CN110133433A - 一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法 - Google Patents

一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法。本发明在故障暂态期间对直流配电网中DG或微电网两侧的一模电流进行突变量积分运算，基于突变方向与两者乘积结果作为直流配电网线路故障与功率扰动的辨识依据，并向换流站发送扰动辨识信号，可以有效规避DG(微电网)发生功率波动引发的保护误动，帮助确定故障发生区段。本发明与单端量保护相比更具选择性和可靠性，只需传送暂态期间的辨识信息，通信量小，延时短，与差动保护相比更具速动性，在线路较短的直流配电网中具备一定的应用价值。

Description

一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法
技术领域
本发明属于柔性直流配电网故障和扰动的辨识领域，涉及含分布式发电装置或微网接入的直流配电网中故障和扰动的可靠辨识方法，尤其是一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法。
背景技术
目前，直流配电网的保护配置尚不完备。常见的单端量保护如行波保护和微分欠压保护，对于含分布式发电装置(Distributed Generation，DG)或微网接入的复杂直流配电网的适用性较差，难以判断区内与区外故障，整定和配合复杂。基于双端量的电流差动保护可以满足保护的选择性，但在极间故障初期由于较大的电流突变率和对时误差，可能导致区外误动，而延时设置则降低了保护的速动性。
此外，DG或微网由于光照、风速等环境因素变动、元件投切或内部故障引发的对外功率波动，可能会导致直流线路保护误动，加剧直流配网暂态特性的复杂性，给保护的设计带来困难。具体而言，当DG或微网输出功率骤降或吸收功率突增时，会引起直流配电网各个接口元件的电容进入放电状态，直流线路电压降低，这与极间短路故障特征相类似。当故障电阻较大或功率波动幅值较大，单端量的保护将无法对直流线路故障和DG(微电网)的功率波动进行可靠区分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种可靠识别直流配电网线路故障与扰动的辨识方法，在规定电流参考方向以元件指向线路为正的前提下，该方法利用DG(或微电网)两侧直流馈线出口电流在功率扰动情况下突变方向一致、在线路故障情况下相反的特征，实现直流线路故障与扰动的可靠辨识。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法，其特征在于，包括步骤：
S1、依据极间短路故障特性，直流馈线两端的换流站以及接入的DG(微电网)微电网基于低电压和电流变化率保护初步判定故障发生，满足两者之一则快速启动线路故障扰动辨识元件；
S2、换流站和DG(微电网)分别对出口电流和两侧电流进行高频率采样，经相模变换得到一模电流，并计算一模电流的突变量积分值iinte_H、iinte_DGi1和iinte_DGi2；
S3、当换流站出口处的一模电流突变积分值iinte_H满足下列判据时，认为发生正向故障，开放短时保护一段时间：
其中，iinte_H为换流站出口一模电流的突变量积分值；iset为换流站正向故障电流判定门槛值；kr为可靠系数，可取1.5；Δimax为区内高阻接地故障时系统电容放电产生的最大电流突变量积分值；
S4、当DG(微电网)两侧的一模电流突变量积分值iinte_DGi1和iinte_DGi2乘积大于一扰动辨识门槛值时，认为该DG(微电网)发生功率扰动，辨识信号Sid取0，否则依照各端的突变方向取值1或-1，并将辨识结果发送给两侧换流站；
S5、换流站接收各个DG(微电网)发送的辨识信号，当存在Sid＝0时，判定为DG(微电网)功率扰动，保护复归，否则基于Sid取值识别区内与区外线路故障，保护动作或复归。
本发明采用DG(微电网)两侧的一模电流突变量积分值的乘积作为直流配电网线路故障与扰动辨识依据，避免了DG(微电网)发生功率波动引发的保护误动，提高了单端保护量保护的选择性和可靠性。由于只需传送辨识信息，通信量小，通信延时短，与差动保护相比更具速动性，对于线路较短的直流配电网更有实用价值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：
进一步地，步骤S1中，直流配电网发生极间短路故障时会产生明显的电压跌落和电容放电现象，并且故障程度随着过渡电阻的增大有所为降低；为提高单端电气量对高阻故障的检测能力，选用低电压和电流变化率保护“或”逻辑的配置关系，快速启动线路故障扰动辨识元件，具体启动判据如下：
udp-udn＜Uset_S或d(idp-idn)/dt＞Iset_S，
其中，udp、udn分别为直流线路正极与负极电压；idp、idn分别为直流线路正极与负极电流；Uset_S为低电压动作门槛值；Iset_S为电流微分动作门槛值。
采用上述进一步方案的有益效果是：依靠两组单端电气量保护快速启动故障/扰动辨识元件，提高了直流配电网对高阻极间故障检测的灵敏性，避免辨识元件长时间工作在电流高频采样、数据处理和通信状态下。
进一步地，步骤S2中，获取一模电流的突变量积分值iinte_H、iinte_DGi1和inte_DGi2，具体包括：
采用Karrenbauer变换由极电流得到一模电流：
其中，ix为一模电流；idp、idn分别为直流线路正极与负极电流；
一模电流的突变量积分运算表达式：
