CN110927523A - 一种柔性直流配电网故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流配电网故障定位方法，在直流配电网中设置直流母线保护区、直流线路保护区，在直流母线保护区、直流线路保护区中的开关均设置保护装置，所有保护装置均通过高速通信网相连接；当差动保护正常时，采用差动保护进行故障定位，当差动保护退出时，采用基于多点方向的综合故障定位方法进行故障定位。本发明解决了直流配电网应用的网络化保护动作延时较长问题；解决了差动保护异常无法工作时，直流配电网失去后备保护的问题；解决了直流配电网过电流启动灵敏性和整定配合简易性不能同时兼备的问题。

Description

一种柔性直流配电网故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流配电网故障定位方法，属于电力系统保护控制技术领域。

背景技术

随着电压源变流器的出现，基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电技术发展迅速。同时，伴随直流负荷以及分布式新能源的大量接入，当前配网源荷储直流特征愈发显著。柔性直流配电则提供了一种灵活、高效及环保的配用电方式，并且不需要滤波器、无功补偿等辅助设备。

直流配电网的发展尚面临若干关键技术问题亟待解决，其中包括直流故障区段的快速可靠定位及隔离。在直流配电系统中，直流线路阻尼值很小，一旦直流场内发生故障，所有直流线路均会快速过流。传统的通过不同地点故障电流的级差配合难以实现故障的选择性；且由于构成直流电源的电力电子器件的脆弱性，直流配电网的保护要求在几毫秒内进行故障定位和隔离，对定位和隔离的技术水平提出了极高的要求。

直流配电网的保护是直流配电网在发生故障时必然出现的动作，保护与故障定位如何协调也是亟待解决的问题，直流配电网发生故障时，会有一处故障多个保护安装点出现过电流、有可能会导致多个安装点保护均动作的情况，这对于故障定位缩小停电范围来说是不利的。

现有的直流配电网的故障定位方法中，还存在如下的局限性：

直流配电网的故障电流呈现出幅值变化快、电力电子元件本身保护回路动作速度较快使得故障持续时间较短，特性与交流电网完全不同。经过多层延时配合实现故障支路定位的技术方法可能会在故障电流消失时，延时动作没有满足条件，使得动作失败无法故障定位。

应用于直流配电网的母线差动保护和线路光纤差动保护，对于各自的区内故障具有绝对的选择性，差动保护正常工作时对于故障定位具有原理简单、动作可靠、速度快的特性。但是对于采样异常、光纤通道异常或其他异常造成差动保护退出的情况，没有相应的后备保护措施。

现有的配电网网络化保护技术方案通过采集的电流大小大于设定的过电流阈值才启动故障电流方向判断，这一设定值既要考虑到对任何故障均能有效识别，保证灵敏性，又要躲避正常运行时可能出现的负荷波动或重载工况下负荷电流产生过电流，造成定值整定困难。

发明内容

目的：为了解决柔性直流配电网故障定位的问题，本发明提供一种柔性直流配电网故障定位方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

在直流配电网中设置直流母线保护区、直流线路保护区，在直流母线保护区、直流线路保护区中的开关均设置保护装置，所有保护装置均通过高速通信网相连接；

直流母线保护区中的保护装置采用母线差动保护，进行故障定位；

直流线路保护区中每条线路两侧的保护装置通过光纤相连接，并采用光纤差动保护，进行故障定位；

当直流母线保护区中的母线差动保护退出，且保护装置中检测到电流变化量大于设定的阈值或者电流值大于设定的阈值时，直流母线保护区无缝切换至直流母线的基于多点方向的综合故障定位方法；

当直流线路保护区中的光纤差动保护退出，且保护装置中检测到电流变化量大于设定的阈值或者电流值大于设定的阈值时，直流线路保护区无缝切换至直流线路的基于多点方向的综合故障定位方法。

作为优选方案，所述直流母线保护区包括换流站出线母线，换流站出线母线直接相连的开关与/或开闭所出线母线，开闭所出线母线直接相连的开关。

作为优选方案，所述直流线路保护区包括换流站出线，换流站出线上的开关与/或开闭所出线，开闭所出线上的开关。

作为优选方案，所述保护装置用于检测流经开关的电流，并将电流从母线流向线路的方向标记为正方向，电流从线路流向母线的方向标记为反方向。

作为优选方案，所述光纤差动保护的动作判据条件如下：

式中：

分别为直流线路两侧保护装置的电流瞬时值；I_set为差动电流门槛值，

为制动电流值，k_set为制动系数。

作为优选方案，所述母线差动保护的动作判据条件如下：

其中，I_dpj和I_dnj分别为母线的第j个连接支路的正极和负极电流；I_resn＝max(|I_dnj|),j＝1…m，I_resp＝max(|I_dpj|),j＝1…m，m代表连接的支路总数；I_set为差动电流门槛值，k_set为制动系数。

