CN109103853A - 一种直流电网的保护方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种直流电网的保护方法与系统，包括：根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所确定的述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。本发明没有通信延迟，故障的检测和保护的动作都可以在断路器内部进行，只要提前设定电压变化的动作阈值，断路器就可以快速的检测到故障并及时的实施保护策略，此外，保护的速动性也减轻了电网对限流的要求，减少了冲击电流对设备元件的损害。
Description
技术领域
本发明属于电力系统、电力电子、高压直流输电控制保护领域，具体涉及一种直流电网的保护方法与系统。
背景技术
随着社会经济的发展，世界能源的消费总量也在不断增长。一次能源消耗带来的环境恶化问题使得越来越关注大规模可再生清洁能源的开发和利用，也越来越重视先进高效输电技术的研究与应用。具备独立有功和无功调节能力的新一代柔性直流输电技术为实现包含风能、光伏等间歇性可再生能源经济可靠并网和消纳提供了有效的解决途径，极大丰富了可利用的可再生能源，有力的推动了世界各国能源结构的调整。然而，柔性直流电网仍存在如下问题：
①无法清除直流侧故障。
②基于架空线路的远距离柔性直流电网，故障概率高，形式复杂。
③如若只依靠常规的分断交流断路器或闭锁带直流侧故障清除能力的换流阀来实现直流故障切除，则会造成整个系统的短时停电。
目前研究的热点是结合了机械式高压直流断路器通态损耗低和全固态高压直流断路器控制快速准确的优点的混合式高压直流断路器。受制于目前高压直流断路器制造水平，高压直流断路器的动作时间较长是制约大容量高压直流电网发展的一大因素，此外，故障检测保护原理大部分都依靠站间通信，通信延时导致动作过程总时间长，使得电网对限流的要求高，这更加限制了柔性直流电网的远距离输电。
发明内容
为解决传统高压直流断路器的故障检测依靠站间通信，导致动作过程延长，限制了柔性直流电网的远距离输电的问题，本发明提供一种直流电网的保护方法，所述方法包括：
根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；
当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；
基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所确定的述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。
优选的，所述基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型包括：
当满足线路故障判据时，所述故障为线路故障；
当满足母线故障判据时，所述故障为母线故障。
优选的，所述线路故障判据如下式所示：
式中，为线路故障的电压变化率阈值；VL为线路的对地电压；为实时检测到的线路的电压变化率；
所述线路故障的电压变化率阈值如下所示：
式中，KL表示整定系数；表示实际工程中发生了线路故障的电压变化率最小值。
优选的，所述当满足线路故障判据时，所述故障为线路故障后，还包括：
当满足故障极判据时，排除单极故障时健全极波动对线路故障检测的干扰。
优选的，所述故障极判据如下所示：
式中Δu(t)dt表示电压突变量，标幺值；表示电压变化率的积分值；M表示故障极判定阈值；
所述故障极判定阈值M如下所示：
式中，KM表示整定系数。
优选的，所述母线故障判据如下式所示：
且
式中，是所有与母线相连的线路末端直流断路器所测的电压变化率绝对值；是整定计算出的判断母线故障的电压变化率阈值；VB是测得的母线的对地电压；是实时检测到的母线的电压变化率；
所述母线故障的电压变化率阈值如下所示：
式中，KB表示整定系数；表示实际工程中发生了母线故障的电压变化率最小值。
优选的，所述当满足母线故障判据时，所述故障为母线故障后，还包括：
当满足母线区内故障判据时，排除母线区内故障时母线区外故障对母线检测的干扰。
优选的，所述母线区内故障判据，如下所示：
式中，表示与线路直接相邻的母线电压变化率值。
优选的，所述根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态包括：
当直流电网中高压直流断路器检测到的电压平稳时，所述直流电网的工作状态为：正常工作状态；
当直流电网中高压直流断路器检测到的电压发生突变时，所述直流电网的工作状态为：故障状态。
优选的，所述基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，包括：
当所述故障为线路故障时：线路两侧的高压直流断路器动作；
当所述故障为母线故障时：与母线相连的高压直流断路器动作。
一种直流电网的保护系统，包括：
确定工作状态模块：用于根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；