其中，Δix(t)为故障/扰动后t时刻的一模电流突变量；n为数据窗长；Ts为采样周期；ix(t0)为直流系统稳态运行时的一模电流；ix(t)为直流系统故障/扰动后t时刻的一模电流；iinte(t)为一模电流突变量积分，即t时刻前n点电流突变量之和。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用模变换提取一模电流降低了数据的冗余度，提高了极间短路故障与扰动的特征提取。基于电流突变量可以有效辨识线路故障与DG(微电网)扰动，排除额定传输功率方向的干扰，而一段时间窗的积分值可以降低偶然性，提高量测误差的耐受能力。
进一步地，步骤S4中，辨识信号Sid的生成，具体包括：
基于DG(微电网)两侧的一模电流突变量积分值iinte_DGi1和iinte_DGi2，可以根据下式得到辨识信号Sid：
iinte_DGi1·iinte_DGi2≥ε,Sid＝0
iinte_DGi1·iinte_DGi2＜ε且iinte_DGi1≥0,Sid＝1，
iinte_DGi1·iinte_DGi2＜ε且iinte_DGi1＜0,Sid＝-1
其中，ε为扰动辨识门槛值，考虑采样与计算误差，定为负的小量；iinte_DGi1、iinte_DGi2为第i个DG(微电网)两侧的一模电流突变量积分计算结果；Sid为辨识信号，取0代表该DG(微电网)发生功率波动，属于扰动，取1代表iinte_DGi1侧发生线路故障或该侧DG(微电网)产生扰动，取-1则代表iinte_DG2侧发生线路故障或该侧DG(微电网)产生扰动。
采用上述进一步方案的有益效果是：相对于步骤S4原有的辨识信号生成原理，上式增加了DG(微电网)两侧电流突变量的方向信息，除了提供扰动辨识结果，还有助于确定故障发生位置，利于故障排除。
进一步地，步骤S3中，考虑到直流配网惯性小，故障发展迅速的特点，为了保护脆弱的电力电子开关器件，所述的短时开放时间定为2-5ms，在馈线较短、通信延时较小的直流配电网中，可以满足故障扰动辨识方案的需求。
本发明具有的有益效果如下：本发明能可靠辨识直流配电网线路故障和接入DG(微电网)所引发的扰动干扰。本发明选取一模电流突变量积分值作为辨识参量，缩短了差动保护为躲过故障暂态引起的保护延时，而基于DG(微电网)两侧一模电流突变量积分乘积的辨识信号Sid提供了故障/扰动的判定与位置信息，通信量小，弥补了单端量保护在复杂直流配电网应用中选择性和可靠性不足的缺陷。
附图说明
图1是本发明实施例的含直流微电网接入的两端10kV直流配电网仿真模型示意图；
图2是本发明实施例直流微电网中突然投入5MW负荷时各点的一模电流波形和电流突变积分结果图；
图3是本发明实施例直流微电网中突然投入5MW负荷时MMC1保护动作情况图；
图4是本发明实施例直流配电网扰动辨识方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1是基于PSCAD仿真平台搭建的含直流微电网接入的两端10kV直流配电网仿真模型示意图，直流线路L1和L2构成。直流微电网两侧以及交直流互联换流站——模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)出口均装设有一模电流突变量积分计算元件，用于实现扰动辨识。
实施例
根据图4示流程图对两端直流配电网的故障和扰动辨识进行详细说明。
S1、设置直流微电网于3s时刻投入5MW负荷，直流馈线两端的换流站MMC以及接入的直流微电网基于低电压和电流变化率保护初步判定故障发生，快速启动线路故障扰动辨识元件，具体启动判据如下：
udp-udn＜Uset_S或d(idp-idn)/dt＞Iset_S，
其中，udp、udn分别为直流线路正极与负极电压；idp、idn分别为直流线路正极与负极电流；Uset_S为低电压动作门槛值，在本实施例中整定为0.9Udc(Udc为额定极间电压20kV)；Iset_S为电流微分动作门槛值，在本实施例中整定为0.5Idc(Idc为直流馈线额定传输电流)；
S2、MMC和微电网分别对出口电流和两侧电流进行10kHz的高频采样，经下式得到一模电流及其突变量积分计算结果iinte_MMC1、iinte_MMC2、iinte_DG1、iinte_DG2，结果绘制于图2中；
其中，ix为一模电流；Δix(t)为故障/扰动后t时刻的一模电流突变量；n为数据窗长；Ts为采样周期；ix(t0)为直流系统稳态运行时的一模电流；iinte(t)为一模电流突变量积分。在本实施例中Ts＝0.1ms，n＝20。
S3、以MMC1为例，此时MMC1出口处的一模电流突变积分值iinte_MMC1满足下列判据，认为发生正向故障，开放保护一段3ms：
其中，iinte_H为换流站出口一模电流的突变量积分值；iset为换流站正向故障电流判定门槛值；kr为可靠系数，可取为1.5；Δimax为区内高阻接地故障时系统电容放电产生的最大电流突变量积分值。在本实施例中iset＝0.08kA，图3中的保护判据1反映了此过程。
S4、计算微电网两端的一模电流突变量积分值iinte_DG1、iinte_DG2乘积，结果绘制于图3的保护判据2中。由于结果大于实施例中的扰动辨识门槛值-0.005kA，认为微电网发生功率扰动，辨识信号Sid取0，并将辨识结果发送给两侧换流站。
S5、MMC接收到微电网发送的辨识信号，由于Sid＝0，判定为微电网功率扰动，保护复归，上述保护动作情况绘制于图3的最下图中。
综上，本实施例验证了本发明的正确性与可行性，基于DG(微电网)两侧的一模电流突变量积分的乘积结果可以实现直流配电网的故障和扰动辨识。

