CN111579929A - 一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法 - Google Patents

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李洁
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Abstract

本发明公开了一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，用于对多端环型直流配电网拓扑结构进行故障限流保护，包括步骤1，实时测取限流电抗器的采样电压；步骤2，对产生异常采样电压值的目标限流电抗器，进行故障识别，区分为多端环型直流配电网拓扑结构的区内故障还是区外故障；步骤3，若判定为区内故障，则对故障选极进行判别，进行故障选极，判定为双极故障、正极故障还是负极故障；步骤4，完成故障识别和故障选极后，使故障极线路两侧的直流断路器跳闸，实现故障区段的隔离。本发明可在极短时间内检测故障发生并判别故障线路和故障极，对于不同故障情形都有良好的抗过渡电阻能力。

Description

一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法
技术领域
本发明涉及一种用于直流配电网自动安全控制领域的的基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法。
背景技术
相对于传统的交流配电网，直流配电网在减少换流环节和换流器数量、利于可再生能源和直流负载的分散接入、提高系统可靠性和电能质量、提高电能传输容量和传输距离、减少线路损耗和电压损失等方面存在优势。随着社会经济的发展，直流电源、电动汽车和直流用电设备占比的增加，用户对于电能质量和供电可靠性的要求越来越高，多端柔性直流配电网凭借其更高的供电可靠性和更灵活的运行方式等优势成为未来配电系统的重要发展方向。目前，直流配电技术在通信配电、数据中心、直流牵引系统、船舶供电系统、电动汽车等领域得到了广泛的应用。
直流线路双极短路或单极接地故障时，均存在直流电容快速放电阶段，流过换流器的大电流使IGBT迅速闭锁，直流侧电压迅速下降，电流在几个毫秒内达到峰值电流。双极金属性短路时还存在二极管全导通阶段，直流侧电容电压下降为零，交流侧相当于三相短路，二极管受到严重的过流冲击。因此保护应在直流电容电压振荡过零时刻之前快速动作，实现故障区段的迅速隔离。
多端柔性直流配电网利用多类型换流器实现多端互联，面临分布式电源出力波动大、潮流双向、相邻线路的电压电流故障特征相近等问题，保护阈值的整定以及相邻线路保护之间的配合十分困难，传统的保护方法很难适用于直流配电网。其中过电流保护广泛应用于现有的简单直流网络中，如地铁直流牵引系统，船舶系统等，但应用于直流配电网中存在定值整定困难以及快速性和选择性难以兼顾的问题；微分保护的整定值易受故障位置、过渡电阻和运行工况的影响；欠压保护无法辨别区内区外故障，一般只作为后备保护；阻抗保护难以实现短数据窗内快速且精确的阻抗测量；电流差动保护需考虑数据通讯不同步造成的误差以及线路上电容产生不平衡差流，由于外部故障时电流以15-20A/us高速率变化，线路双端的数据不同步产生的大差动电流易造成保护误动；广泛应用于高压直流输电的行波保护可在极短的时间内识别故障，但由于配电线路短，行波保护存在行波波头检测困难、行波反射距离短、采样频率要求高、耐受过渡电阻能力弱等问题，不适应于直流配电网。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，它具有高可靠性、选择性和灵敏性等良好性能，可在极短时间内检测故障发生并判别故障线路和故障极，对于不同故障情形都有良好的抗过渡电阻能力。
实现上述目的的一种技术方案是：一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，用于对多端环型直流配电网拓扑结构进行故障限流保护，在构成环形拓扑结构的每条直流线路两端均设有限流电抗器和直流断路器，包括如下步骤：
步骤1，实时测取限流电抗器的采样电压；
步骤2，对产生异常采样电压值的目标限流电抗器，进行故障识别，区分为多端环型直流配电网拓扑结构的区内故障还是区外故障；
步骤3，若判定为区内故障，则对故障选极进行判别，进行故障选极，判定为双极故障、正极故障还是负极故障；
步骤4，完成故障识别和故障选极后，使故障极线路两侧的直流断路器跳闸，实现故障区段的隔离。
