CN111987702A - 基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，包括(M+N)个直流断路器、断路器控制单元、M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元；所述断路器控制单元结合所有直流母线上的电流量和配电线路上的电流量，以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号，再根据所得的故障动作信号将相应的直流断路器跳开。本发明能够将故障电流的突变量与功率方向进行综合考虑，结合新型直流断路器的动作特征，实现了网状直流配电网母线故障与线路故障的快速保护与区分。

Description

基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置和方法
技术领域
本发明涉及柔性直流电网保护技术领域，具体而言涉及一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置和方法。
背景技术
柔性直流电网因其具有输送功率灵活可控，电能传输损耗小、可以向无缘系统供电(不需要输送无功功率)等诸多优势已经成为当今智能电网建设的一项关键性技术。
由于柔性直流电网自身的特殊结构与和运行方式，直流故障的保护与隔离技术一直是研究的热点问题。当直流侧发生故障时，故障电流上升的速度与峰值远远高于传统的交流电网，会对柔性直流系统的安全运行造成很大的影响。直流断路器作为清除直流侧故障最有效的方式，随着制造技术的发展与成熟，日渐成为直流电网保护的主流方案。目前有研究人员提出了一种基于直流断路器的直流电网分区协调保护策略，该保护策略解决了直流故障区分的难题，但是直流电网的可靠性收到了影响。研究人员又针对星形直流电网的单极接地故障分别设计了基于故障电压变化率(ROCOV)和短时能量的故障识别方法，但是该保护方案对于辐射状直流电网的适应性还有待研究。
另外，上述保护方案所选用的直流断路器均为可以切断双向故障电流的双向断路器，但是采用单向直流断路器的保护方案研究甚少。文献“王渝红,傅云涛,曾琦,刘程卓,朱杰,凌楠.适用于直流电网的分区保护策略[J].南方电网技术,2019,13(12):24-33”中提出了一种适用于风电的新型快速固态断路器拓扑，这种断路器相对于双向断路器减少一半的IGBT和二极管数量，成本低，通态损耗小，说明单向直流断路器虽然仅可以清除正向故障，但是通过合理配置直流断路器位置依然可以实现直流故障的快速隔离。这就亟需提出一种技术方案，能够准确快速地辨识故障线路，并通过合理设置直流断路器的位置和合断原理实现对柔性直流配电线路的有效保护。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置和方法，首先对采用辐射状拓扑的直流配电网进行故障分析，在此基础上提出了一种利用本地信息的直流故障识别方案，该方案将故障电流的突变量与功率方向进行综合考虑，结合新型直流断路器的动作特征，实现了网状直流配电网母线故障与线路故障的快速保护与区分。该保护方案不依赖多段通讯，不需要复杂的数据分析处理，并且可以大大降低直流电网建设成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，所述保护装置包括(M+N)个直流断路器、断路器控制单元、M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元；
所述M+N)个直流断路器包括M个第一直流断路器和N个第二直流断路器；
其中，M个第一直流断路器一一对应地安装在M个直流母线上，布置于母线隔离开关和对应的平波电抗器之间；N个第二直流断路器分别对应安装在N条配电线路上，布置于线路两侧隔离开关与对应的平波电抗器之间；
M个所述母线故障检测单元一一对应地分布在M条直流母线上，用于检测所属直流母线上电流检测点的电流量；N个所述线路故障检测单元一一对应地分布在N条配电线路上，用于检测所属配电线路上电流检测点的电流量；
所述断路器控制单元的输入端与M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元连接，输出端与所有直流断路器连接；所述断路器控制单元结合所有直流母线上的电流量和配电线路上的电流量，以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号，再根据所得的故障动作信号将相应的直流断路器跳开；
所述M、N均为大于等于1的正整数。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述直流断路器包括主断路器单元、第一晶闸管组Tch、第二晶闸管组TF、电容器CCB、电阻器Rch、电阻器RL、电感Lch和电感LL；
所述第一晶闸管组Tch、电阻器Rch、电感Lch、电阻器RL、第二晶闸管组TF依次连接，所述第一晶闸管组Tch的输入端与主断路器单元的输入端连接，所述第二晶闸管组TF的输出端与主断路器单元的输出端连接；所述电容器CCB的一端连接在电感Lch和电阻器RL之间，另一端引出；所述电感LL串联在主断路器单元的输出端；
所述主断路器单元由IGBT组串联反并联二极管组成，用于切断所属线路电流；
在断路器的初始状态下，主断路器单元的IGBT组、第一晶闸管组Tch、第二晶闸管组TF均处于截止状态；
