CN109638791B - 一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法 - Google Patents

一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，本发明针对多端柔性直流配电系统开环与闭环不同的运行模式，分析其直流断线故障时的故障特征；在此基础上，进一步利用故障极与非故障极线路电流的和与差作商放大故障极与非故障极的差异，提出一种直流断线保护方案，达到可靠识别故障极线路的目的；本发明适用于多端柔性直流配电系统不同运行方式下发生直流断线故障的情况，避免因断线故障特征不明显而难以实现断线保护，基于本地测量信息即可实现快速故障识别与选极。

Description

一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法
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，特别是涉及多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法。
背景技术
柔性直流配电系统的研究正在引起国内外广泛关注，相较于交流配电系统，直流配电系统具有更强的灵活性，能更好地适应光伏等分布式电源和直流负荷的多点接入，其输送容量大、电能质量优、换流损耗低，是未来配电领域发展的趋势之一。然而没有成熟的线路保护技术是限制直流配电系统广泛应用的重要因素之一，因此研究快速可靠的柔性直流保护具有重要的意义。
国内外关于柔性直流线路保护的研究主要分为三类：基于双极短路故障的保护，基于单极接地短路故障的保护和基于单极断线故障的保护。其中，针对短路故障的研究较为深入。相对于具有故障冲击电流特征的短路故障而言，单极断线由于故障特征不明显而成为保护研究难点，有针对性的研究较少，现有的单极断线保护依赖单一电气量量测，难以通过定值整定准确可靠的识别故障线路。
因此希望有一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法以解决现有技术中的问题。
发明内容
本发明公开了一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，所述直流断线保护方法包括以下步骤：
步骤1：针对多端柔性直流配电系统开环与闭环的不同运行模式，分析其直流断线故障时的故障特征；
步骤2：基于步骤1分析的直流断线的故障特征，利用故障极与非故障极线路电流的和与差作商，放大故障极与非故障极的差异以形成直流断线保护；
流断线保护方法进一步包括：
步骤2.1：判断所述步骤1中多端柔性直流配电系统开环与闭环的启动；
步骤2.2：进行故障识别和极性选择；
所述步骤2.2中故障识别和极性选择的依据为：
Figure GDA0002307878950000021
其中，M为正负极电流和差比，Ikp和Ikn分别为第k条线路正极电流和负极电流，δ为整体误差。
优选地,所述步骤1中直流断线故障在多端柔性直流配电系统的开环模式下，整流侧与逆变侧两端功率传输终止为：
P12＝0
其中，P12为整流侧向逆变侧传输的功率；
整流侧交流系统等效减小输出，交流侧输出剩余功率继续给整流侧换流器充电，在定直流电压的控制下，极间电压保持不变，之后交流侧系统减小输出，换流器上下桥臂直流电容电压达到稳定值；
逆变侧交流系统等效增加负载，在定有功功率控制器的作用下，交流侧接收功率保持不变，逆变侧换流器子模块直流电容向交流系统提供功率，直流电容处于放电状态，换流器上下桥臂直流电压幅值减小，直到直流母线电压达到阀交流侧相电压幅值的2倍；
所述直流断线故障发生后，整流侧与逆变侧换流器直流电容电压不平衡，非故障极线路存在故障电流，因此所述多端柔性直流配电系统开环时故障极线路电流降为0，非故障极线路电流先减小，然后增加到：
Figure GDA0002307878950000022
其中，Uc1与Uc2分别为整流侧换流器子模块电容电压和逆变侧换流器子模块电容电压，N为任一时刻换流器每相上下桥臂投入的子模块个数，Rg为接地电阻。
优选地,所述步骤1中直流断线故障在多端柔性直流配电系统的闭环模式下，整流侧与逆变侧持续功率传输，潮流经非故障回路转移，配电系统电压保持定值，根据故障附加回路，与故障点相反极性的直流线路形成的故障附加回路电流保持不变，而与故障点极性相同的直流线路形成的故障附加回路在故障源的作用下，产生一个故障电流，断线点线路电流在叠加此故障电流后会减小到0，其他故障极线路电流叠加后会因潮流方向转移而增大或减小。
优选地，所述步骤2.1通过以下公式判断所述多端柔性直流配电系统开环与闭环的启动；
Figure GDA0002307878950000031
其中，Iop1和Iop2分别为开环和闭环保护启动值，Krel1、Krel2为可靠系数，IN为线路额定电流。
优选地,根据测量误差与分布式电容的影响，所述Krel1为0.5，Krel2为0.1。
优选地，所述整体误差δ的计算公式如下：