确定故障类型模块：用于当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；
断路器动作模块：用于基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。
优选的，所述确定故障类型模块之后包括排除健全极干扰的单元和排除母线区外干扰的单元；
所述排除健全极干扰的单元用于当满足故障极判据时，排除单极故障时健全极波动对线路故障检测的干扰；
所述排除母线区外干扰的单元用于当满足母线区外故障判据时，排除母线区内故障时母线区外故障对母线检测的干扰。
与最接近的现有技术相比本申请具有如下有益效果：
1、本发明涉及一种基于故障检测的高压直流断路器保护方法与系统，根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态，当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型，基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所确定的述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作，这样能够就地检测故障发生，没有通信延迟，故障的检测和保护的动作都可以在断路器内部进行，只要提前设定电压变化率的动作阈值，断路器就可以快速的检测到故障并及时的实施保护策略，此外，保护的速动性也减轻了电网对限流的要求，减少了冲击电流对设备元件的损害。
2、本发明涉及一种基于故障检测的高压直流断路器保护方法与系统，直流电网故障的特点决定了基于电压变化判断故障的可靠性。在电网正常运行的情况下线路的电压趋于一个稳定的值，因此检测到的电压变化值很小；当故障发生之后，直流线路电压骤降使得电压变化值突变，通过对比正常运行和故障发生两种情况下的不同电压变化值即可实现正常和故障状态的区分。
3、本发明涉及一种基于故障检测的高压直流断路器保护方法与系统，基于电压变化值的检测对线路进行方向性保护可以有效的区分区内和区外故障，防止保护误动，从而实现保护的选择性，具有一定的抗过渡电阻和抗扰动的能力。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本申请的基于ROCOV的断路器保护策略的控制流程图；
图3为本申请的典型的四端口双极直流输电工程拓扑图；
图4为本申请的不同故障点断路器B12检测到的线路电压波形；
图5-a为本申请的t＝2.5s时刻发生B12出口处金属接地故障T1和B14正极检测到的ROCOV变化；
图5-b为本申请的t＝2.5s时刻B14出口处经过渡电阻接地时T1与正极B12检测到的ROCOV变化；
图6-a为本申请的单极故障(正极)对健全极(负极)电压的影响(1)；
图6-b为本申请的单极故障(正极)对健全极(负极)电压的影响(2)；
图7-a为本申请的单极故障时近测点(B12)所测的电压变化量积分值；
图7-b为本申请的单极故障时远测点(B21)所测的电压变化量积分值；
图8为本申请的图1正极线路上直流断路器B12的控制逻辑图。
具体实施例
下面结合具体的实施例对本发明做进一步解释：
实施例1
如图1所示，是本发明的方法：
步骤1：根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；
步骤2：当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；
步骤3：基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所确定的述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的解释说明
对步骤2当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型的解释说明如下：
线路据测点最远端发生故障时，电压波传播到测点的衰减程度最大，此时的检测到的为保护区段发生故障时的最小ROCOV值，以此值为对象进行整定计算，根据实际工程可靠性要求来确定断路器动作的ROCOV阈值。
对步骤3基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所确定的述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作的解释说明如下：
以图3为算例说明。图3是在一个线路长度为200km的四端口双极直流输电工程的拓扑图。不失一般性，假设母线T1与T2之间的正极线路的不同位置在运行2.5秒时发生短路故障，正极线路末端的直流断路器B12所检测到的线路电压波形如图3所示。
图4左侧的数值表示故障点距断路器B12的距离。可以看出故障发生后断路器能够很快的检测到线路电压的突变。随着故障点距离B12越来越远，B12端所测得的电压变化也逐渐趋于平缓；但即使是距B12最远的200千米处发生接地故障，所测电压变化的波形也相当陡峭，通过ROCOV足以区分正常工作状态或故障状态。
