CN110148929B - 一种基于控保协同的环形直流微网单端保护方法 - 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单端保护方法，主要包括改变VSC的可控元件晶闸管、VSC出口两侧母线出线始端外加的两组反并联晶闸管组的导通控制策略和单端RL故障测距几个部分。在故障控制阶段，通过改变VSC自身以及外加可控元件的主动控制策略，使直流线路故障电流为零；在保护实施阶段，基于采用主动控制后VSC直流侧输出电压的周期性与电力电子元件的可控性，构建VSC与故障点的唯一回路，然后基于传统R‑L算法即可实现单端无差故障定位，接下来会出现线路电流持续过零，在此基础上，通过快速隔离开关实现故障隔离。

Description

一种基于控保协同的环形直流微网单端保护方法

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单端保护技术。

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，考虑到存在多端通信失败的可能性；且现有故障定位算法的实现大多依赖于直流断路器的快速开断能力，然而直流断路器因其成本原因无法广泛应用于直流微网。故设计一种方案仍具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于快速隔离开关动作的环形直流微网单端保护方法，技术方案如下：

一种基于控保协同的环形直流微网单端保护方法，主要包括改变VSC的可控元件晶闸管、VSC出口两侧母线出线始端外加的两组反并联晶闸管组的导通控制策略和单端RL故障测距几个部分。步骤如下：

(1)系统检测到发生极间故障时，保护启动并闭锁系统中各换流器VSC、DC/DC中的IGBT，同时闭锁VSC中的可控元件晶闸管以及VSC出口两侧母线出线始端外加反并联晶闸管组，并将VSC中的混合式限流器投入系统运行；

(2)在VSC完成切除所需的时间段内，通过母线差动保护，判断故障是否发生在VSC出口母线处：若是，则在VSC出口两侧线路首端反并联晶闸管闭锁后，打开与VSC出口母线直接相连的两条线路的母线侧的隔离开关；若不是，则在直流线路电流首次过零后，检测VSC出口母线出线始端外加两组晶闸管组闭锁情况：若全部闭锁，则在检测到VSC输出直流电压为正时，解锁VSC母线出线其中一侧反并联晶闸管组以提供故障电流，并将VSC母线出线另一侧反并联晶闸管组一直闭锁；

(3)首先通过VSC出口母线除外的其他各母线自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，则在下个无电流周期内跳开与母线相连线路的快速隔离开关；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，若电流正向则令保护装置启动，并进行单端测距，求出故障距离以区分故障位置；

(4)待出线其中一侧故障测距完成后，再次闭锁该侧反并联晶闸管组，在进入下个半个周期后，该侧反并联晶闸管组自然关断；在检测到VSC输出直流电压为正后，解锁出线另一侧反并联晶闸管组，即出线两侧中未被解锁过的一侧，再次重复(3)中的操作过程，待故障线路两端隔离开关全部跳开后，即实现故障隔离。

(5)在系统实现故障隔离后，可解锁相应换流器VSC、DC/DC，并恢复供电，故障清除，保护复归。

优选地，(2)中，VSC完成切除所需的时间段为20ms。

(3)中，单端测距基于R-L线路模型，R-L线路模型的单端测距方程为：

其中，u,i分别为保护装置采集得到的电压电流，L_u与R_u为线路单位长度电感与电阻，L_m为加装在每条线路首末两端的边界电感值，u_LM为边界电感两端电压，x为故障距离，R_g为过渡电阻；

对于数据窗内采样得到的多组数据，将每组数据带入式(1)中，可得到一组二元一次方程，通过对每一组与其下一个时刻组的两组方程进行联立求解，最终对每次联立所求得的故障距离取平均值，即可解出故障距离以区分故障位置。

本发明相对于现有技术有以下优点：

1、相较基于对端电气量通信的系统保护方法，本方法通过对VSC换流器与外加电力电子元件进行拓扑改与开断控制，有效的在电力电子设备中实现控制保护相结合，即控保协同，并在此基础上可实现基于本地信息量的精准故障定位。该方法原理上不受过渡电阻影响，测距精度高，在环形直流微网中具有很好的适应性，一定程度上降低了直流微网的建设运行成本。

2、相较现有故障隔离技术，本方法无需在直流线路两端装设直流断路器，仅依靠快速隔离开关即可实现故障隔离，在无需装设通信装置的基础上，进一步降低了直流微网的建设运行成本，具有一定的工程实用价值。

3、与同样不基于通信、仅依靠线路两端隔离开关的传统握手法相比，本方法不存在停电范围过大与停电时间过长(500ms左右)的问题，整体上从故障发生到恢复供电考虑最长时间仍小于75ms，在保证保护绝对选择性的同时，兼顾保护的速动性。

附图说明

图1为四端环形直流微网典型拓扑；

图2为VSC拓扑变换过程示意图；

图3为故障电流回路示意图；

图4为区内故障保护测量等效电路图；

图5为保护动作策略时序图；

图6为测距装置开放逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

由于直流微网中存在大量可控元件，这将为本发明所提的保护方案奠定物理实施基础。本方法基于控保协同思想，利用系统中换流器的控制策略与保护方案实现紧密结合，消除了环网系统单端故障测距中对端电流的干扰，且线路两端无需配置直流断路器，仅利用快速隔离开关与故障控制策略进行时序逻辑上的相互配合即可实现故障隔离，从而提高直流微网系统供电的可靠性。

