CN109950884B - 一种基于控保协同的环形直流微网系统测距式保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统继电保护领域，涉及一种基于控保协同的环形直流微网系统测距式保护方法，包括下列步骤：当环形直流微网系统检测到线路上发生极间故障后，保护启动并闭锁系统，对VSC的分相切除；并通过正常运行时安装在电容支路的全控器件，对系统中的全部电容进行切除；故障发生后，混合式限流器自身过流保护将会被触发并投入运行；进行故障测距，首先通过母线电流差动保护对母线故障进行判断，若母线无故障，则通过流过保护装置的电流方向对故障位置进行判断；若电流反向，则保护闭锁；若电流正向则以RL线路模型为基础进行故障测距。

Description

一种基于控保协同的环形直流微网系统测距式保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种基于控保协同的环形直流微网系统测距式保护。

背景技术

能源是人类生存和发展的重要物质基础，电力作为最基础和便利的能源应用形式，是国民经济发展的动力之源。在化石能源严重短缺和环境污染日趋严重的背景下，提高能源利用效率、开发利用可再生能源、推动能源绿色发展，是未来社会的必然选择。基于脉宽调制(PWM)技术的直流微网作为全新的可再生能源组织形式，可整合新能源发电的诸多优势，提高能源利用效率，促进电动汽车、直流负荷和“直流生态住宅”的发展，必将在未来智能电网中发挥愈加关键的作用。2013年国际大电网委员会技术会议，重点讨论了直流技术，特别指出直流微网和直流配电契合未来智能电网的发展。

目前，国内外针对直流微网保护技术的研究相对较少，可借鉴传统中低压直流配电系统的保护方法。直流微网保护方案主要分为单端量保护和基于通信的保护两类。而单端量保护整定计算其动作阈值时，由于对端信息量的缺乏，会产生不可避免的原理性误差。若保护方案基于两端信息量通信则可以很好的解决此问题，但由此会引入线路两端数据同步性问题以及铺设大量通信装置而产生的经济性问题。

在直流微网系统保护方案选取与设计过程中，即使采用通信手段进行故障定位，考虑到多端通信失败的可能性，故设计一种基于单端量即可可靠动作的系统保护方案仍具有重要意义。由于直流微网中存在大量可控的电力电子器件，因此可利用微网中换流器的控制策略与系统保护方案实现相互协调配合，提出一种全新的基于控保协同的单端故障测距原理是非常具有工程实际意义的，是直流微网发展与推广的迫切需求。配合先进的低压直流断路器，继电保护装置能够快速地实现故障处理功能，从而提高直流微网系统供电的可靠性。

发明内容

本发明针对环状直流微网系统，设计一种基于控保协同的适用于环形直流微网的单端故障测距式保护，相较传统的单端故障测距方法，该方法以传统的R-L线路模型为基础，利用微网中换流器的控制策略与系统保护方案间的相互协调配合实现控保协同，通过仅利用线路单端电气量即可实现精准测距。系统故障发生之后，通过对环形直流微网进行拓扑变换，使其变为单端电源系统，通过保护装置采集到的本端电气量即可实现对对端电流的精确求解。同时，对该方法引入的故障之后电容电压恢复速度慢的问题进行探讨与解决，通过在故障回路中投入限流装置，最大程度上提高了故障恢复的速度。本发明的技术方案如下：

一种基于控保协同的环形直流微网系统测距式保护方法，包括下列步骤：

(1)当环形直流微网系统检测到线路上发生极间故障后，保护启动并闭锁系统中各换流器VSC、DC/DC中的IGBT，且通过闭锁正常运行时加装在VSC交流侧两相反并联晶闸管组的导通信号，对VSC的分相切除；并通过正常运行时安装在电容支路的全控器件，对系统中的全部电容进行切除。

(2)系统正常运行时，在VSC出口母线的两条出口线路首端，分别串入由混合式直流断路器与限流电阻并联组成的混合式限流器以抑制VSC出口处电容电压跌落幅度；故障发生后，混合式限流器自身过流保护将会被触发并投入运行；

