CN108957245B - 一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法 - Google Patents

一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法 Download PDF

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Abstract

一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，是解决小电流接地方式下单极故障选线易受噪声干扰、故障辨识率低等局限性问题。本发明以拓扑结构更复杂的环形柔性直流配电网为研究对象，提出基于暂态和稳态直流电流的全故障信息的单极故障辨识方法。首先利用基于故障电流暂态方向差动保护原理识别金属性或低过渡电阻情况下的故障位置；进一步对于因系统运行方式改变或过渡电阻较大而导致故障无法准确识别的情况，利用基于小电阻投切的直流稳态电流差动保护原理判定故障位置。本发明综合利用了全故障电流信息，具有低过渡电阻短路时故障识别速度快、高过渡电阻时故障辨识率高的优点。

Description

一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及一种基于柔性直流配电系统的直流侧单极故障辨识方法。
背景技术
随着城市中电动汽车、白色家电、数据通讯以及智能楼宇等直流负荷的日益增多，分布式能源并网发电的利用率逐步升高，具有供电质量高、输送容量大、线路损耗小、有功无功控制灵活、可节约供电走廊以及不会出现电磁环网现象等诸多特点的直流配电网很可能成为未来城市电网的重要支撑环节。
目前，国内外针对柔性直流配电技术开展了相关理论研究并建立了小规模的示范工程。例如，日本大阪大学±170V双极结构的交直流配电系统；美国弗吉尼亚理工大学±380V/48V直流配电网楼宇供电系统以及英国、意大利及瑞士等国的低压直流拓扑结构研究项目等。国内方面，国家电网北京电力公司、浙江省上虞电力公司、南方电网公司深圳供电局、贵州电科院等单位，对基于柔性直流的智能配电关键技术进行了深入研究并建立了相关示范工程。
直流配电网通常采用小电流接线方式，以限制故障电流、提高供电可靠性。但高接地电阻也削弱了故障电流分量、增大了故障辨识的难度，特别是单极经过渡电阻短路的工况。同时，直流配电网存在接入负荷种类多、直流线路短以及潮流方式多样等典型特点，也对直流侧故障识别与隔离技术提出了更高的要求。因此，仍需深入研究具有工程实用意义的直流侧单极故障辨识方案。
发明内容
为解决小电流接地方式下，柔性直流配电网直流侧单极短路故障辨识的技术问题，本发明公开了一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法。
为实现上述目的，本发明采用如下具体方案：
一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于，所述故障辨识方法包括以下步骤：
(1)若故障电流暂态方向差动保护动作，则说明保护系统完成故障位置的辨识、辨识流程结束，进入步骤(7)；若未动作，则进入步骤(2)；
(2)若直流电压不平衡保护动作未动作或动作后返回，说明未发生单极故障或故障已消失，则柔性直流配电网继续稳定运行；否则，进入步骤(3)；
(3)若直流故障稳态电流差动保护动作，则保护系统完成故障位置的辨识、辨识流程结束，进入步骤(7)；若直流故障稳态电流差动保护未动作，则进入步骤(4)；
(4)经过固定延时后，投入第一台联接换流变压器上接地电阻两端的并联开关，将小电阻接入系统，若直流故障稳态电流差动保护动作，则切出并联开关、进入步骤(7)；若直流故障稳态电流差动保护未动作，则进入步骤(5)；
(5)经过固定延时后，投入第二台联接换流变压器上接地电阻两端的并联开关，将小电阻接入系统，若直流故障稳态电流差动保护动作，则依次切出第一、第二台并联开关，进入步骤(7)；否则，依次投入其它联接换流器上的并联开关，直至出现直流故障稳态电流差动保护动作信号，随后按照投入先后顺序依次切出并联开关，进入步骤(7)，若所有并网的n台联接换流器上的并联开关均投入，直流故障稳态电流差动保护仍未动作，则进入步骤(6)；
(6)保护系统故障辨识失败，柔性直流配电网进入紧急处理程序或停运；
