CN110912089A

CN110912089A - 基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法

Info

Publication number: CN110912089A
Application number: CN201911173682.5A
Authority: CN
Inventors: 郑涛; 吕文轩; 吴琼
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: CN110912089B

Abstract

本发明给出一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统故障定位和隔离方法，该方法从仿真结果可以看出，仅利用换流站本地测量电流信息，能够不依赖换流站间的通信，充分利用全桥换流站主动控制直流短路电流的优势，主动控制直流短路电流，进而根据换流站本地测量电流变化量的极性，通过阶梯型的时限配合实现对柔性直流配电网短路故障的准确定位和隔离；确保线路电流突变量极性变化检测的正确性。故障持续期间短路电流较小，直流配电网不会断电，供电可靠性高；且能够保护线路全长；能够在直流配电网站间通信系统失灵情况下，可靠地切除直流侧短路故障，且适用于多端以及环形、辐射形等多种拓扑结构的柔性直流配电网。

Description

基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法

技术领域

本发明属于电力系统自动继电保护技术领域，特别涉及一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法。

背景技术

各种可再生能源电源和电动汽车等直流负荷的迅速发展，以及电力电子技术的进步，使得直流电网成为当下的研究热点。相较于交流配电网，柔性直流配电网在接入分布式新能源和直流负荷时，能量损耗和对设备的要求都有一定程度的降低，因此，柔性直流配电网在当前形势下具有广阔的发展前景。然而，受限于直流断路器的容量、价格以及相关保护技术的缺乏，柔性直流配电网目前仍处于试验发展阶段。

国内外对于柔性直流配电网保护的研究多集中于半桥型多电平子模块换流器(HBMMC)和全桥型多电平子模块换流器(FBMMC)上，其保护策略分别为：HBMMC和直流断路器配合；FBMMC和高速直流开关配合。J.Zhang等(J.Zhang,G.Zou,Z.Xie,H.Sui and C.Sun,"Afast non-unit line protection strategy for the MMC-based MTDC grid,"2017IEEEConference on Energy Internet and Energy System Integration(EI2),Beijing)针对多端直流电网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，通过电流变化率检测到故障之后，迅速使用直流断路器在半桥换流站闭锁前断开故障线路；戴志辉等(戴志辉,葛红波,陈冰研,焦彦军,王增平.柔性中压直流配电网线路保护方案[J].电力系统自动化,2017,41(17):78-86)利用换流站间的通信比较线路两端电气量的差异定位故障线路，最终通过直流断路器实现故障的隔离。以上两种策略均对直流断路器开断容量和动作速度提出了较高的要求。Shuoting Zhang等(Shuoting Zhang,Yalong Li,FredWang."Impact of DC Fault in Multi-terminal DC Grid on Connected AC SystemStability",2017IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,January,pp:2651-2658)在文章中综述了当前解决直流侧短路故障的方法，对比分析了基于直流断路器的保护策略和基于全桥换流站闭锁清除故障的保护策略。然而，此文献与目前发表的大多数文献均是利用全桥换流站的闭锁实现短路电流的抑制，没有充分挖掘其主动控制短路电流的优势。

上述国内外研究现状表明，目前针对柔性直流配电网保护的研究，大多数均以换流站间的可靠通信为前提，故障线路的识别依赖于换流站间的信息交换。对于半桥换流站，必须利用能够开断较大短路电流的直流断路器在换流站闭锁前断开故障线路；对于全桥换流站，目前的保护方案仅利用其闭锁后提供反电动势的能力实现短路电流的自清除，故障消失后仍需要经过换流站解锁充电的过程才能使系统正常运行。