(3)待VSC分相切除完成、混合式电阻限流器完全投入运行后，通过重新解锁VSC出口处电容C，使其成系统此时唯一电源以提供故障特征，并进行故障测距，首先通过母线电流差动保护对母线故障进行判断，若母线无故障，则通过流过保护装置的电流方向对故障位置进行判断；若电流反向，则保护闭锁；若电流正向则以RL线路模型为基础进行故障测距，通过预先整定保护装置背后线路的RL参数，实现对环形直流微网中VSC出口处电容电压u_c即母线电压的在线实时计算，在此基础上，通过VSC出口电容电压u_c与电容电流i_c的数学关系，计算出本端电流i₁与对端电流i₂之和，进而求得对端电流实时值，此后根据求得的对端电流实时数据，列写R-L模型方程并对故障位置进行求解，实现实时单端故障测距；

(4)根据故障测距结果与本端线路长度进行比对，当故障测距结果小于本端线路长度时即判断为区内故障时，向本端直流断路器发送跳闸信号，实现故障清除，同时解锁各换流器与除VSC出口侧之外的直流侧电容，并恢复供电。

本发明相对于现有的技术有以下优点：

1、相较基于对端电气量通信的系统保护方法，本方法不存在数据同步、投资成本高等问题，对于提高系统运行的经济性和可靠性具有重要意义。

2、相较传统的单端量测距方法，本方法原理上不受过渡电阻和分布电容的影响，测距精度高，在环形直流微网中具有很好的适应性，同时可适应直流微网并网与孤岛两种运行模式，进一步提高了保护的可靠性。

3、基于控保协同思想，通过引入通态损耗较低的混合式限流器实现对直流侧故障电流上升与电容电压跌落的有效抑制，解决了故障恢复过程中电容预充电时间过长的问题。

附图说明

图1为四端环形直流微网典型拓扑；

图2为VSC分相切除过程示意图；

图3为混合式电阻限流器拓扑及安装位置图；

图4为故障测距动作策略时序图；

图5为单端电气量测距式保护流程图。

最佳实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

图1所示为一个的四端环形直流微网典型拓扑，相比于单极接地故障，极间短路故障发生率较低但危害最为严重，故本发明只考虑极间短路。

图3为保护动作策略时序图。具体保护方案如下：

1)配置di/dt、du/dt作为所提方法的启动判据，形成保护启动部分。

2)保护装置启动后，系统电压降低，与母线相连负荷此时脱网，实现暂态短时负荷穿越。与此同时闭锁系统中所有DC/DC，正常运行时可在VSC中两相安装反向晶闸管并联装置，如图2所示。故障之后，首先撤销VSC中的IGBT与两相晶闸管的导通信号，与此同时限流装置投入运行。换流器中的一相将会在1/3个工频周期内实现闭锁，以C相为例，此后VSC变为单相不控整流电路，电流频率将变为工频电流的2倍。此后换流器中安装晶闸管的一相将会在1/2个工频周期内实现闭锁。故此后我们可以只保留VSC直流侧电容提供环网故障特征。并将系统中除VSC出口电容之外的其余电容全部切除，只留VSC出口电容放电，提供系统故障特征。同时将VSC两侧出口线路均将简单电阻限流器投入运行。

图3为混合式电阻限流器拓扑及安装位置图。其由IGBT与限流电阻并联而成，工作原理如下：系统正常运行时混合式直流断路器导通将限流电阻短路，限流装置呈现低阻特性；故障发生后，混合式直流断路器过流保护被触发，从而使其自身关断，同时限流电阻将接入故障回路中，不但可以起到限流的作用，更重要的是改变故障回路阻尼特性，防止电容电压跌落幅度过大，从而提高系统的故障恢复速度。由于在VSC两相切除时，将不可避免向直流侧短时馈流。然而此过程相当于VSC交流侧断线故障，故在此阶段不会存在二极管过流问题，这将会使直流微电网中脆弱元件的安全得到可靠保障。同时，为了保证本文所提出的故障测距理论精度，需将VSC出口侧电容短时闭锁，在检测到限流器完全投入运行(10ms)与换流器完全闭锁(15ms)后，可将其解锁并提供故障特征以实现精准测距，虽然会在一定程度上延长保护整体的动作时间，但由于不存在脆弱元件过流损害的问题，此时即实现了可控元件控制策略与系统保护方案在时序逻辑上的协同配合。