进一步的，步骤2中，进行故障识别的故障识别判据公式为：
uL(k)>uset
式中，k为采样点序号；uL(k)为序号为k的限流电抗器的采样电压；uset为设定阈值，取为1/4U0，U0为直流配电网系统额定电压。
进一步的，步骤3中，对于故障选极，首先定义电压比值系数Ku，它表示正极限流电抗器电压与负极限流电抗器电压在0.5ms时间窗平均值的绝对值之比，有
Figure BDA0002506470150000031
式中，n为0.5ms时间窗内采样点总数；k为时间窗内采样点序号；
Figure BDA0002506470150000032
和
Figure BDA0002506470150000033
分别表示正、负极限流电抗器在采样时刻的电压；
故障选极判据如下：
Figure BDA0002506470150000034
本发明的一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法有如下优势：
1)测量装置仅需测量单端限流电抗器的电压采样值，不需要电流数据和线路另一端的数据，测取的电气量少，不需要通信，因此不需要考虑通信时延和双端数据采样不同步问题；
2)利用限流电抗器电压在故障前、后瞬变特性，区内故障可在0.1ms快速识别，考虑故障选极的0.5ms数据窗，整体方案可在0.5ms识别故障位置和故障类型；
3)区外故障时，限流电抗器采样电压的最大值也与设定阈值保持充足的裕度，区外故障时可确保保护严格不动作；
4)区内、外限流电抗器故障初始电压相差100倍以上的数量级，有良好的故障识别区分度；
5)故障类型和过渡电阻对故障极的限流电抗器的故障初始电压几乎无影响，保护方案有较强的耐受过渡电阻能力；
6)本发明以复杂的环网拓扑为例做仿真实验，而保护原理并不涉及拓扑结构，保护方法适应于多种网络结构。
附图说明
图1为本发明的一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法的流程示意图；
图2为本发明的实施例中搭建的多端环型直流配电系统仿真模型拓扑示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
请参阅图1，本发明的一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，用于对多端环型直流配电网拓扑结构进行故障限流保护，在构成环形拓扑结构的每条直流线路两端均设有限流电抗器和直流断路器，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，实时测取限流电抗器的采样电压。
步骤2，对产生异常采样电压值的目标限流电抗器，进行故障识别，区分为多端环型直流配电网拓扑结构的区内故障还是区外故障。进行故障识别的故障识别判据公式为：
uL(k)>uset
式中，k为采样点序号；uL(k)为序号为k的限流电抗器的采样电压；uset为设定阈值，取为1/4U0，U0为直流配电网系统额定电压。
步骤3，若判定为区内故障，则对故障选极进行判别，进行故障选极，判定为双极故障、正极故障还是负极故障。对于故障选极，首先定义电压比值系数Ku，它表示正极限流电抗器电压与负极限流电抗器电压在0.5ms时间窗平均值的绝对值之比，有
Figure BDA0002506470150000051
式中，n为0.5ms时间窗内采样点总数；k为时间窗内采样点序号；
Figure BDA0002506470150000052
和
Figure BDA0002506470150000053
分别表示正、负极限流电抗器在采样时刻的电压；
故障选极判据如下：
Figure BDA0002506470150000054
步骤4，完成故障识别和故障选极后，使故障极线路两侧的直流断路器跳闸，实现故障区段的隔离。
请参阅图2，以一种多端环形直流配电网拓扑结构为例，搭建±10kV多端环型直流配电系统仿真模型，包括交流系统、光伏电源、直流负载、VSC换流站、DC/DC换流站、直流线路、直流母线、限流电抗器等电气设备。各端通过换流器和直流线路形成环型拓扑结构，运行方式灵活，可开环运行，也可合环运行。直流侧经换流器出口电容中性点接地，交流侧经星型变压器换流器侧接地。各换流器可通过主从控制或下垂控制稳定直流母线电压和维持功率平衡。当环型直流线路中任何一点出现故障，故障线路两侧直流断路器需快速动作以隔离故障，其余部分都可以正常工作，系统开环运行，不存在失电源和失负荷状态，减少功率损失。其中，Line1-Line4表示组成环型拓扑结构的四条直流线路；F1-F5表示不同的故障位置；X1-X8表示直流线路两侧加装的限流电抗器，其中安装于正极线路的限流电抗器分别为XP1-XP8，安装于负极线路的限流电抗器分别为XN1-XN8。
