CN109861187B - 一种直流配电网中的直流线路保护方法 - Google Patents

一种直流配电网中的直流线路保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流配电网中的直流线路保护方法。首先，提取线路两端电流，计算模量电流并选取合适的模量电流，进行S变换，设置保护启动判据。其次依据模量电流积分的极性判断是否为区内故障，依据高频模量电流到达两端的时间计算故障距离。最后依据控制信号，指导直流断路器动作，隔离故障区间；依据故障距离结果及时检修，清除故障。故障电流中含有大量的高频分量，包含丰富的故障信息，可以利用故障电流高频特征判断发生故障的区间，计算故障点的距离。该发明要求两端时间严格同步，利用GOOSE通信，同时要求采样装置采样频率高。

Description

一种直流配电网中的直流线路保护方法
技术领域
本发明涉及一种直流配电网中的直流线路保护方法。
背景技术
和交流配电网相比，直流配电网具有诸多如下优势:
1.直流配电网无需传输无功功率，无电容效应与集肤效应，因此直流配 电网供电半径大、传输容量大；
2.直流配电网接纳诸如分布式光伏、储能等装置和直流负荷时，由于减 少了换流装置，提高了能源利用效率；
3.直流配电网电能质量问题更易解决；直流配电网受交流侧故障影响小， 不增加交流侧短路容量。
然而，直流配电网的保护却阻碍了其进一步发展。直流线路发生故障时， 因故障阻尼小和电容器放电，导致故障电流上升速度快，暂态分量丰富，故 障暂态过程持续时间较长，其故障特征与交流系统存在本质差异，因此交流 系统的保护技术不能直接应用在直流配电网。
另一方面，由于可利用数据少、负荷分支的干扰、直流线路各区段长度 较短等因素，直流配电网难以实现故障区间准确定位。总的来说，直流配电 网对故障检测、定位、隔离提出了更高的要求。
现有直流配电网故障识别方法主要有电气量幅值保护、电气量微分保护、 测距式保护。其中:电气量幅值保护使用电流、功率突变等方法检测是否发生 直流故障，虽经济性好但可靠性不高、速动性较差；电气量微分保护依据保 护的动作时间级差和断路器跳闸实现保护的选择性，缺点是易受干扰；测距 式保护有行波测距保护和参数识别保护两种，计算精度依赖于波头识别和波 速估计，也易受噪声干扰，同时耐受过渡电阻的能力有限。由此可见，选择 一种合适的方法至关重要。
发明内容
本发明所要解决的问题在于针对现有直流配电网故障识别方法所存在的 问题而提供一种直流配电网中的直流线路保护方法,为直流配电网安全稳定 运行提供技术支持。
与电压量相比，直流配电网的故障电流中含有大量的高频分量，包含更 丰富的故障信息，可以利用故障电流高频特征判断发生故障的区间，计算故 障点的距离。S变换可以提取模量电流在高频段的幅值-时间特性，依据突变 点检测故障，依据传播时间差可以对故障点进行测距和定位。
基于上述直流配电网的故障电流特性,本发明首先，提取线路两端电流， 计算模量电流并选取合适的模量电流，进行S变换，设置保护启动判据。其 次依据模量电流积分的极性判断是否为区内故障，依据高频模量电流到达两 端的时间计算故障距离。最后依据控制信号，指导直流断路器动作，隔离故 障区间；依据故障距离结果及时检修，清除故障。故障电流中含有大量的高 频分量，包含丰富的故障信息，可以利用故障电流高频特征判断发生故障的 区间，计算故障点的距离。该发明要求两端时间严格同步，利用GOOSE通信， 同时要求采样装置采样频率高。
本发明的一种直流配电网中的直流线路保护方法是通过如下步骤来实现 的：
步骤1.提取直流线路两端的电流，计算模量电流，进行S变换，设置保 护启动判据。
当直流配电网直流线路发生故障时，电容放电导致电流将迅速升高，其 峰值约为额定电流的几十倍。故障电流中含有大量的高频分量，包含丰富的 故障信息，可以利用故障电流高频特征判断发生故障的区间，计算故障点的 距离。但直流配电网对高频分量有衰减作用，因此选择合适的频段至关重要， 需要考虑衰减常数小、传播速度快且基本保持不变。经过研究，选择 10kHz-20kHz的频段，选取合适的模量电流。S变换在高频段有良好的时间分 辨能力，利用S变换提取故障暂态高频信号的局部特征，用于故障识别。
通过采样得到离散的电流信号，离散信号的S变换结果是一个矩阵，行 表示某一时刻不同频率的特性，列表示某一频率在不同时刻的特性，可以表 示为：
Figure RE-GDA0002035051500000031
式中K个采样时刻，N个频率值。
模量电流在kT时刻在10kHz-20kHz分量的幅值之和为：
式(2)中Sm为模量电流的S变化结果矩阵，n1的值为n1＝10000/50＝200， n2的值为n2＝20000/50＝400。
当直流配电网正常工作时，线路中高频分量很少，M的值很小，近似为0。 当发生故障时，M迅速变化，因此设置保护启动判据为：
|M|＞Mstart (3)
式(3)中Mstart为保护启动门槛值。若上式成立，则判定发生故障。
步骤2.依据模量电流积分的极性判断是否为区内故障，依据高频模量电 流到达两端的时间计算故障距离。
