CN110672972B - 一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法 - Google Patents

一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电力系统自动化继电保护技术领域的一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法。该方法是基于电流过零检测原理的全桥子模块型(FBMMC)柔性直流配电网络故障定位和隔离方法，该方法利用故障线路两端保护测量的电流不同时过零、同时过零或不过零的特征，实现对柔性直流配电网双极短路故障的快速、准确定位。通过标记为线路两端电流未同时过零的机械开关，实现故障线路的快速隔离，该方法通过线路两端通信判别故障区域，不需要以故障限流器为保护边界，可靠性高，能够保护线路全长；保护原理简单，判断条件易于实现，保护动作迅速；利用全桥子模块自清除故障电流，实现对双极短路故障的清除、隔离。

Description

一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法
技术领域
本发明属于电力系统自动化继电保护技术领域，特别涉及一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法。
背景技术
当今电力系统，已经由小型网络逐渐发展为大型、超大型网络，但它却带来一系列问题，如网络拓扑结构和电力系统的运行变得更为复杂等，为了解决这些问题，直流配电网络成为电力科学家们研究的热点；柔性直流配电网络不仅能够接入分布式新能源，而且能够连接各个独立运行的微网，传输容量和稳定性相较于交流电网都有了质的飞跃。柔性直流配电网络的发展经历了电网换向换流器(LCC)，电压源型换流器(VSC)，半桥多电平子模块换流器(HBMMC)以及全桥多电平子模块换流器(FBMMC)。其中，FBMMC的运行性能最好，不仅能够实现电网有功功率和无功功率的独立控制，而且能够自清除故障电流。
目前，国内外对于柔性直流配电网络保护的研究多集中于电压源型换流器(VSC)和半桥型多电平子模块换流器(HBMMC)上，主要策略是以故障限流器为保护边界，利用直流断路器清除故障。李猛等老师(李猛，贾科等.适用于直流配电网的测距式保护[J].电网技术，2016)针对VSC结构的柔性直流配电网络，提出了新型测距式保护，其原理是一种改进的R-L算法，利用故障限流器的电压计算故障电流的导数，并通过迭代计算得出故障点距离。但是此方法需要以故障限流器为保护边界，驱动直流断路器切除故障；李斌等老师(李斌,何佳伟,李晔,欧逸哲.基于边界特性的多端柔性直流配电系统单端量保护方案[J].中国电机工程学报,2016)则提出了一种多端柔性直流配电系统的单端量保护：利用故障限流器的电流变化率判断方向并通过小波变换提取高频分量定位区内区外故障。此方法针对VSC柔性直流配电网络，同样需要以故障限流器为边界；J.Zhang等老师(J.Zhang,G.Zou,Z.Xie,H.Sui and C.Sun,"A fast non-unit line protection strategy for the MMC-basedMTDC grid,"2017IEEE Conference on Energy Internet and Energy SystemIntegration(EI2),Beijing)针对多端直流网络中故障电气量增长迅速的问题，提出了一种快速非单元线路保护策略：利用正极负极电流变化率的差值大小定位故障线路，利用正负极电压幅值的比值判断接地极点，最终使用直流断路器断开故障线路。此方法则依赖直流断路器切除故障；汤兰西等老师(汤兰西,董新洲,施慎行,孔明,邱宇峰.柔性直流电网线路超高速行波保护原理与实现[J].电网技术,2018)面对电气量增长迅速的问题，根据故障行波特征提出了全新的保护策略：利用离散小波变换提取行波的模极大值，只有正方向发生短路故障时出现模极大值。但是这种方法不适用于短线路的配电网络之中，而且也需要故障限流器作为保护边界。
