CN109617027A - 一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，所述保护方法包括以下步骤：步骤1：针对含光伏接入的柔性直流配电系统，分析含光伏接入的柔性直流线路发生双极短路故障时的高频故障特性，推导出系统故障时的暂态高频阻抗；步骤2：根据步骤1的高频故障特性，分析不同位置短路时系统中电压高频故障分量的分布特征，由此得出基于高频突变量的距离保护原理；步骤3：针对直流系统中保护难以整定配合的问题，分析不同电路结构对高频测量阻抗的影响，对系统进行保护配置和整定计算。

Description

一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法

技术领域

本发明涉及柔性直流配电系统控制与保护技术领域，特别是涉及柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法。

背景技术

随着分布式发电、直流储能装置的不断发展以及直流负荷的广泛应用，直流配电系统成为国内外研究、应用的热点课题和发展方向。相比于交流配电，直流配电系统可以减少分布式发电系统及直流负荷接入电网的中间环节，灵活高效、供电可靠性高、电能质量好，适应未来电网负荷的发展需求。在柔性直流配电网中，电力电子装置的接入使系统呈容性特征，直流线路故障后换流器电容迅速放电，导致故障电流上升速度快，对系统冲击大。然而电力电子器件耐受冲击电流的能力比较弱，故障后很快闭锁，保护必须利用2-5ms内极少的故障信息快速检测与定位故障，在保证速动性的同时又要准确的选择故障线路切除故障，具有较大的挑战性。

目前国内外针对柔性直流配电系统的保护主要分为单端电气量保护和双端电气量保护。单端电气量保护中一类是常规保护，包括过流、欠压、电流/电压微分、距离等保护，此类保护无需通信，动作速度快，但无法保护线路全长，在具有多分支结构的直流配电系统中难以保证选择性，缺乏定值计算方法，整定困难；另一类是基于系统特殊结构、装置的保护，包括利用限流电抗器构造边界的保护、行波保护、测距保护等，该类保护需要依赖于特殊的结构或装置，可能会影响经济性和系统响应特性，对一次系统结构有特殊要求，不具有通用性。双端电气量保护包括电气量纵联保护和方向纵联保护，这类保护能够实现全线速动，但需要实时传输电气量信息，对通信同步性要求高，并受线路分布式电容的影响。

因此希望有一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法以解决现有技术中的问题。

发明内容

本发明公开的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，既适用于柔性直流配电系统多分支结构同时又兼具快速性和选择性。

本发明公开了一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，所述保护方法包括以下步骤：

步骤1：针对含光伏接入的柔性直流配电系统，分析其柔性直流线路发生双极短路故障时的高频故障特性，推导出系统故障时的暂态高频阻抗；

步骤2：根据步骤1的高频故障特性，分析不同位置短路时系统中电压高频故障分量的分布特征，由此得出基于高频突变量的距离保护原理；

步骤3：针对直流系统中保护难以整定配合的问题，分析不同电路结构对高频测量阻抗的影响，对系统进行保护配置和整定计算。

优选地,所述步骤1中针对含光伏接入的柔性直流配电系统，分析其柔性直流线路发生双极短路故障时的高频故障特性包括如下的具体步骤：

当所述含光伏接入的柔性直流线路上发生双极短路故障时，换流器阀级设备闭锁，故障点电压由正常工作电压下降至低水平，分析该故障信息频谱，得到各频率下的电气量信息，从中可以看出，频率越高，其频谱密度越大；

系统在正常运行时不含高频分量，当所述含光伏接入的柔性直流线路发生金属性故障时，故障点电压降为零，用两个与故障前电压大小相等、方向相反的附加源等值代替；

由于直流系统中呈现出强电力电子化特征，故障暂态过程相对复杂且非线性特征较强，可通过高频故障回路分析将换流器线性化，MMC换流器和DC/CD换流器的高频阻抗分别表示为：

式中，R_arm为桥臂电阻，L₀为桥臂电感，C₀为子模块电容，N为MMC中子模块个数，N₁为DC/DC中变换器模块的个数，a为高频变压器的变比，r为桥臂开关器件的导通电阻，L₁、L₂为变压器T型等效电路的阻抗参数，C₁、C₂分别为低压直流侧和中压直流侧出口电容；

通过换流器的等效将系统线性化，根据叠加原理，将故障后的系统分解成正常运行状态和故障分量状态的叠加，利用故障后引入的故障暂态分量进行分析，使保护的动作性能不受符合状态和系统振荡因素的影响，获得良好的动作特性。