当直流配电网直流线路发生故障时，依据两端故障电流，分别计算模量 电流，记为i1和i2，其突变点时刻分别为ti1和ti2，并分别对突变点后20个采样 值进行积分：
Figure BDA0001997903020000033
若积分结果极性相反，则为区内故障。
为了更加精准的确定故障，需要对故障点进行测距，对i1和i2分别进行S 变换，提取高频段分量幅值之和M1和M2，记录两者的首个突变点到达两端的 时间t1和t2。
通过公式(5)计算故障发生的时间。
Figure BDA0001997903020000041
公式(5)中L为线路总长度，v为模量电流在线路中的传播速度。通过 公式(6)、(7)可以分别得到故障点到两端的距离。
L1＝v(t1-t0) (6)
L2＝v(t2-t0) (7)
该方法要求两端时间严格同步，利用GOOSE通信，传递故障发生与否、 位置等信息，同时要求采样装置采样频率高。
步骤3.依据控制信号，指导直流断路器动作，隔离故障区间；依据故障 距离结果及时检修，清除故障。
直流断路器依据上一步对故障区间的判断，断开相应区间，并依据上一 步计算结果，及时检修，清除故障。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用故障电流中含有的大量高频分量，利用其高频特征判断发生 故障的区间，计算故障点的距离，对于直流配电网的保护具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的直流配电网中的直流线路保护方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参见图1,本发明的一种直流配电网中的直流线路保护方法是通过如下 步骤来实现的：
步骤1.提取直流线路两端电流，计算模量电流，进行S变换，设置保护 启动判据。
当直流配电网中的直流线路发生故障时，电容放电导致电流将迅速升高， 其峰值约为额定电流的几十倍。故障电流中含有大量的高频分量，包含丰富 的故障信息，可以利用故障电流高频特征判断发生故障的区间，计算故障点 的距离。但直流配电网对高频分量有衰减作用，因此选择合适的频段至关重 要，需要考虑衰减常数小、传播速度快且基本保持不变。经过研究，选择 10kHz-20kHz的频段，选取合适的模量电流。
进行S变换具体是利用S变换提取故障暂态高频信号的局部特征，用于 故障识别。S变换对高频段信号有很好的时间分辨能力，经过S变换后，故障 电流高频分量的幅值-时间特性在故障发生时刻有明显的突变，基于该特点， 可以识别是否发生故障。
通过采样得到离散的电流信号，离散信号的S变换结果是一个矩阵，行 表示某一时刻不同频率的特性，列表示某一频率在不同时刻的特性，可以表 示为：
Figure RE-GDA0002035051500000051
式(1)中K个采样时刻，N个频率值。
模量电流在kT时刻在10kHz-20kHz分量的幅值之和为：
Figure BDA0001997903020000052
式(2)中Sm为模量电流的S变化结果矩阵，n1的值为n1＝10000/50＝200， n2的值为n2＝20000/50＝400。
当直流配电网正常工作时，线路中高频分量很少，M的值很小，近似为0。 当发生故障时，M迅速变化，因此设置保护启动判据为：
|M|＞Mstart (3)
式(3)中Mstart为保护启动门槛值，其范围可取[4，8]，若上式成立，则判 定发生故障。
步骤2.依据模量电流积分的极性判断是否为区内故障，依据高频模量电 流到达两端的时间计算故障距离。
当直流配电网中的直流线路发生故障时，依据两端故障电流，分别计算 模量电流，记为i1和i2，其突变点时刻分别为ti1和ti2，并分别对突变点后20 个采样值进行积分：
Figure BDA0001997903020000061
若积分结果极性相反，则为区内故障。
为了更加精准的确定故障，需要对故障点进行测距，对i1和i2分别进行S 变换，提取高频段分量幅值之和M1和M2，记录两者的首个突变点到达两端的 时间t1和t2。
通过公式(5)计算故障发生的时间。
Figure BDA0001997903020000062
公式(5)中L为线路总长度，v为模量电流在线路中的传播速度。通过 公式(6)、(7)可以分别得到故障点到两端的距离。
L1＝v(t1-t0) (6)
L2＝v(t2-t0) (7)
该方法要求两端时间严格同步，利用GOOSE通信，传递故障发生与否、 位置等信息，同时要求采样装置采样频率高，拟采用100kHz的采样频率。
步骤3.依据控制信号，指导直流断路器动作，隔离故障区间；依据故障 距离结果及时检修，清除故障。
直流断路器依据上一步对故障区间的判断，断开相应区间，并依据上一 步计算结果，及时检修，清除故障。
以上仅是对本发明优选实施方式的描述，本发明的保护范围并不局限于 上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本 发明所属技术领域的技术人员在不偏离本发明的精神和原理的情况下对所描 述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，视为本发明的保 护范围。