作为优选方案，当直流线路保护区中的保护装置的光纤通道发生误码、丢帧、中断，或者发生采样异常、电流采样回路断线时，光纤差动保护退出。

作为优选方案，直流线路的基于多点方向的综合故障定位方法，包括如下步骤：

经延时后，若连接同一条母线的所有出线中的任一条线路保护装置判定故障电流为正方向，同时该保护装置采集的电流大于设定的正方向电流阈值并且该线路的对侧保护装置也判定故障电流为正方向，而其它出线线路上保护装置均判定故障电流为反方向，则判定为该出线为故障线路；

该条故障线路的方向过流保护经延时后动作。

作为优选方案，当直流母线保护区内母线上的任一保护装置有采样异常、电流采样回路断线时，该母线上的母线差动保护退出。

作为优选方案，包括如下步骤：

经延时后，若连接同一条母线的所有进线、出线的保护装置均将故障电流的方向判定为反方向，且采集的电流值大于设定的反方向电流阈值则判定为该条母线为故障母线；

由连接该母线的所有进线、出线的线路保护装置发出动作信号。

有益效果：本发明提供的一种柔性直流配电网故障定位方法，通过差动和基于多点方向的综合故障定位方法相配合，解决了直流配电网应用的网络化保护动作延时较长问题；解决了差动保护异常无法工作时，直流配电网失去后备保护的问题；解决了直流配电网过电流启动灵敏性和整定配合简易性不能同时兼备的问题，其优点如下：

1、通过直流母线差动保护、直流线路光纤差动保护实现了对保护区内的各支路故障的精准故障定位。在差动保护因异常而退出的工况下，瞬时无缝切换至基于高速通信网的多点方向信息保护以实现故障定位。通过两者的配合，提高了配电网保护的可靠性。

2、在目前常用的电流幅值大于设定值才启动并触发故障电流方向判断的基础上，增加了电流变化量大于设定值的启动方法，提高了对故障判别的灵敏性，同时降低了因电流幅值大于设定值存在的整定困难的风险。

3、综合了电压小于故障电压阈值的判据，提高了电流变化量算法的可靠性，避免了因负荷波动等情况导致的误启动。

附图说明

图1为直流配电网架结构图；

图2为直流母线保护区示意图；

图3为直流线路保护区示意图；

图4为直流母线故障的定位示意图；

图5为直流线路故障的定位示意图；

图6为基于多点方向的直流线路故障定位流程图；

图7为基于多点方向的直流母线故障定位流程图；

图8为直流母线故障中母联支路故障的定位示意图；

图9为基于多点方向的母联支路故障定位流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供的一种直流配电网系统的保护方法，包括如下步骤：

步骤1：柔性直流配电网系统的直流母线与直流线路保护区内所有保护装置按照直流开关进行配置，所有保护装置接入高速通信网；直流线路保护区内的保护装置不仅接入高速通信网，而且每条直流线路的两侧开关上所安装的保护装置还通过光纤通道连接，用以实现线路光纤差动保护。

步骤2：保护区内的保护装置检测流经开关的电流，并判断故障电流方向。

步骤3：直流线路保护区的每条直流线路两侧的光纤差动保护在正常工况下通过各自光纤差动保护进行故障定位；

步骤4：直流母线保护区配置的保护装置采用母线差动保护，当母线差动保护正常工作时通过母线差流进行故障定位；

步骤5：当直流线路保护区的光纤差动保护因为异常而退出时，直流线路保护区无缝切换至直流线路的基于多点方向的综合故障定位方法；

步骤6：当直流母线保护区的母线差动保护因为异常而退出时，直流母线保护区无缝切换至直流母线的基于多点方向的综合故障定位方法。

步骤7：通过电流变化量大于设定的阈值或者电流值大于设定的阈值，二个条件任一满足，才能启动触发基于多点方向的综合故障定位方法。

上述步骤1中，直流母线保护区包括换流站出线母线，换流站出线母线直接相连的开关，以及开闭所出线母线，开闭所出线母线直接相连的开关。直流线路保护区包括换流站出线，换流站出线上的开关，以及开闭所出线，开闭所出线上的开关。高速通信网是保护区内开关上保护装置之间用于信息传递的网络。所述直流母线保护区和直流线路保护区内所有保护装置均接入同一个高速通信网，实现直流配电网内保护装置交互信息。