当直流断路器合闸时：
投运时，先给第一晶闸管组Tch触发信号，对电容器CCB进行充电，电流流过电阻器Rch和电感Lch并对电容器CCB充电，此时电阻器RL用于控制最大电流，电感LL用于限制充电电流的导数；在充电电流降至IGBT组的保持电流以下之后，Tch自然关断；通过向IGBT驱动器发送接通信号来完成主断路器单元额定闭合，断路器合闸成功；
当直流断路器断开时：
接收到跳闸信号后，主中断过程开始，在关闭主断路器单元IGBT的同时，触发TF；CCB通过电阻器RL连接到故障电流路径，并在IGBT关断时让CCB馈入故障阻抗，CCB继续提供故障阻抗，预充电电容器中存储的能量以及电缆电感自然会在电阻器RL、电缆电阻和故障阻抗中消散，第二晶闸管组TF将在故障电流降至其保持电流值以下后自然关闭，完成断路器的彻底闭合。
进一步地，所述母线故障检测单元的检测点位于所属第一直流断路器临近配电线路的一侧；所述线路故障检测单元的检测点位于所属第二直流断路器远离直流母线的一侧。
进一步地，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号的过程包括以下步骤：
S1，采集各直流母线和配电线路上检测点的电流值，根据下述保护启动判据依次判断其中是否出现了故障电流：
Figure BDA0002643854880000031
式中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关；
S2，当任意一条线路上的电流值满足保护启动判据时，判定该线路的第k个采样点电流为故障电流；
S3，判断故障电流所属线路，如果故障电流出现在配电线路上，以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定，如果故障电流出现在直流母线上，结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定。
进一步地，步骤S3中，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S301，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，取故障前若干个点作为样本计算得到电流平均值MA(ixn)；
S302，计算电流突变量Δixn：
Δixn＝ixn-MA(ixn)；
303，将Δixn与整定值Δixn.set进行比较，当Δixn大于Δixn.set则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障；整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max,大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min；
S304，采用辅助判据作进一步确认：
判断故障电流方向是否为正方向，若是，记P＝1，判定故障电流所属线路为故障线路；若故障电流方向为反方向，记P＝0，返回步骤S1。
进一步地，步骤S3中，所述结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S311，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，计算所有输入电流的总和：
Figure BDA0002643854880000032
式中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure BDA0002643854880000033
的取值为最小母线不平衡电流的值；
S312，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure BDA0002643854880000041
进行比较，如果总和大于阈值
Figure BDA0002643854880000043
则判定为总线故障并触发跳闸。
进一步地，步骤S1中，如果任意一条线路的电流值的连续X个连续样本均满足保护启动依据，判断该线路的这X个采样点电流为故障电流；
所述X为大于1的正整数。
基于前述保护装置，本发明还提及一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护方法，所述保护方法包括以下步骤：
S1，采集各直流母线和配电线路上检测点的电流值，根据下述保护启动判据依次判断其中是否出现了故障电流：
Figure BDA0002643854880000042
式中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关；
S2，当任意一条线路上的电流值满足保护启动判据时，判定该线路的第k个采样点电流为故障电流；
S3，判断故障电流所属线路，如果故障电流出现在配电线路上，以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定，如果故障电流出现在直流母线上，结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定。