优选地,所述步骤2分析不同位置短路时系统中电压高频故障分量的分布特征包括如下的具体步骤：

在两个换流器及换流器间线路的不同位置发生双极短路故障时，以故障点为高频源，其中一个换流器母线M处的高频故障分量电流、电压可以分别表示为：

ΔU＝-ΔI·Z_S

式中，ΔE_k1为故障点的高频电源电动势，Z_S为换流器的高频等值阻抗，Z_k1为故障线路的高频阻抗；

所述高频故障分量距离元件的高频工作电压为：

ΔU_op＝ΔU-ΔI·Z_set＝-ΔI·(Z_S+Z_set)

式中，Z_set表示线路高频阻抗整定值，且为恒定值；

在保护区内发生故障时，ΔU_op在与0与ΔE_k1的延长线上|ΔU_op|＞|ΔE_k1|；

在正向保护区外发生故障时，ΔU_op在与0与ΔE_k1的连接线上，|ΔU_op|＜|ΔE_k2|。

优选地,所述步骤2的基于高频突变量的距离保护原理为：通过比较所述高频工作电压ΔU_op与所述故障点的高频电源电动势ΔE_k1幅值的大小区分保护区内与保护区外故障，假设故障前为空载，短路点电压的大小等于保护安装处母线电压的大小，用该电压构造一个阶跃提取其中的高频分量U_k ^[0]，则高频故障分量距离元件的动作判据为：

系统故障后高频电气量信息若满足上式，则判定为区内故障，保护动作；若不满足上式，则判为区外故障，保护不动作。

优选地,所述步骤3的分析不同电路结构进一步包含：不含分支和含分支电路结构，分析故障后高频电流回路，得到保护安装处的高频测量阻抗，所述高频突变量距离保护采用阶梯延时配合的两段式配置方式，计算出高频突变量距离I段、II段的整定值以及高频突变量距离II段的动作延时。

优选地，所述步骤3中高频突变量距离保护采用阶梯延时配合的两段式配置方式，计算出高频突变量距离I段、II段的整定值以及高频突变量距离II段的动作延时的具体内容包括：

高频突变量距离I段整定：距离保护I段故障后瞬时动作，无时间延时，在被保护线路内部发生故障时保护动作，按照躲过本线路末端短路时的线路高频阻抗来整定：

式中，Z^I _set.1表示距离高频突变量距离I段的线路整定阻抗，L_MN表示被保护线路的长度；Z₁表示被保护线路单位长度的阻抗；K^I _rel表示可靠系数，由于距离保护为欠量保护，所以K^I _rel<1，考虑到互感器误差和参数测量误差等因素，一般取值0.80-0.85；

高频突变量距离II段整定：距离保护II段的整定与相邻线路保护I段配合，为了保证在下级线路发生故障时上级线路保护安装处的保护II不越级跳闸，II段保护范围不超过下级线路保护I段动作范围，若下级保护I段线路阻抗整定值为Z^I _set.2，则保护II段线路整定阻抗为：

式中，K^II _rel表示距离保护II段的可靠系数取值0.8；

高频突变量距离II段动作延时：保护II段的动作延时和与之配合的相邻线路保护I段动作时间的时间级差为Δt：

式中，t^II ₁表示与本保护配合的相邻元件保护I段的最大动作时间；

为了防止距离保护II段误动，除了时间延时外，保护II段还同时配备一个电流保护，检测经过时间延时后该故障是否已被切除，若已切除，则电路中不会再有电流，此时保护II段可靠返回；若故障未切除，直流变换器中的电感会持续续流100ms以上，电路中仍能检测到电流，此时保护II段启动，切除故障。

本发明公开的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其具有以下有益效果：

(1)仅利用本地测量的电气量信息进行故障区段判别和保护整定，无需通信装置，实现保护快速动作；

(2)适用于含光伏接入的柔性直流配电系统，采用阶梯延时配合的配置方式，解决了系统中含有支路时保护难以整定配合的问题；

(3)保护具有一定的抗过渡电阻能力，受噪声影响小。

附图说明

图1是本发明的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法流程图。

图2是含高比例光伏接入的多端柔性支流配电系统拓扑结构图；

图3是不同位置短路时系统中电压高频分量分布图；

图4是母线不含分支和含分支的系统结构图；

图5是区内和区外故障时保护整定值和电源电动势的大小关系示意图；

图6是过渡电阻和噪声对保护影响的仿真图；

图7是保护方案流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法流程图，本发明提出了一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，包括以下步骤：