(7)保护系统实现故障位置辨识，跳开故障点两端的直流断路器或负荷开关以隔离故障，柔性直流配电网在新拓扑结构下重新恢复稳定运行。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤(1)中，故障电流暂态方向差动保护的动作判据为：
Figure BDA0001811849910000021
式(1)中，
Figure BDA0001811849910000022
和
Figure BDA0001811849910000023
分别为线路两侧带方向的电流值；Iset是设定的保护动作门槛值；ki为制动系数，0＜ki≤1；dIm和dIm为线路两端电流的微分值，当故障为内部故障时，两者乘积为负号，否则为正号；保护无延时动作出口。
在步骤(2)中，直流电压不平衡保护的动作判据为：
Figure BDA0001811849910000024
式(2)中，
Figure BDA0001811849910000025
和
Figure BDA0001811849910000026
分别为直流线路正极和负极对地电压向量；Uset为直流电压不平衡保护动作的门槛值；UDCBase是直流单极电压额定值；ku为灵敏系数，0＜ku≤1；保护延时t1出口。
在步骤(3)中，直流稳态电流差动保护判据为：
Figure BDA0001811849910000027
式(3)中，Im和In分别为线路两侧不带方向的电流值；Iset2是设定的保护动作门槛值；ki2为制动系数，0＜ki2≤1；当故障差动电流的稳态分量大于动作设定值时，保护延时t2秒出口。
在步骤(4)和步骤(5)中所述固定延时的取值，应按躲过本端换流器保护区域内故障辨识全过程中所有保护出口时间的总和整定，即至少应大于直流电压不平衡保护与直流故障稳态电流差动保护出口时间的总和。
所述的第一台、第二台直至第n台联接换流器接地电阻并联开关的编号以及投切顺序是预先设定的。
本发明提出的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其优点是：单极故障情况下，利用基于暂态方向电流差动保护辨识低过渡电阻下的故障位置；利用基于小电阻投切的稳态电流差动保护判断高过渡电阻工况下故障位置。该方案具有低过渡电阻短路动作速度快、高过渡电阻短路故障辨识准确率高的特点。
附图说明
图1是三端柔性直流配电网主接线图；
图2是基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法某实施例的流程图；
图3是单极金属性短路时故障暂态电流及保护动作信号；
图4是200Ω过渡电阻短路时并联小电阻投切下的故障稳态电流及保护动作信号。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本申请以附图1所示的三端柔性直流配电网作为实施例。其中电压源型换流器VSC1、VSC2和VSC2是连接交流和直流系统的联接换流器；AC1～AC3为所连接的交流配电系统；DC/AC换流器将交流负载接至直流线路；DC/DC换流器将将直流微网、直流负载接入直流线路；变压器T1、T2和T3采用Y/△联接方式，阀侧中性点经高电阻RS接地，R1～R3为接地电阻两端的并联小电阻、K1～K3为小电阻的投切开关；直流线路L1～L6采用电缆的输送形式。
如附图2所示，本申请公开的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，包括以下步骤：
(1)若故障电流暂态方向差动保护动作，则说明保护系统完成故障位置的辨识、辨识流程结束，进入步骤(7)；若未动作，则进入步骤(2)；
故障电流暂态方向差动保护的动作判据为：
Figure BDA0001811849910000041
式(1)中，
Figure BDA0001811849910000042
和
Figure BDA0001811849910000043
分别为线路两侧带方向的电流值；Iset是设定的保护动作门槛值；ki为制动系数，0＜ki≤1；dIm和dIm为线路两端电流的微分值，当故障为内部故障时，两者乘积为负号，否则为正号；保护无延时动作出口。
(2)若直流电压不平衡保护动作未动作或动作后返回，说明未发生单极故障或故障已消失，则柔性直流配电网继续稳定运行；否则，进入步骤(3)；
直流电压不平衡保护的动作判据为：
Figure BDA0001811849910000044
式(2)中，
Figure BDA0001811849910000045
和
Figure BDA0001811849910000046