进一步地，步骤S3中，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S301，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，取故障前若干个点作为样本计算得到电流平均值MA(ixn)；
S302，计算电流突变量Δixn：
Δixn＝ixn-MA(ixn)；
S303，将Δixn与整定值Δixn.set进行比较，当Δixn大于Δixn.set则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障；整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min；
S304，采用辅助判据作进一步确认：
判断故障电流方向是否为正方向，若是，记P＝1，判定故障电流所属线路为故障线路；若故障电流方向为反方向，记P＝0，返回步骤S1。
进一步地，步骤S3中，所述结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S311，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，计算所有输入电流的总和：
Figure BDA0002643854880000051
式中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure BDA0002643854880000052
的取值为最小母线不平衡电流的值；
S312，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure BDA0002643854880000053
进行比较，如果总和大于阈值
Figure BDA0002643854880000054
则判定为母线故障并触发故障母线的直流断路器跳闸。
本发明的有益效果是：
(1)本发明首先对采用辐射状拓扑的直流配电网进行故障分析，在此基础上提出了一种利用本地信息的直流故障识别方案，该方案将故障电流的突变量与功率方向进行综合考虑，结合新型直流断路器的动作特征，实现了网状直流配电网母线故障与线路故障的快速保护与区分。
(2)保护方案不仅适用于辐射型配电网，对于环型拓扑结构的配电网同样适用。
(3)针对柔性直流配电网快速闭锁的特征,提出了利用全电流方向特征的纵联保护,保护方案可在1ms内完成金属性双极故障的识别,保护范围覆盖整体线路，不受线路分布式电容影响，耐躁性能优良，不受换流器闭锁等非线性干扰的影响，并具有较强的耐受过渡电阻能力。
(4)在直流配电网中，无论采用对称单极、非对称单极、双级以及其他类型的电网，当线路发生故障时始终会导致故障电流增加，从而导致采样点电流出现峰值。因而本算法对不同配置和接地类型的故障具有很好的适应性
(5)该保护方案不依赖多段通讯，不需要复杂的数据分析处理，并且可以大大降低直流电网建设成本。
(6)在PSCAD/EMTDC软件上搭建模型对所提及的方案在不同故障情况下进行验证，通过不同情况下的仿真验证所提方案具有较高的可靠性和通用性，为今后保护方案的设计提供了一个新的思路。
附图说明
图1是本发明的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置的结构示意图。
图2是本发明的树状直流配电网拓扑结构示意图。
图3是本发明的树状直流配电网线路故障等效图。
图4是本发明的树状直流配电网配电线路故障电流流向图。
图5是本发明的树状直流配电母线故障电流流向图。
图6是本发明的新型直流断路器拓扑结构图。
图7是本发明的配电线路故障保护方案流程图。
图8是本发明的母线故障保护方案流程图。
图9是本发明的四端直流配电网仿真模型图。
图10是本发明的线路L12发生故障时各节点电流波形示意图，其中，10(a)是故障线路L12两端电流波形，10(b)是非故障线路L23两端电流波形。
图11是本发明的线路L12发生故障时保护特征量示意图，其中，11(a)是故障线路L12两端Δixn波形，11(b)是非故障线路L23两端Δixn波形。
图12是本发明的母线B2故障时各节点电流波形示意图。
图13是本发明的不同故障时SBi电流波形图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
结合图1，本发明提及一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，所述保护装置包括(M+N)个直流断路器、断路器控制单元、M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元。
所述M+N)个直流断路器包括M个第一直流断路器和N个第二直流断路器。
其中，M个第一直流断路器一一对应地安装在M个直流母线上，布置于母线隔离开关和对应的平波电抗器之间；N个第二直流断路器分别对应安装在N条配电线路上，布置于线路两侧隔离开关与对应的平波电抗器之间。
M个所述母线故障检测单元一一对应地分布在M条直流母线上，用于检测所属直流母线上电流检测点的电流量；N个所述线路故障检测单元一一对应地分布在N条配电线路上，用于检测所属配电线路上电流检测点的电流量。
所述断路器控制单元的输入端与M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元连接，输出端与所有直流断路器连接；所述断路器控制单元结合所有直流母线上的电流量和配电线路上的电流量，以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号，再根据所得的故障动作信号将相应的直流断路器跳开。
