CN109038516A - 一种用于直流配电网线路的加速保护方法 - Google Patents

一种用于直流配电网线路的加速保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直流配电网线路的加速保护方法，属于直流配电网继电保护技术领域。该方法首先充分考虑了直流线路故障电流特性后，利用正、负极电流瞬时值和最大负荷电流比较，判断是否发生故障，再利用不同故障类型下的线路电流特性差异判断故障类型，最后利用电容电流的二次斜率作为判定故障区段的判据，如果经过判断后确定故障发生本级线路内，此时要向断路器发送加速跳闸命令，从而实现故障线路的快速切除。经过大量的实验，验证了保护判据的可行性，该保护方法适合直流配电网线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。

Description

一种用于直流配电网线路的加速保护方法
技术领域
本发明属于直流配电网继电保护方法技术领域，涉及一种用于直流配电网线路的加速方法。
背景技术
随着交流配电系统的问题日益突出、电力电子技术的应用成熟、能源互联的发展趋势，直流配电得以新的发展机遇。为确保直流配电系统安全稳定运行，继电保护成为直流配电技术的研究热点和主要难点。
电力电子化直流配电系统具有低惯量的特点，使得故障电流具有幅值大、上升率高的特征。为降低对换流器的影响，人们开展了基于电力电子变换器拓扑结构和控制技术的主动保护，最大限度地保证系统的正常运行。有学者研究了基于R-L模型的直流配电线路保护方案，可以保证20ms内切除故障。还有专家利用断路器结合通讯设计了多端中压直流配电系统的故障定位与保护，在RT-LAB平台测试方案可在85ms内切除故障，避免换流器的损坏。由于直流系统中的电力电子器件的脆弱性，当系统识别故障发生后，若能利用某种故障特征加速故障的切除，则能够最大限度的保证电力电子设备的安全。基于此，本文将研究了一种故障加速切除的保护方案。
发明内容
本发明提供了一种使用于直流配电网线路的加速保护方法，可以在满足可靠性的同时提升保护的快速性，从而尽可能保护线路上的电力系统设备。
本发明所采用的技术方案是，一种用于直流配电网线路的加速保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、实时采集与每一级直流输电线路正、负极相连的保护装置处的电流瞬时值ipi，ini；
步骤2、将采集的电流瞬时值ipi，ini和对应的每一级线路末端最大负荷电流imaxi进行比较，当ipi或ini＞K*imaxi，则判断配电系统线路上发生故障；K为可靠系数，K选取1.2～1.3，imaxi是线路的最大负荷电流；
步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下ipi、ini电流特性差异，判断故障类型；
步骤4、根据电容的放电电流二次斜率，判断出故障发生的线路位置；
步骤5、根据步骤4判定的故障发生的线路位置，如果故障发生在本级线路内，此时启动断路器加速动作，发送在非本级线路，断路器正常延时动作。
本方案的特点还在于：
进一步地，步骤1中保护装置位于每一级直流输电线路中，每一级电路上设置有两个断路器，每一级线路的保护装置分别配置在各级线路两侧断路器中延时较长的断路器侧。
进一步地，步骤3判断故障类型的具体方式为，当ipi+ini＝0，故障类型为极间故障；当|ipi|＞|ini|，故障类型为正极单极接地故障；当|ini|＞|ipi|，故障类型为负极单极接地故障。
进一步地，步骤4采用的是直流侧电容电流的二阶导数用于准确判断故障的位置，相比一阶导数而言，二阶导数的可靠性更高，
取为本级线路末端发生故障时直流电容放电电流的二阶导数，初始值的通用表达，
其中，K1＝udc(t0)、
当发生极间故障时，R＝2xr0+Rf，L＝2xl0，C＝C0/2；
当发生接地故障时，R＝xr0+Rf，L＝xl0，C＝C0；
其中x代表是换流器到故障点的距离，r0代表是直流线路的单位电阻值，l0代表是直流线路的单位电感值，C0代表是直流线路的单位电容值，Rf代表是故障发生后过渡电阻值，i(t0)代表故障发生时刻的电流，i(t)代表是t时刻电流，uc(t)代表t时刻直流电压。
|(d2if/dt 2)acc1|作为第一级线路末端的断路器BF1的加速动作的加速判据的整定值；|(d2if/dt2)acc2|作为第二级线路末端的断路器BF2加速动作的加速判据的整定值；设定K’rel为可靠系数，一般选择1.2～1.3，各级线路的加速判据整定阈值方程如式(1)所示，对应断路器能够加速动作的动作条件如式(2)所示：