步骤1、针对含光伏接入的柔性直流配电系统，分析其直流线路发生双极短路故障时的高频故障特性，推导出系统故障时的暂态高频阻抗；

步骤2、基于步骤1的高频故障特性研究，分析不同位置短路时系统中电压高频故障分量的分布特征，进而提出一种基于高频突变量的距离保护原理；

步骤3、针对直流系统中保护难以整定配合的问题，通过分析不同电路结构对高频测量阻抗的影响，对系统进行保护配置和整定计算。

所述步骤1中，针对含高比例光伏接入的的柔性直流配电系统，当直流线路上发生双极短路故障时，换流器阀级设备几毫秒内闭锁，故障点电压由正常工作电压瞬间跌落到较低水平，将该故障信息进行频谱分析，得到各频率下的电气量信息，从中可以看出，频率越高，其频谱密度越大；系统在正常运行时，几乎不含高频分量，当线路发生金属性故障时，故障点电压降为零，此时可以用两个与故障前电压大小相等、方向相反的附加源等值代替；由于直流系统中呈现出强电力电子化特征，故障暂态过程相对复杂且非线性特征较强，可通过高频故障回路分析将换流器线性化，此时系统被等效为线性系统，根据叠加原理，可将其故障后的状态分解成正常运行状态和故障分量状态的叠加，利用故障后引入的故障暂态分量进行分析，可以使保护的动作性能基本不受符合状态、系统振荡等因素的影响，获得良好的动作特性。

所述步骤2中，以两个换流器及换流器间线路为例，当线路不同位置发生双极短路故障时，以故障点为高频源，其中一个换流器母线M处的高频故障分量电流、电压可以分别表示为：

ΔU＝-ΔI·Z_S

式中，ΔE_k1为故障点的高频电源电动势，Z_S为换流器的高频等值阻抗，Z_k1为故障线路的高频阻抗；

所述高频故障分量距离元件的高频工作电压为：

ΔUo_p＝ΔU-ΔI·Z_set＝-ΔI·(Z_S+Z_set)

式中，Z_set表示线路高频阻抗整定值，且为恒定值；

在保护区内发生故障时，ΔUo_p在与0与ΔE_k1的延长线上|ΔU_op|＞|ΔE_k1|；

在正向保护区外发生故障时，ΔU_op在与0与ΔE_k1的连接线上，|ΔU_op|＜|ΔE_k2|。

通过比较所述高频工作电压ΔU_op与所述故障点的高频电源电动势ΔE_k1幅值的大小区分保护区内与保护区外故障，假设故障前为空载，短路点电压的大小等于保护安装处母线电压的大小，用该电压构造一个阶跃提取其中的高频分量U_k ^[0]，则高频故障分量距离元件的动作判据为：

系统故障后高频电气量信息若满足上式，则判定为区内故障，保护动作；若不满足上式，则判为区外故障，保护不动作。

所述步骤3中针对不含分支和含分支电路结构，分析故障后高频电流回路，得到保护安装处的高频测量阻抗，所述高频突变量距离保护采用阶梯延时配合的两段式配置方式，计算出I段、II段的整定值以及II段的动作延时。

所述步骤3中高频突变量距离保护采用阶梯延时配合的两段式配置方式，计算出高频突变量距离I段、II段的整定值以及II段的动作延时的具体内容包括：

高频突变量距离I段整定：距离保护I段故障后瞬时动作，无时间延时，在被保护线路内部发生故障时保护动作，按照躲过本线路末端短路时的线路高频阻抗来整定：

式中，Z^I _set.1表示距离高频突变量距离I段的线路整定阻抗，L_MN表示被保护线路的长度；Z₁表示被保护线路单位长度的阻抗；K^I _rel表示可靠系数，由于距离保护为欠量保护，所以K^I _rel<1，考虑到互感器误差和参数测量误差等因素，一般取值0.80-0.85；

高频突变量距离II段整定：距离保护II段的整定与相邻线路保护I段配合，为了保证在下级线路发生故障时上级线路保护安装处的保护II不越级跳闸，II段保护范围不超过下级线路保护I段动作范围，若下级保护I段线路阻抗整定值为Z^I _set.2，则保护II段线路整定阻抗为：