所述M、N均为大于等于1的正整数。
树状配电网做为配电网常见类型在实际电网中广泛存在着，相较于传统交流配电网，直流配电网会接入很多分布式电源，因而配电终端的情况会发生变化。图2是树状直流电网的拓扑示意图。直流母线Bx一端连接到VSC(VSCx)另一段通过传输线连接到其他配电终端，在本拓扑中，存在n个负载性终端，m个电源性终端。CBxj代表连接到传输线Lxj的直流断路器，CBxx代表连接到VSCx的直流断路器。
当配电线路Lxn靠近CBxn的末端发生短路故障时，除了母线外，与该线路并联的其他有源支路也会向故障点馈入电流，此时周围的换流站和输电线中的故障电流流向如图3所示。图3描绘了图2所示系统的简化等效电路。直流线路的故障发展很快，保护需要在毫秒时间内实现动作，此时换流站处于电容放点阶段，等效模型如左侧虚线框所示；直流断路器的限流电感由
Figure BDA0002643854880000071
表示，输电线路采用集总PI模型，而线电阻则忽略不计。
在故障发生的初期，换流站的电压可以认为是恒定的。由于直流线路上存在平波电抗器和直流断路器的限流电感器，因此可以将相邻线路的电压假定为恒定。v‘n是故障位置的电压，故障产生后立即降为零。电路的初始条件由式(1)给出：
Figure BDA0002643854880000072
其中if,xn是CBxn中的故障电流，
Figure BDA0002643854880000073
是CBxn中的故障前电流。考虑到等效电路的初始条件，以下等式成立：
Figure BDA0002643854880000074
其中L’x1代表CBxj的限流电感和线Lxj的电流平滑电抗器之和。L’xx表示CBxx的限流电感和与VSCx相关的DC总线滤波器的电感之和。
基于式(3)，CBxn中故障电流的初始上升速率可以近似为：
Figure BDA0002643854880000075
电网中任何直流断路器的中断实例处的故障电流值可近似为：
Figure BDA0002643854880000076
其中，
Figure BDA0002643854880000077
是CBxn中的最大故障电流，而Vdc是系统标称电压。tcb是直流断路器操作延迟时间。
Figure BDA0002643854880000078
是CBxn的故障前电流。
直流断路器主要分为固态断路器、机械式断路器和混合断路器，按照切断能力分类可以分为单向直流断路器和双向直流断路器。大多数直流断路器都被设计作为双向电流中断设备，然而，实现双向电流中断要比单向电流中断需要使用更复杂且昂贵的设备。如若单向直流断路器可以满足线路故障保护的需求，那么直流配网的经济性将大大增强，直流配网的推广也会上一个台阶。
当直流配电线路发生故障时，如图4所示，故障线路的电流朝故障点汇聚，而正常线路的电流朝母线方向流动；母线电流方向不变，依旧以指向配电线路的方向流动。假设直流断路器以指向线路方向为正方向，此时流过各直流断路器的故障电流方向如表1所示。由表1可知，当直流配网配电线路发生故障时，故障线路两端的单项直流断路器可以实现故障的隔离功能，
表1各断路器故障电流方向
Tab.1 Fault current direction of each circuit breaker
Figure BDA0002643854880000081
当配电网母线发生故障时，如图5所示，各有源线路及母线均会向故障点馈入电流，此时配电线路的电流朝向母线方向流动，母线电流的流动方向不变。同样假设直流断路器以指向线路方向为正方向，此时流过各直流断路器的故障电流方向如表2所示。由表2可知，当直流配电网母线发生故障时，直流母线处直流断路器及线路远端处直流断路器跳开，完成直流母线的隔离。
表2母线故障断路器故障电流方向
Tab.2 Fault current direction of each circuit breaker(小五号)
Figure BDA0002643854880000082
由上述分析可知，在多端直流配网中，线路必须能够在两个方向上传导电流，但单项直流断路器完全可以满足故障线路的切除任务了。
为了简化说明内容，本实施例以图1中单直流母线多配电线路为例对本发明的保护装置和保护方法进行说明。应当理解，当存在多直流母线时，本保护方案仍然适用。
如图1所示，直流母线上的单向直流断路器布置于母线隔离开关和平波电抗器之间，配电线路上的单向直流断路器布置于线路两侧隔离开关与平波电抗器之间。直流线路中的各个位置电流检测点Sxj(j＝1,2,…,n)采集的电流量ixj(j＝1,2,…,n)分别流入各个故障检测单元，由检测单元判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号，故障控制单元根据所得的故障动作信号将相应的断路器跳开。
本发明采用了一种具有“双向流通单项切断”功能的直流断路器，新型断路器的拓扑结构如图6所示。
所述直流断路器包括主断路器单元、第一晶闸管组Tch、第二晶闸管组TF、电容器CCB、电阻器Rch、电阻器RL、电感Lch和电感LL。
所述第一晶闸管组Tch、电阻器Rch、电感Lch、电阻器RL、第二晶闸管组TF依次连接，所述第一晶闸管组Tch的输入端与主断路器单元的输入端连接，所述第二晶闸管组TF的输出端与主断路器单元的输出端连接；所述电容器CCB的一端连接在电感Lch和电阻器RL之间，另一端引出；所述电感LL串联在主断路器单元的输出端。