|(d2if/dt2)acc1|＝|Kr′el×(d2if/dt2)1| (1)
|d2if/dt2|＞|(d2if/dt2)acc1| (2)
(d2if/dt2)1代表的是第一级线路的末端发生故障的时候直流电容放电的二级导数电流值；
在线路发生故障之后，系统的所有断路器都开始计数，断路器通过过电流采集模块检测的电流，如果电流方向为正，则此时相应的断路器会开放接触加速动作指令的端口，同时各级保护装置开始计算各级d2if/dt2，根据采集到的各级二级导数电流值d2if/dt2与线路各级的整定值进行判断，若d2if/dt2＞(d2if/dt2)acc1则说明故障发生在本级线路内，反之，则说明故障发生在下一级线路内。
本发明的有益效果是，通过电容电流的二阶导数可以有效的区分故障区段，并以此作为故障线路两端断路器加速保护的保护依据，从而使得线路在发生故障后可以快速断开，保证系统安全稳定运行，有助于完善直流配电工程线路保护。
附图说明
图1是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的双端供电型直流配电线路保护示意图；
图2是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的直流线路保护方案流程图；
图3是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的两端供电型直流配电系统拓扑结构模型；
图4是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的极间故障时电容电流二阶导数的变化示意图；
图5是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的各级直流线路极间故障时电流波形图；
图6是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的极间故障仿真动作结果，其中，图6(a)是直流线路故障类型判断结果，图6(b)保护加速动作信号；
图7是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的单极故障时电容电流二阶导数的变化示意图；
图8是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的各级直流线路单极接地故障时电流波形图；
图9是本发明一种用于直流配电网线路加速保护方法的单极接地故障仿真动作结果，其中，图9(a)是直流线路故障类型判断结果，图9(b)是保护加速动作信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明并不限于这些方式。
一种用于直流配电网线路的加速保护方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、实时采集与每一级直流输电线路正、负极相连的保护装置处的电流瞬时值ipi，ini；
步骤2、将采集的电流瞬时值ipi，ini和对应的每一级线路末端最大负荷电流imaxi进行比较，当ipi或ini＞K*imaxi，则判断配电系统线路上发生故障；K为可靠系数，K选取1.2～1.3，imaxi是线路的最大负荷电流；
步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下ipi、ini电流特性差异，判断故障类型，
判断故障类型的具体方式为，当ipi+ini＝0，故障类型为极间故障；当|ipi|＞|ini|，故障类型为正极单极接地故障；当|ini|＞|ipi|，故障类型为负极单极接地故障；
步骤4、根据电容的放电电流二次斜率，判断出故障发生的线路位置；
取为本级线路末端发生故障时直流电容放电电流的二阶导数，初始值的通用表达，
其中，K1＝udc(t0)、
当发生极间故障时，R＝2xr0+Rf，L＝2xl0，C＝C0/2；
当发生接地故障时，R＝xr0+Rf，L＝xl0，C＝C0；
其中x代表是换流器到故障点的距离，r0代表是直流线路的单位电阻值，l0代表是直流线路的单位电感值，C0代表是直流线路的单位电容值，Rf代表是故障发生后过渡电阻值，i(t0)代表故障发生时刻的电流，i(t)代表是t时刻电流，uc(t)代表t时刻直流电压。