式中，K^II _rel表示距离保护II段的可靠系数取值0.8；

高频突变量距离II段动作延时：保护II段的动作延时和与之配合的相邻线路保护I段动作时间的时间级差为Δt：

式中，t^II ₁表示与本保护配合的相邻元件保护I段的最大动作时间；

为了防止距离保护II段误动，除了时间延时外，保护II段还同时配备一个电流保护，检测经过时间延时后该故障是否已被切除，若已切除，则电路中不会再有电流，此时保护II段可靠返回；若故障未切除，直流变换器中的电感会持续续流100ms以上，电路中仍能检测到电流，此时保护II段启动，切除故障。

图2为含高比例光伏接入的多端柔性直流配电系统拓扑结构图。中压交流系统通过两个MMC与±10kV直流配电系统相连，光伏电源、直流负荷和储能装置等通过DC/DC接入直流配电系统。每段配电线路两端都带有隔离开关和电压电流测点，隔离开关用来跳开故障区段，隔离故障。图中的k1、k2表示保护13的区内故障，k3表示保护13的区外故障。

图3为不同位置短路时系统中电压高频分量分布图。当系统发生故障时，故障点出现一个电压跌落，将故障点的电气量信息进行小波变换，可得到故障分量的频域信息。将故障点看作一个高频源，系统中的高频电压分布如图3所示，据此提出高频突变量距离保护原理。

图4分别为母线不含分支和含分支的系统结构图。系统中不含其他分支时，发生故障后，保护1处的高频测量阻抗为Z_{S_M}＝Z_{S_PV}，保护2处的高频测量阻抗为Z_{S_N}＝Z_{S_PV}+Z_{L_MN}，其中Z_{S_PV}表示母线M处用来连接光伏电源和直流线路的换流器的高频阻抗，Z_{L_MN}表示线路MN的高频阻抗；当系统中含有分支电路时，如右图所示，母线上还接有一个光伏支路，当k点发生故障时，高频源电流流经母线N时，一部分流向上级线路，另一部分流向光伏支路，保护2处的高频测量阻抗为Z_{S_N}＝Z_{S_PV2}//(Z_{L_MN}+Z_{S_PV1})。

图5和图6为系统故障后的整定值仿真图。以图2所示系统中的保护13为例，图5分别给出了k1、k2和k3点短路时保护13处故障分量距离元件的I、II段整定值以及高频电源电动势的仿真结果图。k1点故障时，保护I段可以快速动作，k2点故障时，保护II段延时动作，k3点故障时，保护13不动作。图6分别给出了k1点经10Ω过渡电阻故障时对I段、II段整定值的影响，最后一个图为在采样电压和电流中随机加入40dB的高斯噪声后的仿真结果，从图中可以看出，所提保护的整定能耐受一定的过渡电阻，具有抗噪声能力。

图7为保护方案流程图。检测到系统发生故障后，读取故障后电压电流分量并进行高频量的提取和计算。根据所提出的距离保护判据，判断是否满足保护的动作条件，若满足，保护动作；若不满足，保护返回。

仿真结果表明，在含光伏接入的柔性直流配电系统中，直流线路发生双极短路故障时，利用故障点所产生的高频故障分量在电路中的分布特征，提出基于高频突变量的距离保护原理，采用阶梯延时配合的两段式保护配置方式，使系统发生故障后保护能够快速有选择性地动作。同时，该保护方法能够耐受一定的过渡电阻，受噪声影响小，适用于含光伏接入的复杂直流配电系统。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其特征在于，所述保护方法包括以下步骤：

步骤1：针对含光伏接入的柔性直流配电系统，分析其柔性直流线路发生双极短路故障时的高频故障特性，推导出系统故障时的暂态高频阻抗；

步骤2：根据步骤1的高频故障特性，分析不同位置短路时系统中电压高频故障分量的分布特征，由此得出基于高频突变量的距离保护原理；

步骤3：分析不同电路结构对高频测量阻抗的影响，对系统进行保护配置和整定计算。

2.根据权利要求1所述的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其特征在于：所述步骤1中针对含光伏接入的柔性直流配电系统，分析其柔性直流线路发生双极短路故障时的高频故障特性包括如下的具体步骤：