所述主断路器单元由IGBT组串联反并联二极管组成，用于切断所属线路电流。
在断路器的初始状态下，主断路器单元的IGBT组、第一晶闸管组Tch、第二晶闸管组TF均处于截止状态。
当直流断路器合闸时：
投运时，先给第一晶闸管组Tch触发信号，对电容器CCB进行充电，电流流过电阻器Rch和电感Lch并对电容器CCB充电，此时电阻器RL用于控制最大电流，电感LL用于限制充电电流的导数；在充电电流降至IGBT组的保持电流以下之后，Tch自然关断；通过向IGBT驱动器发送接通信号来完成主断路器单元额定闭合，断路器合闸成功。
当直流断路器断开时：
接收到跳闸信号后，主中断过程开始，在关闭主断路器单元IGBT的同时，触发TF；CCB通过RL连接到故障电流路径，并在IGBT关断时让CCB馈入故障阻抗，CCB继续提供故障阻抗，预充电电容器中存储的能量以及电缆电感自然会在电阻器RL、电缆电阻和故障阻抗中消散，第二晶闸管组TF将在故障电流降至其保持电流值以下后自然关闭，完成断路器的彻底闭合。
断路器的主断路器单元(MBU)可以通过半导体开关的串联(和并联)连接来实现。辅助分支由两个晶闸管排和两个电阻以及一个电容器组成。电流可以通过IGBT和反并联二极管实现电流的双向流通，但只有当电流从IGBT流过时才能实现电流的切断功能。该拓扑相对于传统双向断路器来说少了一倍的半导体开关数量，可以大幅降低设备投入。
(1)正常工作模式
在断路器的初始状态下，所有晶闸管和IGBT均处于关断状态。当给与断路器开通信号时，首先触发Tch的门后，开始对CCB进行充电，在CCB充电结束后，充电电流会降至晶闸管的保持电流以下之后，Tch自然关断。下一步是关闭主断路器单元，主断路器单元的合闸过程可以通过向IGBT驱动器发送接通信号来完成，根据系统的电压和电流额定值，主断路器单元可能包含多个串联和并联的IGBT。此后，电流流过整流器侧MBU的半导体开关，而流过逆变器侧MBU的反并联二极管。
(2)故障操作模式
当直流断路器收到跳闸信号，主中断过程开始，此时主断路器单元IGBT关断，TF被触发导通，CCB馈入故障阻抗。在IGBT完全关断后，CCB继续提供故障阻抗。预充电电容器中存储的能量以及电缆电感自然会在RL、电缆电阻和故障阻抗中消散。TF将在故障电流降至其保持电流值以下后自然关闭，完成断路器的彻底闭合。
(3)断路器参数
直流断路器中的每个器件的参数均与断路器的工况密切相关；在断路器初始化阶段，需要对电容CCB进行充电，电容参数与晶闸管参数决定了电容的充电电流大小和充电电流增速，从而决定电阻RL与电感LL的大小；主断路器中串联IGBT的数量可以通过系统的额定电压和浪涌电压来定义，而并联IGBT的数量可以通过系统的最大连续电流和浪涌电流来定义；电容器CCB和在故障电流中断过程中起主要作用，因而其参数选择与线路最严重故障参数密切相关。单向直流断路器的内部参数可以基于以下公式计算：
Figure BDA0002643854880000101
其中Rij、CCB,ij、LL,ij和RL,ij分别代表CBij的内部电阻、CBij的内部电容器、传输线Lij的电感和传输线Lij的电阻。
在此基础上，本发明的保护原理如下：
一、启动判据
所述以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号的过程包括以下步骤：
S1，采集各直流母线和配电线路上检测点的电流值，根据下述保护启动判据依次判断其中是否出现了故障电流：
Figure BDA0002643854880000102
式中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关。
S2，当任意一条线路上的电流值满足保护启动判据时，判定该线路的第k个采样点电流为故障电流。
S3，判断故障电流所属线路，如果故障电流出现在配电线路上，以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定，如果故障电流出现在直流母线上，结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定。
为了保护的选择性，为避免噪声、操作等因素的干扰，常规保护方案通常均设有启动判据。一般噪声信号会使采样数据出现小幅波动，而调整启动判据窗口时间可是一个比较有效的保护方法。考虑到故障电流远大于正常运行电流，保护启动判据如下所示：
Figure BDA0002643854880000103
式(7)中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关。结合已有的相关保护方案的研究，整定值Iset大小可选为1.2倍额定电流。
二、线路保护判据及跳闸策略
步骤S3中，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S301，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，取故障前若干个点作为样本计算得到电流平均值MA(ixn)；
S302，计算电流突变量Δixn：
Δixn＝ixn-MA(ixn)。