本实施例针对四端环状直流微网系统(多端同样适用，本发明以四端为例)，设计一种基于快速隔离开关动作的环形直流微网单端保护方案。该方法可分为故障控制与保护实施两个阶段：在故障控制阶段，通过改变VSC自身以及外加可控元件的主动控制策略，使直流线路故障电流为零；在保护实施阶段，基于采用主动控制后VSC直流侧输出电压的周期性(20ms)与电力电子元件的可控性，构建VSC与故障点的唯一回路，然后基于传统R-L算法即可实现单端无差故障定位，接下来会出现线路电流持续过零，在此基础上，通过快速隔离开关实现故障隔离。

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5为保护动作策略时序图。具体保护方案如下：

1)配置各换流器直流侧电容支路配置的过电流保护形成保护启动部分。

2)保护装置启动后，系统进入故障控制阶段。由于各换流器直流侧电容已被切除，系统电压降低，与各母线相连负荷此时脱网，实现暂态短时负荷穿越。闭锁系统中全部DC/DC，并将限流器投入系统运行。在故障控制阶段，通过改变VSC自身以及外加可控元件(反并联晶闸管组)的控制策略，可使直流线路故障电流为零。而系统故障控制策略分别由VSC故障控制策略与VSC出口母线出线始端外加晶闸管组的故障控制策略两部分组成，接下来将分别对其详述。

首先介绍VSC故障控制策略。图2为VSC拓扑变换过程与混合式电阻限流器安装位置图。本发明在VSC一相安装反并联晶闸管组的基础上，对于另外两相桥臂任意一对角桥臂中的二极管用晶闸管替代，并在故障后将其闭锁，则晶闸管承受反压时将截止导通。在使用晶闸管替代其中一组对角桥臂二极管后，当回路处于交流电源电压的正半周期时，交流电源通过其中一对角线侧的二极管与直流侧故障线路构成回路；然而当交流电源电压处于负半周期时，由于已经闭锁晶闸管，在交流侧电感续流过零后便无法导通，此时，交流侧暂时停止向直流侧馈流，直到下个周期交流电源电压为正时，二极管因两端承受正向压降导通，馈流过程重新进行。

为防止交流侧电感续流过程续流过程时间过长，影响直流侧电流过零点的出现。故在VSC直流侧母线之间的线路上，可串入由开断时间10ms的混合式直流断路器与限流电阻并联而成的通态损耗极低的混合式电阻限流器。该限流器的完全投入运行之后可增大回路电阻，加快电感续流过程，缩短续流时间。

在引入混合式限流器后，交流侧电感电流续流时间极短，故可将此暂态过程合理忽略。此时随着VSC单相不控整流电路中二极管的交替导通，故障回路电流亦将呈现周期性变化(周期时间为20ms,持续过零时间约为10ms)，接下将介绍在VSC出线首端引入晶闸管组后，其故障控制与保护的协同策略。

系统正常运行时，将反并联晶闸管装置串入VSC两条出线(即母线1出现)首端，如图3所示。在交流电压正半周期，系统存在正向导通回路，拓扑变换后的VSC将分别通过出线1、出线2向故障点馈流；当交流侧电压处于负半周期时，忽略交流侧电感极短的续流过程，

由基尔霍夫电流定律可知：在VSC侧向直流侧停止馈流后，对于母线1的两条出线——出线1电流i₁与出线2电流i₂有：

i₁+i₂＝0 (1)

然而i₁与i₂的规定正向均为从母线流向线路，但在故障第一阶段时，i₁与i₂均为正向，故在第二阶段，必有一条支路上的电流出现电流反向，即此时该支路电流在由正变负的过程中，必然会出现自然过零点，此时晶闸管满足闭锁的两个条件：1.撤销导通信号；2.流过晶闸管电流方向发生变化或小于晶闸管的维持电流。此处以VSC母线出线2线路电流为例，假设该支路电流方向在换路前后发生变化，该支路晶闸管组导通信号撤销后，将会自然关断。而另一条支路由于无法形成回路且导通信号闭锁，也将彻底关断，如图3所示。

此时第一阶段即故障控制阶段结束，系统直流线路故障电流消失，由此进入第二阶段——保护实施阶段。

3)在进入第二阶段即保护实施阶段后，当在VSC出口母线侧下个周期检测到正向电压时，可解锁任一侧支路晶闸管组，该支路将会导通。本发明以先解锁出线1为例进行说明。此时即通过控保协同构造了VSC换流器与故障点之间的唯一回路，为下文的单端测距与故障隔离奠定了良好的实施基础。

在解锁出线1晶闸管组后，此时VSC与故障点间只存在唯一通路，在以传统R-L模型为基础的测距方程中，不存在对端电流干扰，此时出线1故障回路中的保护装置即可进行单端精准测距，如图4所示。

