CN109787196B - 低压直流配网保护控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低压直流配网保护控制方法和系统，其中方法通过对暂态电流的微分计算确定是否存在故障，并通过对暂态电流的积分实现故障电流方向的准确判断，避免了噪声等干扰信号对保护的干扰，提高了保护的可靠性；最后通过相邻保护装置间的信息交换，实现故障区段的判断，该方法不受网络拓扑变化的影响，具有良好的应用前景。

Description

低压直流配网保护控制方法和系统

技术领域

本发明涉及低压直流配网保护，属于电力系统保护技术领域。

背景技术

能源是关系经济社会发展的核心问题，可再生能源高效消纳，是解决能源问题的有效手段。目前，大部分可再生能源，包括光伏发电、风力发电、光热发电等，多通过多级变流环节接入交流电网。而现有直流充电桩、变频空调等直流负荷则需要经过交直变换，实现直流供电。从可再生能源利用方面，多个变流环节降低了可再生能源的利用率；从直流负荷方面，变流环节增加了损耗，降低了效率。直流配电网可实现可再生能源和直流负荷直流接入，将是未来配电网的新形态。直流配电网的安全稳定运行离不开保护，保护问题是未来直流配电网发展需要解决的关键技术之一。

不同于交流配电网，直流配电网的保护面临的挑战有：

(1)直流配网发生故障后，故障电流幅值大，上升速度快，保护上下游间的级差配合困难，保护选择性难以满足；

(2)直流配网中包含大量的电力电子变流器。由于电力电子器件的过流能力差，在故障后变流器会迅速闭锁，导致电网故障电流持续时间短，故障区段定位困难，且保护失去了速动性；

(3)故障电流受变流器拓扑结构、控制策略影响大，具有非周期性和非线性的特征，保护整定计算困难；

(4)直流配网集成了大量的分布式可再生能源、储能等，其本质为一多端、多源的配电网，发生故障后，各支路故障电流具有不确定性，故障区段定位困难；

(5)对于非隔离型的变流器，故障后交流侧对直流侧的馈入会损害电力电子器件，而保护动作速度慢，保护与变流器间保护配合困难。

可见，针对直流配电网保护技术的研究迫在眉睫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是低压直流配电网发生故障后故障定位困难，本发明提供了低压直流配网保护控制方法和系统，利用变流器直流侧并联电容在故障瞬间对故障点放电的暂态电流,通过对暂态电流的微分计算确定是否存在故障，并通过对暂态电流的积分实现故障电流方向的准确判断，最后通过相邻保护装置间的信息交换，实现故障区段的判断，且不受网络拓扑变化的影响，具有良好的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

在一方面，本发明提供了低压直流配网保护控制方法，包括以下步骤：

对实时采集到的各检测点的直流电流进行微分运算得到电流微分值ΔI_fi；将电流微分值与电流微分故障检测整定门槛I_set1进行比较，当ΔI_fi＞I_set1时，则判断发生了故障；

当判断发生故障后，计算各检测点故障电流积分值I_fi并确定各检测点的故障电流方向；将电流积分值I_fi与故障过流整定门槛I_set2进行比较，当|I_fi|＞I_set2时，则判断存在过流；

当判断存在过流后，按照母线保护区、馈线保护区和联络线保护区的保护分区，各保护装置将检测点的故障电流方向发送给同一保护分区中的相邻保护装置；

各保护装置根据保护分区内各检测点的故障电流的方向进行故障区段判断。

在以上技术方案中，采用以下公式对实时采集到的电流进行微分运算得到电流微分值ΔI_fi：

式中，i_fi(t)为第i个检测点的采样电流，i表示第i个检测点，i＝0,1,2，…n；G₁为可靠系数；I_set1为电流微分故障检测整定门槛。

在以上技术方案中，采用以下公式计算各检测点故障电流积分值I_fi并确定各检测点的故障电流方向：

式中，τ为故障电流检测时间；t₀为故障发生时刻，若计算电流微分时第j个检测点的电流微分值大于流微分故障检测整定门槛，则将第j-1个检测点对应的时刻定义为故障发生时刻；i表示第i个检测点，i＝0,1,2，…n；G₂为可靠系数，I_set2为故障电流过流门槛。

在以上技术方案中，假设电流由母线流向线路为正，则各保护装置根据保护分区内保护装置故障电流的方向进行故障区段判断的方法如下：

当馈线保护区内的馈线出口检测点的故障电流方向为负时，则判定为馈线故障，否则为非故障区段；

当母线保护区内的母线上所有检测点的故障电流方向均为正时，则判定为母线故障，否则为母线为非故障区段；

当联络线保护区内的联络线两个检测点的故障电流方向均为正时，则故障点位于联络线上；当联络线保护区内的两个检测点的故障电流方向为一正一负时，则判定为穿越性故障，为非故障区段。