分别为直流线路正极和负极对地电压向量；Uset为直流电压不平衡保护动作的门槛值；UDCBase是直流单极电压额定值；ku为灵敏系数，0＜ku≤1；保护延时t1出口。
(3)若直流故障稳态电流差动保护动作，则保护系统完成故障位置的辨识、辨识流程结束，进入步骤(7)；若直流故障稳态电流差动保护未动作，则进入步骤(4)；
其中，直流稳态电流差动保护判据为：
Figure BDA0001811849910000047
式(3)中，Im和In分别为线路两侧不带方向的电流值；Iset2是设定的保护动作门槛值；ki2为制动系数，0＜ki2≤1；当故障差动电流的稳态分量大于动作设定值时，保护延时t2秒出口。
(4)经过固定延时T后，投入第一台联接换流变压器上接地电阻两端的并联开关，将小电阻接入系统，若直流故障稳态电流差动保护动作，则切出并联开关、进入步骤(7)；若直流故障稳态电流差动保护未动作，则进入步骤(5)；
所述固定延时的取值，应按躲过本端换流器保护区域内故障辨识全过程中所有保护出口时间的总和整定，即至少应大于直流电压不平衡保护与直流故障稳态电流差动保护出口时间的总和
(5)经过固定延时T后，投入第二台联接换流变压器上接地电阻两端的并联开关，将小电阻接入系统，若直流故障稳态电流差动保护动作，则依次切出第一、第二台并联开关，进入步骤(7)；否则，依次投入其它联接换流器上的并联开关，直至出现直流故障稳态电流差动保护动作信号，随后按照投入先后顺序依次切出并联开关，进入步骤(7)，若所有并网的n台联接换流器上的并联开关均投入，直流故障稳态电流差动保护仍未动作，则进入步骤(6)；
其中，所述的第一台、第二台直至第n台联接换流器接地电阻并联开关的编号以及投切顺序是预先设定的
(6)保护系统故障辨识失败，柔性直流配电网进入紧急处理程序或停运；
(7)保护系统实现故障位置辨识，跳开故障点两端的直流断路器或负荷开关以隔离故障，柔性直流配电网在新拓扑结构下重新恢复稳定运行。
下面通过实施例详细介绍本发明的技术方案。
实施例1、直流线路单极金属性短路故障
设置直流线路L1某处发生正极永久性金属短路故障，2s时刻故障开始，故障电流及保护动作波形，如图3所示。由于故障为线路L1区内故障，两侧故障电流方向乘积为-1，且差动电流远大于保护动作门槛值，故障后约1ms，故障电流暂态方向差动保护动作，故障辨识完成。线路L1的直流故障暂态电流方向差动保护出口并跳开其两侧直流断路器，隔离故障后，柔性直流配电网进入开环稳态运行方式。
其中，故障电流暂态方向差动保护的动作定值设置为：保护动作门槛值Iset＝0.1kA；为制动系数ki＝0.3。
实施例2、直流线路单极经过渡电阻短路故障
设置直流线路L1某处发生正极经200Ω过渡电阻的短路故障，2s时刻故障开始，故障电流及保护动作波形，如图4所示：
步骤(1)：故障发生后，由于过渡电阻的限流作用，线路L1的直流故障暂态电流方向差动保护未动作，则辨识流程进入步骤(2)直流电压不平衡保护判断过程；
步骤(2)：如图4a所示，直流电压不平衡值达15kV远大于保护动作门槛值2.5kV，延时t1＝100ms后直流电压不平衡保护动作，则辨识流程进入步骤(3)稳态电流差动保护判断过程；
步骤(3)：如图4b所示，故障稳态差动电流幅值约10A，小于稳态差动保护动作门槛值27A，延时t2＝50ms后，线路L1的直流故障稳态电流差动保护未动作，则辨识流程进入步骤(4)；
步骤(4)：如图4c所示，延时T＝200ms后，换流器VSC1侧接地开关K1投入，小电阻R1并联接入接地电阻RS两端；随后，直流电压不平衡值降至约12kV，直流电压不平衡保护保护仍动作，如图4a所示；稳态差动电流升高至约20A，小于差动保护动作门槛值27A，则辨识流程进入步骤(5)；
步骤(5)：延时T＝200ms后，换流器VSC2侧接地开关K2投入，小电阻R2并联接入接地电阻RS两端；随后，直流电压不平衡值降至约9kV，直流电压不平衡保护保护仍动作，如图4a所示；稳态差动电流升高至约23A，小于稳态差动保护动作门槛值27A，则辨识流程进入步骤(6)；
步骤(6)：延时T＝200ms后，换流器VSC3侧接地开关K3投入，小电阻R3并联接入接地电阻RS两端；随后，直流电压不平衡值降至约7kV，直流电压不平衡保护保护仍动作，如图4a所示；差动电流升高至约30A，大于差动保护动作门槛值27A，延时t2＝50ms后，线路L1的直流故障稳态电流差动保护动作，完成故障辨识，则流程进入步骤(7)；
步骤(7)：如图4d所示，线路L1的直流故障稳态电流差动保护出口并跳开其两侧直流断路器，隔离故障后，柔性直流配电网进入开环稳态运行方式。