Figure GDA0002307878950000032
其中，I为直流电流，Im为m次谐波电流幅值，ω0＝2π/T0，T0为工频周期，为m次谐波相角。
优选地，由于整流电路中谐波含量远小于直流分量所述整体误差δ为10％。
本发明公开的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其具有以下有益效果：
⑴保护原理简单，计算量小，避免了定值无法整定的问题，基于本地测量信息即可实现快速故障识别与选极；
⑵利用断线故障时故障极与非故障极电流反向变化的差异性，将单端正负极电流之和与差作商，进一步放大故障特征，提高保护精度，快速地识别区内区外故障。
附图说明
图1是本发明的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法流程图。
图2是四端柔性直流配电系统拓扑示意图。
图3是开环与闭环故障后启动判据仿真结果示意图。
图4是开环与闭环故障后保护动作情况。
图5是直流断线保护方案流程图。
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，本发明多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法包括以下步骤：
步骤1、针对多端柔性直流配电系统开环与闭环不同的运行模式，分析其直流断线故障时的故障特征；
步骤2、基于步骤1分析的故障特征，进一步利用故障极与非故障极线路电流的和与差作商放大故障极与非故障极的差异，提出一种直流断线保护方案，达到可靠识别故障极线路的目的。
所述步骤1中，多端柔性直流配电系统在运行时潮流转移具备多样性，整流侧换流器采用定直流电压控制策略，逆变侧换流器采用定有功功率策略，直流断线故障发生在整流侧与逆变侧之间的直流线路上，开环运行模式下，由于整流侧与逆变侧之间传输路径仅一条，于是直流断线故障发生后，两端功率传输终止。
于是整流侧交流系统等效减小输出，交流侧输出剩余功率继续给整流侧换流器充电，在定直流电压的控制下，极间电压保持不变，短时间后交流侧系统减小输出，换流器上下桥臂直流电容电压达到稳定值。逆变侧交流系统相当于增加负载，在定有功功率控制器的作用下，交流侧接收功率保持不变，于是逆变侧换流器子模块直流电容向交流系统提供功率，直流电容处于放电状态，上下桥臂直流电压幅值减小，直到直流母线电压达到阀交流侧相电压幅值的2倍。直流断线故障发生后，整流侧与逆变侧换流器直流电容电压不再平衡，非故障极线路存在故障电流，因此开环时故障极线路电流降为0，非故障极线路电流先减小，随后增加到故障电流大小。
闭环运行方式发生直流断线故障时，整流侧与逆变侧功率传输不会终止，潮流经其他回路转移，因而配电系统各处电压不会改变，根据故障附加回路可知，非故障极线路(此处非故障极指所有与故障点相反极性的直流线路)形成的故障附加回路因没有故障源而电流保持不变，故障极线路(此处故障极指所有与故障点极性相同的直流线路)形成的故障附加回路在故障源的作用下，会产生一个故障电流，断线点线路电流在叠加这个故障电流后会减小到0，其它故障极线路电流叠加后会因潮流方向转移而增大或减小。
所述步骤2中提出的直流断线保护配置方案具体为：开环和闭环启动判据分别为
Figure GDA0002307878950000051
其中，定义M为正负极电流和差比，Ikp和Ikn分别为第k条线路正极电流和负极电流，δ为整体误差。整体误差δ的计算如下：
Figure GDA0002307878950000061
其中，I为直流电流，Im为m次谐波电流幅值，ω0＝2π/T0(T0为工频周期)，为m次谐波相角，考虑到整流电路中谐波含量远小于直流分量，综合考虑整体误差δ选为10％。
图2为四端柔性直流配电系统拓扑示意图，直流线路额定电压等级为±10kV，两侧交流系统通过基于钳位双子模块的模块化多电平换流器(clamp double sub-modulebased module multilevel converter,CDSM-MMC)与直流线路相连，集中式光伏系统经升压式DC/DC换流器并入中压直流配电系统，本系统整流侧换流器采用定直流电压控制，逆变侧换流器采用定有功功率控制。若是开环运行模式，断开Line4(图中虚线内)线路首尾两端的隔离开关SW43和SW34，故障为Line1正极线路中点断线。
图3为开环与闭环故障后启动判据仿真结果示意图，开环断线故障发生后，整流侧换流器CDSM-MMC1直流出口处正负极电流差、Line1和Line3线路正负极电流差的绝对值在极短时间(约为0.42ms)就达到启动值，保护启动。闭环断线故障发生后，整流侧换流器CDSM-MMC1直流出口处正负极电流和为0，因此此保护区域保护装置不动作；Line1、Line3和Line4线路正负极电流和的绝对值在极短时间(约为0.42ms)就达到启动值，本保护区域保护启动。