对于具体的工程，线路保护动作的阈值通过将保护区段中距测点最远端发生故障时所测的ROCOV值进行整定计算而得，即
式(1)中VL是测得的线路的对地电压，KL可根据实际工程需要选取0.8～0.9，角标中的f表示发生故障，下同。所以线路故障的检测判据为
由于母线故障不存在故障点距测点不同距离的情况，可选取母线故障时所测的ROCOV值进行整定计算得到母线保护动作的阈值，即
式(3)中VB是测得的母线的对地电压，KB可根据实际工程需要选取0.8～0.9。除此判据之外，还需要检测到的母线ROCOV绝对值比与之直接相连的所有线路的ROCOV绝对值大，才可以判定母线发生故障。这是因为母线故障的电压行波在传播到线路的过程中要经过限流电抗器，因而削减了电压变化的速率，到线路侧时检测到的ROCOV绝对值会比母线的小。因此对于母线上的故障，有母线故障ROCOV判据
式(4)中是所有与母线相连的线路末端直流断路器所测的ROCOV绝对值，是整定的母线故障的动作阈值。
对步骤(3)基于所述故障类型排除对故障检测的干扰确定与故障最接近的高压直流断路器，并在故障持续设定时间时，所述高压直流断路器动作的解释说明如下：
当输电线路某处发生故障引起断路器动作时，邻近线路也会检测到ROCOV的变化。若此时检测到的ROCOV绝对值超过了保护动作的阈值，则会引起保护的误动。针对此问题，可以通过方向性的逻辑控制来区分网络中的故障和正常运行状况，即通过比较母线和线路两测点的ROCOV值来判断故障的传播方向从而确定故障是在母线内部还是外部。考虑最极端的情况，图5-a和图5-b是图1系统中当t＝2.5s发生正向故障带过渡电阻(Rg＝100Ω)和反向始端金属性故障时相邻母线和区外测点的ROCOV波形，断路器开断时间为3ms。当输电线路某处发生故障引起断路器动作时，邻近线路也会检测到ROCOV的变化。
在t＝2.503s时线路1-2上的断路器检测到故障并动作，从图中可以看出，T1与线路1-4正极的电压受到向上的波动，但母线的ROCOV值明显大于区外测点的ROCOV值，即使是正向过渡电阻也只是减小了ROCOV的幅值，判据仍然有效，故障判据为
换流站采用双极拓扑时，正极与负极相距较远，其直流侧故障通常为单极接地故障，仅影响故障极，对健全极影响很小。但在单极发生故障时由于耦合作用健全极会发生较大的波动。文献通过相模变换法将双极线路解耦为零模和一模量，可得：
式(6)中：Δup和ΔuN是故障点处正负极的电压突变量，Z0和Z1为解耦后的零模阻抗和一模阻抗，Rg为过渡电阻，E为故障极的电压。
以正极故障为例，此时上式中的E为正值，Δup为负，正极电压一直下降；对于负极，Z0>Z1，对于靠近故障的测点，负极电压下降；对于远端的测点，由于零模波速小于一模波速，一模波先传入远端测点，此时负极电压上升，零模波到达后，负极电压开始下降。
图6-a和图6-b是t＝2.5秒图2中线路1-2段正极发生故障f1时B12和B21侧限流电抗器正负极电压的变化。可以看出故障点距测点的距离越远，负极电压的波动引起所测的ROCOV值突变就越可能会引起断路器的误动。
根据图6中正负极电压波形的不同特点，可添加一个辅助的判据，利用电压变化量积分来区别故障极。将正负极电压标幺化，故障极的积分为负，健全极的积分为正或者较小的负值，从而实现故障极和健全极的区分。其故障极的判据如下：
式(7)中Δu为故障电压较额定电压的突变量，取标幺值，M为故障极判定阈值，选取原则应躲避健全极积分值负值的最大值，Δt为采样数据窗范围。即
图7-a和图7-b是图1中发生近B12点正极线路故障时B12和B21测得的正负极故障电压分量的积分值，与理论一致。
通过上述步骤可以得出每个直流断路器的控制逻辑图。以图1中正极线路上的断路器B12为例，其控制保护策略为
图8中信号S1～S5表示式(2)、(4)、(5)、(7)中的五个判据是否成立，INTEG12P是线路1-2正极的故障电压分量的积分的标幺值，ROCOV1P表示母线T1正极所测的ROCOV值，ROCOV14P和ROCOV12P表示与母线T1正极直接相连的线路近端的ROCOV值。F1＝1表示直流线路故障，F2表示与线路侧直接相连的母线故障，增加延时元件是为了增加保护策略的抗扰性能，只有输出为1的时间达到了延时的时间后输出才会置1，当TRIP＝1时断路器动作。
实施例2
本发明还涉及一种基于故障检测的高压直流断路器保护系统，包括：
确定工作状态模块：用于根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；
确定故障类型模块：用于当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；
断路器动作模块：用于基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。
所述确定故障类型模块之后包括排除健全极干扰的单元和排除母线区外干扰的单元；