S303，将Δixn与整定值Δixn.set进行比较，当Δixn大于Δixn.set则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障；整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min。
S304，采用辅助判据作进一步确认：
判断故障电流方向是否为正方向，若是，记P＝1，判定故障电流所属线路为故障线路；若故障电流方向为反方向，记P＝0，返回步骤S1。
由前述分析计算可知，柔性直流配电系统发生短路故障会使直流电流急剧增大。因此我们可以采用电流突变量作为线路故障的保护判据。为了防止由于测量噪声引起的局部最大值被错误识别为故障引起的峰值，仅当Δixn的局部极值保持超过两个连续样本的大于整定值时才认为线路有可能发生故障。
当故障发生在相邻线路，本线路的保护应当可靠闭锁。线路Lx发生短路故障时，流经线路Lx-1直流断路器的电流是由本线路末端有源系统提供的故障电流，相对于Lx线路中流过断路器DCxx的电流要小得多。因此，可以将Δixn与整定值
Figure BDA0002643854880000111
进行比较，当Δixn大于
Figure BDA0002643854880000112
则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障。整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min。
由于故障电流具有很大的幅值和突变量，电流突变量判据很容易得到满足。为了防止保护误动作，除了添加启动判据保证保护的可靠性以外，还需要一些相应的辅助判据来保证保护的选择性。以最容易发生勿动的相邻线路始端故障为例，如图7所示为故障电流流向图，可以看到故障电流方向与线路规定正方向相反，此时故障情况仅有两种可能，即直流母线故障和相应线路故障。相邻线路故障的这一特征可以很容易区分本线路故障与相邻线路故障。当故障电流方向为正方向时，记P＝1；当故障电流方向为反方向时，记P＝0。
基于上述分析，本发明提出以电流突变量(记为Δixn)和电流方向作保护特征来构建判据。电流方向以流向线路为正方向，Δixn定义为ixn与电流平均值MA(ixn)的差。电流平均值取故障前20个点作为样本计算得出，表达式如(8)所示：
Figure BDA0002643854880000121
故障点的样本量选取也可以采用其他数值，具体取决于故障判别时间需求和判别精度需求。
为了保证保护的可靠性，防止由于测量噪声引起的局部最大值误识别为故障，当故障检测模块检测三个以上连续样本中满足线路故障动作条件，保护才会产生动作。故障判别逻辑图如图所示。连续样本的数量也可以根据用户需求自行设定。
三、母线保护方案及跳闸策略
步骤S3中，所述结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S311，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，计算所有输入电流的总和：
Figure BDA0002643854880000122
式中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure BDA0002643854880000123
的取值为最小母线不平衡电流的值。
S312，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure BDA0002643854880000124
进行比较，如果总和大于阈值
Figure BDA0002643854880000125
则判定为总线故障并触发跳闸。
当输电线路母线发生故障时，利用流入流出母线节点电流变化特点，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure BDA0002643854880000126
进行比较，如果总和大于阈值则检测到总线故障并触发跳闸。以母线故障判据如下所示：
Figure BDA0002643854880000127
式(9)中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure BDA0002643854880000128
的取值为最小母线不平衡电流的值，且应当考虑互感器误差与测量噪声本题选取
Figure BDA0002643854880000129
故障判别流程图及跳闸策略如图8所示。
基于前述保护装置，本发明还提及一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护方法，所述保护方法包括以下步骤：
S1，采集各直流母线和配电线路上检测点的电流值，根据下述保护启动判据依次判断其中是否出现了故障电流：
Figure BDA0002643854880000131
式中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关。
S2，当任意一条线路上的电流值满足保护启动判据时，判定该线路的第k个采样点电流为故障电流。
S3，判断故障电流所属线路，如果故障电流出现在配电线路上，以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定，如果故障电流出现在直流母线上，结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定。