为了提供一种站间通信系统失灵情况下多端直流配电系统可靠的后备保护，填补柔性直流配电系统基于本地量保护的缺陷，因此，亟需一种新型的柔性直流配电系统保护方案，使得换流站间的通信系统失灵时，网络中的短路故障仍能被可靠定位和隔离，并且充分利用FBMMC主动控制短路电流的优势，在故障持续期间保证直流配电网不发生过流和停电现象。同时，此发明应能够保证换流站不闭锁穿越故障，并在故障切除后迅速恢复到正常运行状态。显然，该发明不应仅局限于某一特定拓扑结构的柔性直流配电系统，在各种不同拓扑、不同负荷类型的柔性直流配电网中都有一定的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，该方法利用阶梯型时限配合关系，实现不同位置的保护装置的选择性动作；在故障持续期间，流过故障线路两侧断路器的电流突变量极性始终为正，而流过非故障线路两侧断路器的电流突变量极性在直流电网电流变化时会出现负值的差异，根据这一明显差异，采用闭锁非故障线路的断路器保护，保证故障线路两侧保护的可靠动作；包括以下步骤：

步骤一：实时监测系统电压；

步骤二：系统发生短路故障后，依据电压变化将换流站切换为主动限流控制并启动断路器进行保护；各断路器实时监测自身流过电流变化量的极性；经延时确保直流电网电流稳定后，在固定的一端换流站增大注入直流电网的电流；

步骤三：通过各断路器实时监测自身流过电流变化量的极性，判断电流突变量极性是否为负，若为负则断路器闭锁自身的保护，防止误动；

步骤四：保护未闭锁的断路器依照预先设定的延时时间动作，延时期间持续监测自身流过电流变化量的极性，并进行步骤三的操作；

步骤五：经过一系列电流突变量极性判断和一段延时过程，故障线路两端的断路器正确动作，成功实现故障的定位和隔离；

步骤六：故障清除后，系统电压上升，换流站切换为故障后恢复的控制模式，电网恢复正常运行。

所述步骤一实时监测系统电压，首先定义系统为全桥子模块柔性直流配电系统；具体为四端直流配电网(如图1所示，)交流系统和直流系统之间由全桥MMC连接，CB₁₂、CB₁₄、CB₂₁、CB₂₃、CB₃₂、CB₃₄、CB₄₁和CB₄₃₁为网络中配置的直流断路器，即保护装置；均根据负荷电流大小选取开断容量、动作延时时间(如图2所示)；

其次定义在固定的一端换流站MMC1为线路首端增大注入电流的换流站，F₁为网络中的故障位置；其次定义Bus₁,Bus₂,Bus₃,Bus₄代表直流母线，L₁,L₂,L₃,L₄代表直流线路；由母线指向线路为正方向；电流突变量极性的检测在换流站切换为主动限流控制后启动；

所述系统发生短路故障后，依据电压变化将换流站切换为主动限流控制并启动断路器进行保护，依据电压启动判据探测到系统中发生故障之后，各换流站均切换到主动限流控制，输出负荷电流I，并启动各断路器进行保护和检测断路器电流突变量的极性,即执行第一阶段保护。

所述在固定的一端换流站增大注入直流电网的电流，从MMC1额外注入电流ΔI，I从CB₁₂分别流向故障点：第一路从CB₁₂经过线路L₁、CB₂₁、CB₂₃到线路L₂上的故障点F₁；第二路从CB₁₄经过线路L₄、CB₄₁、CB₄₃、L₃、CB₃₄、CB₃₂到线路L₂上的故障点F₁，此处线路发生故障；电流突变量的流动方向是根据定义由母线指向线路为正方向，断路器CB₂₁,CB₄₁,CB₃₄检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁；即执行第二阶段保护；

所述保护未闭锁的断路器依照预先设定的延时时间动作，延时期间持续监测自身流过电流变化量的极性，根据预设的阶梯型时限配合关系，CB₃₂在延时t3后首先动作断开，网络中电流流向是：从MMC1注入电流经CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC2注入电流经CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC3注入电流经CB₃₄,L₃,CB₄₃,CB₄₁,L₄,CB₁₄,CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC4注入电流经CB₄₁,L₄,CB₁₄,CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；根据由母线指向线路为正方向的定义，断路器CB₄₃,CB₁₄检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁，而断路器CB₁₂，CB₂₃在这一过程中，即执行第三阶段保护。