以图4中母线3出线l₃线路保护安装处34为例，当发生区内故障时，此时基于R-L模型的单端测距方程为：

其中，L_u与R_u为线路单位长度电感与电阻，L_m为边界电感，u_LM为边界电感两端电压，x为故障距离，R_g为过渡电阻。通过对上述二元一次方程组方程进行联立，即可实现对故障距离与过渡电阻进行精确求解。

为保证所提保护的选择性，每条线路首尾两端加装边界电感AILI(artificialinductive line impedance)以构造人工保护边界。加装AILI后，当发生区外故障时，由于边界电感的存在，此时求解出的故障距离大于被保护线路长度，故可根据所得故障距离与整定阈值进行比较以保证选择性，由于该方法测距误差较小，整定阈值L_th可为：

L_th＝k×L_line (3)

L_line为被保护线路长度，k为可靠系数，应计及误差系数、电流互感器测量误差，同时考虑多余裕度，k可取1.05。

对于VSC母线出线1侧线路，当其完成故障测距后(重新投入晶闸管组后10ms内可完成)，应重新闭锁出线1晶闸管组，以确保其在交流电压负半周期时，将重新处于截止导通的状态。此时实现该侧故障回路电流水平将长时间保持在近乎为零(微安级)的状态，此时将为快速隔离开关的开断动作奠定实施基础。

快速隔离开关是纯机械式的开关，不具备带电通断的能力，对于判断为区内故障的保护装置而言，在检测到该侧电流近似为零(微安级)时，即可打开隔离开关形成物理隔离，参考混合式直流断路器拓扑中的快速机械隔离开关设计结构，其动作时间可设为10ms。

在半个周期(10ms)之后，故障线路出线1侧隔离开关已跳开，需要注意的是，即使此时出线1故障线路隔离开关未断开，但该侧晶闸管组处于截止导通状态，回路电阻可视为无穷大，故对出线2进行的操作将不会受到任何影响，在下个故障周期的第一阶段可重新解锁出线2的反并联晶闸管组，故可重复进行出线1单端故障定位与隔离的过程，此后即可进行故障恢复。

4)此时可解锁相应换流器中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考虑最长时间小于75ms。

综上所述，可得保护动作策略时序图如图5所示；测距装置开放逻辑图如图6所示。

本发明所提的测距方法最短只需采集1ms数据窗。在仿真时，综合考虑动作可靠性和工程实际等因素，数据采样频率可取为20kHz。

Claims (3)

1.一种基于控保协同的环形直流微网单端保护方法，主要包括改变VSC的可控元件晶闸管、VSC出口两侧母线出线始端外加的两组反并联晶闸管组的导通控制策略和单端RL故障测距几个部分，步骤如下：

步骤(1)系统检测到发生极间故障时，保护启动并闭锁系统中各换流器VSC、DC/DC中的IGBT，同时闭锁VSC中的可控元件晶闸管以及VSC出口两侧母线出线始端外加反并联晶闸管组，并将VSC中的混合式限流器投入系统运行；

步骤(2)在VSC完成切除所需的时间段内，通过母线差动保护，判断故障是否发生在VSC出口母线处：若是，则在VSC出口两侧线路首端反并联晶闸管闭锁后，打开与VSC出口母线直接相连的两条线路的母线侧的隔离开关；若不是，则在直流线路电流首次过零后，检测VSC出口母线出线始端外加两组晶闸管组闭锁情况：若全部闭锁，则在检测到VSC输出直流电压为正时，解锁VSC母线出线其中一侧反并联晶闸管组以提供故障电流，并将VSC母线出线另一侧反并联晶闸管组一直闭锁；

步骤(3)首先通过VSC出口母线除外的其他各母线自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，则在下个无电流周期内跳开与母线相连线路的快速隔离开关；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，若电流正向则令保护装置启动，并进行单端测距，求出故障距离以区分故障位置；

步骤(4)待出线其中一侧故障测距完成后，再次闭锁该侧反并联晶闸管组，在进入下个半个周期后，该侧反并联晶闸管组自然关断；在检测到VSC输出直流电压为正后，解锁出线另一侧反并联晶闸管组，即出线两侧中未被解锁过的一侧，再次重复(3)中的操作过程，待故障线路两端隔离开关全部跳开后，即实现故障隔离；

步骤(5)在系统实现故障隔离后，可解锁相应换流器VSC、DC/DC，并恢复供电，故障清除，保护复归。

2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，步骤(2)中，VSC完成切除所需的时间段为20ms。

3.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，步骤(3)中，单端测距基于R-L线路模型，R-L线路模型的单端测距方程为：

其中，u,i分别为保护装置采集得到的电压电流，L_u与R_u为线路单位长度电感与电阻，L_m为加装在每条线路首末两端的边界电感值，u_LM为边界电感两端电压，x为故障距离，R_g为过渡电阻；

对于数据窗内采样得到的多组数据，将每组数据带入式(1)中，可得到一组二元一次方程，通过对每一组与其下一个时刻组的两组方程进行联立求解，最终对每次联立所求得的故障距离取平均值，即可解出故障距离以区分故障位置。

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