在确定了限流器种类与动作策略配合方案之后，接下来将对限流器中的电阻阻值选取的问题进行深入讨论。实际上，故障之后的回路为三阶电路，此时难以精确分析确定限流电阻值，而当线路发生金属性故障时，三阶回路可近似拆分成两个二阶RLC电路进行分析，大大简化了表达式的阶数，可在此基础上进行整定计算；而当过渡电阻不可忽略时，此模型的精确性便大大降低，但于此同时，如果能保证回路在近端金属性故障时都处于过阻尼振荡状态，当过渡电阻的增大回路必然仍处于过阻尼状态。考虑此问题，可通过在故障回路中串入电阻来改变二阶电路的阻尼特性，使其在近端发生金属性故障时，故障回路仍处于过阻尼状态，此时电容电压下降速度与回路阻尼系数有关，故可通过对限流电阻阻值适当整定，从而达到电容电压恢复的标准。

整定原则：考虑电容出口处线路长度2km，串入电阻之后，在电容出口处100m发生金属性故障时，故障回路应呈现过阻尼振荡状态，使电容电压在故障切除之后保持在75％左右。其中考虑线路参数为0.125Ω/km与0.5mH/km，边界电感L_m为0.05mH,VSC出口处并联电容值C为10mF，过渡电阻R_g为0.01Ω，限流电阻阻值为R₀，则有：

其中，R_x与L_x分别代表故障点与保护安装处线路的电阻与电感值。

根据二阶RLC过阻尼电路表达式可求得限流电阻R₀的值，由于方程非线性，直接求解时可能无解，此时可通过高斯法或牛顿拉夫逊法等非线性方法迭代求得R₀的近似值。

二阶RLC过阻尼电路特征方程如下所示：

LCs²+RCs+1＝0 (3)

其中，u_c(t)为故障发生后任一时刻下的电容电压，U₀为系统正常运行时电压，L为故障回路总电感值，C为VSC出口处并联电容值，R为回路总阻值。

当u_c＝0.75u₀时，t＝10ms，L＝0.15mH，C＝10m此时可通过数学方法反解出R₀。通过计算与仿真对比可知：当限流电阻R₀＝8Ω时满足条件，考虑多余裕度，则限流电阻R₀可取10Ω。

3)经过15ms左右，在确定VSC切除完毕、限流器完全接入故障回路后，重新解锁VSC出口侧电容为环路提供故障特征以实现故障定位首先通过母线自各身配置的母线差动保护来判断故障是否发生在母线上，若是，则与母线相连断路器跳开；若不是，则通过保护安装处电流方向来初次筛选故障线路，规定电流方向从母线流向线路为正向。若电流反向则将保护装置闭锁，反之则进行下一步精准测距。

4)各启动的保护装置通过其测得的电压电流来推算VSC出口处母线电压即电容电压，此后通过差分计算出对端电流的实时值，之后进行单端精准测距来判断故障是否发生在区内。具体步骤如下：

仍以保护12为例，在此情况下可以计算出母线电压，即电容两端电压，此时故障回路中由于只有电容放电，对于电容元件来说，有：

其中，u_c为故障发生后电容两端的电压，i_c为故障发生后流过电容的电流。

即此时，我们可以通过对电容电压数据进行求导来计算出电容电流，而电容电流i_c＝i₁+i₂，此时我们即建立了对端电流与本端电流的数学模型，在此基础之上即利用本端检测到的电压电流量来计算VSC出口侧电容电压，进而得到电容电流，从而得到对端电流的实时值。