在另一方面，本发明提供了一种低压直流配网保护控制系统，包括：直流电流采集模块、电流微分模块、电流积分模块和保护装置；

所述直流电流采集模块，用于采集各检测点的直流电流信息；

所述电流微分模块，用于对实时采集到的各检测点的直流电流进行微分运算得到电流微分值ΔI_fi；将电流微分值与电流微分故障检测整定门槛I_set1进行比较，当ΔI_fi＞I_set1时，则判断发生了故障；

所述电流积分模块，用于当判断发生故障后，计算各检测点故障电流积分值I_fi并确定各检测点的故障电流方向；将电流积分值I_fi与故障过流整定门槛I_set2进行大小比较，当|I_fi|＞I_set2时，则判断存在过流；

所述保护装置，用于当判断存在过流后，按照母线保护区、馈线保护区和联络线保护区的保护分区，将各检测点的故障电流方向发送给同一保护分区中的相邻保护装置；

所述保护装置还用于根据保护分区内所有检测点的故障电流的方向进行故障区段判断。

本发明所达到的有益效果：

1、本发明对各检测点的直流电流进行微分运算并进行故障判断，利用故障瞬间的故障暂态信息进行故障判断，克服了直流电网故障后，可利用故障电流时间窗口短的特征；

2、本发明基于电流微分和电流的积分进行故障有无的检测以及故障发生后是否存在过流的检测和故障方向信息的判断，充分利用了故障后电流突变的特点，提高了保护的灵敏度，同时采用积分算法，避免了噪声等干扰信号对保护的干扰，提高了保护的可靠性；

3、另外本发明按照保护区段进行保护装置相邻关系的通信配置，可实现实时高速的故障信息交换；

4、本发明实现了直流配网故障区段的判断，不受网络拓扑变化的影响，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明具体实施例的保护控制方法流程图；

图2是本发明具体实施例的直流保护保护分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明具体实施例的保护控制方法流程图；

图1示出了一种低压直流配网保护控制方法，包括以下步骤：

对实时采集到的各检测点的直流电流进行微分运算得到电流微分值ΔI_fi；将电流微分值与电流微分故障检测整定门槛I_set1进行比较，当ΔI_fi＞I_set1时，则判断发生了故障；

当判断发生故障后，计算各检测点故障电流积分值I_fi并确定各检测点的故障电流方向；将电流积分值I_fi与故障过流整定门槛I_set2进行比较，当|I_fi|＞I_set2时，则判断存在过流；

当判断存在过流后，按照母线保护区、馈线保护区和联络线保护区的保护分区，各保护装置将检测点的故障电流方向发送给同一保护分区中的相邻保护装置；

各保护装置根据保护分区内各检测点的故障电流的方向进行故障区段判断。

在具体实施例中，采用以下公式采集电流进行微分运算：

式中，i_fi(t)为第i个检测点的采样电流，i表示第i个检测点，i＝0,1,2，…n；G₁为可靠系数，考虑干扰、检测误差等，一般取1～2；I_set1为电流微分故障检测整定门槛。公式(1)用于故障检测，有无故障的判断，保证保护的灵敏度。

优选地的，利用公式(2)计算各检测点故障电流积分值。

式中，τ为故障电流检测时间；t₀为故障发生时刻，假设计算电流微分时第j个点的电流微分值大于电流微分故障检测整定门槛，则将第j-1个点对应的时刻定义为故障发生时刻。i表示第i个检测点，i＝0,1,2，…n；G₂为可靠系数，考虑干扰、检测误差等，一般取1～2；I_set2为故障过流整定门槛。公式(2)用于实现故障电流方向性的判断，保证保护的选择性。

本发明采用电流微分进行有无故障的判断，采用故障电流的积分进行故障方向的判断，充分利用故障期间直流故障电流上升速度快、能量大的特点，又避免了启动电流的而影响，提高了保护的灵敏度和可靠性。

本发明在直流配电网的所有开关内均装有直流保护装置，将每个开关作为一个检测点。为更好地理解本发明的技术方案内容，给出如下定义：

定义连接同一条线路两端的开关为相邻检测点，同一条母线上的所有开关均为相邻检测点。

本发明所述保护控制方法的实现基于保护装置间的快速通信，需要保护装置间配置关联关系，即相邻的保护装置间应实现信息的交互，配置为相邻关系。

(1)母线进线和所有的出线上的保护装置为相邻关系。

(2)联络线两端的保护装置为相邻关系。馈线上只有一个开关，无相邻关系。

进一步故障电流方向信息的高速交互借助于保护装置间的快速通信，各个保护装置具有面向通用对象的变电站事件GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)通信的能力；按照开关相邻的特点，进行保护装置通信配置。

通信规约为IEC 61850，通信介质为光纤通信。面向通用对象的变电站事件是IEC61850中的一种快速报文传输机制，用于传输变电站内IED之间重要的实时性信号。GOOSE采用网络信号代替了常规变电站装置之间硬接线的通信方式，大大简化了变电站二次电缆接线。GOOSE为现有技术这里不做赘述。