上述步骤2中，直流线路保护区内的保护装置检测流经开关的电流、电压大小。将故障电流从母线流向线路标记为正方向，故障电流从线路流向母线记为反方向。

上述步骤3中直流线路保护区在每条线路两侧开关采用光纤差动保护，具体是指每条直流线路的两侧保护装置通过光纤交互采样数据信号，通过差流计算、差动保护动作对本条线路进行识别和定位。

上述步骤3中直流线路保护区在每条线路两侧开关配置光纤差动保护，具体是指差动保护采用专用光纤通信通道，与多点方向保护所采用的高速通信网并列运行。每条直流线路上的专用光线通信通道只交互本条线路两侧开关上保护装置采集的数据信号。光纤差动保护的动作判据条件如下：

式中：

分别为线路两侧保护装置的电流瞬时值；I_set为差动电流门槛值，设置这一电流主要是由于存在一些与制动电流无关的因素导致电流差值，如互感器杂散噪声、故障时的线路分布电容电流；

为对应的每一极的制动电流；k_set为制动系数。

上述步骤4中直流母线保护区中保护装置采用母线差动保护，具体是指通过采集母线所有进出线开关上流经的电流进行差动电流运算，在直流母线保护区中保护装置正常工作时，通过差流来判断本条母线是否故障。通过该条母线保护装置的动作信号实现对母线的故障定位。

上述步骤4中直流母线保护区的保护装置采用母线差动保护，其母线差动保护的动作判据条件如下：

其中，I_dpj和I_dnj分别为母线的第j个连接支路的正极和负极电流，取流向母线为正方向；I_resn＝max(|I_dnj|),j＝1…m，I_resp＝max(|I_dpj|),j＝1…m，m代表连接的支路总数；I_set为差动电流门槛值，k_set为制动系数。

上述步骤5中光纤差动保护因异常而退出运行，具体是指直流线路上保护装置的光纤通道发生误码、丢帧、中断的异常、或者任一侧保护装置发生采样异常、电流采样回路断线、其他异常工况导致的光纤差动保护退出运行。对一条直流线路来说，任一侧保护装置在检测到光纤差动保护退出时，直流线路两侧的保护装置同时闭锁光纤差动保护，以避免光纤差动保护的误动或拒动，同时将该条直流线路的光纤差动保护退出信号通过高速通信网发给其它直流线路的保护装置。

上述步骤5中无缝切换至基于多点方向的综合故障定位方法，具体是指高速通信网接收到直流线路保护区内某条线路发出的光纤差动保护退出信号，经短延时收信确认后直流线路保护区切换至基于多点方向的综合故障定位方法。

具体地说，基于多点方向的综合故障定位方法，是指当直流线路上保护装置启动并触发故障电流方向判断后，对于直流线路保护区内所有保护装置，若连接同一条母线的所有出线中的任一条线路保护装置判定故障电流为正方向，同时该保护装置采集的电流大于设定的正方向电流阈值并且该线路的对侧保护装置也判定故障电流为正方向，而其它出线线路上保护装置均判定故障电流为反方向，则判定为该出线为故障线路。由该条故障线路的方向过流保护经短延时动作实现故障定位与保护。

进一步讲，直流线路保护启动触发故障电流方向判断后，若判别出本流经本保护装置的故障电流方向为上文所述的正方向，则向高速通信网发送本线路故障电流正方向信号。若本线路判别故障电流为反方向，则向高速通信网发送本线路故障电流反方向信号。

进一步讲，上文所述的直流线路保护的故障电流方向判断需要在其启动触发后经过短延时的确认，这一延时时间内均满足固定的故障电流方向，才最终确认故障电流方向。在确认故障电流方向后将本保护判断的方向发送至高速通信网。

上述步骤6中直流母线保护区的母线差动保护因异常而退出，具体是指直流母线保护区内母线上的任一保护装置有采样异常、电流采样回路断线或其他异常工况导致的该母线上的母线差动保护退出，母线上的保护装置闭锁母线差动保护，以避免差动保护的误动或拒动，同时将母线差动保护退出的信号通过高速通信网发给接入直流母线保护区的所有保护装置。