上述国内外研究现状表明，目前针对柔性直流配电网络保护的研究，绝大部分基于VSC或HBMMC。由于故障限流器可以给保护提供明确的保护边界，降低故障的快速准确定位的难度，故目前的保护方法都是以故障限流器为保护边界，利用故障限流器明确区分区内区外故障，并最终利用直流断路器断开故障线路。
因此，亟需发明针对FBMMC的柔性直流配电系统的保护方式，充分利用FBMMC自清除故障电流的特点，不使用直流断路器，简单、经济、可靠、快速地定位和隔离故障线路。同时，此发明应能够不以故障限流器为保护边界，完成故障快速准确定位的任务，并且能够应用于辐射形拓扑结构、手拉手拓扑结构甚至环形拓扑结构等多种拓扑结构的直流网络。
发明内容
本发明的目的是提出一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法，其特征在于，该方法是基于电流过零检测原理的全桥子模块FBMMC的柔性直流配电网络故障定位和隔离方法；主要是在保护监测时间间隔内，故障线路两端保护测量的电流不会同时过零，非故障线路两端测量的电流同时出现过零或不过零，依据这一差异实现对柔性直流配电网双极短路故障的快速、准确定位。该方法的具体如下步骤：
步骤一：测量正常运行状态下的电流；
步骤二：发生短路故障，保护开关启动后，实时监测流过开关的电流；
步骤三：通过微机保护连续的5个采样值判断是否出现过零现象，并记录过零时间；
步骤四：线路两端通信标记保护监测时间间隔0.1ms内电流不同时过零的机械开关；
步骤五：换流站子模块在达到正常负荷电流的两倍时闭锁，由于全桥子模块闭锁后提供反向电动势，因此故障电流迅速下降为0。当直流电网中的故障电流消失后，步骤四标记的开关断开；
步骤六：故障线路两端机械开关断开之后，故障线路已被成功隔离；此时各换流站解锁已闭锁的全桥子模块，将其重新投入，在正常运行控制条件下进行可控充电，直到直流系统电压恢复额定值，整个系统恢复正常运行。
所述步骤一，测量正常运行状态下的电流具体包括：
1.1，定义全桥子模块柔性直流配电网络，
四端直流配电网络包括：线路L1左端为第一全桥MMC换流器、AC/DC转换器、交流系统和S1开关、S3开关构成的第一直流配电网络；线路L1右端为第二全桥MMC换流器、AC/DC转换器、交流系统和S2开关、S5开关构成的第二直流配电网络；线路L2上端是第一直流配电网络；线路L2下端是DAB变换器、DC/DC转换器同时连接光伏电源、直流负荷，并和S4开关连接构成的第三直流配电网络；线路L3上端是第二直流配电网络；线路L3下端是交流系统、直流负荷同时连接第三全桥MMC换流器和AC/DC转换器，并和S6开关连接构成的第四直流配电网络；S1～S6表示直流线路机械开关；系统中不安装直流断路器及故障限流器；
1.2，定义系统电流方向，由母线指向线路为正，系统正常运行状态时，系统电流从第四直流配电网络经过S6开关、线路L3流向S5开关，直达第二直流配电网络；以后第二直流配电网络经过S2开关、线路L1、S1开关到第一直流配电网络；再从第一直流配电网络经S3、线路L2、S4开关到第三直流配电网络，电流方向如图中虚线箭头所示，在非正常运行状态时，电流方向与上述系统正常运行时不一致，如图中实线箭头所示；由此可定义机械开关的状态Sn，n＝1,2,3……,N，N为机械开关数，此处选取N＝6：
Figure BDA0002195716960000041
在正常运行下各开关状态：S1＝-1，S2＝+1，S3＝+1，S4＝-1，S5＝-1，S6＝+1；
所述步骤二，发生短路故障，保护启动后，实时监测流过开关的电流；
设F1，F2，F3分别为三种不同的短路位置；保护监测时间间隔为0.1ms；
所述步骤三、步骤四具体是在保护监测时间间隔内，测量通过开关的电流判断机械开关的状态Sn；是否出现过零现象，并记录过零时间；以及线路两端通信标记保护监测时间间隔0.1ms内电流不同时过零的机械开关；包括：