图4为开环与闭环故障后保护动作情况，断线故障发生后，开环和闭环模式下，整流侧换流器CDSM-MMC1直流出口处正负极电流和差比几乎一直为0，Lin3线路5个采样点均不满足保护判据，因而判断为区外故障，保护不动作。Line1正负极电流和差比一直保持在-1附近，满足保护判据，故可判断为区内故障正极断线。闭环时Line4线路前3个采样点不满足保护判据，后两个满足保护判据，故判断为区外故障，保护不动作。负极断线所有线路电流叠加故障变量与正极断线符号相反，因此负极断线情况与图中纵坐标符号相反。
图5为直流断线保护方案流程图。故障后开始检测是否满足启动判据，满足后进一步进行故障识别与选极判据的检验，根据故障识别与选极判据判断故障极线路，并保护出口动作。
仿真结果表明，在多端柔性直流配电系统发生直流断线故障后，通过利用利用断线故障时故障极与非故障极电流反向变化的差异性，将单端正负极电流之和与差作商，进一步放大故障特征，提高保护精度，快速地识别区内区外故障。鉴于本方法的分析基础和条件，应用本发明不受系统开环和闭环运行模式的影响，该保护方案能准确可靠地进行断线保护。
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 (7)

1.一种多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于，所述直流断线保护方法包括以下步骤：
步骤1：针对多端柔性直流配电系统开环与闭环的不同运行模式，分析其直流断线故障时的故障特征；
步骤2：基于步骤1分析的直流断线的故障特征，利用故障极与非故障极线路电流的和与差作商，放大故障极与非故障极的差异以形成直流断线保护；
直流断线保护方法进一步包括：步骤2.1：判断所述步骤1中多端柔性直流配电系统开环与闭环的启动；
步骤2.2：进行故障识别和极性选择；
所述步骤2.2中故障识别和极性选择的依据为：
Figure FDA0002307878940000011
其中，M为正负极电流和差比，Ikp和Ikn分别为第k条线路正极电流和负极电流，δ为整体误差。
2.根据权利要求1所述的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于：所述步骤1中直流断线故障在多端柔性直流配电系统的开环模式下，整流侧与逆变侧两端功率传输终止为：
P12＝0
其中，P12为整流侧向逆变侧传输的功率；
整流侧交流系统等效减小输出，交流侧输出剩余功率继续给整流侧换流器充电，在定直流电压的控制下，极间电压保持不变，之后交流侧系统减小输出，换流器上下桥臂直流电容电压达到稳定值；
逆变侧交流系统等效增加负载，在定有功功率控制器的作用下，交流侧接收功率保持不变，逆变侧换流器子模块直流电容向交流系统提供功率，直流电容处于放电状态，换流器上下桥臂直流电压幅值减小，直到直流母线电压达到阀交流侧相电压幅值的2倍；
所述直流断线故障发生后，整流侧与逆变侧换流器直流电容电压不平衡，非故障极线路存在故障电流，因此所述多端柔性直流配电系统开环时故障极线路电流降为0，非故障极线路电流先减小，然后增加到：
Figure FDA0002307878940000021
其中，Uc1与Uc2分别为整流侧换流器子模块电容电压和逆变侧换流器子模块电容电压，N为任一时刻换流器每相上下桥臂投入的子模块个数，Rg为接地电阻。
3.根据权利要求1所述的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于：所述步骤1中直流断线故障在多端柔性直流配电系统的闭环模式下，整流侧与逆变侧持续功率传输，潮流经非故障回路转移，配电系统电压保持定值，根据故障附加回路，与故障点相反极性的直流线路形成的故障附加回路电流保持不变，而与故障点极性相同的直流线路形成的故障附加回路在故障源的作用下，产生一个故障电流，断线点线路电流在叠加此故障电流后会减小到0，其他故障极线路电流叠加后会因潮流方向转移而增大或减小。
4.根据权利要求1所述的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于：所述步骤2.1通过以下公式判断所述多端柔性直流配电系统开环与闭环的启动；
其中，Iop1和Iop2分别为开环和闭环保护启动值，Krel1、Krel2为可靠系数，IN为线路额定电流。
5.根据权利要求4所述的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于：根据测量误差与分布式电容的影响，所述Krel1为0.5，Krel2为0.1。
6.根据权利要求1所述的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于：所述整体误差δ的计算公式如下：
Figure FDA0002307878940000031
其中，I为直流电流，Im为m次谐波电流幅值，ω0＝2π/T0，T0为工频周期，
Figure FDA0002307878940000032
为m次谐波相角。
7.根据权利要求6所述的多端柔性直流配电系统的直流断线保护方法，其特征在于：由于整流电路中谐波含量远小于直流分量所述整体误差δ为10％。
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