CN111600282A - 一种基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法 - Google Patents

一种基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法，包括以下步骤：1)在直流配电系统中，在直流线路的两侧保护安装处安装传感器，通过该传感器获取直流线路本级电流量信号；2)利用故障下直流电流的变化特点，构建故障区识别判据；3)对步骤1)得到的电流量信号进行小波变化，得电流小波模极大值；4)构造故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据；5)根据故障区识别判据以及故障类型的识别判据进行适用于弱边界条件的多端柔性直流线路保护的判据流程，该方法能够有效解决多端柔性直流配电系统缺少直流滤波器作为直流线路边界，无法依靠直流线路边界特性进行故障保护的问题。

Description

一种基于弱边界条件下的多端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继电保护技术领域，涉及一种基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法。
背景技术
随着近年来分布式发电在电力能源中所占比重不断增大，同时直流负荷数量也日益增加。利用传统交流配电系统实现分布式能源的消纳以及直流负荷的供电时，需要大量电力电子换流设备，投资成本大幅提高。相反，若通过直流配电系统进行分布式能源的消纳和直流负荷的供电，则可以节省大量的换流设备，降低投资成本。除了在经济性方面的优势，直流配电系统与传统交流配电系统相比，其优点还体现在：提高供电可靠性、提高电能质量等方面。同时，近年来柔性换流技术逐渐成熟，推动了直流配电网的快速发展。因此，柔性直流配电系统成为未来能源互联网发展的主流趋势之一。其中，由于在供电可靠性等方面具备明显优势，多端柔性直流配电网将是直流配电网的研究、应用热点。
多端柔性直流配电网的保护系统是快速可靠地切除故障、减少故障影响范围、保证配电网的安全稳定运行的重要保障。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，从而对直流配电网造成很大的损害，所以保护系统是柔性直流配电网研究工作中非常重要的组成部分。
多端柔性直流拓扑有着降低了传输损耗的特点，并且具有较小的电力冲击和有利于电磁兼容的较低的电磁场。脆弱的VSC换流阀更容易受到直流故障的侵害，特别是当换流器为MMC拓扑时，加之一处故障会引起全网的过电压和过电流，使其保护更为复杂。直流系统保护相较于交流系统保护也存在差异，由于直流电网是一个低阻尼系统，使得故障电气量上升极快，对保护的速动性提出了更高的要求，也限制了传统阻抗保护的应用。大多数直流系统提出的保护方法是适用于点对点直流系统系统，但不能扩展到多端柔性直流系统，所以对多端柔性直流保护系统进行设计研究是十分必要的。虽然有些像全桥MMC这样的转换器拓扑具有直流故障电流阻断功能；几种矢量控制方法也可以应用于VSC换流器，这也有助于故障阻断过程，但是任然需要一个合适的保护算法在故障发生的几个毫秒内内检测故障发生并把故障部分从健全的网络部分区分和分离出来。
国内外现有的多端柔性直流保护研究算法总体上可以分为两类，一类是基于电压、电流导数和行波等构造的保护判据，另一类是基于小波/快速傅立叶技术、数学形态学和希尔伯特黄变换等数字信号处理方法设计的多端柔性直流系统保护算法。综上所述，目前对多端柔性直流保护的研究在直流电抗很小且无直流滤波器的弱边界条件下的直流系统中，其存在选择性差、灵敏度低、可靠性无法得到保证等问题。
目前，针对弱边界条件下的多端柔性直流保护研究需要分析故障下的电气量变化以构造保护分区判据，以避免因功率灵活反转和弱边界条件的分区困难；并根据不同故障下检测到的电气量特征给出适用于高电阻接地故障情况下的选极判据。最后，通过仿真验证保护策略在弱边界条件的多端直流网络的适用性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法，该方法能够有效解决多端柔性直流配电系统缺少直流滤波器作为直流线路边界，无法依靠直流线路边界特性进行故障保护的问题。
为达到上述目的，本发明所述的基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法包括以下步骤：
1)在直流配电系统中，在直流线路的两侧保护安装处安装传感器，通过该传感器获取直流线路本级电流量信号；
2)利用故障下直流电流的变化特点，构建故障区识别判据；
3)对步骤1)得到的电流量信号进行小波变化，得电流小波模极大值；
4)对不同故障类型下的电流小波模极大值进行分析，构造故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据；
5)根据故障区识别判据以及故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据进行适用于弱边界条件的多端柔性直流线路保护的判据流程。
计算数值γ，其中，数值γ为：
Figure BDA0002511677740000031
其中，i+rec为整流站的正极电流，i+inv为逆变站的正极电流，t为时间；
当发生区内故障时，i+rec与i+inv的变化趋势相同，此时γ>0；当发生区外故障时，i+rec与i+inv的变化趋势相反，此时γ<0。
构造区内正极线路的故障识别判据为：
Figure BDA0002511677740000041
负极线路的故障识别判据为：
Figure BDA0002511677740000042
正负极间线路的故障识别判据为：
Figure BDA0002511677740000043
其中，k1及k2为由折射系数及可靠性裕度决定的系数，Wij表示ij线路上i端保护安装处的电流小波变换模极大值，Wji表示ij线路上j端保护安装处的电流小波变换模极大值。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法具体操作时，利用故障下直流电流的变化特点，构建故障区识别判据；对不同故障类型下的电流小波模极大值进行分析，构造故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据，再根据故障区识别判据及故障类型的识别判据进行适用于弱边界条件的多端柔性直流线路保护的判据流程，有效解决多端柔性直流配电系统缺少直流滤波器作为直流线路边界，无法依靠直流线路边界特性进行故障保护的问题。
附图说明
图1为四端柔性直流配电系统拓扑图；
图2为N端柔性直流配电网络故障原理图；
图3为基于电流极性的方向纵联保护判据流程图；
图4为四端柔性直流配电系统网络故障分量原理图；
图5a为线路34区内故障时γ波形图；
图5b为线路34区外故障时γ波形图；
图6a为线路34正极短路接地时原始波形图；
图6b为线路43正极短路接地时原始波形图；
图6c为线路34正极短路接地时小波变换模极大值示意图；
图6d为线路43正极短路接地时小波变换模极大值示意图；
图7a为线路34负极短路接地时原始波形图；
图7b为线路43负极短路接地时原始波形图；
图7c为线路34负极短路接地时小波变换模极大值示意图；
图7d为线路43负极短路接地时小波变换模极大值示意图；
图8a为线路34极间短路时原始波形图；
图8b为线路43极间短路时原始波形图；
图8c为线路34极间短路时小波变换模极大值示意图；
图8d为线路43极间短路时小波变换模极大值示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明主要利用直流故障电流行波的小波变换模极大值的特征实现保护分区和故障类型的判别，具体的，本发明所述的基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法包括以下步骤：
1)在直流配电系统中，在直流线路的两侧保护安装处安装传感器，通过该传感器获取直流线路本级电流量信号；
2)利用故障下直流电流的变化特点如图2，构建故障区识别判据；
3)对步骤1)得到的电流量信号进行小波变化，得电流小波模极大值；
4)对不同故障类型下的电流小波模极大值进行分析，构造故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据；
5)根据故障区识别判据以及故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据进行适用于弱边界条件的多端柔性直流线路保护的判据流程。
步骤2)的具体操作时，计算数值γ，其中，数值γ为：
Figure BDA0002511677740000061
其中，i+rec为整流站的正极电流，i+inv为逆变站的正极电流，t为时间；
当发生区内故障时，i+rec与i+inv的变化趋势相同，此时γ>0；当发生区外故障时，i+rec与i+inv的变化趋势相反，此时γ<0。
参考图3，对于正极线路发生故障，相当于在故障点处叠加一负极性的直流电压源，行波电流以相应波速向线路两端传播，在换流站内因波阻抗的不同发生折反射，折射到负极的保护安装出时行波波头小于正极，故可构造区内正极线路的故障识别判据为：
Figure BDA0002511677740000071
同理，负极线路的故障识别判据为：
Figure BDA0002511677740000072
正负极间线路的故障识别判据为：
Figure BDA0002511677740000073
其中，k1及k2为由折射系数及可靠性裕度决定的系数，Wij表示ij线路上i端保护安装处的电流小波变换模极大值，Wji表示ij线路上j端保护安装处的电流小波变换模极大值。
本发明的验证以四端柔性直流环形配电网为例，如图1所示，其中，以线路34为对象，在其设置正极短路接地，负极短路接地和正负极间短路故障类型的区内故障，此时，认为线路3i、4j和ij及换流站内故障为区外故障进行仿真验证。参照图5a至图8d，其中，图5a至图5b为在线路34和线路31分别设置相同的正极接地故障，得到的γ值变化。在线路34正极故障时，对选极判据判断故障类型为正极接地故障的验证。在线路34负极故障时，对选极判据判断故障类型为负极接地故障的验证。在线路34正负极间故障时，对选极判据判断故障类型为正负极间故障的验证，表1为在不同过渡电阻的故障情况下小波模极大值与故障判别情况。
表1
Figure BDA0002511677740000074
Figure BDA0002511677740000081
其中，故障1为31线路正极接地故障；故障2为34线路正极故障，故障3为34线路负极接地故障；故障4为34线路极间短路故障。
以上结果表明，本发明可以有效地判断出故障区域和故障极，并且在高过渡电阻的故障下仍具有足够的灵敏性。
本发明可以保证不依靠直流线路边界条件对故障进行正确地分区，并且该保护方法不受高过渡电阻的影响，可很好地判断出不同类型的故障情况，具有很好的可靠性，为多端柔性直流配电线路保护的发展提供参考。