Claims (4)

1.一种直流配电网中的直流线路保护方法，其特征在于,包括如下步骤：
步骤1.提取直流线路两端电流，计算模量电流，进行S变换，设置保护启动判据；
步骤2.依据模量电流积分的极性判断是否为区内故障，依据高频模量电流到达两端的时间计算故障距离；
步骤3.依据控制信号，指导直流断路器动作，隔离故障区间；依据故障距离结果及时检修，清除故障；
步骤1中，通过采样得到离散的电流信号，离散信号的S变换结果是一个矩阵，行表示某一时刻不同频率的特性，列表示某一频率在不同时刻的特性，表示为：
Figure FDA0002646033590000011
式(1)中K个采样时刻，N个频率值；
步骤1中，模量电流在kT时刻在10kHz-20kHz分量的幅值之和为：
Figure FDA0002646033590000012
式(2)中Sm为模量电流的S变化结果矩阵，n1的值为n1＝10000/50＝200，n2的值为n2＝20000/50＝400；
步骤1中，设置保护启动判据为：
|M|＞M start (3)
式(3)中Mstart为保护启动门槛值，其范围取[4，8]，若上式成立，则判定发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种直流配电网中的直流线路保护方法，其特征在于，步骤1中，进行S变换具体是利用S变换提取故障暂态高频信号的局部特征，用于故障识别；S变换对高频段信号有很好的时间分辨能力，经过S变换后，故障电流高频分量的幅值-时间特性在故障发生时刻有明显的突变，基于该特点，识别是否发生故障。
3.根据权利要求1所述的一种直流配电网中的直流线路保护方法，其特征在于，步骤2中，当直流配电网直流线路发生故障时，依据两端故障电流，分别计算模量电流，记为i1和i2，其突变点时刻分别为ti1和ti2，并分别对突变点后20个采样值进行积分：
Figure FDA0002646033590000021
若积分结果极性相反，则为区内故障。
4.根据权利要求1所述的一种直流配电网中的直流线路保护方法，其特征在于，步骤3中，直流断路器依据上一步对故障区间的判断，断开相应区间，并依据上一步计算结果，及时检修，清除故障。
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