CN110323726A - 一种直流配电网自适应线路保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种直流配电网自适应线路保护方法及装置，该方法包括：获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；若确定为单极接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作；其中，自适应放大系数与电流I_m1、I_m2以及换流器的额定值关联。本发明的技术方案实现了差动保护在直流配电网发生单极接地故障时准确快速的故障识别和故障选线，保证了直流配电网的安全稳定运行和电力电子设备及直流负载的设备安全。

Description

一种直流配电网自适应线路保护方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种直流配电网自适应线路保护方法及装置。

背景技术

相比于交流配电网，直流配电网具有可以直接接入分布式新能源的优势，并且在输送容量、供电质量、线路损耗等方面具有更好的性能，所以在配用电系统中具有广阔的发展前景。

由于直流配电系统网络拓扑结构复杂，支路繁多，且运行方式多样，在发生故障之后，系统内换流器、分布式电源、电容、储能等都会向短路点提供故障电流，造成故障保护选择性差，定位困难，无法实现故障的快速隔离，使得直流配电网故障自愈能力降低。现有技术，通常会采用直流过流保护和传统差动保护来实现保护快速动作，从而切除故障线路。

但是，直流过流保护方法的整定值选取较为困难，在小电流系统单极短路故障和单极经过渡电阻接地故障时，保护灵敏度很低，保护动作较为困难，并且无法准确进行故障选线；传统差动保护方法直流小电流系统发生单极接地短路后，由于故障电流很小，常规差动保护灵敏度较难准确捕捉故障，若整定值设的较低，会存在由于负荷波动造成保护误动，影响系统正常供电。

发明内容

本发明实施例提供一种直流配电网自适应线路保护方法及装置，以实现差动保护在小电流系统发生单极接地故障时，保护能够准确快速进行故障识别和故障选线并快速启动。

第一方面，本发明实施例提供一种直流配电网自适应线路保护方法，包括：

获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

若确定为单极接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作；其中，所述自适应放大系数与电流I_m1、I_m2以及所述换流器的额定值关联。

第二方面，本发明实施例提供一种直流配电网自适应线路保护装置，包括：

参数获取单元，用于获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

故障确定单元，用于根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

开关控制单元，用于控制在换流器联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

故障线路确定单元，用于根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否启动。

本发明实施例提供的技术方案，通过引入自适应放大系数，能够根据故障后保护获取到的测量电流来确定最终的放大系数，具有放大故障电流特征的作用，提高了差动保护在单极接地故障以及经过渡电阻接地故障时的灵敏度，并且通过差动保护控制联结变压器中性点并联小电阻来提高保护的可靠性，能够快速识别直流配电网各类故障并准确隔离故障线路。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种直流配电网自适应线路保护方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种直流配电网自适应线路保护系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的另一种直流配电网自适应线路保护方法的流程图；

图4为本发明实施例三提供的另一种直流配电网自适应线路保护方法的流程图；

图5为本发明实施例四提供的一种直流配电网自适应线路保护方法的逻辑框图；

图6为本发明实施例五提供的一种直流配电网自适应线路保护装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种直流配电网自适应线路保护方法的流程图，图2为本发明实施例一提供的一种直流配电网自适应线路保护系统的结构示意图，参考图1和图2，该方法可以由直流配电网自适应线路保护装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件来实现，具体包括如下步骤：

步骤110、获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

其中，直流线路的正负极电压U_p、U_n为交流电网电压经换流器整流后直流线路上的正极电压U_p和负极电压U_n。具体的，差动保护装置DP布置于被保护直流线路的两端，通过差动保护装置DP获取正负极电压U_p、U_n和差动保护装置DP安装处的电流I_m1、I_m2，差动保护装置DP可以是包括单片机、电压电流互感器、中间继电器以及开关电源等组成的装置。例如，差动保护装置DP通过电压互感器测量直流线路的正负极电压U_p、U_n，通过电流互感器测量差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2。

步骤120、根据正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

其中，故障类型可以包括正常运行、单极接地故障和非单极接地故障等。具体的，直流配电网在正常运行或非单极接地故障运行时，其直流线路的电压是平衡的，即闭合直流回路中，各装置上的电压向量和与电网电压相等；当直流线路发生单极接地故障时，由于电压的正序分量对负序分量的作用不为零，使电压出现不平衡现象。因此可以根据正负极电压U_p、U_n之间的平衡关系确定直流线路是否发生单极接地故障。

步骤130、若确定为单极接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

其中，单极接地故障是在小电流系统运行方式下，直流配电网的直流侧发生正极或负极接地，造成电流增大。换流器MMC1的输入端与变压器T1的输出端电连接，变压器T1的中性点通过大电阻R_h接地，保证在直流配电网的交流侧呈现高阻状态，使故障电流减小，但是较小的故障电流可能不会被差动保护装置DP检测到，造成差动保护装置DP的误判，需要在发生单极接地故障时在换流器的联结变压器T1中性点大电阻R_h处并联小电阻R1，来提高故障点处的入地电流。