3.1，F1位置发生双极短路故障时，电流方向与上述系统正常运行时相反；此时各开关状态为：S1＝+1，S2＝+1，S3＝-1，S4＝+1，S5＝-1，S6＝+1；与正常运行条件下的开关状态比较可知：S1开关，S3开关，S4开关的测量电流发生了过零现象，而S2开关，S5开关，S6开关测量电流没有过零，而且在保护监测时间间隔内S3开关，S4开关的测量电流均过零；则认为此时S3开关，S4开关同时过零，即线路L1内部发生故障时，线路L1两端的机械开关电流不同时过零，线路L2两端的机械开关电流同时过零，线路L3两端的机械开关电流均不过零；
3.2，F2位置发生双极短路故障时，各开关状态分别为：S1＝-1，S2＝+1，S3＝+1，S4＝+1，S5＝-1，S6＝+1；与正常条件下的开关状态比较可知：S4开关的测量电流发生过零现象，S1开关，S2开关，S3开关，S5开关，S6开关测量电流没有过零；即线路L2内部发生故障时，线路L1，L3两端机械开关电流均不过零，线路L2两端的机械开关电流不同时过零；
3.3，F3位置发生双极短路故障时，各开关状态为：S1＝+1，S2＝-1，S3＝-1，S4＝+1，S5＝+1，S6＝+1；与正常条件下的开关状态比较可知：S1开关，S2开关，S3开关，S4开关，S5开关的测量电流发生了过零现象，S6开关测量电流没有过零，而且同一线路两端机械开关S1开关，S2开关和S3开关，S4开关的测量电流在保护监测时间间隔内均发生过零现象，认为此时S1开关，S2开关的测量电流同时过零，S3开关，S4开关的测量电流同时过零；即线路L3内部发生故障时，线路L1，线路L2两端机械开关电流均同时过零，线路L3两端的机械开关电流不同时过零；
依据上述结果，得出当故障线路两端的某一S开关状态与正常条件下的开关状态比较，如果其符号相同时，该开关在保护测量的电流不过零；如果其符号不相同时，该开关在保护测量的电流过零或不同时过零；而非故障线路两端保护测量的电流同时出现过零或不过零的差异，从而实现故障线路的定位。
所述柔性直流配电网络的故障的隔离，从上述仿真结果可以看出，在不以故障限流器为保护边界，正确区分区内和区外故障，并通过保护装置连续5个采样时间间隔内的持续确认故障线路，由此躲过干扰的影响，最终利用FBMMC自清除故障电流的特性，断开故障线路，实现故障区域的快速定位和隔离。
所述步骤二保护装置启动后，实时监测流过开关的电流，该保护装置启动后，线路两端安装的保护装置首先获取机械开关处的电流值I,并且持续检测是否在连续5个采样时间间隔内出现了过零现象，如果出现过零现象，则向对端保护装置发送高电平信号1，否则向对端保护装置发送低电平信号0，并且继续检测电流是否过零；当本侧保护装置在0.1ms内接收到对端的信号后，根据本侧信号和对侧信号的相互关系，判定出开关是否应该动作，若开关应动作，则标记本侧开关；若不应动作，则保护装置退出，防止误动。
本发明的有益效果是该方法不需要直流断路器和故障限流器，能够利用故障线路两端保护测量的电流不同时过零而非故障线路两端测量的电流同时过零或不过零的特征，实现对柔性直流配电网双极短路故障的快速、准确定位。通过标记为线路两端电流未同时过零的机械开关，实现故障线路的快速隔离。在方案的具体实现中，为防止雷击等干扰可能引起的误动作，躲过干扰的影响。实现过零检测信号的最终确认。该方法通过线路两端通信判别故障区域，不需要以故障限流器为保护边界，可靠性高，能够保护线路全长；保护原理简单，判断条件易于实现，保护动作迅速；利用全桥子模块(FBSM)自清除故障电流，不需要故障限流器和直流断路器，经济性好；适用于多种拓扑结构。
附图说明
图1是四端柔性直流配电系统手拉手拓扑结构图。
图2是四端柔性直流配电系统环形拓扑结构图。
图3是F1点故障时各机械开关测量的电流波形。
图4是F2点故障时各机械开关测量的电流波形。
图5是F3点故障时各机械开关测量的电流波形。
图6是保护原理流程图。
具体实施方式