Claims (5)

1.一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法，其特征在于，包括步骤：
S1、依据极间短路故障特性，直流馈线两端的换流站以及接入的DG或微电网基于低电压和电流变化率保护初步判定故障发生，满足两者之一则快速启动线路故障扰动辨识元件；
S2、换流站和DG或微电网分别对出口电流和两侧电流进行高频率采样，经相模变换得到一模电流，并计算一模电流的突变量积分值iinte_H、iinte_DGi1和iinte_DGi2；
S3、当换流站出口处的一模电流突变积分值iinte_H满足下列判据时，认为发生正向故障，开放短时保护一段时间：
其中，iinte_H为换流站出口一模电流的突变量积分值；iset为换流站正向故障电流判定门槛值；kr为可靠系数；Δimax为区内高阻接地故障时系统电容放电产生的最大电流突变量积分值；
S4、当DG或微电网两侧的一模电流突变量积分值iinte_DGi1和iinte_DGi2乘积大于一扰动辨识门槛值时，认为该DG或微电网发生功率扰动，辨识信号Sid取0，否则依照各端的突变方向取值1或-1，并将辨识结果发送给两侧换流站；
S5、换流站接收各个DG或微电网发送的辨识信号，当存在Sid＝0时，判定为DG或微电网功率扰动，保护复归，否则基于Sid取值识别区内与区外线路故障，保护动作或复归。
2.根据权利要求1所述的一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法，其特征在于，步骤S1中，为提高单端电气量对高阻故障的检测能力，选用低电压和电流变化率保护“或”逻辑的配置关系，快速启动线路故障扰动辨识元件，具体启动判据如下：
udp-udn＜Uset_S或d(idp-idn)/dt＞Iset_S，
其中，udp、udn分别为直流线路正极与负极电压；idp、idn分别为直流线路正极与负极电流；Uset_S为低电压动作门槛值；Iset_S为电流微分动作门槛值。
3.根据权利要求1所述的一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法，其特征在于，步骤S2中，计算一模电流的突变量积分值iinte_H、iinte_DGi1和iinte_DGi2，具体包括：
采用Karrenbauer变换由极电流得到一模电流：
其中，ix为一模电流；idp、idn分别为直流线路正极与负极电流；
一模电流的突变量积分运算表达式：
其中，Δix(t)为故障/扰动后t时刻的一模电流突变量；n为数据窗长；Ts为采样周期；ix(t0)为直流系统稳态运行时的一模电流；ix(t)为直流系统故障/扰动后t时刻的一模电流；iinte(t)为一模电流突变量积分，即t时刻前n点电流突变量之和。
4.根据权利要求1所述的一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法，其特征在于，步骤S4中，辨识信号Sid的生成，具体包括：
基于DG或微电网两侧的一模电流突变量积分值iinte_DGi1和iinte_DGi2，根据下式得到辨识信号Sid：
iinte_DGi1·iinte_DGi2≥ε,Sid＝0
iinte_DGi1·iinte_DGi2＜ε且iinte_DGi1≥0,Sid＝1，
iinte_DGi1·iinte_DGi2＜ε且iinte_DGi1＜0,Sid＝-1
其中，ε为扰动辨识门槛值，考虑采样与计算误差，定为负的小量；iinte_DGi1、iinte_DGi2为第i个DG或微电网两侧的一模电流突变量积分计算结果；Sid为辨识信号，取0代表该DG或微电网发生功率波动，属于扰动，取1代表iinte_DGi1侧发生线路故障或该侧DG或微电网产生扰动，取-1则代表iinte_DG2侧发生线路故障或该侧DG或微电网产生扰动。
5.根据权利要求1所述的一种基于突变积分乘积的直流配电网故障扰动辨识方法，其特征在于，步骤S3中，所述的短时开放时间定为2-5ms。
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