步骤140、根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及是保护是否动作；

具体的，预设关系是一种根据差动电流特性来满足电流与电流整定值之间的关系，自适应放大系数是一数值为正的比例系数，用来放大故障电流，根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数构成的关系式与整定值作比较，确定故障线路。其中故障线路可以在故障区域内或故障区域外，故障区域内是差动保护装置DP保护范围内的区域，故障区域外是差动保护装置DP保护范围以外的区域，若确定故障线路在区域内，则差动保护装置DP动作，切除故障线路；若确定故障线路在区域外，则差动保护装置DP不动作。

其中，自适应放大系数与电流I_m1、I_m2以及所述换流器的额定值关联。

本发明实施例提供的技术方案，通过引入自适应放大系数，能够根据故障后保护获取到的测量电流来确定最终的放大系数，具有放大故障电流特征的作用，提高了差动保护在单极接地故障以及经过渡电阻接地故障时的灵敏度，并且通过差动保护控制联结变压器中性点并联小电阻来提高保护的可靠性，能够快速识别直流配电网各类故障并准确隔离故障线路。

可选的，步骤120具体包括：

若则确定发生单极接地故障；

若则确定发生非单极接地故障；

其中，U_set为电压判据整定值。

具体的，电压判据为正负极电压U_p、U_n与整定值U_set之间的关系，当发生保护装置区域内故障时，通过电压判据可以判断直流配电网是否发生单极接地故障，并启动保护装置以进行后续的判断流程。其中，满足电压判据，差动保护装置就可启动。当电压判据满足时，则可确定直流配电网发生单极接地故障；当电压判据满足时，则可确定直流配电网发生非单极接地故障。

可选的，非单极接地故障包括正常运行和双极短路故障；在确定非单极接地故障之后，还包括：

若确定为正常运行，则差动保护装置DP不动作。

其中，双极短路故障为直流线路的正负两极短路时所发生的故障，当确定故障类型为非单极接地故障之后，可以利用电流特性来进行正常运行和双极短路故障的区分。直流配电网在正常运行时，电流I_m1和I_m2的方向相同，大小也相同，差动保护装置DP不动作，而发生双极短路故障后，电流I_m1和I_m2的方向和大小均发生变化，差动保护装置DP动作，切除故障线路。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的另一种直流配电网自适应线路保护方法的流程图，参考图3，该方法具体包括如下步骤：

步骤210、获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

步骤220、根据正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

其中，故障类型可以包括正常运行、单极接地故障和非单极接地故障等。具体的，直流配电网在正常运行或非单极接地故障运行时，其直流线路的电压是平衡的，即闭合直流回路中，各装置上的电压向量和与电网电压相等；当直流线路发生单极接地故障时，由于电压的正序分量对负序分量的作用不为零，使电压出现不平衡现象。因此可以根据正负极电压U_p、U_n之间的平衡关系确定直流线路是否发生单极接地故障。

非单极接地故障可以是双极短路故障，也可以是正常运行，直流线路的正负两极短路时所发生的故障为双极短路故障，当确定发生非单极接地故障之后，可以利用电流特性来进行正常运行和双极短路故障的区分。直流配电网在正常运行时，电流I_m1和I_m2的方向相同，大小也相同，差动保护装置不动作，而发生双极短路故障后，电流I_m1和I_m2的方向和大小均发生变化，差动保护装置动作，切除故障线路。当电压判据满足时，则可确定直流配电网发生非单极接地故障。

步骤230、若确定为单极接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

步骤240、若则确定为区域内非单极接地故障，若则确定为区域外非单极接地故障；

其中，K_BL1为第一比率制动系数，K_set1为第一动作整定值。

故障线路可以在故障区域内或故障区域外，故障区域内是差动保护装置保护范围内的区域，故障区域外是差动保护装置保护范围以外的区域；

若确定为区域外故障，则保护装置不动作；

若确定为区域内故障，则保护装置动作。

具体的，当差动保护装置根据电压判据确定直流配电网发生非单极接地故障后，启动后续差动保护装置确定故障线路以及保护是否动作的流程。差动保护装置通过第一比率制动系数K_BL1和第一动作整定值K_set1之间的大小关系来确定非单极接地故障的故障线路，例如，当时，则确定故障线路为区域内非单极接地故障，区域内为差动保护的保护范围，差动保护装置动作；当时，则确定故障线路为区域外非单极接地故障，区域外不属于差动保护的保护范围，差动保护装置不动作。