所述排除健全极干扰的单元用于当满足故障极判据时，排除单极故障时健全极波动对线路故障检测的干扰；
所述排除母线区外干扰的单元用于当满足母线区外故障判据时，排除母线区内故障时母线区外故障对母线检测的干扰。
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。
Claims (12)
1.一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述方法包括：
根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；
当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；
基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所确定的述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。
2.如权利要求1所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型包括：
当满足线路故障判据时，所述故障为线路故障；
当满足母线故障判据时，所述故障为母线故障。
3.如权利要求2所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述线路故障判据如下式所示：
式中，为线路故障的电压变化率阈值；VL为线路的对地电压；为实时检测到的线路的电压变化率；
所述线路故障的电压变化率阈值如下所示：
式中，KL表示整定系数；表示实际工程中发生了线路故障的电压变化率最小值。
4.如权利要求3所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述当满足线路故障判据时，所述故障为线路故障后，还包括：
当满足故障极判据时，排除单极故障时健全极波动对线路故障检测的干扰。
5.如权利要求4所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述故障极判据如下所示：
式中Δu(t)dt表示电压突变量，标幺值；表示电压变化率的积分值；M表示故障极判定阈值；
所述故障极判定阈值M如下所示：
式中，KM表示整定系数。
6.如权利要求2所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述母线故障判据如下式所示：
且
式中，是所有与母线相连的线路末端直流断路器所测的电压变化率绝对值；是整定计算出的判断母线故障的电压变化率阈值；VB是测得的母线的对地电压；是实时检测到的母线的电压变化率；
所述母线故障的电压变化率阈值如下所示：
式中，KB表示整定系数；表示实际工程中发生了母线故障的电压变化率最小值。
7.如权利要求6所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述当满足母线故障判据时，所述故障为母线故障后，还包括：
当满足母线区内故障判据时，排除母线区内故障时母线区外故障对母线检测的干扰。
8.如权利要求6所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述母线区内故障判据，如下所示：
式中，表示与线路直接相邻的母线电压变化率值。
9.如权利要求1所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态包括：
当直流电网中高压直流断路器检测到的电压平稳时，所述直流电网的工作状态为：正常工作状态；
当直流电网中高压直流断路器检测到的电压发生突变时，所述直流电网的工作状态为：故障状态。
10.如权利要求1所述的一种直流电网的保护方法，其特征在于，所述基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，包括：
当所述故障为线路故障时：线路两侧的高压直流断路器动作；
当所述故障为母线故障时：与母线相连的高压直流断路器动作。
11.一种直流电网的保护系统，其特征在于，包括：
确定工作状态模块：用于根据直流电网中高压直流断路器检测到的电压是否变化确定直流电网的工作状态；
确定故障类型模块：用于当所述直流电网处于故障状态时，基于预设的判据和保护线路的电压信号确定直流电网的故障类型；
断路器动作模块：用于基于所述故障类型，确定需要动作的高压直流断路器，且所述高压直流断路器在故障持续设定时间内动作。
12.如权利要求11所述的一种直流电网的保护系统，其特征在于，所述确定故障类型模块之后包括排除健全极干扰的单元和排除母线区外干扰的单元；
所述排除健全极干扰的单元用于当满足故障极判据时，排除单极故障时健全极波动对线路故障检测的干扰；
所述排除母线区外干扰的单元用于当满足母线区外故障判据时，排除母线区内故障时母线区外故障对母线检测的干扰。
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