CN109995002B - 一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法及系统，包括：基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则；基于直流断路器、DC/DC变换器和直流断路器保护配置原则，确定柔性直流电网的保护策略。本发明提出的基于反推法的直流断路器保护配置原则，有效减轻了全直流断路器保护法带来的造价高和损耗大的问题，而基于直流断路器和DC/DC变换器配合的保护策略，可以快速有效地隔离故障区域(或线路)，且非故障部分可以继续维持正常运行。

Description

一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法及系统
技术领域
本发明涉及直流电网安全与保护领域，具体涉及一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法及系统。
背景技术
柔性直流电网技术是解决大规模新能源汇集、远距离输送和大范围消纳的有效方法之一。其中，模块化多电平换流器(MMC，Modular Multilevel Converter)由于具有功率双向流动、不存在换相失败、有功无功功率快速解耦控制等特点，成为构建柔性直流电网换流站的首选技术方案。
虽然传统的半桥型MMC柔性直流电网具有诸多优点，但其仍面临许多待解决的技术问题，特别是直流故障下的电网保护问题。由于柔性直流电网的阻抗很小，且半桥型MMC中存在续流二极管，因此直流故障电流上升速度快，从而给柔性直流电网带来严重影响，所以要求柔性直流电网的保护必须在短时间内(几毫秒内)能够快速响应，并有选择性地正确动作。
随着直流断路器(DCCB，Direct Current Circuit Breaker)研究的深入和成熟，现有技术大多考虑在各条直流线路两端安装直流断路器的方法来进行直流侧故障的保护。但是，直流断路器制造成本较高、运行损耗较大，因此考虑对直流断路器在直流电网中进行合理优化配置，以实现保护性能和保护成本比值的最大化。
对于柔性直流电网的保护而言，其在满足保护要求的同时，还应实现投资成本的最小化，这就要求在进行电网规划时，合理配置保护装置。众所周知，最简单的直流电网直流线路的直流断路器保护配置方法是在每条直流线路的两端加装直流断路器，其保护原理是一旦直流线路发生故障，故障直流线路两端的直流断路器将断开，从而切除该故障直流线路，但是该保护配置方法明显不具备经济性，所需要的直流断路器数量多，保护成本高，损耗大，尤其是形成复杂直流电网情况下，直流断路器的需求将成倍增加，严重影响工程的投资成本；另一种保护方法中的“握手原则”(handshaking method)是基于交流断路器和直流开关配合使用的，而分区保护方法并没有考虑到不同多端直流系统的应用场景和保护要求。
因此，需要综合考虑保护技术性和经济性要求的优化保护方法仍然是亟待研究的问题。
发明内容
本发明针对柔性直流电网的直流故障保护问题，提出了一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法及系统。
一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法，其包括：基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则；基于直流断路器、DC/DC变换器和直流断路器保护配置原则，确定柔性直流电网的保护策略。
基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则，包括：在柔性直流电网中每条直流线路的两端设置直流断路器；基于预先设定的柔性直流电网的优先保护目标，删除非必要的直流断路器。
基于直流断路器、DC/DC变换器和直流断路器保护配置原则，确定柔性直流电网的保护策略，包括：若直流断路器附加电感上电压超出第一预设电压，则直流断路器所在的直流线路或直流母线发生故障，直流断路器触发跳闸信号，等待第一预设时间后断开；如果模块化多电平换流器桥臂的电流超出保护阈值时，则设于直流线路上的直流变换器闭锁，直流变换器根据设置为直流电压控制方式；如果交流断路器的电流超出第二预设电压，则与交流断路器相连的模块化多电平换流器发生直流线路或直流母线故障，向交流断路器发送跳闸信号，等待第二预设时间后断开。