本发明实施例提供的技术方案，通过根据差动电流的特性，比较第一比率制动系数和第一动作整定值之间的大小关系，形成保护判据，并根据该判据确定故障线路以及保护是否动作。实现了双极短路故障电流特性的放大，同时可以避免测量误差引起的装置误动作。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的另一种直流配电网自适应线路保护方法的流程图，参考图4，该方法具体包括如下步骤：

步骤310、获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

步骤320、根据正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

步骤330、若确定为单极接地故障，控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

其中，单极接地故障是在小电流系统运行方式下，直流配电网的直流侧发生正极或负极接地，造成电流增大。换流器的输入端与变压器的输出端电连接，变压器的中性点通过大电阻接地，保证在直流配电网的交流侧呈现高阻状态，使故障电流减小，但是较小的故障电流可能不会被差动保护装置检测到，造成差动保护装置的误判，需要在发生单极接地故障时在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻，来提高故障点处的入地电流。

步骤340、若则确定为区域内单极接地故障，若则确定为区域外单极接地故障；

其中，K_BL3为所述自适应放大系数，K_BL2为第二比率制动系数，K_set2为第二动作整定值。

故障线路可以在故障区域内或故障区域外，故障区域内是差动保护装置保护范围内的区域，故障区域外是差动保护装置保护范围以外的区域，若确定故障线路在区域内，则差动保护装置动作，切除故障线路；若确定故障线路在区域外，则差动保护装置不动作。

具体的，当差动保护装置根据电压判据确定直流配电网发生单极接地故障后，启动后续差动保护装置确定故障线路以及保护是否动作的流程。差动保护装置通过第二比率制动系数K_BL2和第二动作整定值K_set2之间的大小关系来确定非单极接地故障的故障线路，其中引入自适应放大系数K_BL3来放大故障电流特性，例如，若则确定故障线路为区域内单极接地故障，区域内为差动保护的保护范围，差动保护装置动作；若则确定故障线路为区域外单极接地故障，区域外不属于差动保护的保护范围，差动保护装置不动作。

本发明实施例提供的技术方案，通过引入自适应放大系数，将大故障电流特征的进行放大，提高了差动保护在单极接地故障时的灵敏度，并且通过保护控制联结变中性点并联小电阻来提高保护的可靠性。

可选的，步骤330包括：

若确定为单极经过渡电阻接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻，并根据所述差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2来自适应调节自适应放大系数K_BL3。其中，自适应放大系数满足I_N为换流器的额定电流。

其中，过渡电阻为在发生单极接地故障时，接地电流从导线流入大地的通路中所遇到的电阻，例如弧光电阻、接地装置电阻等。具体的，由于直流变压器中性点经高阻接地，故障点处电流很小，难以被保护装置检测到，同时为了减小并联电阻对系统的影响，通过系统一侧换流阀的联结变中性点大电阻处并联小电阻的方式来提高故障点处的入地电流。为了保障直流配电网系统具有较强的抗过渡电阻能力，需根据差动保护装置获取到的测量电流值来自适应选取K_BL3值的大小，自适应放大系数K_BL3与电流I_m1、I_m2以及换流器的额定值关联，例如，通过电流I_m1、I_m2以及换流器的额定值之间的关系，计算出自适应放大系数K_BL3的数值为5.3，则取计算数值范围内的最大整数值为5。

可选的，继续参考图2，步骤330还包括：

小电阻R1与开关S串联，串联后的电路与变压器T1中性点大电阻R_h并联；

控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻，包括：控制开关S闭合。

具体的，当直流配电网系统发生单极经过渡电阻接地故障时，保护启动，通过电压判据确定发生单极接地故障，差动保护装置向开关S发闭合信号，并入小电阻R1，根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系中电流的采样量来自适应改变放大系数K_BL3，然后进入该预设关系形成的判据，若则说明系统发生了区域内单极接地故障，差动保护装置动作，切除故障线路；若则说明系统发生了区域外故障，差动保护装置不动作。

本发明实施例提供的技术方案，通过引入自适应放大系数，具有放大故障电流特征的作用，通过自适应调整放大系数，提高了差动保护在单极经过渡电阻接地故障时的灵敏度，并且通过保护控制联结变中性点并联小电阻来提高保护的可靠性，保证了直流配网的安全稳定运行和电力电子设备及直流负载的设备安全。

实施例四

图5为本发明实施例四提供的一种直流配电网自适应线路保护方法的逻辑框图，参考图5，本实施例提供的直流配电网自适应线路保护方法的具体工作原理如下：

首先基于电压不平衡原理的电压判据可以判断直流配电网是否发生单极接地故障，并启动保护装置以进行后续的判断流程。当电压判据满足时，则可确定直流配电网发生单极接地故障；当电压判据满足时，则可确定直流配电网发生非单极接地故障，保证了在小电流系统下发生单极接地故障时差动保护能够快速启动。然后当确定系统线路发生非单极接地故障时，例如，双极短路故障，根据电流I_m1、I_m2满足的预设关系确定故障线路以及保护是否动作，例如，若则确定为区域内非单极接地故障，保护装置动作，切除故障线路；若则确定为区域外非单极接地故障，保护装置不动作。当确定系统线路发生单极接地故障时，差动保护装置根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系确定故障线路以及保护是否动作，例如，若则确定故障线路为区域内单极接地故障，差动保护装置动作；若则确定故障线路为区域外单极接地故障，差动保护装置不动作。