本发明提出一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法，该方法是基于电流过零检测原理的全桥子模块FBMMC的柔性直流配电网络故障定位和隔离方法；主要是在保护监测时间间隔内，故障线路两端保护测量的电流不会同时过零，非故障线路两端测量的电流同时出现过零或不过零，依据这一差异实现对柔性直流配电网双极短路故障的快速、准确定位。
下面结合说明书附图，对本发明的具体实施步骤作出详细说明：
首先，本发明在不以故障限流器为保护边界，不用直流断路器切除故障电流的前提下，提出了一种基于电流过零检测原理的柔性直流配电网络的故障定位和隔离方法，该方法的具体过程为：
步骤一：测量正常运行状态下的电流；
步骤二：发生短路故障，保护启动后，实时监测流过开关的电流；
步骤三：通过微机保护连续的5个采样值判断是否出现过零现象，并记录过零时间；
步骤四：线路两端通信标记保护监测时间间隔0.1ms内电流不同时过零的机械开关；
步骤五：换流站子模块在达到正常负荷电流的两倍时闭锁，由于全桥子模块闭锁后提供反向电动势，因此故障电流迅速下降为0。当直流电网中的故障电流消失后，步骤四标记的开关断开；
步骤六：故障线路两端机械开关断开之后，故障线路已被成功隔离。此时各换流站解锁已闭锁的全桥子模块，将其重新投入，在正常运行控制条件下进行可控充电，直到直流系统电压恢复额定值，整个系统恢复正常运行。
其次，为正确定位区内区外故障，下面进一步通过一具体实施例予以说明。
图1为四端柔性直流配电网络手拉手拓扑结构，四端直流配电网络包括：线路L1左端为第一全桥MMC换流器、AC/DC转换器、交流系统和S1开关、S3开关构成的第一直流配电网络；线路L1右端为第二全桥MMC换流器、AC/DC转换器、交流系统和S2开关、S5开关构成的第二直流配电网络；线路L2上端是第一直流配电网络；线路L2下端是DAB变换器、DC/DC转换器同时连接光伏电源、直流负荷，并和S4开关连接构成的第三直流配电网络；线路L3上端是第二直流配电网络；线路L3下端是交流系统、直流负荷同时连接第三全桥MMC换流器和AC/DC转换器，并和S6开关连接构成的第四直流配电网络；S1～S6表示直流线路机械开关；系统中不安装直流断路器及故障限流器；
图中正常运行时的电流方向为由母线指向线路为正，系统正常运行状态时，系统电流从第四直流配电网络经过S6开关、线路L3流向S5开关，直达第二直流配电网络；以后第二直流配电网络经过S2开关、线路L1、S1开关到第一直流配电网络；再从第一直流配电网络经S3、线路L2、S4开关到第三直流配电网络，电流方向如图中虚线箭头所示，在非正常运行状态时，电流方向与上述系统正常运行时不一致，如图中实线箭头所示；由此可定义机械开关的状态Sn，n＝1,2,3……,N，N为机械开关数，此处选取N＝6：
Figure BDA0002195716960000081
在正常运行下各开关状态：S1＝-1，S2＝+1，S3＝+1，S4＝-1，S5＝-1，S6＝+1；
所述步骤二，发生短路故障，保护启动后，实时监测流过开关的电流；
图1中，F1表示线路L1中点发生双极短路,F2表示线路L2中点发生双极短路,F3表示线路L3中点发生双极短路；若取故障时刻t＝0s，采样时间间隔0.1ms。仿真结果如图3所示；F1处故障时各机械开关电流波形，从图中可以看出，在连续5个采样时间间隔内，S1开关，S3开关，S4开关的测量电流发生了过零现象，且S3开关，S4开关测量电流的过零点几乎重合，从而认为此时S3开关，S4开关的测量电流同时过零。而S2开关，S5开关，S6开关的测量电流没有过零。因此选取线路L1为故障线路。
图2所示的环形拓扑，在第三直流配电网络与第四直流配电网络之间用线路L及其两端的S7开关，S8开关连接成环形拓扑直流配电网络；具体仿真结果与上述相同，其中F1处故障时各机械开关电流波形，从图3中可以看出，在连续5个采样时间间隔内，S1开关，S3开关，S4开关的测量电流发生了过零现象，且S3开关，S4开关测量电流的过零点几乎重合，从而认为此时S3开关，S4开关的测量电流同时过零。而开关S2开关，S5开关，S6开关的测量电流没有过零，因此选取线路L1为故障线路。仿真结果如图4所示，在F2处故障时各机械开关电流波形，从图中可以看出，在连续5个采样时间间隔内，开关S4的测量电流过零，而S1开关，S2开关，S3开关，S5开关，S6开关的测量电流没有发生过零现象。因此选取L2为故障线路。