第一预设电压为10kV；保护阈值为1.5倍的模块化多电平换流器桥臂的电流额定值；第二预设电压为2倍的交流断路器的电流额定值；第一预设时间为3ms；第二预设时间为100ms。
优先保护目标包括：减少故障期间柔性直流电网的功率损失；避免柔性直流电网的供电中断；减少直流断路器的使用数量。
一种基于装置配合的柔性直流电网的保护系统，其包括：保护配置原则模块，用于基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则；保护策略模块，用于基于直流断路器、DC/DC变换器和直流断路器保护配置原则，确定柔性直流电网的保护策略。
保护配置原则模块，包括：直流断路器设置子模块和直流断路器删除子模块；直流断路器设置子模块，用于在柔性直流电网中每条直流线路的两端设置直流断路器；直流断路器删除子模块，用于基于预先设定的柔性直流电网的优先保护目标，删除非必要的直流断路器。
保护策略模块，包括：第一预设子模块、保护阈值子模块和第二预设子模块；第一预设子模块，用于若直流断路器附加电感上电压超出第一预设电压，则直流断路器所在的直流线路或直流母线发生故障，直流断路器触发跳闸信号，等待第一预设时间后断开；保护阈值子模块，用于如果模块化多电平换流器桥臂的电流超出保护阈值时，则设于直流线路上的直流变换器闭锁，直流变换器根据设置为直流电压控制方式；第二预设子模块，用于如果交流断路器的电流超出第二预设电压，则与交流断路器相连的模块化多电平换流器发生直流线路或直流母线故障，向所述交流断路器发送跳闸信号，等待第二预设时间后断开。
第一预设电压为10kV；保护阈值为1.5倍的模块化多电平换流器桥臂的电流额定值；第二预设电压为2倍的交流断路器的电流额定值；第一预设时间为3ms；第二预设时间为100ms。
优先保护目标包括：减少故障期间柔性直流电网的功率损失；避免柔性直流电网的供电中断；减少直流断路器的使用数量。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1.本发明提出的基于反推法的直流断路器保护配置原则，有效减轻了全直流断路器保护法带来的造价高和损耗大的问题，而基于直流断路器和DC/DC变换器配合的保护策略，可以快速有效地隔离故障区域(或线路)，且非故障部分可以继续维持正常运行；
2.本发明可以在实现直流电网的优先保护目标和可靠性的前提下，一定程度地减少直流断路器的使用数量，进而降低直流电网的投资成本。
附图说明
图1为本发明方法的设计流程图；
图2为本发明CIGRE B4标准直流电网的拓扑结构和保护配置图；
图3为本发明Line1发生直流极间短路故障时的故障特性仿真结果；
其中：图3(a)为DCS1系统各直流变换器的电压电流，图3(b)为DCS2系统各直流变换器的电压电流，图3(c)为DCS3系统各直流变换器的电压电流；
图4为本发明Line11发生直流极间短路故障时的故障特性仿真结果；
其中：图4(a)为DCS1系统各直流变换器的电压电流，图4(b)为DCS2系统各直流变换器的电压电流，图4(c)为DCS3系统各直流变换器的电压电流；
图5为本发明Line5发生直流极间短路故障时的故障特性仿真结果；
其中：图5(a)为DCS1系统各直流变换器的电压电流，图5(b)为DCS2系统各直流变换器的电压电流，图5(c)为DCS3系统各直流变换器的电压电流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明采用基于反推法的配置原则，具体如下：
1)在每条直流线路的两端加装直流断路器；
2)根据该直流电网的应用场景和技术需求，拟定适用于该直流电网的保护目标；
3)逐条分析各直流线路发生故障的情况，根据拟定的优先保护目标来删除非必要的直流断路器，从而达到最优的技术经济指标。
在上述直流断路器保护配置原则的基础上，提出了如下的基于直流断路器和DC/DC变换器配合的保护策略：
1)使用本地测量装置监测直流断路器附加电感上的电压和MMC桥臂上的电流；
2)如果某直流断路器附加电感上电压超出预设值，则判断有相关直流故障发生，该直流断路器触发跳闸信号，等待3ms后断开(该延迟是为了模拟直流断路器的动作延迟)，从而隔离故障区域(线路)和非故障区域；
3)如果直流变换器检测到桥臂电流超出其保护阈值时，则直流变换器闭锁以保护自身的开关器件；
4)相应的直流变换器根据需要切换控制方式，以满足非故障区域的运行稳定性；