Claims (3)

1.一种基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在直流配电系统中，在直流线路的两侧保护安装处安装传感器，通过该传感器获取直流线路本级电流量信号；
2)利用故障下直流电流的变化特点，构建故障区识别判据；
3)对步骤1)得到的电流量信号进行小波变化，得电流小波模极大值；
4)对不同故障类型下的电流小波模极大值进行分析，构造故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据；
5)根据故障区识别判据以及故障区内正极线路、负极线路及正负极间线路的故障类型的识别判据进行适用于弱边界条件的多端柔性直流线路保护的判据流程。
2.根据权利要求1所述的基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，计算数值γ，其中，数值γ为：
Figure FDA0002511677730000011
其中，i+rec为整流站的正极电流，i+inv为逆变站的正极电流，t为时间；
当发生区内故障时，i+rec与i+inv的变化趋势相同，此时γ>0；当发生区外故障时，i+rec与i+inv的变化趋势相反，此时γ<0。
3.根据权利要求1所述的基于弱边界条件下的多端柔性直流配电系统保护方法，其特征在于，构造区内正极线路的故障识别判据为：
Figure FDA0002511677730000012
负极线路的故障识别判据为：
Figure FDA0002511677730000021
正负极间线路的故障识别判据为：
Figure FDA0002511677730000022
其中，k1及k2为由折射系数及可靠性裕度决定的系数，Wij表示ij线路上i端保护安装处的电流小波变换模极大值，Wji表示ij线路上j端保护安装处的电流小波变换模极大值。
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