所述断路器CB₁₂，CB₂₃在故障发生后的t2时刻的这一过程中，断路器CB₂₃动作，此时因为故障线路已被CB₂₃切除，断路器CB₁₂检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁，系统电压上升，换流站切换到故障后的恢复模式即执行第四阶段保护。

所述检测到的电流突变量极性始终为正，保护不会闭锁，即故障线路两端测量的电流突变量极性在延时期间始终保持正值，而非故障线路两端测量的电流突变量极性在直流电网电流变化时会出现负值的差异，将电流突变量为负的断路器保护闭锁并通过阶梯型的时限配合关系保证未闭锁保护的选择性，从而实现故障线路的正确定位。

本发明的有益效果是能够主动控制短路电流大小，仅需配置能开断负荷电流的直流断路器；不需要换流站间的通信，能够可靠地定位发生短路故障的线路，并通过保护装置连续采样时间间隔内的持续确认，躲过干扰的影响。

附图说明

图1是四端柔性直流配电系统环形拓扑结构图。

图2是四端柔性直流配电系统中各断路器动作的延时。

图3是F₁点故障，MMC1额外注入ΔI时网络中电流突变量的流向。

图4是F₁点故障，故障线路一端断路器断开后直流电网电流的流向。

图5是F₁点故障时，各断路器保护实测的自身电流突变量。其中，a为CB₁₂和CB₂₃上测得的电流突变量波形；b为CB₂₁和CB₃₂上测得的电流突变量波形；c为CB₃₄和CB₄₁上测得的电流突变量波形；d为CB₁₄和CB₄₃上测得的电流突变量波形；

图6是保护原理流程图。

图7是六端柔性直流配电系统环形拓扑结构图。

具体实施方式

本发明提出一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，该方法利用阶梯型时限配合关系，实现不同位置的保护装置的选择性动作；在故障持续期间，流过故障线路两侧断路器的电流突变量极性始终为正，而流过非故障线路两侧断路器的电流突变量极性在直流电网电流变化时会出现负值的差异，根据这一明显差异，采用闭锁非故障线路的断路器保护，保证故障线路两侧保护的可靠动作；包括以下步骤：

步骤一：实时监测系统电压；

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：

如图1所示实时监测系统，图中实线箭头表示正常运行时的电流方向，虚线箭头表示F₁发生故障时的电流突变量的流动方向。首先定义系统为全桥子模块柔性直流配电系统；具体为四端直流配电网交流系统和直流系统之间由全桥MMC连接，CB₁₂、CB₁₄、CB₂₁、CB₂₃、CB₃₂、CB₃₄、CB₄₁和CB₄₃₁为网络中配置的直流断路器，即保护装置；均根据负荷电流大小选取开断容量、动作延时时间(如图2所示)；

其次，定义图1所示的MMC1为线路首端增大注入电流的换流站；F₁为网络中的故障位置；定义Bus₁,Bus₂,Bus₃,Bus₄代表直流母线；L₁,L₂,L₃,L₄代表直流线路；由母线指向线路为正方向，电流突变量极性的检测在换流站切换为主动限流控制后启动；

所述在固定的一端换流站增大注入直流电网的电流，从MMC1额外注入电流ΔI，I从CB₁₂分别流向故障点：第一路从CB₁₂经过线路L₁、CB₂₁、CB₂₃到线路L₂上的故障点F₁；第二路从CB₁₄经过线路L₄、CB₄₁、CB₄₃、L₃、CB₃₄、CB₃₂到线路L₂上的故障点F₁，此处线路发生故障；电流突变量的流动方向是根据定义由母线指向线路为正方向，断路器CB₂₁,CB₄₁,CB₃₄检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁；即执行第二阶段保护：