5)如果某交流断路器上流过的电流超出预设值，则判断其所连MMC有相关直流故障发生，给该交流断路器发送跳闸信号，等待100ms后断开(该延迟是为了模拟交流断路器的动作延迟)。
实施例2
如图2所示，以下举例说明：
以CIGRE B4标准直流电网为分析对象，基于应用场景：将海上风电并网以及给海上油气平台供电，对于该直流电网制定以下优先保护目标：
1)尽量减少故障期间海上风电场的功率损失；
2)尽量避免海上油气平台的供电中断；
3)尽量减少直流断路器的使用数量。
根据该保护目标来分析该直流电网各条直流线路上的直流断路器的必要性。
1)对于分布式控制系统DCS1，只有1条直流线路
当直流线路Line1故障后，风电场C1的风电将无法通过DCS1进行输送，且由于DCS1与DCS2和DCS3之间无直流联系，故障传播到DCS2和DCS3需要较长时间，因此对于Line1可以不采用直流断路器保护，折中考虑，采用交流断路器AB1和AB2保护，且故障后风电场C1的部分风电通过风电场C1和C2之间的连接线转移到DCS3，进而输送到岸上交流电网。
2)对于分布式控制系统DCS2，其有4条直流线路
当直流线路Line10故障后，若要保证海上风电场F1不损失功率，则只需保证其与岸上母线节点Bm-B3的连接，因此在Line10靠近母线Bm-B3处安装直流断路器DB11，而靠近母线Bm-B2处不安装直流断路器，改用交流断路器AB5保护。
当直流线路Line11或Line12故障时，DCS2中的海上系统和岸上系统的连接断开，此时海上风电场F1通过直流线路Line13向海上油气平台E1供电，并通过DC/DC变换器Cd-E1将部分功率输送到DCS3。因此，在Line11和Line12的两端安装直流断路器DB12和DB13，而中间部分不用安装保护设备。
当直流线路Line13故障时，为了保证海上风电场F1的功率不损失，其应该继续与岸上系统相连；为了保证海上油气平台不中断供电，其必须通过DCS3来进行持续供电；因此Line13的两端应该安装直流断路器DB14和DB15。
3)对于分布式控制系统DCS3，其有8条直流线路
·当直流线路Line2故障时，为了使得电压控制站Cb-A1仍保持正常运行，以及海上风电场C2的功率不损失，因此在Line2两端分别安装直流断路器DB1和DB2，从而快速切除故障线路Line2。
·当直流线路Line3故障时，为了保证海上风电场C2和D2的功率不损失，其应该继续连接在系统中，因此需要在Line3靠近母线Bb-C2和Bb-D2处分别安装直流断路器DB3和DB4，从而快速切除故障线路Line3。
·当直流线路Line4或Line5故障时，海上风电场D2仍可通过Line3传输功率，海上油气平台E1仍可由海上风电场F1供电，因此可以仅在Line4靠近母线Bb-D2处安装直流断路器DB5，并结合使用DC/DC变换器Cd-E1和Cd-B1闭锁隔离故障的功能，切除Line4和Line5。
·当直流线路Line6或Line7故障时，可以通过在Line6靠近母线Bb-A1处和Line7靠近母线Bb-B4处安装直流断路器DB6和DB7，以及母线Bb-B1处的DC/DC变换器Cd-B1来隔离故障区域Line6和Line7，此时电压控制站Cb-A1仍然可以正常运行以控制DCS3的直流电压，直流故障也不会波及直流线路Line9和直流变换器Cb-B2，而处于故障区域内的直流变换器Cb-B1则采用交流断路器AB3保护。
·当直流线路Line8故障时，为了使得电压控制站Cb-A1仍保持正常运行，且不会扩大直流故障的影响，在Line8两端安装直流断路器DB8和DB9，从而快速切除故障线路Line8。
·当直流线路Line9故障时，为了防止直流故障影响范围的扩大，在Line9靠近母线Bb-B4处安装直流断路器DB10，而直流变换器Cb-B2采用交流断路器AB4保护。
通过上述分析，CIGRE B4标准直流电网总共配置了15套直流断路器，与全直流断路器保护法相比，在保证实现优先保护目标和可靠性的前提下，减少了11套直流断路器。CIGREB4标准直流电网的具体保护配置方案如附图1所示。图中，DBn(n＝1～15)表示直流断路器，ABn(n＝1～5)表示交流断路器。
根据保护配置，可以得到基于直流断路器和DC/DC变换器配合的保护策略在各条直流线路故障情况下的具体保护步骤，如表1所示：
表1各直流线路故障下的具体保护步骤