在F3位置发生双极短路故障时，各开关状态为：S1＝+1，S2＝-1，S3＝-1，S4＝+1，S5＝+1，S6＝+1；与正常条件下的开关状态比较可知：S1开关，S2开关，S3开关，S4开关，S5开关的测量电流发生了过零现象，S6开关测量电流没有过零，而且同一线路两端机械开关S1开关，S2开关和S3开关，S4开关的测量电流在保护监测时间间隔内均发生过零现象，认为此时S1开关，S2开关的测量电流同时过零，S3开关，S4开关的测量电流同时过零；即线路L3内部发生故障时，线路L1，线路L2两端机械开关电流均同时过零，线路L3两端的机械开关电流不同时过零；仿真结果如图5所示为F3处故障时各机械开关电流波形，从中可以看出，在连续5个采样时间间隔内，开关S1，S2，S3，S4，S5的测量电流发生了过零现象，开关S6的测量电流没有过零，而且同一线路两端机械开关S1，S2和S3，S4的测量电流过零点几乎重合，从而认为此时S1，S2的测量电流同时过零，S3，S4的测量电流同时过零。因此选取L3为故障线路。
由此可以得到如图6所示的基于电流过零检测原理的柔性直流配电网络故障定位和隔离方法的整体流程图。从图6中可知，保护装置启动后，线路两端安装的保护装置首先获取机械开关处的电流值I,并且持续检测是否在连续5个采样时间间隔内出现了过零现象，如果出现过零现象，则向对端保护装置发送高电平信号1，否则向对端保护装置发送低电平信号0，并且继续检测电流是否过零；当本侧保护装置在0.1ms内接收到对端的信号后，根据本侧信号和对侧信号的相互关系，判定出开关是否应该动作，若开关应动作，则标记本侧开关；若不应动作，则保护装置退出，防止误动。
从上述仿真结果可以看出，本发明所提出的一种基于电流过零检测原理的柔性直流配电网络的故障定位方法和隔离方法，能够不以故障限流器为保护边界，正确区分区内和区外故障，并通过保护装置连续5个采样时间间隔内的持续确认故障线路，躲过干扰的影响，最终利用FBMMC自清除故障电流的特性，断开故障线路，实现故障区域的快速定位和隔离。

Claims (3)

1.一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法，其特征在于，首先确定柔性直流配电网络为：四端直流配电网络包括：线路L1左端为第一全桥MMC换流器、AC/DC转换器、交流系统和S1开关、S3开关构成的第一直流配电网络；线路L1右端为第二全桥MMC换流器、AC/DC转换器、交流系统和S2开关、S5开关构成的第二直流配电网络；线路L2上端是第一直流配电网络；线路L2下端是DAB变换器、DC/DC转换器同时连接光伏电源、直流负荷，并和S4开关连接构成的第三直流配电网络；线路L3上端是第二直流配电网络；线路L3下端是交流系统、直流负荷同时连接第三全桥MMC换流器和AC/DC转换器，并和S6开关连接构成的第四直流配电网络；S1～S6表示直流线路机械开关；系统中不安装直流断路器及故障限流器；
其次，该方法是基于电流过零检测原理的全桥子模块FBMMC的柔性直流配电网络故障定位和隔离方法；主要是在保护监测时间间隔内，故障线路两端保护测量的电流不会同时过零，非故障线路两端测量的电流同时出现过零或不过零，依据这一差异实现对柔性直流配电网双极短路故障的快速、准确定位和隔离；该方法的具体如下步骤：
步骤一：测量正常运行状态下的电流；
步骤二：发生短路故障，保护装置启动后，实时监测流过机械开关Sn的电流；首先定义系统电流方向，由母线指向线路为正，系统正常运行状态时，系统电流从第四直流配电网络经过S6开关、线路L3流向S5开关，直达第二直流配电网络；以后第二直流配电网络经过S2开关、线路L1、S1开关到第一直流配电网络；再从第一直流配电网络经S3、线路L2、S4开关到第三直流配电网络；在非正常运行状态时，电流方向与上述系统正常运行时不一致；上述机械开关Sn，n＝1,2,3……,N，N为机械开关数，此处选取N＝6；