所述保护未闭锁的断路器依照预先设定的延时时间动作，延时期间持续监测自身流过电流变化量的极性，根据(图2中)预设的阶梯型时限配合关系，CB₃₂在延时t3后首先动作断开；如图4所示，网络中电流流向是：从MMC1注入电流经CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC2注入电流经CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC3注入电流经CB₃₄,L₃,CB₄₃,CB₄₁,L₄,CB₁₄,CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC4注入电流经CB₄₁,L₄,CB₁₄,CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；根据由母线指向线路为正方向的定义，断路器CB₄₃,CB₁₄检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁，而断路器CB₁₂，CB₂₃在这一过程中，即执行第三阶段保护。

实施例

图1为四端柔性直流配电系统环形拓扑结构，其中F₁表示线路L₂上的短路故障位置。图中实线箭头表示正常运行时的电流方向，虚线箭头表示F₁发生故障时的电流突变量的流动方向。取故障时刻t＝0s，采样时间间隔0.1ms，预先整定的断路器动作时间间隔为10ms。图5为F₁处故障时流过各直流断路器电流突变量波形，从图5中a为CB₁₂和CB₂₃上测得的电流突变量波形；b为CB₂₁和CB₃₂上测得的电流突变量波形；c为CB₃₄和CB₄₁上测得的电流突变量波形；d为CB₁₄和CB₄₃上测得的电流突变量波形；可以看出，在连续5个采样点保证测量正确性的前提下，保护第一阶段在20ms内完成，直流电网中的短路电流被稳定地控制在较低水平；保护第二阶段中，20ms时MMC1额外注入0.05kA的电流，其中换流站断路器CB₂₁，CB₄₁，CB₃₄的电流突变量极性为负，故其保护闭锁；保护第三阶段中，根据图2的延时设置，CB₃₂在40ms时动作断开，网络中未闭锁的断路器测得的电流突变量波形；断路器CB₄₃,CB₁₄在40ms时测得的电流突变量极性为负，故断路器CB₄₃,CB₁₄的保护闭锁；保护第四阶段，断路器CB₂₃在50ms时动作断开，CB₁₂上流过的电流因故障点的消失而减小，故CB₁₂闭锁，全网电压上升；换流站切换至故障后恢复的控制模式。最终，利用本方法成功定位并切除了故障线路L₂。值得说明的是，图5中流过CB₂₃和CB₃₂的电流突变量出现负值是由于其本身动作造成的，此负值不会闭锁保护。

图6是保护原理流程图。其中，保护装置实时监测系统电压，当系统电压幅值低于整定值且电压下降率高于设定值时，将换流站切换为主动限流控制并启动断路器进行保护；各断路器实时监测自身流过电流变化量的极性；经延时确保直流电网电流稳定后，在固定的一端换流站增大注入直流电网的电流，各断路器开始计时；在设定时间内各断路器实时监测自身流过电流变化量的极性，若为负则断路器闭锁自身的保护不再动作，未闭锁的断路器继续依照预先设定的延时时间动作，延时期间同样持续监测自身流过电流变化量的极性，若为负则断路器闭锁自身的保护不再动作，计时结束后，断路器动作。

图7是六端柔性直流配电系统环形拓扑结构图。其中，六个MMC换流站依次顺序连接构成环状，其拓扑结构更为复杂，对基于本地电流突变量极性的保护方案的时序配合提出了更高的要求。一般而言，适用于多端环形拓扑结构的保护原理，稍加改造即可适用于端数较少的环形拓扑或其他辐射形、手拉手形拓扑结构的柔性直流配电网。

对于图7所示的六端环形拓扑，具体技术原理、实施方案以及仿真结果与上述分析相同，本发明所陈述的保护原理依然适用。

仿真结果可以看出，本发明所提出的一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统的故障定位和隔离方法，能够不依赖换流站间的通信，充分利用全桥换流站主动控制直流短路电流的优势，并通过保护装置连续5个采样时间间隔内的持续确认，躲过干扰的影响，保证保护装置的可靠性。采取阶梯型时限配合关系保证保护装置的选择性，实现故障区域的准确定位和隔离。