当所述含光伏接入的柔性直流线路上发生双极短路故障时，换流器阀级设备闭锁，故障点电压由正常工作电压下降至低水平，分析该故障信息频谱，频率越高，其频谱密度越大；

系统在正常运行时不含高频分量，当所述含光伏接入的柔性直流线路发生金属性故障时，故障点电压降为零，用两个与故障前电压大小相等、方向相反的附加源等值代替；

通过高频故障回路分析将换流器线性化，MMC换流器和DC/CD换流器的高频阻抗分别表示为：

式中，R_arm为桥臂电阻，L₀为桥臂电感，C₀为子模块电容，N为MMC中子模块个数，N₁为DC/DC中变换器模块的个数，a为高频变压器的变比，r为桥臂开关器件的导通电阻，L₁、L₂为变压器T型等效电路的阻抗参数，C₁、C₂分别为低压直流侧和中压直流侧出口电容；

通过换流器的等效将系统线性化，根据叠加原理，将故障后的系统分解成正常运行状态和故障分量状态的叠加，利用故障后引入的故障暂态分量进行分析，使保护的动作性能不受符合状态和系统振荡因素的影响。

3.根据权利要求1所述的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其特征在于：所述步骤2分析不同位置短路时系统中电压高频故障分量的分布特征包括如下的具体步骤：

在两个换流器及换流器间线路的不同位置发生双极短路故障时，以故障点为高频源，其中一个换流器母线M处的高频故障分量电流、电压可以分别表示为：

ΔU＝-ΔI·Z_S

式中，ΔE_k1为故障点的高频电源电动势，Z_S为换流器的高频等值阻抗，Z_k1为故障线路的高频阻抗；

所述高频故障分量距离元件的高频工作电压为：

ΔU_op＝ΔU-ΔI·Z_set＝-ΔI·(Z_S+Z_set)

式中，Z_set表示线路高频阻抗整定值，且为恒定值；

在保护区内发生故障时，ΔU_op在与0与ΔE_k1的延长线上|ΔU_op|＞|ΔE_k1|；

在正向保护区外发生故障时，ΔU_op在与0与ΔE_k1的连接线上，|ΔU_op|＜|ΔE_k2|。

4.根据权利要求3所述的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其特征在于：所述步骤2的基于高频突变量的距离保护原理为：通过比较所述高频工作电压ΔU_op与所述故障点的高频电源电动势ΔE_k1幅值的大小区分保护区内与保护区外故障；高频故障分量距离元件的动作判据为：

系统故障后高频电气量信息若满足上式，则判定为区内故障，保护动作；若不满足上式，则判为区外故障，保护不动作。

5.根据权利要求1所述的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其特征在于：所述步骤3的分析不同电路结构进一步包含：不含分支和含分支电路结构，分析故障后高频电流回路，得到保护安装处的高频测量阻抗，所述高频突变量距离保护采用阶梯延时配合的两段式配置方式，计算出高频突变量距离I段、II段的整定值以及高频突变量距离II段的动作延时。

6.根据权利要求1所述的柔性直流配电系统高频突变量距离保护方法，其特征在于：所述步骤3中高频突变量距离保护采用阶梯延时配合的两段式配置方式，计算出高频突变量距离I段、II段的整定值以及高频突变量距离II段的动作延时的具体内容包括：

高频突变量距离I段整定：距离保护I段故障后瞬时动作，无时间延时，在被保护线路内部发生故障时保护动作，按照躲过本线路末端短路时的线路高频阻抗来整定：

式中，Z^I _set.1表示距离高频突变量距离I段的线路整定阻抗，L_MN表示被保护线路的长度；Z₁表示被保护线路单位长度的阻抗；K^I _rel表示可靠系数，K^I _rel<1，取值0.80-0.85；

高频突变量距离II段整定：距离保护II段的整定与相邻线路保护I段配合，II段保护范围不超过下级线路保护I段动作范围，若下级保护I段线路阻抗整定值为Z^I _set.2，则保护II段线路整定阻抗为：

式中，K^II _rel表示距离保护II段的可靠系数取值0.8；

高频突变量距离II段动作延时：保护II段的动作延时和与之配合的相邻线路保护I段动作时间的时间级差为Δt：

式中，t^II ₁表示与本保护配合的相邻元件保护I段的最大动作时间；

保护II段还同时配备一个电流保护，检测经过时间延时后该故障是否已被切除，若已切除，则电路中不会再有电流，此时保护II段可靠返回；若故障未切除，直流变换器中的电感会持续续流100ms以上，电路中仍能检测到电流，此时保护II段启动，切除故障。