CN110797847B - 一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法 - Google Patents

一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，首先以中压直流母线为分界对中压直流线路进行区域划分，以直流电压、电流幅值作为保护启动的故障特征量，对故障电流微分量进行状态字定义并利用故障电流状态字的分布情况进行故障类型判定和区域故障定位，迅速断开故障区域两端直流断路器。本发明只需相邻传感器的信息通讯，通讯数据少，传输距离短，可实现直流线路发生单、双极短路时故障的快速切除，适用性较强，可用于多种运行方式下的双端或多端直流配电网。

Description

一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护 方法
技术领域
本发明属于直流配电网继电保护领域，涉及一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，直流配电网凭借其输出谐波小、供电容量大、可靠性高、便于分布式电源接入等优势成为未来城市智能配电的重要发展方向。不同于交流配电网，直流配电网发生故障时故障特征量呈现非周期性、非线性、变化速度快等特点。在保护速动性上，直流配电网要高于交流配电网，极间短路故障后直流侧电容迅速放电，故障电流会在几毫秒内达到峰值，对子模块内的IGBT和二极管造成不可逆的冲击。因此，快速精确的保护措施对于直流配电网的稳定安全运行是十分必要的。但目前直流配电网保护仍处于理论研究阶段，直流保护设备的不完善等因素都对直流配电网保护造成了巨大的制约与挑战。现有的保护方案一般通过断开交流断路器或闭锁换流器隔离故障，势必会带来系统大范围停电的问题，所以研究满足速动性、选择性的直流配电网保护方法是构建直流配电网亟需解决的技术难题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决直流配电网发生极间短路后故障电流迅速上升，幅值高，对IGBT和二极管造成不可逆冲击，以及传统保护方案造成大范围停电的问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，该方法包括以下步骤：
(1)首先对双端直流配电网的直流线路进行区域划分，每个区域线路两端均配备直流断路器、传感器以及通讯装置；
(2)以直流侧电压和电流作为保护启动的特征量，利用低压过流作为保护方案的启动判据，形成保护启动部分，保护判据成立并发出故障信号；
(3)保护启动后，采集每段直流线路两端的故障电流，数据窗长为t1，根据电流微分值形成电流微分状态字，并与相邻的通信装置交换信息，利用故障电流状态字的分布情况进行区域故障定位；
(4)根据故障选极判据进行故障类型的判定，最后利用故障区域定位信息断开相应的直流断路器，实现故障的快速切除。
进一步的，步骤(1)中，所述区域划分规则为以中压直流母线为分界线将直流线路划分成多个区域，每个区域线路两端均配备直流断路器、传感器和通讯装置，电流方向定义为正极线路电流以换流站1流向换流站2为正方向，负极线路电流正方向与正极线路相反。
进一步的，步骤(2)中，所述保护启动判据为：
Figure BDA0002250011100000021
其中，Upos、Uneg分别为换流站1或换流站2中换流器直流出口侧正负极母线对地电压；Idcp、Idcn分别为换流站1或换流站2中换流器直流出口侧正负极电流；Uset、Iset分别为直流电压、电流保护门槛值；Udcbase、Idcbase代表系统正常运行的直流电压、电流稳态值；kU、kI分别为直流电压、电流阈值的比值系数。
进一步的，步骤(3)中，电流微分状态字定义为：
Figure BDA0002250011100000022
其中，idc为直流线路电流；didc为直流线路电流微分值；sgn(idc)为直流线路电流微分状态字；diset1、diset2分别为电流微分状态字判据正负门槛值，dimin为线路末端发生单极接地故障时电流微分在5t1内的最小值；k1和k2为整定系数。
更进一步的，由于电容放电阶段电流曲线为凸函数，在5t1内故障电流还处于上升阶段，此时
Figure BDA0002250011100000023
所以电流微分状态字定义中dimin的表达式为：
Figure BDA0002250011100000024
其中，UC(0)与IL(0)分别为故障时刻桥臂电容电压和直流电流；τ＝2L/R；
Figure BDA0002250011100000025
β＝arctan(ωτ)；
Figure BDA0002250011100000026
R、L和Ceq分别为短路回路等效电阻、电感和电容。
进一步的，步骤(3)中区域故障定位判据为：
Figure BDA0002250011100000031
其中，其中，i1、i2分别为每段直流线路左右两侧电流；sgn(i1)、sgn(i2)分别为每段直流线路左右两侧电流微分状态字。
进一步的，步骤(4)中故障选极判据为：
Figure BDA0002250011100000032
其中，ip1、ip2、in1、in2分别为正负极线路相邻传感器检测到的故障电流。
有益效果：与现有技术相比较，本发明利用电流微分作为暂态特征量，可实现故障的快速切除；通过电流微分状态字的信息交换实现区域故障定位，缩小故障停电范围；本发明不需要太高的采样频率，只需相邻传感器的信息通讯，通讯数据少，传输距离短，通讯要求低。本发明利用系统参数计算电流微分状态字判据门槛值，可实现直流线路发生单、双极短路时故障的快速切除，适用性较强，可用于多种运行方式下的双端或多端直流配电网。
附图说明
图1为双端直流配电网模型；