申请人结合说明书附图以及表格对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例中各故障信息分数值以及影响因素修正系数仅为本发明的优选实施方案，本领域技术人员在本发明的发明思想下完全可能根据具体的发电机组励磁系统型号和实际工况对故障信息分数值以及影响因素修正系数进行合理的选择或修改。总之，本申请详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于，所述故障辨识方法包括以下步骤：
(1)若故障电流暂态方向差动保护动作，则说明保护系统完成故障位置的辨识、辨识流程结束，进入步骤(7)；若未动作，则进入步骤(2)；
(2)若直流电压不平衡保护动作未动作或动作后返回，说明未发生单极故障或故障已消失，则柔性直流配电网继续稳定运行；否则，进入步骤(3)；
(3)若直流故障稳态电流差动保护动作，则保护系统完成故障位置的辨识、辨识流程结束，进入步骤(7)；若直流故障稳态电流差动保护未动作，则进入步骤(4)；
(4)经过固定延时T后，投入第一台联接换流变压器上接地电阻两端的并联开关，将小电阻接入系统，若直流故障稳态电流差动保护动作，则切出并联开关、进入步骤(7)；若直流故障稳态电流差动保护未动作，则进入步骤(5)；
(5)经过固定延时T后，投入第二台联接换流变压器上接地电阻两端的并联开关，将小电阻接入系统，若直流故障稳态电流差动保护动作，则依次切出第一、第二台并联开关，进入步骤(7)；否则，依次投入其它联接换流器上的并联开关，直至出现直流故障稳态电流差动保护动作信号，随后按照投入先后顺序依次切出并联开关，进入步骤(7)，若所有并网的n台联接换流器上的并联开关均投入，直流故障稳态电流差动保护仍未动作，则进入步骤(6)；
(6)保护系统故障辨识失败，柔性直流配电网进入紧急处理程序或停运；
(7)保护系统实现故障位置辨识，跳开故障点两端的直流断路器或负荷开关以隔离故障，柔性直流配电网在新拓扑结构下重新恢复稳定运行。
2.根据权利要求1所述的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于：
在步骤(1)中，故障电流暂态方向差动保护的动作判据为：
Figure FDA0002532910660000011
式(1)中，
Figure FDA0002532910660000012
和
Figure FDA0002532910660000013
分别为线路两侧带方向的电流值；Iset是设定的保护动作门槛值；ki为制动系数，0<ki≤1；dIm和dIm为线路两端电流的微分值，故障为内部故障时，两者乘积为负号，否则为正号；保护无延时出口。
3.根据权利要求1所述的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于：
在步骤(2)中，直流电压不平衡保护的动作判据为：
Figure FDA0002532910660000021
式(2)中，
Figure FDA0002532910660000022
和
Figure FDA0002532910660000023
分别为直流线路正极和负极对地电压向量；Uset为直流电压不平衡保护动作的门槛值；UDCBase是直流单极电压额定值；ku为灵敏系数，0<ku≤1；保护延时t1出口。
4.根据权利要求1所述的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于：
在步骤(3)中，直流稳态电流差动保护判据为：
Figure FDA0002532910660000024
式(3)中，Im和In分别为线路两侧不带方向的电流值；Iset2是设定的保护动作门槛值；ki2为制动系数，0<ki2≤1；当故障差动电流的稳态分量大于动作设定值时，保护延时t2秒出口。
5.根据权利要求1所述的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于：
在步骤(4)和步骤(5)中所述固定延时的取值，应按躲过本端换流器保护区域内故障辨识全过程中所有保护出口时间的总和整定，即至少应大于直流电压不平衡保护与直流故障稳态电流差动保护动作出口时间的总和。
6.根据权利要求1或5所述的基于全故障电流的柔性直流配电网单极故障辨识方法，其特征在于：
在步骤(4)和步骤(5)中所述的第一台、第二台直至第n台联接换流器接地电阻并联开关的编号以及投切顺序是预先设定的。
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