CN111293677A - 一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法 - Google Patents

一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法 Download PDF

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李宇骏
李佳朋
贾科
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    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured

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Abstract

本发明公开了一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，对辐射状多端直流系统，计算保护线路发生区外最严重故障，确定保护线路Line14出口发生金属性故障时保护线路的故障分量电流；定义电流的暂态均值，设定基于暂态电流均值的保护阈值；实时计算与更新采样电流的暂态均值；如果得到的采样电流暂态均值大于保护阈值，则判断线路为发生区内故障，执行保护动作，若小于阈值，返回实时计算与更新采样电流的暂态均值。本发明所提的保护方法具有阈值整定不依赖于仿真、采样率较低、计算简单、抗外界噪声能力强等优点。

Description

一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护 方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体涉及一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法。
背景技术
近年来，海上风能的开发利用成为研究热点。交流输电受电缆容性充电电流约束，输送能力有限。而电网换相换流器(line commutated converter,LCC)型的传统直流输电无法给交流风场提供电压支撑。采用电压源换流器(voltage source converter,VSC)型的辐射状柔性直流电网成为实现远海风能接入的较佳方案。然而，多端直流系统的故障分析与保护仍是直流电网未来发展面临的重大挑战之一。
有许多学者对直流电网的故障分析和保护方案进行了研究，但这些研究具有一些局限性，具体如下：
1、缺乏适用于复杂直流电网的故障电流解析表达；
2、保护方法采样率要求高，保护算法计算量较大；
3、保护方法的耐过渡电阻能力差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，可以理论计算出保护阈值，且对采样频率要求较低，保护算法简单，具有良好的耐过渡电阻能力。
本发明采用以下技术方案：
基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，包括以下步骤：
S1、对辐射状多端直流系统，计算保护线路发生区外最严重故障，确定保护线路Line14出口发生金属性故障时保护线路的故障分量电流；
S2、定义电流的暂态均值，设定基于暂态电流均值的保护阈值；
S3、实时计算与更新采样电流的暂态均值；
S4、如果步骤S3得到的采样电流暂态均值大于步骤S2的保护阈值，则判断线路为发生区内故障，执行保护动作，若小于阈值，返回步骤S3。
具体的，步骤S1中，保护线路Line 14出口发生金属性故障时保护线路的故障分量电流：
Figure BDA0002425850700000021
其中，t为以故障时刻为0时刻的参考时间，C4是4端VSC对地电容，LT42、 LT14和LT41分别为线路Line 24上靠近2端、Line 14上靠近1端和Line 14上靠近 4端的直流补偿电抗器，L14为直流输电线路Line 14的等效电感，U0是直流电网电压。
具体的，步骤S2中，保护阈值Iset具体为：
Figure BDA0002425850700000022
其中，Kr为保护的可靠系数，U0为直流电网正常运行是的电压，If14为Line14 的故障分量电流，LT42、LT14和LT41分别为线路Line 24上靠近2端、Line 14上靠近1端和Line 14上靠近4端的直流补偿电抗器，L14为直流输电线路Line 14的等效电感，T为暂态电流均值的计算时间窗长。
具体的，步骤S3中，对电流的暂态均值进行离散，确定暂态电流均值在t 时刻和在前一个采样时刻t-Δt时刻的值之间的关系，当前时刻的电流均值由上一采样时刻的暂态电流均值、前N个采样时刻和当前时刻的故障分量电流直接计算获得；每更新一个采样点，进行两次加减运算和一次乘除运算。
进一步的，暂态电流均值在t时刻和在前一个采样时刻t-Δt时刻的值存在关系如下：
Figure 100002_1
其中，Δt为相邻两个离散采样点的时间间隔，N为暂态电流均值计算时间窗长内的采样点数，
Figure BDA0002425850700000032
和
Figure BDA0002425850700000033
分别为上一采样时刻和当前时刻的暂态电流均值，I(t)和I(t-N·Δt)分别为当前时刻和前N个采样时刻的故障分量电流。
更进一步的，电流的暂态均值进行离散如下：
Figure BDA0002425850700000034
。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，避免了双端量保护方法存在的通讯延时问题，提出的暂态电流均值这一指标实时计算量小，有利于减小对保护装备的处理器要求，提高保护法人动作速度，且该方法可靠性高，耐过渡电阻能力强。
进一步的，通过对故障电流的解析计算，可以为断路器选型、保护阈值整定、保护性能分析等提供理论支撑。