图2为本发明保护方法整体流程图；
图3为直流线路区域划分图；
图4为本发明具体保护方案流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提出一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，该方法适用于多种运行方式下的双端或多端直流配电网，本实施例中以双端或多端直流配电网为例来进行说明。
图1为双端直流配电网模型，其交流联结变压器采取Δ/Yn接地方式，换流站1(MMC1)与换流站2(MMC2)皆采用基于半桥型拓扑的模块化多电平换流器，一端换流站采用定电压、无功控制，另一端采用定功率控制。中低压直流配电网线路长度一般为数公里，线路分布电容与换流器电容相比可忽略不计，低压直流负荷经DC/DC换流设备接入直流线路。本发明针对的主要保护对象为中压直流母线及直流线路。
如图2所示，一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，包括以下步骤：
(1)首先对双端直流配电网的直流线路进行区域划分，每个区域线路两端均配备直流断路器、传感器以及通讯装置；
本步骤中所述的直流线路区域划分规则如图3所示：其中，CBPL1、CBNL1、CBPR1、CBNR1、CBPL2、CBNL2、CBPR2、CBNR2、CBPL3、CBNL3、CBPR3、CBNR3均为断路器符号；以中压直流母线两两为分界线将直流线路划分成多个区域，各区域线路两端均配备直流断路器、传感器和通讯装置。电流方向定义为：正极线路电流以换流站1流向换流站2为正方向，负极线路电流正方向与正极线路相反。
(2)将直流侧电压和电流作为保护启动的特征量，利用低压过流作为保护启动判据，形成保护启动部分，保护启动判据成立并发出故障信号；
本步骤中保护启动判据可表示如下：
Figure BDA0002250011100000041
其中，Upos、Uneg分别为换流站1或换流站2中换流器直流出口侧正负极母线对地电压；Idcp、Idcn分别为换流站1或换流站2中换流器直流出口侧正负极电流；Uset、Iset分别为直流电压、电流保护门槛值；Udcbase、Idcbase代表系统正常运行的直流电压、电流稳态值，分别为10kV、0.5kA；kU、kI分别为直流电压、电流阈值的比值系数。
低压过流保护原理简单，易于实现。由于直流配电网(直流配电网有多种拓扑结构，双端直流配电网只是其中一种)的故障电流上升速率较大，为保证保护的灵敏性，直流电压阈值的比值系数应按躲过线路末端故障的直流电压整定，直流电流阈值的比值系数需按躲过最大负荷电流整定，即kU和kI一般分别取为0.75和3。
(3)故障信号被系统检测到后以t1(本实施例中t1取0.1ms)的数据窗长采集每段直流线路两端的故障电流，根据电流微分值形成电流微分状态字，并与相邻的通讯装置交换信息，利用电流微分状态字的分布情况进行区域故障定位；
本步骤中通过差分计算电流微分值，并将得到的数值与阈值进行比较，以此转换为电流微分状态字，定义表达式为：
Figure BDA0002250011100000051
其中，idc为直流线路电流；didc为直流线路电流微分值；sgn(idc)为直流线路电流微分状态字；diset1、diset2分别为电流微分状态字判据的正负门槛值，dimin为线路末端发生单极接地故障时电流微分在0.5ms内的最小值。时间段选取的原因是保护启动和区域故障定位能在5t1内实现。k1和k2为整定系数，分别取为0.75和-0.75。
由于电容放电阶段电流曲线为凸函数，在5t1内故障电流还处于上升阶段，此时
Figure BDA0002250011100000052
所以电流微分状态字定义中dimin的表达式为：
Figure BDA0002250011100000053
其中，UC(0)与IL(0)分别为故障时刻桥臂电容电压和直流电流；τ＝2L/R；
Figure BDA0002250011100000054
β＝arctan(ωτ)；
Figure BDA0002250011100000055
R、L和Ceq分别为短路回路等效电阻、电感和电容，本实施例中t1取0.1ms。
由双端直流配电网直流侧故障电流分析可知，若为区域线路故障，则故障线路两端电流变化极性相反，非故障线路或母线两端电流极性相同。若为母线故障，则故障母线两端电流变化极性相反，其余母线或线路两端电流变化极性相同。利用相邻状态字的乘积情况进行区域故障定位，据此可得区域故障定位判据：
Figure BDA0002250011100000056
其中，i1、i2分别为每段直流线路左右两侧电流；sgn(i1)、sgn(i2)分别为每段直流线路左右两侧电流微分状态字。
(4)根据故障选极判据进行故障类型的判定，最后利用故障区域定位信息断开相应的直流断路器，实现故障的快速切除。
上述步骤中电流微分状态字不仅可以进行故障区域定位，还可以用来判断故障极。若发生单极接地故障，则故障极必出现状态字-1。若为极间短路故障，则两极同时存在状态字-1。据此设计故障选极判据如下：
Figure BDA0002250011100000061
其中，ip1、ip2、in1、in2分别为正负极线路相邻传感器检测到的故障电流。
具体的，保护方法流程图如图4所示。首先对直流出口侧电压、电流数据进行一定频率下的实时采集，若满足保护判据式(1)，则启动每段直流线路两端的故障电流信息采集，形成电流微分状态字，并与相邻的传感器交换信息。然后根据区域故障定位判据式(4)进行故障区域定位，若判定为区外故障，则保护复归。如若为区内故障则利用故障选极判据式(5)进行故障类型的判定，为保证保护方案的可靠性，只有当电流微分状态字满足故障选极判据3次时判定直流侧发生故障。最后根据故障区域定位信息断开相应的直流断路器，实现直流系统故障隔离。