本发明实施例提供的技术方案，通过引入自适应放大系数，通过电压不平衡来辅助保护启动，稳态下减小比例制动系数、单极故障下放大比例制动系数，提高了差动保护在单极接地故障以及经过渡电阻接地故障时的灵敏度，避免了传统差动保护误动和单极接地故障时灵敏度不足的情况，实现了差动保护的高灵敏度和高可靠性，提高了抗过渡电阻能力。并且通过保护控制联结变压器中性点并联小电阻来提高保护的可靠性，能够快速识别隔离直流配电网各类故障并准确隔离故障线路。

实施例五

图6为本发明实施例五提供的一种直流配电网自适应线路保护装置的结构示意图，参考图6，该直流配电网自适应线路保护装置包括：

参数获取单元41，用于获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

故障确定单元42，用于根据正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

开关控制单元43，用于控制在换流器联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

故障线路确定单元44，用于根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作。

本发明实施例提供的技术方案，通过引入自适应放大系数，能够根据故障后保护获取到的测量电流来确定最终的放大系数，具有放大故障电流特征的作用，提高了差动保护在单极接地故障以及经过渡电阻接地故障时的灵敏度，并且通过差动保护控制联结变压器中性点并联小电阻来提高保护的可靠性，能够快速识别直流配电网各类故障并准确隔离故障线路。

可选的，故障类型确定单元42具体用于：

若则确定发生单极接地故障；

若则确定发生非单极接地故障；

其中，U_set为电压判据整定值。

进一步的，在确定非单极接地故障之后，若确定为正常运行，则差动保护装置不动作。

可选的，开关控制单元43具体用于：控制与小电阻串联的开关闭合，串联后的电路与变压器中性点大电阻并联。

可选的，故障点位置确定单元44具体用于：

若则确定为区域内非单极接地故障；

若则确定为区域外非单极接地故障；

其中，K_BL1为第一比率制动系数，K_set1为第一动作整定值。

若则确定为区域内单极接地故障；

若则确定区域外单极接地故障；

其中，K_BL3为所述自适应放大系数，K_BL2为第二比率制动系数，K_set2为第二动作整定值。

本发明实施例所提供的直流配电网自适应线路保护装置可执行本发明任意实施例所提供的直流配电网自适应线路保护方法，具备执行该方法相应的功能单元和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种直流配电网自适应线路保护方法，其特征在于，包括：

获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

若确定为单极接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作；其中，所述自适应放大系数与电流I_m1、I_m2以及所述换流器的额定值关联。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障，包括：

若则确定发生单极接地故障；

若则确定发生非单极接地故障；

其中，U_set为电压判据整定值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非单极接地故障包括正常运行和双极短路故障；在确定非单极接地故障之后，还包括：

若确定为正常运行，则所述差动保护装置不动作。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作，包括：

若则确定为区域内非单极接地故障；

若则确定为区域外非单极接地故障；

其中，K_BL1为第一比率制动系数，K_set1为第一动作整定值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作，包括：

若则确定为区域内单极接地故障；

若则确定为区域外单极接地故障；

其中，K_BL3为所述自适应放大系数，K_BL2为第二比率制动系数，K_set2为第二动作整定值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自适应放大系数满足其中I_N为换流器的额定电流。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障之后，还包括：

若确定为单极经过渡电阻接地故障，则控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻，并根据所述差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2来自适应调节所述放大系数K_BL3。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作，还包括：

若确定为区域外故障，则保护装置不动作；

若确定为区域内故障，则保护装置动作。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小电阻与开关串联，串联后的电路与所述变压器中性点大电阻并联；

所述控制在换流器的联结变压器中性点大电阻处并联小电阻，包括：

控制所述开关闭合。

10.一种直流配电网自适应线路保护装置，其特征在于，包括：

参数获取单元，用于获取直流线路的正负极电压U_p、U_n和差动保护装置安装处的电流I_m1、I_m2；

故障确定单元，用于根据所述正负极电压U_p、U_n，确定是否发生单极接地故障；

开关控制单元，用于控制在换流器联结变压器中性点大电阻处并联小电阻；

故障线路确定单元，用于根据电流I_m1、I_m2以及自适应放大系数满足的预设关系，确定故障线路以及保护是否动作。