上述步骤6中无缝切换至基于多点方向的综合故障定位方法，具体是指高速通信网接收到的某条母线母线差动保护退出信号后，经短延时收信确认后切换至基于多点方向的综合故障定位方法。通过基于多点方向的综合故障定位方法实现对母线故障定位工作。

多点方向的综合故障定位方法对母线故障定位工作的步骤，具体地说，若连接同一条母线的所有进线、出线的保护装置均将故障电流的方向判定为反方向，且采集的电流值大于设定的反方向电流阈值则判定为该条母线为故障母线。标记为故障母线后，由连接该母线的所有进线、出线的线路保护发出动作信号。

以下详细介绍本发明中所述的高速通信网：以过程层GOOSE网络的形式，作为直流配电网系统内的保护装置之间信息交互的渠道，可实时传输保护装置判断出的差动保护退出信号、故障电流正方向、反方向信号，为故障判别、故障定位以及故障隔离提供可靠、有效的实现途径。

首先需要直流线路保护装置将流经各自开关的电流与预先设定的阈值进行比较，只有当检测电流大于设定的故障电流阈值，才可以认定有故障电流存在。具体地说，由于直流配网系统的保护不同于交流供电系统，分为正极系统和负极系统，其正极系统和负极系统的独立性不仅存在于正常稳态运行，在发生故障时正极系统和负极系统也相互独立。也就是说，当正极系统内设备发生故障，由于故障电流只存在于正极系统，因此只需要同正极保护装置之间传递故障信息便可以完成故障区域的判别。负极系统发生故障亦然。

实施例：

为了阐述本发明的定位方法，如图1所述，举出以下实施例，直流配电网包括联接变、换流站H1、开闭所K1、配电房，其中换流站出线端母线，开闭所母线，以及母线上连接的支路线路。如图2所示，直流母线保护区包括1条换流站出线端母线，及其连接2个开关，2条开闭所母线，及其连接6个开关。如图3所示，直流线路保护区包括1条换流站出线端母线出线，及其出线上的2个开关，2条开闭所母线各自出线，及其出线上的4个开关。但该直流配电网结构仅作为本发明思想的一种实现形式，对于与其类似的供电系统结构，本发明同样适用。本方法处理直流配电网故障分析如下。

1、图4中的直流母线保护区K1点发生母线故障，母线进线开关QL3、QL4和出线开关QL7、QL8、QL10、QL11上的保护装置均能检测到故障电流。在该条母线差动保护正常工作时，由其差动保护动作发动作信号标记故障母线。

如图6所示，若母线差动保护发生该故障时，此母线差动保护已经因异常退出，母线差动保护会在退出之时将其差动保护退出信号发送至高速通信网。由直流母线保护区收到差动保护退出信号后无缝切换至基于多点信息的故障定位方法：进线开关QL3、QL4和出线开关QL7、QL8、QL10、QL11上的保护装置因为母线K1故障均会电流变化量大于设定阈值从而瞬时启动触发基于多点信息的故障定位方法。由于母线上的故障真实存在，所有这几处线路保护装置均能可靠判断出故障电流的流向是从线路流向母线，是定义的反方向，通过高速通信网交互后判别是该母线故障，并各自发出动作信号，以联跳的形式实现了对母线故障的隔离。

2、图5中的直流线路保护区K2点发生故障即线路故障母线进线开关QL3、QL4和出线开关QL7、QL8、QL9、QL10、QL11上的保护装置均能检测到故障电流。在直流线路保护区上的线路差动保护正常工作时，由其差动保护动作发动作信号该线路标记为故障线路。

如图7所示，若在发生K2点故障时，直流线路的差动保护已经因为异常而退出，保护装置将其差动保护退出信号发送至高速通信网。直流线路保护区中的QL3、QL7、QL8、QL4、QL10处安装的直流线路保护在收到差动保护退出的信号后无缝切换至基于多点信息的故障定位方法，K2点故障使得对QL11和QL15处的故障电流均为从母线流入线路，即均为设定的正方向。由于故障电流和负荷电流是同向相叠加，使得流经QL11和QL5的故障电流较大，满足电流值大于设定的正方向电流阈值的条件。同时，直流线路保护区上的其它开关QL3、QL7、QL8、QL4、QL10而言，故障电流均是设定的反方向。这几处保护装置将判别出的反向故障信号发送至高速通信网。QL11处的保护装置收到其它保护装置的反方向信号后则判定为QL11和QL5所在线路为故障线路该条故障线路的方向过流保护经短延时T动作实现故障定位。

