CN109444659B - 基于电压预测的环形直流配电网故障检测方法 - Google Patents

Abstract

基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法，属于直流配电网安全运行领域，所述直流配电网的两端安装有保护装置，所述保护装置包括断路器、传感器、继电器、电抗器；其特征在于：根据线路侧任意三个采样时间点的采样电压值预测线路侧的下一时刻的预测电压值，以故障时刻线路侧的预测电压值和实测电压值的差值作为保护的动作依据。本发明解决了传统直流配电网保护速动性不强，过于依赖通信以及电路所处的阻尼状态等问题。本发明仅依赖线路侧的电压值，有效的避免了使用电流、电流的一阶导数及二阶导数、电压的一阶导数等元素设置保护时，过于依赖故障时刻电路的阻尼状态的影响。

Description

基于电压预测的环形直流配电网故障检测方法

技术领域

本发明涉及直流配电网继电保护领域，具体是一种基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法，适用于复杂的多端直流配电网。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断发展，负荷密集地区的用电量越来越大，用户对电能质量的要求也越来越严格，现有的交流配电系统已经满足不了用户的用电需求。而在直流配电网中，交流侧有功功率和无功功率的控制是独立的，并且在直流网中不存在频率偏移和三相不对称等问题，电能质量更好，直流配电系统逐渐走入了人们的视野。直流配电以其低成本、低线路损耗、传输容量大以及可靠性高等优势迅速在电力市场中占领了一席之地。

目前，国内外对于直流配电网的研究尚处于初级阶段，直流配电网仍存在许多挑战。其中一个最主要的挑战就是对直流电网故障缺乏有效的保护措施。目前，直流电网的保护主要有三种形式：基于直流电流和直流电压的保护，差动保护和行波保护。直流电网的低阻抗电缆和高滤波电容使得直流系统故障最明显的特征就是直流电压的减小和直流电流的增加，所以基于电流和电压的保护在研究之初就被广泛应用。最典型的保护就是过电流保护和欠压保护。但是，在环形直流配电网中，系统发生区内故障和区外故障时，电流和电压的故障特性极为相似，所以这种方法不能准确识别故障线路。在选择性上，差动保护是一种非常理想的保护方案。但其信息传输需要时间，尤其在传输线很长的系统中传输时间更长。而在直流故障中，短路电流通常会在故障发生的10ms内达到额定电流的几倍甚至更高，从而引起IGBT闭锁,为了防止电力电子器件被破坏，故障需要在10ms以内被切除。行波保护在高压直流输电系统中应用广泛，但在配电网中由于线路较短行波很难被检测到。随着直流保护技术的发展，一些基于直流电压和电流暂态值的保护也被广泛应用。有的学者提出了基于di/dt的保护方案，但保护判据对电路阻尼状态的依赖性较大，无法区分高阻抗接地故障和区内区外故障。有的学者结合了di/dt和di²/dt²的故障特征，并计算出了适用范围，但没有考虑区外故障。还有的学者虽然解决了直流故障分区困难和高阻接地故障难以检测的问题，但是保护原理复杂，不便于应用。

发明内容

为了解决多端直流配电网故障检测困难(端直流配电网故障检测目前处于理论研究阶段，没有应用实践)、过于依赖电路阻尼状态、难以满足直流保护速动性的问题，本发明提出了一种基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法。

在直流配电系统正常运行时，由于直流配电系统的定电压和定功率的主从控制作用，直流配电系统线路电压保持恒定且只与接入直流配电系统的负荷大小有关。

根据线路侧采样点的前三个采样电压与二次时变函数预测线路侧下一时刻的电压值，以故障时刻线路侧的预测电压和实测电压的差值作为保护的动作依据。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

基于电压预测的环形直流配电网故障检测方法，所述直流配电网的两端安装有保护装置，所述保护装置包括断路器、传感器、继电器、电抗器；故障检测方法包括下述内容：

(1)预测电压值

基于线路上的预测电压值与实测电压值的差值，利用保护装置的继电器识别线路侧的电压变化并断路器隔离故障；

根据目前公知常识：直流电流是关于时间的二次函数。从而，直流电压v_R(t)也是关于时间的二次函数，电压关于时间t的二阶导数：

由公式(3)理论可知，直流配电网正常运行时任意三个采样时刻的电压值，下一时刻的预测电压值：

当系统发生故障时，线路侧电压瞬间变化，且dv/dt的突变量非常大。

当线路发生接地短路故障时，由于直流电网的电缆阻抗小，滤波电容大，使得电流的上升速度非常快，导致电压瞬间有一个非常大的电压降落，预测电压值与实测电压值之间存在明显的差异。

一种基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法，其特征在于包括下述内容：

(1)利用传感器采集故障线路侧实测电压值v_R；利用传感器采集直流配电网任意三个采样时间的采样电压值；v_R(t-1)、v_R(t-2)、v_R(t-3)；

(2)计算直流电网当前t时刻的预测电压值v_RP(t)；

v_R(t-1)、v_R(t-2)、v_R(t-3)是线路侧连续三个采样时间的采样电压值；

(3)计算预测电压值与实测电压值之间的电压差值；

(4)将电压差值与保护整定范围值进行比较；0﹤保护整定范围值≤1；

(5)当电压差值等于保护整定范围值时，继电器发出跳闸指令，断路器跳闸，切除故障线路。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果如下：