进一步地，步骤S3中，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S301，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，取故障前若干个点作为样本计算得到电流平均值MA(ixn)。
S302，计算电流突变量Δixn：
Δixn＝ixn-MA(ixn)。
S303，将Δixn与整定值Δixn.set进行比较，当Δixn大于Δixn.set则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障；整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min。
S304，采用辅助判据作进一步确认：
判断故障电流方向是否为正方向，若是，记P＝1，判定故障电流所属线路为故障线路；若故障电流方向为反方向，记P＝0，返回步骤S1。
进一步地，步骤S3中，所述结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S311，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，计算所有输入电流的总和：
Figure BDA0002643854880000132
式中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure BDA0002643854880000133
的取值为最小母线不平衡电流的值。
S312，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure BDA0002643854880000134
进行比较，如果总和大于阈值
Figure BDA0002643854880000135
则判定为母线故障并触发故障母线的直流断路器跳闸。
仿真分析
利用PSCAD/EMTDC软件搭建如图9所示的柔性直流配电系统仿真模型，系统具体配置如表3所示。
每个直流断路器的内部参数使用式(6)计算，具体参数如表4所示。断路器的限流电感器的值设置为10mH。采样频率为20kHz。
表3仿真系统主要参数
Tab.3 Main parameters of simulation system
Figure BDA0002643854880000141
表4单向直流断路器内部参数
Tab.4 Internal parameters of one-way DC circuit breaker
Figure BDA0002643854880000142
一、配电线路故障
以线路L12末端靠近VSC2侧发生极间短路故障为例，图10(a)给出了故障前后8ms内流经CB12和CB21的故障电流波形。故障发生后，流经CB21的电流立刻开始激增，峰值在8kA以下；流经CB12的电流由于输电线路影响1ms后电流开始激增，峰值6.38kA。相邻线路L23两端流经CB23和CB32的电流波形如图10(b)所示，线路发生故障后所有支路电流均流向故障处，因而CB23处的初始电流方向与设定正方向相反，为负值；是另一端CB32处流经的故障电流由于经过L23和L32的抑制，电流峰值仅有3.94kA。
线路的保护结果图11所示，测试结果表明，流经故障线路两端直流断路器的故障电流突变量远远大于整定值，可以可靠判别故障发生。保护分别在故障发生后的0.4ms和1.7ms处检测到故障。对于同一换流站的健全线路L23来说，线路两端的故障电流突变量小于整定值，保护能够可靠闭锁。易发生误动作的同一换流站近端直流断路器CB23，由于故障一开始检测到电流变化率为负值，保护也不会动作，从而进一步提高保护的可靠性。
表5给出了不同故障线路、不同故障位置下发生配电线路故障情况下的单向断路器的动作特性。在每个故障位置处，对于易发生误动作的断路器也进行了验证。由仿真结果可知，线路两端故障电流增量Δixn远大于整定值，而非故障线路的电流增量一般都远小于整定值，加之方向判据的辅助，本发明设计的保护方案可以很好的区分区内故障与区外故障。单向直流断路器在线路故障发生后可以快速的跳开故障线路，可以很好满足保护要求。
表5不同故障线路、不同故障位置下的保护动作结果
Tab.5 Protection action results under different fault lines anddifferent fault locations
Figure BDA0002643854880000151
二、直流母线故障
以母线SB2发生极间短路故障为例，图12给出了故障后8ms内流经母线断路器CB22和线路断路器CB21和CB23的电流波形图。故障发生后，母线电流激增，方向与设定正方向相同，为正值，峰值为6.5kA；流经线路断路器的故障电流方向与设定正方向相反，为负值，峰值分别为6.2kA和4.7kA。在断路器跳闸后，直流故障电流迅速达到零.
母线故障时的差动电流和线路故障时的差动电流波形如图13所示。可以看出，当母线发生故障时，SBi明显大于0，而在线路故障FLine12期间，他保持接近于0的状态。因此，即使很小的阈值Iset·B也可以用来区分母线故障和线路故障。
母线故障时需要通过跳开相连线路远端直流断路器完成故障隔离，表6给出了不同母线故障时线路远端单向直流断路器跳开所用时间。鉴于配电线路长度一般较短，远端的跳闸信号所须时间不会太长。由仿真结果可知，本保护方案可以满足保护动作要求。