Figure BDA0001532172080000061
在MATLAB/Simulink软件平台上建立了CIGRE B4标准直流电网模型进行仿真分析。表2所示为系统正常运行时的各直流变换器参数。
表2各DC/DC变换器和MMC的正常运行参数
Figure BDA0001532172080000062
Figure BDA0001532172080000071
1)仿真案例1
2s时，在CIGRE B4标准直流电网DCS1子网内的Line1设置一个极间短路故障，采用前述的保护配置方案和保护实现方法，可以得到如图3所示的仿真结果。
可以看出，DCS1子网中的Line1发生直流极间短路故障，Cm-A1和Cm-C1会快速闭锁；由于DCS2与其无直接联系，因此DCS2的运行不受影响；且当使用交流断路器AB1和AB2切除DCS1子网，以及Cb-C2切换为交流电压控制后，DCS3子网经过短时波动将恢复正常运行。海上风电场C1的功率通过交流电缆从DCS3输入岸上交流系统。
2)仿真案例2
2s时，在CIGRE B4标准直流电网DCS2子网内的Line11设置一个极间短路故障，采用前述的保护配置方案和保护实现方法，可以得到如图4所示的仿真结果。
可以看出，DCS2子网中Line11发生极间短路故障后，采用直流断路器DB12和DB13快速切除故障线路，DC/DC变换器Cd-E1切换为直流电压控制方式，以维持DCS2子网的电压稳定，则DCS2子网经过短时波动后恢复正常运行，而DCS1和DCS3子网在故障期间仍能保持继续运行。海上风电场F1通过直流线路Line13向海上油气平台E1供电，并通过DC/DC变换器Cd-E1将部分功率输送到DCS3。
3)仿真案例3
2s时，在CIGRE B4标准直流电网DCS3子网内的Line5设置一个极间短路故障，采用前述的保护配置方案和保护实现方法，可以得到如图5所示的仿真结果。
可以看出，DCS3子网中Line5发生极间短路故障后，采用直流断路器DB5和DC/DC变换器Cd-B1、Cd-E1快速切除故障区域，则DCS3和DCS2子网经过短时波动后恢复正常运行，而DCS1子网在故障期间仍能保持继续运行。海上风电场D2通过直流线路Line3传输功率，海上油气平台E1由海上风电场F1供电。
实施例3
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于装置配合的柔性直流电网的保护系统，下面进行说明。
该系统包括：
保护配置原则模块，用于基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则；
保护策略模块，用于基于直流断路器、DC/DC变换器和直流断路器保护配置原则，确定柔性直流电网的保护策略。
保护配置原则模块，包括：直流断路器设置子模块和直流断路器删除子模块；直流断路器设置子模块，用于在柔性直流电网中每条直流线路的两端设置所述直流断路器；直流断路器删除子模块，用于基于预先设定的柔性直流电网的优先保护目标，删除非必要的直流断路器。
保护策略模块，包括：第一预设子模块、保护阈值子模块和第二预设子模块；第一预设子模块，用于若直流断路器附加电感上电压超出第一预设电压，则直流断路器所在的直流线路或直流母线发生故障，直流断路器触发跳闸信号，等待第一预设时间后断开；保护阈值子模块，用于如果模块化多电平换流器桥臂的电流超出保护阈值时，则设于直流线路上的直流变换器闭锁，直流变换器根据设置为直流电压控制方式；第二预设子模块，用于如果交流断路器的电流超出第二预设电压，则与交流断路器相连的模块化多电平换流器发生直流线路或直流母线故障，向交流断路器发送跳闸信号，等待第二预设时间后断开。
第一预设电压为10kV；保护阈值为1.5倍的模块化多电平换流器桥臂的电流额定值；第二预设电压为2倍的交流断路器的电流额定值；第一预设时间为3ms；第二预设时间为100ms。
优先保护目标包括：减少故障期间柔性直流电网的功率损失；避免柔性直流电网的供电中断；减少直流断路器的使用数量。
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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于装置配合的柔性直流电网的保护方法，其特征在于，包括：
基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则；