1、本发明只采用本地测量，不需要通信设备，经济性更好；

2、本发明仅仅使用线路侧的电压值，通过预测电压与实测电压的差值进行故障检测。与传统的直流电压保护相比，本发明采集的是故障时刻的电压差值变化，不需要等电压稳定后再判断，保护的速动性更好；能在5ms以内切除故障。

3、本发明仅采用线路侧的电压设置保护，有效的避免了使用电流、电流的一阶导数及二阶导数、电压的一阶导数等电气量设置保护时，过于依赖故障时刻电路的阻尼状态的影响。

4、本发明可以与多种保护配合使用，如可以与通信通道配合，构成新型的电压差动保护。还可以取代欠压保护，作为其他保护的后备保护。

5、本发明解决了传统直流配电网保护速动性不强，过于依赖通信以及电路所处的阻尼状态等问题。

附图说明

图1为环形直流配电网结构图。

图2为直流配电网正常运行时负载随时间变化时预测电压值与实测电压值的波形图。

图3为F₁发生金属性接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图4为F₂发生金属性接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图5为F₃发生金属性接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图6为F₄发生金属性接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图7为F₁发生R_F＝0.7Ω高阻抗接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图8为F₂发生R_F＝0.7Ω高阻抗接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图9为F₃发生R_F＝0.7Ω高阻抗接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图10为F₄发生R_F＝0.7Ω高阻抗接地故障时在PD_1,2处检测到的v_RP和v_R图。

图11为保护判据流程图。

图12为故障部分等效电路图。

图13为F₁故障时△v_RP图。

图中，F₁、F₂、F₃、F₄均为线路故障发生点；PD为保护装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

如图1所示，一种基于电压预测的环形直流配电网，由3个VSC换流器(VSC1～VSC3)、3个交流电网(S1～S3)和一个负荷组成。各直流端口间通过电缆连接，每条直流电缆的两侧都装有保护装置用来快速跳闸以切除故障线路。每一个VSC换流器都装有过电流保护,当故障电流超过额定电流的1.2倍时，VSC发生闭锁。直流系统处于降压运行状态，直流系统控制策略遵从主从控制原则，VSC1控制整个网络的直流电压，VSC2和VSC3控制功率传输。

在直流配电系统正常运行时，由于系统的定电压和定功率的主从控制作用，系统线路电压保持恒定且只与接入系统的负荷大小有关。

根据线路侧任意采样点的前三个时间点的采样电压值与二次时变函数可以预测线路侧下一时刻的电压值，以故障时刻线路侧的预测电压和实测电压的差值作为保护的动作依据。

本发明是利用保护装置线路侧的电压变化来识别和隔离故障的，是基于线路上的预测电压与实测电压的差值实现的。

本发明所述直流配电网的两端均安装有保护装置，所述保护装置包括断路器、传感器、继电器、电抗器。

由公知常识：直流电流是关于时间的二次函数。所以直流电压v_R(t)也是关于时间的二次函数：

由上式(3)理论衍推而出，下一时刻的预测电压值：

式中，v_R(t-1)、v_R(t-2)、v_R(t-3)是线路侧连续三个采样时间的采样电压值；

图2是为了验证预测电压值与实测电压值的拟合效果，在系统正常运行情况下，改变负荷大小，采集到的电压变化曲线。

从图2所示，随着负荷的变化，预测电压值v_RP与实测电压值v_R高度拟合，预测电压值的准确性很高。

当系统发生故障时，线路侧电压瞬间变化，且dv/dt的突变量非常大。本发明将故障点分别在图1所示的F₁、F₂、F₃、F₄的位置。

图3、图4、图5、图6所示，在故障情况下，预测电压值与实测电压值之间存在明显的差异。

由于直流电网的电缆阻抗小，滤波电容大，使得电流的上升速度非常快，从而导致电压瞬间有一个非常大的电压降落。由于预测电压值是根据系统正常运行时的三个连续采样点电压计算而来的，当故障发生时，预测电压值仍为系统正常运行时的电压，而实测电压值却为故障电压，所以预测电压值与实测电压值在故障发生时会出现一个较大的差值。

Δv_RP＝v_RP-v_R (5)

Δv_min≤Δv_RP≤Δv_max (6)

当线路发生接地故障时，本线路的电压差值较大。而当其他线路发生故障时，本线路的电压差值较小。随着过渡电阻的增大，电压差值逐渐减小，但仍大于其他线路的电压差值。

当过渡电阻增大到某一个值时，本线路保护装置所检测到的电压差值与相邻线路发生直接接地故障时两者的差值相等，甚至小于两者之差。此时，保护装置会误动作。为了解决这一问题，本发明将预测电压值与实测电压值的差值进行了整定，设置了保护上限和保护下限。