|(d2if/dt 2)acc1|作为第一级线路末端的断路器BF1的加速动作的加速判据的整定值；|(d2if/dt2)acc2|作为第二级线路末端的断路器BF2加速动作的加速判据的整定值；设定K’rel为可靠系数，一般选择1.2～1.3，各级线路的加速判据整定阈值方程如式(1)所示，对应断路器能够加速动作的动作条件如式(2)所示：
|(d2if/dt2)acc1|＝|K′rel×(d2if/dt2)1| (1)
|d2if/dt2|＞|(d2if/dt2)acc1| (2)
(d2if/dt2)1代表的是第一级线路的末端发生故障的时候直流电容放电的二级导数电流值；
在线路发生故障之后，系统的所有断路器都开始计数，断路器通过过电流采集模块检测的电流，如果电流方向为正，则此时相应的断路器会开放接触加速动作指令的端口，同时各级保护装置开始计算各级d2if/dt2，根据采集到的各级二级导数电流值d2if/dt2与线路各级的整定值进行判断，若d2if/dt2＞(d2if/dt2)acc1则说明故障发生在本级线路内，反之，则说明故障发生在下一级线路内；
假设第一级线路f1处发生故障，各级线路的末端断路器UDV模块、第一级线路的首端断路器OC模块均检测到故障位于其正方向，因此开放接收加速动作指令的端口。由于第一级线路末端断路器在延时0ms之后率先动作，在第一级线路首端断路器动作后的第3ms时刻，第一级线路保护装置计算并判定得|d2i/dt2(f1)|＞|(d2i/dt2)acc1|，可以确定故障发生在本级线路，因此第一级线路保护装置向第一级线路首端断路器发送加速跳闸命令(ACC)，而不用等到其延时到达。故障切除时间总长约为3ms，节省约为18ms的时长。
步骤5、根据步骤4判定的故障发生的线路位置，如果故障发生在本级线路内，此时启动断路器加速动作，发送在非本级线路，断路器正常延时动作
进而是否需要向首端断路器发送加速动作命令。不满足加速判据的按照断路器既定延时动作。最后，如若某一级线路的保护装置发出加速跳闸命令或断路器延时跳开，则该保护装置需向换流器VSC发送重新启动命令，再次恢复直流线路的供电。
实施例1
在电力系统实时仿真平台RT-LAB上，搭建图3所示的两端供电型直流配电系统拓扑结构模型。其额定电压为±10kV，通过2个VSC与交流系统互联，其中VSC1采用定有功功率控制，VSC2采用定电压控制。VSC1和VSC2采用2电平拓扑，直流侧电容中性点采用直接接地方式。
各级线路两端均配有直流断路器以便于直接切除故障。其故障闭锁策略为电流幅值大于1.6倍额定电流则闭锁换流器；换流器额定容量均为10MVA，额定电流400A，直流并联电容器100uF；4级直流线路长度均为3km，线路L1和L2的电阻值参数是0.06509Ω/km；线路L3的电阻值参数是0.05094Ω/km；线路L4的电阻值参数是0.05377Ω/km。在各级线路首端配置与之对应的线路保护装置，分别命名为P1、P2、P3和P4，总负荷为16MW，负荷Load 1～4分别为8、2、3.5、2.5MW。
根据不同故障类型，计算比较各级线路的故障电流暂态能量，现分别以两种故障类型的是实施例进行说明。
A、典型极间故障时直流线路加速保护的仿真验证
直流配电线路保护方案和加速判据整定方法，根据故障类型的差异，
可计算得到当直流配电线路末端发生极间故障时，直流侧暂态电容电流的二阶导数随时间变化关系如图4所示。
根据式(1)可求得极间故障情况下各级线路首端断路器的加速判据整定值如表1所示：
表1极间故障时各级线路保护加速判据整定值
当线路L2(0.03km)处在t＝0.2s时刻发生金属性极间短路故障，各级线路的故障电流如图5所示；保护启动判据识别为故障发生之后，根据保护装置采集到的故障电流及计算结果可判断出故障类型，判定结果如图6(a)所示；根据“OC”和“UDV”可以确定BF1、BF2和BR2检测出位于各自正方向，开放接受加速动作的端口。BR2延时7ms最先到达并动作，在其延时开始的同时，保护装置P2计算电容电流二阶导数初始值满足加速动作条件，于t＝0.203s向断路器BF2发出加速动作信号，动作信号如图6(b)所示，最后故障线路L2正确并快速得切除，且用时7ms。故障切除后，保护装置P2向换流阀发送重新启动命令，恢复系统供电。
B、典型单极故障时直流线路加速保护的仿真验证
