt_min作为低一级保护的时间窗长，以0.9Δt_min+5/f_s作为高一级保护的时间窗长。根据故障模糊集构造λ＝0.5的截集，A_1j＝{x|μ_A(x)≥λ＝0.5}以截集的第一列作为二进制数的最低位，以截集最后一列最为二进制数的最高为，以j‐5位为1，其余位数为0的j位二进制数作为保护阈值，以此为保护判据。通过低一级保护闭锁故障电流，使高一级保护的截集值难以达到阈值，构成主动保护，使单端量保护具有选择性。

如图2所示为本发明实施方式的一条分为两段的柔性直流配电系统拓扑示意图，其中左侧为光伏变流器，右侧为全桥半桥混联的MMC换流器，可闭锁故障电流，线路电压±30kV，共分为两段AB段和BC段，每段线路保护分别为PD1和PD2，根据上述方法进行计算，可得PD1窗长为0.4ms，PD2的窗长为0.5ms。通过仿真计算，保护的启动判据中μ的值为0.0244，σ的值为0.0032，保护的采样频率为50kHz。

如图3所示为在PD1保护范围内AB段发生故障时，PD1处保护感受到的故障电流。故障发生后的第一个采样点就可以启动保护，计算一个数据窗长的数据得到截集。满足判据，向换流器发闭锁信号。

如图4所示AB段线路发生故障时PD2感受到的故障电流。故障发生后的第一个采样点就可以启动保护，计算一个数据窗长的数据得到截集，由于换流器闭锁，窗内后面的点已经降低到0附近，因此，截集小于阈值，PD2可靠不动作。

如图5所示BC段线路发生故障时PD1感受到的故障电流。由于故障发生在PD1保护的相反方向，因此，保护不会启动。

如图6所示BC段线路发生故障时PD2感受到的故障电流。在整个PD2的时间窗内故障电流都不会减少，因此保护可以准确启动，并可靠动作。

本发明耐受系统噪声和量测误差的能力强，可以有效使用直流系统利用暂态瞬时值计算保护判据的要求，在满足了保护快速性的要求基础上，使单端量保护具有选择性并实现不同级保护的配合，同时提高了可靠性。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将通过大量正常运行时的采样数据建立的概率分布函数作为正常状态模糊集的隶属函数，以隶属度低于定值作为保护的启动判据；

步骤2、根据所述柔性直流配电系统的额定电流确定故障模糊集；

步骤3、根据不同故障情况下的短路电流仿真结果确定不同保护位置的数据采集窗长和λ截集阈值，作为保护判据，通过换流器闭锁短路故障电流构成主动保护，实现单端量保护的选择性。

2.如权利要求1所述的一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，其特征在于，所述柔性直流配电系统采集系统暂态瞬时值进行保护判据计算，所述采样数据包含随机误差和系统噪声，数据采样点满足正态分布，所述正常状态模糊集的隶属函数为：

其中f(x_i)＝1-P{X<x_i}，i为采样点数，P{X<x_i}为正态分布概率分布函数，

其中，μ为采样值期望，σ为采样值方差，以采样数据隶属度小于小概率事件发生概率值作为保护的启动判据。

3.如权利要求2所述的一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，其特征在于，正常运行时保护感受到的额定电流为‐I_N，以最小值为‐I_N最大值为2I_N进行归一化处理，构造故障模糊集的隶属函数，

4.如权利要求3所述的一种基于模糊数学的柔性直流配电系统单端量保护方法，其特征在于，保护采样频率为f_s，根据系统特性确定从故障发生至短路电流达到2I_N的最大时间值为Δt_max，最短时间为Δt_min，以0.9Δt_min作为低一级保护的时间窗长，以0.9Δt_min+5/f_s作为高一级保护的时间窗长；根据所述故障模糊集构造λ＝0.5的截集，A_1j＝{x|μ_A(x)≥λ＝0.5}以截集的第一列作为二进制数的最低位，以截集最后一列最为二进制数的最高为，以j-5位为1，其余位数为0的j位二进制数作为保护阈值，以此为保护判据。