Claims (7)

1.一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)首先对双端直流配电网的直流线路进行区域划分，每个区域线路两端均配备直流断路器、传感器以及通讯装置；
(2)以直流侧电压和电流作为保护启动的特征量，利用低压过流作为保护方案的启动判据，形成保护启动部分，保护判据成立并发出故障信号；
(3)保护启动后，采集每段直流线路两端的故障电流，数据窗长为t1，根据电流微分值形成电流微分状态字，并与相邻的通信装置交换信息，利用故障电流状态字的分布情况进行区域故障定位；
(4)根据故障选极判据进行故障类型的判定，最后利用故障区域定位信息断开相应的直流断路器，实现故障的快速切除。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，步骤(1)中，所述区域划分规则为以中压直流母线为分界线将直流线路划分成多个区域，电流方向定义为正极线路电流以换流站1流向换流站2为正方向，负极线路电流正方向与正极线路相反。
3.根据权利要求1所述的一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，步骤(2)中，所述保护启动判据为：
Figure FDA0003096729160000011
其中，Upos、Uneg分别为换流站1或换流站2中换流器直流出口侧正负极母线对地电压；Idcp、Idcn分别为换流站1或换流站2中换流器直流出口侧正负极电流；Uset、Iset分别为直流电压、电流保护门槛值；Udcbase、Idcbase代表系统正常运行的直流电压、电流稳态值；kU、kI分别为直流电压、电流阈值的比值系数。
4.根据权利要求1所述的一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，步骤(3)中，电流微分状态字定义为：
Figure FDA0003096729160000012
其中，idc为直流线路电流；didc为直流线路电流微分值；sgn(idc)为直流线路电流微分状态字；diset1、diset2分别为电流微分状态字判据正负门槛值，dimin为线路末端发生单极接地故障时电流微分在5t1内的最小值；k1和k2为整定系数。
5.根据权利要求4所述的一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，由于电容放电阶段电流曲线为凸函数，在5t1内故障电流还处于上升阶段，此时
Figure FDA0003096729160000021
所以电流微分状态字定义中dimin的表达式为：
Figure FDA0003096729160000022
其中，UC(0)与IL(0)分别为故障时刻桥臂电容电压和直流电流；τ＝2L/R；
Figure FDA0003096729160000023
β＝arctan(ωτ)；
Figure FDA0003096729160000024
R、L和Ceq分别为短路回路等效电阻、电感和电容。
6.根据权利要求1所述的一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，步骤(3)中区域故障定位判据为：
Figure FDA0003096729160000025
其中，i1、i2分别为每段直流线路左右两侧电流；sgn(i1)、sgn(i2)分别为每段直流线路左右两侧电流微分状态字。
7.根据权利要求1所述的一种基于电流微分状态量的双端直流配电网分布式区域保护方法，其特征在于，步骤(4)中故障选极判据为：
Figure FDA0003096729160000026
其中，ip1、ip2、in1、in2分别为正负极线路相邻传感器检测到的故障电流。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112653107A (zh) * 2020-12-14 2021-04-13 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司 一种多端柔性直流配电网的单端量保护方法
CN113970686B (zh) * 2021-10-27 2022-08-30 西南交通大学 基于单端量保护的配电网故障检测方法、系统及定位方法
CN113970685B (zh) * 2021-10-27 2022-08-30 西南交通大学 基于微分分析的配电网故障检测方法、系统及定位方法
CN114384376B (zh) * 2022-03-23 2022-06-24 浙江浙能能源服务有限公司 一种直流配电网故障分类定位方法
CN117175494B (zh) * 2023-11-03 2024-02-06 昆明理工大学 一种柔性直流电网自适应重合闸方法及系统
CN117250441B (zh) * 2023-11-17 2024-01-30 国网四川省电力公司广安供电公司 一种低压配电网故障定位方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106684842A (zh) * 2017-02-15 2017-05-17 东南大学 双端直流配电网保护方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106684842A (zh) * 2017-02-15 2017-05-17 东南大学 双端直流配电网保护方法

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