然而在实际工程中，由于对数据进行离散采样，理论上需要通过三次采样才可列出测距方程，以保护12为例，保护安装处t₁、t₂和t₃时刻采样三次得到的电压电流分别为

和

边界电感电压为

此时对应计算出VSC出口处电容电压为

由于电容电流需要通过对电容电压微分求得，所以有：

其中，t₁₂、t₂₃时刻为t₁、t₂和t₃时刻的中间时刻，

是t₁₂、t₂₃时刻的近似电容电流。由于在算法中需采用两个相邻采样点的平均值代替中间时刻的瞬时值；采用两点电压值的差分比上时间值的差分来表示导数项。此时，故测距方程组为：

其中，

和

分别为保护12处t₁₂、t₂₃时刻下测得的电压电流，

分别为保护12处t₁₂、t₂₃时刻下测得的边界电感电压。上述两方程为二元一次方程组，通过方程联立即可对故障距离与过渡电阻进行精确求解。

5)经过5ms左右，直流断路器跳开，此时解锁相应换流器中IGBT，并恢复供电，故障清除，保护复归。整体上从故障发生到恢复供电时间上大约为30ms。

综上所述，可得动作策略时序图如图4所示，单端电气量测距式保护流程图如图5所示。

本发明所提的测距方法最短只需采集2ms数据窗。原则上对电气量进行离散采样，且由于故障测距的算法过程中采用了微分导数及瞬时值运算，虽然可以采用边界电感的电压来替代本端电流量的瞬时导数，但是通过测量电容电压来得到电容电流这一过程的计算误差不可避免，因此在算法中采用两个相邻采样点的平均值代替中间时刻的瞬时值；采用两点电压值的差分比上时间值的差分来表示导数项。理论上采样频率越高，测距精度越高，采样频率过高则会相应提高直流微网保护配置的经济成本。在仿真时，综合考虑动作可靠性和工程实际等因素，数据采样频率取为20kHz时，该计算方法所带来的误差对最终精度的影响可以控制在1％之内。故最终数据采样频率可取为20kHz。

Claims (1)

1.一种基于控保协同的环形直流微网系统测距式保护方法，包括下列步骤：

(1)当环形直流微网系统检测到线路上发生极间故障后，保护启动并闭锁系统中各换流器VSC、DC/DC中的IGBT，且通过闭锁正常运行时加装在VSC交流侧两相反并联晶闸管组的导通信号，对VSC的分相切除；并通过正常运行时安装在电容支路的全控器件，对系统中的全部电容进行切除；

(2)系统正常运行时，在VSC出口母线的两条出口线路首端，分别串入由混合式直流断路器与限流电阻并联组成的混合式限流器以抑制VSC出口处电容电压跌落幅度；故障发生后，混合式限流器自身过流保护将会被触发并投入运行；

(3)待VSC分相切除完成、混合式限流器完全投入运行后，通过重新解锁VSC出口处电容C，使其成系统此时唯一电源以提供故障特征，并进行故障测距，首先通过母线电流差动保护对母线故障进行判断，若母线无故障，则通过流过保护装置的电流方向对故障位置进行判断；若电流反向，则保护闭锁；若电流正向则以RL线路模型为基础进行故障测距，通过预先整定保护装置背后线路的RL参数，实现对环形直流微网中VSC出口处电容电压u_c即母线电压的在线实时计算，在此基础上，通过VSC出口电容电压u_c与电容电流i_c的数学关系：

计算出本端电流i₁与对端电流i₂之和，进而求得对端电流实时值，此后根据求得的对端电流实时数据，列写R-L模型方程并对故障位置进行求解，实现实时单端故障测距；

(4)根据故障测距结果与本端线路长度进行比对，当故障测距结果小于本端线路长度时即判断为区内故障时，向本端直流断路器发送跳闸信号，实现故障清除，同时解锁各换流器与除VSC出口侧之外的直流侧电容，并恢复供电。

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