3、图8中的直流母线保护区中的母联支路K3点发生故障，在该条母联支路母线差动保护正常工作时，由其差动保护动作发动作信号标记故障母线。

如图9所示，若发生该故障时，此母线差动保护已经因异常退出，保护装置会在退出之时将其差动保护退出信号发送至高速通信网。母线进线开关QL3、QL4和出线开关QL7、QL8、QL10、QL11上的保护装置均能检测到故障电流，并且由于电流变化量大于设定阈值从而瞬时启动触发基于多点信息的故障定位方法。由于母联支路故障，对于其相连的保护装置来说故障电流均是从线路流向母线。即Ⅰ母线上的所有的开关：QL3、QL7、QL8上的保护装置均判定为故障电流为反方向，而且Ⅱ母线上所有的开关：QL4、QL10、QL11上的保护装置也均判定为故障电流为反方向。同时当母联支路处安装的保护采集的电流值大于设定的母联故障电流阈值时，在收到所有与母联相连的两段母线上所有出线上保护装置发出的反方向信号，则判定为该母联支路发生故障。经过短延时T，母联支路处安装的保护装置发出动作信号并将该母联支路标记为故障支路。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

在直流配电网中设置直流母线保护区、直流线路保护区，在直流母线保护区、直流线路保护区中的开关均设置保护装置，所有保护装置均通过高速通信网相连接；

直流母线保护区中的保护装置采用母线差动保护，进行故障定位；

直流线路保护区中每条线路两侧的保护装置通过光纤相连接，并采用光纤差动保护，进行故障定位；

当直流母线保护区中的母线差动保护退出，且保护装置中检测到电流变化量大于设定的阈值或者电流值大于设定的阈值时，直流母线保护区无缝切换至直流母线的基于多点方向的综合故障定位方法；

当直流线路保护区中的光纤差动保护退出，且保护装置中检测到电流变化量大于设定的阈值或者电流值大于设定的阈值时，直流线路保护区无缝切换至直流线路的基于多点方向的综合故障定位方法。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述直流母线保护区包括换流站出线母线，换流站出线母线直接相连的开关与/或开闭所出线母线，开闭所出线母线直接相连的开关。

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述直流线路保护区包括换流站出线，换流站出线上的开关与/或开闭所出线，开闭所出线上的开关。

4.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述保护装置用于检测流经开关的电流，并将电流从母线流向线路的方向标记为正方向，电流从线路流向母线的方向标记为反方向。

5.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述光纤差动保护的动作判据条件如下：

式中：

分别为直流线路两侧保护装置的电流瞬时值；I_set为差动电流门槛值，

为制动电流值，k_set为制动系数。

6.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述母线差动保护的动作判据条件如下：

其中，I_dpj和I_dnj分别为母线的第j个连接支路的正极和负极电流；I_resn＝max(|I_dnj|),j＝1…m，I_resp＝max(|I_dpj|),j＝1…m，m代表连接的支路总数；I_set为差动电流门槛值，k_set为制动系数。

7.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：当直流线路保护区中的保护装置的光纤通道发生误码、丢帧、中断，或者发生采样异常、电流采样回路断线时，光纤差动保护退出。

8.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：直流线路的基于多点方向的综合故障定位方法，包括如下步骤：

经延时后，若连接同一条母线的所有出线中的任一条线路保护装置判定故障电流为正方向，同时该保护装置采集的电流大于设定的正方向电流阈值并且该线路的对侧保护装置也判定故障电流为正方向，而其它出线线路上保护装置均判定故障电流为反方向，则判定为该出线为故障线路；

该条故障线路的方向过流保护经延时后动作。

9.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：当直流母线保护区内母线上的任一保护装置有采样异常、电流采样回路断线时，该母线上的母线差动保护退出。

10.根据权利要求1所述的一种柔性直流配电网故障定位方法，其特征在于：直流母线的基于多点方向的综合故障定位方法：包括如下步骤：

经延时后，若连接同一条母线的所有进线、出线的保护装置均将故障电流的方向判定为反方向，且采集的电流值大于设定的反方向电流阈值则判定为该条母线为故障母线；

由连接该母线的所有进线、出线的线路保护装置发出动作信号。

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