同理，计算方法和极间故障一样，可计算得到当直流配电线路末端发生极间故障时，直流侧暂态电容电流的二阶导数随时间变化关系如图7所示。并根据式(1)可求得单极故障情况下各级线路首端断路器的加速判据整定值如表2所示：
表2各级直流线路接地故障的保护加速判据整定值
当线路L3(0.9km)于t＝1s发生单极接地故障f3。图8所示为L4、L3、L2各级直流线路的故障电流；L4和L3的正极故障电流均迅速增大，直流侧暂态电容电流二阶导数也增大。根据故障电流的计算情况能够很快判断出故障类型，故障类型的判定结果如图9a所示；同时在故障发生时各“OC”和“UDV”检测故障位于各自断路器的哪一方向。其中BF3和BR3检测出位于各自正方向，且BF3延时7ms最先到达而动作。在其延时的同时，保护装置P3计算得电容电流二阶导数初始值满足加速动作条件，于t＝1.003s向断路器BR3发出加速动作信号，动作信号如图9b所示。最后故障线路L3正确并快速得切除，且用时7ms。故障切除后，保护装置P3向换流阀发送重新启动命令，恢复系统供电。

Claims (4)

1.一种用于直流配电网线路的加速保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、实时采集与每一级直流输电线路正、负极相连的保护装置处的电流瞬时值ipi，ini；
步骤2、将采集的电流瞬时值ipi，ini和对应的每一级线路末端最大负荷电流imaxi进行比较，当ipi或ini＞K*imaxi，则判断配电系统线路上发生故障；K为可靠系数，K选取1.2～1.3，imaxi是线路的最大负荷电流；
步骤3、启动保护流程，根据不同故障线路下ipi、ini电流特性差异，判断故障类型；
步骤4、根据电容的放电电流二次斜率，判断出故障发生的线路位置；
步骤5、根据步骤4判定的故障发生的线路位置，如果故障发生在本级线路内，此时启动断路器加速动作，发送在非本级线路，断路器正常延时动作。
2.根据权利要求1所述的一种用于直流配电网线路的加速保护方法，其特征在于，步骤1中所述保护装置位于每一级直流输电线路中，每一级电路上设置有两个断路器，每一级线路的保护装置分别配置在各级线路两侧断路器中延时较长的断路器侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于直流配电网线路的加速保护方法，其特征在于，步骤3所述判断故障类型的具体方式为：，当ipi+ini＝0，故障类型为极间故障；当|ipi|＞|ini|，故障类型为正极单极接地故障；当|ini|＞|ipi|，故障类型为负极单极接地故障。
4.根据权利要求1所述的一种用于直流配电网线路的加速保护方法，其特征在于，所述步骤4采用的是直流侧电容电流的二阶导数用于准确判断故障的位置，
取为本级线路末端发生故障时直流电容放电电流的二阶导数，初始值的通用表达，
其中，K1＝udc(t0)、
当发生极间故障时，R＝2xr0+Rf，L＝2xl0，C＝C0/2；
当发生接地故障时，R＝xr0+Rf，L＝xl0，C＝C0；
其中x代表是换流器到故障点的距离，r0代表是直流线路的单位电阻值，l0代表是直流线路的单位电感值，C0代表是直流线路的单位电容值，Rf代表是故障发生后过渡电阻值，i(t0)代表故障发生时刻的电流，i(t)代表是t时刻电流，uc(t)代表t时刻直流电压；
|(d2if/dt 2)acc1|作为第一级线路末端的断路器BF1的加速动作的加速判据的整定值；|(d2if/dt2)acc2|作为第二级线路末端的断路器BF2加速动作的加速判据的整定值；设定K’rel为可靠系数，一般选择1.2～1.3，各级线路的加速判据整定阈值方程如式(1)所示，对应断路器能够加速动作的动作条件如式(2)所示：
|(d2if/dt2)acc1|＝|K′rel×(d2if/dt2)1| (1)
|d2if/dt2|＞|(d2if/dt2)acc1| (2)
(d2if/dt2)1代表的是第一级线路的末端发生故障的时候直流电容放电的二级导数电流值；
在线路发生故障之后，系统的所有断路器都开始计数，断路器通过过电流采集模块检测的电流，如果电流方向为正，则此时相应的断路器会开放接触加速动作指令的端口，同时各级保护装置开始计算各级d2if/dt2，根据采集到的各级二级导数电流值d2if/dt2与线路各级的整定值进行判断，若d2if/dt2＞(d2if/dt2)acc1则说明故障发生在本级线路内，反之，则说明故障发生在下一级线路内。
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