基于直流断路器、DC/DC变换器和所述直流断路器保护配置原则，确定所述柔性直流电网的保护策略；
用于所述方法的保护系统，包括：保护策略模块；所述保护策略模块包括：第一预设子模块、保护阈值子模块和第二预设子模块；
所述第一预设子模块，用于若直流断路器附加电感上电压超出第一预设电压，则所述直流断路器所在的直流线路或直流母线发生故障，所述直流断路器触发跳闸信号，等待第一预设时间后断开；
所述保护阈值子模块，用于如果模块化多电平换流器桥臂的电流超出保护阈值时，则设于所述直流线路上的直流变换器闭锁，所述直流变换器根据设置为直流电压控制方式；
所述第二预设子模块，用于如果交流断路器的电流超出第二预设电压，则与所述交流断路器相连的所述模块化多电平换流器发生直流线路或直流母线故障，向所述交流断路器发送跳闸信号，等待第二预设时间后断开。
2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则，包括：
在所述柔性直流电网中每条直流线路的两端设置所述直流断路器；
基于预先设定的所述柔性直流电网的优先保护目标，删除非必要的所述直流断路器。
3.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述基于直流断路器、DC/DC变换器和所述直流断路器保护配置原则，确定所述柔性直流电网的保护策略，包括：
若直流断路器附加电感上电压超出第一预设电压，则所述直流断路器所在的直流线路或直流母线发生故障，所述直流断路器触发跳闸信号，等待第一预设时间后断开；
如果模块化多电平换流器桥臂的电流超出保护阈值时，则设于所述直流线路上的直流变换器闭锁，所述直流变换器根据设置为直流电压控制方式；
如果交流断路器的电流超出第二预设电压，则与所述交流断路器相连的所述模块化多电平换流器发生直流线路或直流母线故障，向所述交流断路器发送跳闸信号，等待第二预设时间后断开。
4.根据权利要求3所述的保护方法，其特征在于，
所述第一预设电压为10kV；
所述保护阈值为1.5倍的所述模块化多电平换流器桥臂的电流额定值；
所述第二预设电压为2倍的所述交流断路器的电流额定值；
所述第一预设时间为3ms；
所述第二预设时间为100ms。
5.根据权利要求2所述的保护方法，其特征在于，所述优先保护目标包括：
减少故障期间所述柔性直流电网的功率损失；
避免所述柔性直流电网的供电中断；
减少所述直流断路器的使用数量。
6.一种基于装置配合的柔性直流电网的保护系统，其特征在于，包括：
保护配置原则模块，用于基于反推法，确定直流断路器的保护配置原则；
保护策略模块，用于基于直流断路器、DC/DC变换器和所述直流断路器保护配置原则，确定所述柔性直流电网的保护策略；
所述保护策略模块，包括：第一预设子模块、保护阈值子模块和第二预设子模块；
所述第一预设子模块，用于若直流断路器附加电感上电压超出第一预设电压，则所述直流断路器所在的直流线路或直流母线发生故障，所述直流断路器触发跳闸信号，等待第一预设时间后断开；
所述保护阈值子模块，用于如果模块化多电平换流器桥臂的电流超出保护阈值时，则设于所述直流线路上的直流变换器闭锁，所述直流变换器根据设置为直流电压控制方式；
所述第二预设子模块，用于如果交流断路器的电流超出第二预设电压，则与所述交流断路器相连的所述模块化多电平换流器发生直流线路或直流母线故障，向所述交流断路器发送跳闸信号，等待第二预设时间后断开。
7.根据权利要求6所述的保护系统，其特征在于，所述保护配置原则模块，包括：直流断路器设置子模块和直流断路器删除子模块；
所述直流断路器设置子模块，用于在所述柔性直流电网中每条直流线路的两端设置所述直流断路器；
所述直流断路器删除子模块，用于基于预先设定的所述柔性直流电网的优先保护目标，删除非必要的所述直流断路器。
8.根据权利要求6所述的保护系统，其特征在于，
所述第一预设电压为10kV；
所述保护阈值为1.5倍的所述模块化多电平换流器桥臂的电流额定值；
所述第二预设电压为2倍的所述交流断路器的电流额定值；
所述第一预设时间为3ms；
所述第二预设时间为100ms。
9.根据权利要求7所述的保护系统，其特征在于，所述优先保护目标包括：
减少故障期间所述柔性直流电网的功率损失；
避免所述柔性直流电网的供电中断；
减少所述直流断路器的使用数量。
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