机械开关Sn的状态：
Figure FDA0002986036220000011
在正常运行下各开关状态：S1＝-1，S2＝+1，S3＝+1，S4＝-1，S5＝-1，S6＝+1；
步骤三：通过微机保护连续的5个采样值判断是否出现过零现象，并记录过零时间；线路两端通信标记保护监测时间间隔0.1ms内电流不同时过零的机械开关；包括：
3.1，F1位置发生双极短路故障时，电流方向与上述系统正常运行时不一致；此时各开关状态为：S1＝+1，S2＝+1，S3＝-1，S4＝+1，S5＝-1，S6＝+1；与正常运行条件下的开关状态比较可知：S1开关，S3开关，S4开关的测量电流发生了过零现象，而S2开关，S5开关，S6开关测量电流没有过零，而且在保护监测时间间隔内S3开关，S4开关的测量电流均过零；则认为此时S3开关，S4开关同时过零，即线路L1内部发生故障时，线路L1两端的机械开关电流不同时过零，线路L2两端的机械开关电流同时过零，线路L3两端的机械开关电流均不过零；
3.2，F2位置发生双极短路故障时，各开关状态分别为：S1＝-1，S2＝+1，S3＝+1，S4＝+1，S5＝-1，S6＝+1；与正常条件下的开关状态比较可知：S4开关的测量电流发生过零现象，S1开关，S2开关，S3开关，S5开关，S6开关测量电流没有过零；即线路L2内部发生故障时，线路L1，L3两端机械开关电流均不过零，线路L2两端的机械开关电流不同时过零；
3.3，F3位置发生双极短路故障时，各开关状态为：S1＝+1，S2＝-1，S3＝-1，S4＝+1，S5＝+1，S6＝+1；与正常条件下的开关状态比较可知：S1开关，S2开关，S3开关，S4开关，S5开关的测量电流发生了过零现象，S6开关测量电流没有过零，而且同一线路两端机械开关S1开关，S 2开关和S3开关，S4开关的测量电流在保护监测时间间隔内均发生过零现象，认为此时S1开关，S2开关的测量电流同时过零，S3开关，S4开关的测量电流同时过零；即线路L3内部发生故障时，线路L1，线路L2两端机械开关电流均同时过零，线路L3两端的机械开关电流不同时过零；
依据上述结果，得出当故障线路两端的某一开关状态与正常条件下的开关状态比较，如果其符号相同时，该开关在保护测量的电流不过零；如果其符号不相同时，该开关在保护测量的电流过零；从而实现故障线路的定位；
步骤四：换流站子模块在达到正常负荷电流的两倍时闭锁，由于全桥子模块闭锁后提供反向电动势，因此故障电流迅速下降为0；当直流电网中的故障电流消失后，步骤三标记的开关断开；
步骤五：故障线路两端机械开关断开之后，故障线路已被成功隔离，此时各换流站解锁已闭锁的全桥子模块，将其重新投入，在正常运行控制条件下进行可控充电，直到直流系统电压恢复额定值，整个系统恢复正常运行。
2.根据权利要求1所述一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法，其特征在于，所述柔性直流配电网络的故障的隔离，在不以故障限流器为保护边界，正确区分区内和区外故障，并通过保护装置连续5个采样时间间隔内的持续确认故障线路，由此躲过干扰的影响，最终利用FBMMC自清除故障电流的特性，断开故障线路，实现故障区域的快速定位和隔离。
3.根据权利要求1所述一种柔性直流配电网络故障定位和隔离方法，其特征在于，所述步骤二保护装置启动后，实时监测流过开关的电流，该保护装置启动后，线路两端安装的保护装置首先获取机械开关处的电流值I,并且持续检测是否在连续5个采样时间间隔内出现了过零现象，如果出现过零现象，则向对端保护装置发送高电平信号1，否则向对端保护装置发送低电平信号0，并且继续检测电流是否过零；当本侧保护装置在0.1ms内接收到对端的信号后，根据本侧信号和对侧信号的相互关系，判定出开关是否应该动作，若开关应动作，则标记本侧开关；若不应动作，则保护装置退出，防止误动。
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