Claims

1.一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，该方法利用阶梯型时限配合关系，实现不同位置的保护装置的选择性动作；在故障持续期间，流过故障线路两侧断路器的电流突变量极性始终为正，而流过非故障线路两侧断路器的电流突变量极性在直流电网电流变化时会出现负值的差异，根据这一明显差异，采用闭锁非故障线路的断路器保护，保证故障线路两侧保护的可靠动作；包括以下步骤：

步骤一：实时监测系统电压；

2.根据权利要求1所述一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，所述步骤一实时监测系统电压，首先定义系统为全桥子模块柔性直流配电系统；具体为四端直流配电网交流系统和直流系统之间由全桥MMC连接，CB₁₂、CB₁₄、CB₂₁、CB₂₃、CB₃₂、CB₃₄、CB₄₁和CB₄₃₁为网络中配置的直流断路器，即保护装置；均根据负荷电流大小选取开断容量、动作延时时间；

其次定义在固定的一端换流站MMC1为线路首端增大注入电流的换流站，F₁为网络中的故障位置；其次定义Bus₁,Bus₂,Bus₃,Bus₄代表直流母线，L₁,L₂,L₃,L₄代表直流线路；由母线指向线路为正方向；电流突变量极性的检测在换流站切换为主动限流控制后启动。

3.根据权利要求1所述一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，所述系统发生短路故障后，依据电压变化将换流站切换为主动限流控制并启动断路器进行保护，依据电压启动判据探测到系统中发生故障之后，各换流站均切换到主动限流控制，输出负荷电流I，并启动各断路器进行保护和检测断路器电流突变量的极性,即执行第一阶段保护；

所述在固定的一端换流站增大注入直流电网的电流，从MMC1额外注入电流ΔI，ΔI从CB₁₂分别流向故障点：第一路从CB₁₂经过线路L₁、CB₂₁、CB₂₃到线路L₂上的故障点F₁；第二路从CB₁₄经过线路L₄、CB₄₁、CB₄₃、L₃、CB₃₄、CB₃₂到线路L₂上的故障点F₁，此处线路发生故障；电流突变量的流动方向是根据定义由母线指向线路为正方向，断路器CB₂₁,CB₄₁,CB₃₄检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁；即执行第二阶段保护。

4.根据权利要求1所述一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，所述保护未闭锁的断路器依照预先设定的延时时间动作，延时期间持续监测自身流过电流变化量的极性，根据预设的阶梯型时限配合关系，CB₃₂在延时t3后首先动作断开，网络中电流流向是：从MMC1注入电流经CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC2注入电流经CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC3注入电流经CB₃₄,L₃,CB₄₃,CB₄₁,L₄,CB₁₄,CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；从MMC4注入电流经CB₄₁,L₄,CB₁₄,CB₁₂,L₁,CB₂₁,CB₂₃流入线路L₂的故障点处；根据由母线指向线路为正方向的定义，断路器CB₄₃,CB₁₄检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁，而断路器CB₁₂，CB₂₃在这一过程中，即执行第三阶段保护。

5.根据权利要求1所述一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，所述断路器CB₁₂，CB₂₃在故障发生后的t2时刻的这一过程中，断路器CB₂₃动作，此时因为故障线路已被CB₂₃切除，断路器CB₁₂检测到的电流突变量极性为负，故其保护闭锁，系统电压上升，换流站切换到故障后的恢复模式即执行第四阶段保护。

6.根据权利要求1所述一种基于本地电流突变量极性的柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，所述检测到的电流突变量极性始终为正，保护不会闭锁，即故障线路两端测量的电流突变量极性在延时期间始终保持正值，而非故障线路两端测量的电流突变量极性在直流电网电流变化时会出现负值的差异，将电流突变量为负的断路器保护闭锁并通过阶梯型的时限配合关系保证未闭锁保护的选择性，从而实现故障线路的正确定位。