需要说明的是交直流混合配电网在直流侧发生故障后故障电流存在以下特征：

1)当直流系统内任一条线路发生故障后，故障线路、非故障线路和母线进线处均能检测到故障电流，且在故障瞬间电流会发生突变；

2)流经故障线路的故障电流为所有非故障线路故障电流和母线进线故障电流之和，故障线路故障电流大于非故障线路；

3)假设故障电流方向为线路流向母线，则流经故障线路的故障电流方向为负，流经非故障线路的故障电流方向均为正；流经母线进线的故障电流方向为正；

4)当母线发生故障时，流经所有线路的故障电流方向均为正。

本发明所述保护控制方法按照母线保护、线路保护和联络线保护进行保护分区，图2示出了本发明具体实施例的直流保护保护分区示意图。

在以上实施例的基础上，假设故障电流由母线流向线路为正，具体地，各保护装置根据保护分区内保护装置故障电流的方向进行故障区段判断的方法如下：

当馈线保护区内的馈线上检测点的故障电流方向为负时，则判定为馈线故障，否则为非故障区段；

当母线保护区内的母线上所有检测点的故障电流方向均为正时，则判定为母线故障，否则为母线为非故障区段；

当联络线保护区内的联络线上两个检测点的故障电流方向均为正时，则故障点位于联络线上；当联络线保护区内的两个检测点的故障电流方向为一正一负时，则判定为穿越性故障，为非故障区段。

本发明按照保护区段进行保护装置相邻关系的通信配置，可实现实时高速的故障信息交换；实现了直流配网故障区段的判断，且不受网络拓扑变化的影响，具有良好的应用前景。

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。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种低压直流配网保护控制方法，其特征是，包括以下步骤：

对实时采集到的各检测点的直流电流进行微分运算得到电流微分值

；将电流微分值与电流微分故障检测整定门槛

进行比较，当

时，则判断发生了故障；

当判断发生故障后，计算各检测点故障电流积分值

并确定各检测点的故障电流方向；将电流积分值

与故障过流整定门槛

进行比较，当

时，则判断存在过流；

当判断存在过流后，按照母线保护区、馈线保护区和联络线保护区的保护分区，各保护装置将检测点的故障电流方向发送给同一保护分区中的相邻保护装置；

各保护装置根据保护分区内各检测点的故障电流的方向进行故障区段判断。

2.根据权利要求1所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，采用以下公式对实时采集到的电流进行微分运算得到电流微分值

：

（1），

式中，

为第i个检测点的采样电流， i表示第i个检测点，i=0,1,2，…n；G₁为可靠系数；

为电流微分故障检测整定门槛。

3.根据权利要求1所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，采用以下公式计算各检测点故障电流积分值

并确定各检测点的故障电流方向：

（2），

式中，τ为故障电流检测时间；t₀为故障发生时刻，i表示第i个检测点，i=0,1,2，…n；

为第i个检测点的采样电流，G₂为可靠系数，

为故障过流整定门槛。

4.根据权利要求3所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，若计算电流微分时第j个检测点的电流微分值大于电流微分故障检测整定门槛，则将第j-1个检测点对应的时刻定义为故障发生时刻。

5.根据权利要求2或3任意一项权利要求所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是， 可靠系数的取值范围为1~2。

6.根据权利要求1所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，

假设电流由母线流向线路为正，则各保护装置根据保护分区内保护装置故障电流的方向进行故障区段判断的方法如下：

当馈线保护区内的馈线出口的检测点的故障电流方向为负时，则判定为馈线故障，否则为非故障区段；

当母线保护区内的母线上所有检测点的故障电流方向均为正时，则判定为母线故障，否则为母线为非故障区段；

当联络线保护区内的联络线两个检测点的故障电流方向均为正时，则故障点位于联络线上；当联络线保护区内的两个检测点的故障电流方向为一正一负时，则判定为穿越性故障，为非故障区段。

7.根据权利要求1所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，母线进线和所有的出线上的保护装置为相邻关系；联络线两端的保护装置为相邻关系。

8.根据权利要求1所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，各保护装置之间采用面向通用对象的变电站事件GOOSE通信。

9.根据权利要求1所述的低压直流配网保护控制方法，其特征是，直流配电网的所有开关内均装有直流保护装置，即每个开关均为一个检测点。

10.一种低压直流配网保护控制系统，其特征是，包括：直流电流采集模块、电流微分模块、电流积分模块和保护装置；

所述直流电流采集模块，用于采集各检测点的直流电流信息；

所述电流微分模块，用于对实时采集到的各检测点的直流电流进行微分运算得到电流微分值

；将电流微分值与电流微分故障检测整定门槛

进行比较，当

时，则判断发生了故障；

所述电流积分模块，用于当判断发生故障后，计算各检测点故障电流积分值

并确定各检测点的故障电流方向；将电流积分值

与故障过流整定门槛

进行大小比较，当

时，则判断存在过流；

所述保护装置，用于当判断存在过流后，按照母线保护区、馈线保护区和联络线保护区的保护分区，将各检测点的故障电流方向发送给同一保护分区中的相邻保护装置；

所述保护装置还用于根据保护分区内所有检测点的故障电流的方向进行故障区段判断。

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