进一步的，基于暂态电流均值的保护方法无需时频域转化，对采样率的要求较低，阈值整定计算简单，且可以提高保护对外界噪声的抗干扰能力。
进一步的，提出的采样电流暂态均值的实时计算更新方法计算量小，降低了对保护装置计算处理能力的要求，有利于提高保护的速动性。
进一步的，离散化的计算更新方法符合工程中对测量信号进行模拟-数字转化的实际，方便了该方法的工程应用。
综上所述，本发明保护方法具有阈值整定不依赖于仿真、采样率较低、计算简单、抗外界噪声能力强等优点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为四端辐射状直流电网电路图；
图3为测试的四端直流系统示意图；
图4为仿真图，其中，(a)为直流线路Cable 14末端发生金属性正极接地故障时的故障分量电流，(b)为直流线路Cable 14末端发生金属性正极接地故障时线路电流的暂态均值，(c)为直流线路Cable 24上靠近T4处发生正极金属性接地故障时的故障分量电流，(d)为直流线路Cable 24上靠近T4处发生正极金属性接地故障时线路电流的暂态均值，(e)为直流线路Cable 14末端发生正极高阻接地故障时的故障分量电流，(f)为直流线路Cable14末端发生正极高阻接地故障时线路电流的暂态均值。
具体实施方式
本发明提供了一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，推导了辐射状多端直流系统故障初期短路电流的解析表达式，给出了暂态电流均值保护的整定方法，实时计算线路的暂态电流均值，若超过保护整定阈值，则判断该线路为故障线路，保护启动。
请参阅图1，本发明一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，包括以下步骤：
S1、计算直流电网保护线路区外最严重故障时的电流；
对辐射状多端直流系统，计算保护线路发生区外最严重故障，即保护线路 Line14出口发生金属性故障时保护线路的故障分量电流：
Figure BDA0002425850700000051
其中，t为以故障时刻为0时刻的参考时间，C4是4端VSC对地电容，LT42、 LT14和LT41分别为线路Line 24上靠近2端、Line 14上靠近1端和Line 14上靠近 4端的直流补偿电抗器，L14为直流输电线路Line 14的等效电感，U0是直流电网电压；
请参阅图2，为四端辐射状直流电网电路模型，其中，m为第m个端口，Rmn和Lmn分别为直流输电线路Line mn的电阻和电感，Rm0和Lm0分别为直流线路从 Tm到故障点的电阻与电感，LTmn为支路Line mn上靠近m侧的直流补偿电抗器， Cm是Tm端VSC对地电容，Ifm0是故障线路Tm侧的故障分量电流，If14和If34分别为Line14和Line34的故障分量电流，U0为直流电网正常运行是的电压，s为拉普拉斯频域(即s域)符号，m、n都是自然数；
首先计算故障线路的短路电流，由于故障点右侧支路Line 40连接的接地支路较多，为了分析方便，首先定义相关的线路导纳：
Figure 2
其中，Y14和Y34分别为Line 14和Line 34的线路导纳；
根据基尔霍夫电压和电流定律，有：
Figure BDA0002425850700000061
其中，Uf4为T4端口直流电压故障分量；
解得：
Figure 3
直接求解式(3)的反拉式变换非常困难的，而且用于故障分析的电路模型仅在故障初期成立，所以通过拉式反变换求解故障电流的全时域表达式是不准确且不必要的，对于短时的故障分析，保留线路电流频域表达式中的高频成分，可使计算大大化简；
在高频域中，线路导纳Y14和Y34远小于对地电容的导纳：
Figure BDA0002425850700000063
结合式(3)和式(4)，高频域内故障线路的故障分量电流If40 H可写成：
Figure BDA0002425850700000064
在高频域内进一步忽略电阻和电容，故障线路的故障分量电流可化简为：
Figure BDA0002425850700000065
然后，可以求出高频域内健全线路Line 14的故障分量电流：
Figure BDA0002425850700000066
公式(6)和(7)就是高频域内故障线路和健全线路的故障分量电流表达式，对其进行反拉式变换可得；
Figure BDA0002425850700000071
式(8)给出了直流故障初期短路电流的解析表达式，可以看出直流故障初期，故障线路故障分量电流线性增长，而健全线路故障分量电流三次方增长；
S2、设定基于暂态电流均值的保护阈值；
具体为：
Figure BDA0002425850700000072
其中，Kr为保护的可靠系数，对于过量保护，要求Kr大于1，T为暂态电流均值的计算时间窗长，鉴于直流电网保护动作时间的要求，推荐T取2ms；
首先定义电流的暂态均值：
Figure BDA0002425850700000073
以线路Line 14上靠近T1处安装的保护为例，考虑最严重的区外故障，即线路Line24上靠近T4端发生金属性故障的场景，根据式(8)，此时保护安装处测得的故障分量电流
Figure BDA0002425850700000074
为：
Figure BDA0002425850700000075
因此，保护阈值可按下式整定：
Figure BDA0002425850700000076
其中，Kr为可靠性系数，为了确保保护的选择性，仿真案例里的K取30；
S3、实时计算与更新采样电流的暂态均值；
将式(9)写成离散形式为：
Figure BDA0002425850700000077
暂态电流均值在t时刻和在前一个采样时刻t-Δt时刻的值存在如下关系：
Figure BDA0002425850700000081
其中，Δt为相邻两个离散采样点的时间间隔，N为暂态电流均值计算时间窗长内的采样点数，
Figure BDA0002425850700000082