本发明将电流从母线流向线路的方向定为正方向，所以此时线路上检测到的电流方向为正向。

(1)预测当前时刻的预测电压值。

(2)计算预测电压值与实测电压值之间的电压差值。

(3)将电压差值与保护整定范围值进行比较；0﹤保护整定范围值≤1；

(4)当线路上的保护装置检测到预测电压与实测电压的差值在保护区间之内时，继电器发出跳闸指令，断路器跳闸，切除故障线路。

如图6所示，当F₁处发生故障时，采样点所检测到的电压为：

将式(7)代入到式(5)中，得

在配电网当中，电缆的电阻和电感都非常小，而由于限流电感的存在，故障电流在故障瞬间也不会升高，所以线路电感和电阻对线路侧电压的影响可以忽略不计。式(8)可以简化为：

Δv_RP＝v_RP-v_F (9)

所以，整定值计算取决于故障发生时刻线路当中的预测电压值以及故障点的电压值。

工程中规定，电流整定值用实际值，电压整定值用标幺值。本发明的整定值也采用标幺值。

设系统正常运行时线路侧的电压为1p.u，所以当故障发生瞬间，v_R(t-1)、v_R(t-2)、v_R(t-3)都为线路正常运行时的电压，即都为1p.u。因此，在故障发生时有v_RP＝1p.u。

当线路发生金属性接地故障时，此时的过渡电阻为0，所以故障点处的故障电压也为0。因此，整定值的上限为：

Δv_max＝1p.u-0p.u＝1p.u (10)

当线路发生高阻抗接地故障时，保护需要躲开相邻线路发生直接接地短路的最大电压差值，即需要躲开相邻线路的线路侧电压最小值。由以上分析可知，此整定值为最小值型定值，所以整定值应该取本线路故障时，所有相邻线路的线路电压最小值组成集合中的最大值。

当相邻线路发生直接接地短路故障时，本线路的线路侧电压：

所以，将公式(11)带入公式(6)可得整定值的下限值为：

1.1为可靠系数，主要考虑计算误差、裕度等因素的影响。

本发明是以采样点的电压为基础设置的保护策略，可能会出现伪数据，导致保护误动。为了消除伪数据可能产生的影响，本发明加入一定的动作时限。

如图7所示是F1发生接地短路时，保护检测到的电压差值变化。

由式(4)和式(6)可知，电压差值从零经过变化再到零的时间共经过5个采样点，时间为5ms，与图7所示的时间一致。这段时间里，保护区间内两次检测到能够引起保护动作的电压差值，很大程度上避免了伪数据带来的影响。而且这一时间完全符合保护在10ms内切除故障的条件，满足了直流保护速动性的要求。

图11所示，保护装置采集母线电压、线路侧电压以及流过电缆的电流值；当电流值大于电流整定值(即1.2倍的额定电流值)时，启动保护判据；计算预测电压值与实测电压值的电压差值，并将电压差值与保护整定范围值进行比较；若电压差值等于保护整定范围值，则判断系统发生区内故障，继电器发出跳闸指令，直流断路器断开。

电流整定值＝额定电流×1.2。

若电压差值不等于保护整定范围值，将线路侧电压值与电压整定值进行比较；如果线路侧电压值小于电压整定值且母线电压值大于线路侧电压值时，系统发生区内故障，否则发生区外故障。

电压整定值＝额定电压×80％。

Claims (2)

1.一种基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法，所述直流配电网的两端安装有保护装置，所述保护装置包括断路器、传感器、继电器、电抗器；其特征在于：根据线路侧任意三个采样时间点的采样电压值预测线路侧的下一时刻的预测电压值，以故障时刻线路侧的预测电压值和实测电压值的差值作为保护的动作依据；

所述基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法包括下述内容：

(1)利用传感器采集故障线路侧实测电压值v_R；利用传感器采集直流配电网任意三个采样时间点的采样电压值；v_R(t-1)、v_R(t-2)、v_R(t-3)；

(2)计算直流电网当前t时刻的预测电压值v_RP(t)；

v_R(t-1)、v_R(t-2)、v_R(t-3)是线路侧连续三个采样时间的采样电压值；

(3)计算预测电压值与实测电压值之间的电压差值；

(4)将电压差值与保护整定范围值进行比较；0﹤保护整定范围值≤1；

(5)当电压差值等于保护整定范围值时，继电器发出跳闸指令，断路器跳闸，切除故障线路；

保护装置采集母线电压、线路侧电压以及流过电缆的电流值；当电流值大于电流整定值时，启动保护判据；计算预测电压值与实测电压值的电压差值，并与保护整定范围值进行比较；

若电压差值不等于保护整定范围值，将线路侧电压值与电压整定值进行比较；如果线路侧电压值小于电压整定值且母线电压值大于线路侧电压值时，系统发生区内故障，否则发生区外故障；电流整定值＝额定电流×1.2；电压整定值＝额定电压×80％。

2.如权利要求1所述一种基于预测电压的环形直流配电网故障检测方法，其特征在于直流电流是关于时间的二次函数；直流电压vR(t)也是关于时间的二次函数：

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