设定故障发生于t＝0.4s时刻。四条直流线路采用PI模型，长度均为4km。以安装于Line1正极的XP1和安装于Line1负极的XN1作为分析对象，得出不同故障类型的区内、外故障时的仿真结果。对于各种情形的区内故障，XP1和XN1的故障初始电压UXP1(0)和UXN1(0)、电压比值系数Ku以及故障判别结果如下表所示。
Figure BDA0002506470150000061
由上表可得，区内单极故障时，故障极的限流电抗器故障初始电压均在10kV(1/2U0)附近；区内双极故障时，XP1和XN1的故障初始电压均在10kV(1/2U0)附近。利用式uL(k)>uset所示的故障识别判据可在故障后的第一个采样时刻(即故障后的0.1ms)判别为区内故障。区内单极故障时，故障极和非故障极的限流电抗器故障初始电压相差很大，不同故障类型的Ku差异很大，利用故障选极判据公式可在故障后0.5ms内准确判别故障类型，保护方案的速动性和可靠性良好。
对于各种情形的区外故障，XP1和XN1的故障初始电压UXP1(0)和UXN1(0)、故障后电压波形的最大电压Umax以及故障判别结果如下表所示。
Figure BDA0002506470150000062
Figure BDA0002506470150000071
由该表可得，对于各种情形的区外故障，XP1和XN1的故障初始电压分别为0.0454kV和-0.0424kV；表1中，区内故障时故障极的限流电抗器故障初始电压均达到10kV(1/2U0)，可见区内、外故障时限流电抗器的故障初始电压相差100倍以上的数量级，这与本方法的说明一致。区外故障后，XP1和XN1的电压波形最大值也小于1.94kV，依然与阈值5kV保持很大的裕度，区外故障时保护严格不动作。
由区外故障分析，对于各种区外故障，被保护线路的其中一侧限流电抗器的故障初始电压为-0.5DrI0，与线路初始稳态电流、线路电阻和线路长度有关，理论上为一定值。上表，对于不同故障位置和故障类型的区外故障，UXP1(0)和UXN1(0)都呈现出恒定值特性，验证了本方法的正确性。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，用于对多端环型直流配电网拓扑结构进行故障限流保护，在构成环形拓扑结构的每条直流线路两端均设有限流电抗器和直流断路器，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，实时测取限流电抗器的采样电压；
步骤2，对产生异常采样电压值的目标限流电抗器，进行故障识别，区分为多端环型直流配电网拓扑结构的区内故障还是区外故障；
步骤3，若判定为区内故障，则对故障选极进行判别，进行故障选极，判定为双极故障、正极故障还是负极故障；
步骤4，完成故障识别和故障选极后，使故障极线路两侧的直流断路器跳闸，实现故障区段的隔离。
2.根据权利要求1所述的一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，其特征在于，步骤2中，进行故障识别的故障识别判据公式为：
uL(k)>uset
式中，k为采样点序号；uL(k)为序号为k的限流电抗器的采样电压；uset为设定阈值，取为1/4U0，U0为直流配电网系统额定电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于多端数据的直流配电网故障限流保护方法，其特征在于，步骤3中，对于故障选极，首先定义电压比值系数Ku，它表示正极限流电抗器电压与负极限流电抗器电压在0.5ms时间窗平均值的绝对值之比，有
Figure FDA0002506470140000011
式中，n为0.5ms时间窗内采样点总数；k为时间窗内采样点序号；
Figure FDA0002506470140000012
和
Figure FDA0002506470140000013
分别表示正、负极限流电抗器在采样时刻的电压；
故障选极判据如下：
Figure FDA0002506470140000014
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Application publication date: 20200825

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