和
Figure BDA0002425850700000083
分别为上一采样时刻和当前时刻的暂态电流均值，I(t)和I(t-N·Δt)分别为当前时刻和前N个采样时刻的故障分量电流；
当前时刻的电流均值由上一采样时刻的暂态电流均值、前N个采样时刻和当前时刻的故障分量电流直接计算获得；每更新一个采样点，仅需要两次加减运算和一次乘除运算，可见，暂态电流均值的计算复杂度很低；
S4、判断计算得到的暂态电流均值是否超过保护阈值，若是
Figure BDA0002425850700000084
则判断该线路为发生区内故障，保护动作，发出跳闸指令，直流断路器跳闸，切除故障线路，若否，返回步骤S3。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，为测试的四端直流系统示意图，电气元件参数命名方法与图2 相同，T1、T2和T3处的换流站采用定功率控制，T4处的换流站采用定电圧控制。分别改变故障位置与过渡电阻，验证本发明提供的单端量保护方法的有效性与耐过渡电阻能力。
请参阅图4，图4(a)为直流线路Cable 14末端发生金属性正极接地故障时，测得的故障分量电流的仿真结果与计算结果。可以看出，本发明所提的短路电流计算方法是较准确的，两者的差异是因为仿真波形反映行波过程，而本发明的计算分析采用集总参数模型，不反映行波过程。
图4(b)为直流线路Cable 14末端发生金属性正极接地故障时，线路电流的暂态均值。可以看出，仿真波形和计算结果十分接近，且在直流故障后快速超过保护阈值，保护可以正确启动。
图4(c)和图4(d)分别为直流线路Cable 24上靠近T4处发生正极金属性接地故障时的故障分量电流与其暂态均值。可以看出，区外故障行波过程非常微弱，因而计算结果与仿真结果几乎一致。此外，在区外故障后5ms内，暂态电流均值不会超过阈值，这为故障线路的识别与切除留下了充足的时间。
图4(e)和图4(f)分别为直流线路Cable 14末端发生正极高阻接地故障时的故障分量电流与其暂态均值，可以看出，随着过渡电阻的增大，故障分量电流减小，电流暂态均值超过保护阈值的时间会变长。
在400Ω高阻故障下，电流暂态均值于故障行波到达保护安装处后1.6ms超过阈值。
仿真结果验证了本发明所提的保护方法具有良好的耐过渡电阻能力。
综上所述，本发明一种基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，通过辐射状多端直流系统故障电流的解析分析，实现了保护阈值的理论化整定，暂态电流均值这一指标提高了直流电网保护的鲁棒性，且对采样频率要求较低，保护算法简单，具有良好的耐过渡电阻能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对辐射状多端直流系统，计算保护线路发生区外最严重故障，确定保护线路Line14出口发生金属性故障时保护线路的故障分量电流；
S2、定义电流的暂态均值，设定基于暂态电流均值的保护阈值；
S3、实时计算与更新采样电流的暂态均值；
S4、如果步骤S3得到的采样电流暂态均值大于步骤S2的保护阈值，则判断线路为发生区内故障，执行保护动作，若小于阈值，返回步骤S3。
2.根据权利要求1所述的基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，其特征在于，步骤S1中，保护线路Line 14出口发生金属性故障时保护线路的故障分量电流：
Figure FDA0002425850690000011
其中，t为以故障时刻为0时刻的参考时间，C4是4端VSC对地电容，LT42、LT14和LT41分别为线路Line 24上靠近2端、Line 14上靠近1端和Line 14上靠近4端的直流补偿电抗器，L14为直流输电线路Line 14的等效电感，U0是直流电网电压。
3.根据权利要求1所述的基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，其特征在于，步骤S2中，保护阈值Iset具体为：
Figure FDA0002425850690000012
其中，Kr为保护的可靠系数，U0为直流电网正常运行是的电压，If14为Line14的故障分量电流，LT42、LT14和LT41分别为线路Line 24上靠近2端、Line 14上靠近1端和Line 14上靠近4端的直流补偿电抗器，L14为直流输电线路Line 14的等效电感，T为暂态电流均值的计算时间窗长。
4.根据权利要求1所述的基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，其特征在于，步骤S3中，对电流的暂态均值进行离散，确定暂态电流均值在t时刻和在前一个采样时刻t-Δt时刻的值之间的关系，当前时刻的电流均值由上一采样时刻的暂态电流均值、前N个采样时刻和当前时刻的故障分量电流直接计算获得；每更新一个采样点，进行两次加减运算和一次乘除运算。
5.根据权利要求4所述的基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，其特征在于，暂态电流均值在t时刻和在前一个采样时刻t-Δt时刻的值存在关系如下：
Figure FDA0002425850690000021
其中，Δt为相邻两个离散采样点的时间间隔，N为暂态电流均值计算时间窗长内的采样点数，
Figure FDA0002425850690000022
和
Figure FDA0002425850690000023
分别为上一采样时刻和当前时刻的暂态电流均值，I(t)和I(t-N·Δt)分别为当前时刻和前N个采样时刻的故障分量电流。
6.根据权利要求5所述的基于暂态电流均值的辐射状多端直流系统单端量保护方法，其特征在于，电流的暂态均值进行离散如下：
Figure 1
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