表6不同母线故障时的故障识别时间
Tab.6 Fault recognition time when different bus faults
Figure BDA0002643854880000161
本发明以直流配电线路故障电流特征为基础，提出了一种基于单向直流断路器的直流配电线路保护新方法。理论和仿真实验表明：
1)直流配电网发生线路故障和母线故障时电流方向特征明显，通过指定合适正方向配以缜密的跳闸逻辑，单项直流断路器可以处理常见的线路故障。
2)保护方案不仅适用于辐射型配电网，对于环型拓扑结构的配电网同样适用。
3)原理简单、数据窗短、动作速度快，主要本地信息进行故障识别，数据处理能力要求低。通过不同情况下的仿真验证所提方案具有较高的可靠性和通用性，为今后保护方案的设计提供了一个新的思路。
针对柔性直流配电网快速闭锁的特征,提出了利用全电流方向特征的纵联保护，保护方案可在1ms内完成金属性双极故障的识别，保护范围覆盖整体线路，不受线路分布式电容影响，耐躁性能优良，不受换流器闭锁等非线性干扰的影响，并具有较强的耐受过渡电阻能力。
在直流配电网中，无论采用对称单极、非对称单极、双级以及其他类型的电网，当线路发生故障时始终会导致故障电流增加，从而导致Δixn出现峰值。因而本算法对不同配置和接地类型的故障具有很好的适应性。
本发明对多端柔性直流配电网系统中直流线路短路故障的过程做了详细分析，对国内外提出的利用交流断路器的经典故障隔离方案进行了探讨，并在此基础上提出了先闭锁后隔离的顺序，并提出利用直流断路器的故障隔离方案，这种方案不仅适用于放射性拓扑结构，对环形拓扑结构的直流配电网也适用。闭锁后隔离故障，可以采集到可靠故障电流方向信息，以此判定故障线路。此外利用两端电气变化量信息进行判定提高可靠性，同时光纤闭锁方向保护方法大大减少信息交流时间，能在闭锁后的2ms内切除故障，使电容电压尽量保持不变，可缩短电容充电过程，加快供电恢复速度。最后在仿真软件中验证了利用直流断路器可以使得故障隔离过程缩短至5ms以内。
原理简单，计算量小。仿真结果表明，该保护的速动性远远高于常规电流差动保护，且不受分布电容电流的影响，具备良好的耐过渡电阻能力。基于相关性分析的电气特征量直流线路保护是针对高阻接地故障的研究新思路。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，所述保护装置包括(M+N)个直流断路器、断路器控制单元、M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元；
所述(M+N)个直流断路器包括M个第一直流断路器和N个第二直流断路器；
其中，M个第一直流断路器一一对应地安装在M个直流母线上，布置于母线隔离开关和对应的平波电抗器之间；N个第二直流断路器分别对应安装在N条配电线路上，布置于线路两侧隔离开关与对应的平波电抗器之间；
M个所述母线故障检测单元一一对应地分布在M条直流母线上，用于检测所属直流母线上电流检测点的电流量；N个所述线路故障检测单元一一对应地分布在N条配电线路上，用于检测所属配电线路上电流检测点的电流量；
所述断路器控制单元的输入端与M个母线故障检测单元和N个线路故障检测单元连接，输出端与所有直流断路器连接；所述断路器控制单元结合所有直流母线上的电流量和配电线路上的电流量，以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号，再根据所得的故障动作信号将相应的直流断路器跳开；
所述M、N均为大于等于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，所述直流断路器包括主断路器单元、第一晶闸管组Tch、第二晶闸管组TF、电容器CCB、电阻器Rch、电阻器RL、电感Lch和电感LL；
所述第一晶闸管组Tch、电阻器Rch、电感Lch、电阻器RL、第二晶闸管组TF依次连接，所述第一晶闸管组Tch的输入端与主断路器单元的输入端连接，所述第二晶闸管组TF的输出端与主断路器单元的输出端连接；所述电容器CCB的一端连接在电感Lch和电阻器RL之间，另一端引出；所述电感LL串联在主断路器单元的输出端；
所述主断路器单元由IGBT组串联反并联二极管组成，用于切断所属线路电流；
在断路器的初始状态下，主断路器单元的IGBT组、第一晶闸管组Tch、第二晶闸管组TF均处于截止状态；
当直流断路器合闸时：
投运时，先给第一晶闸管组Tch触发信号，对电容器CCB进行充电，电流流过电阻器Rch和电感Lch并对电容器CCB充电，此时电阻器RL用于控制最大电流，电感LL用于限制充电电流的导数；在充电电流降至IGBT组的保持电流以下之后，晶闸管Tch自然关断；通过向IGBT驱动器发送接通信号来完成主断路器单元额定闭合，断路器合闸成功；
当直流断路器断开时：
接收到跳闸信号后，主中断过程开始，在关闭主断路器单元IGBT的同时，触发晶闸管TF；电容器CCB通过RL连接到故障电流路径，并在IGBT关断时让CCB馈入故障阻抗，CCB继续提供故障阻抗，预充电电容器中存储的能量以及电缆电感自然会在电阻器RL、电缆电阻和故障阻抗中消散，第二晶闸管组TF将在故障电流降至其保持电流值以下后自然关闭，完成断路器的彻底闭合。
3.根据权利要求1所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，所述母线故障检测单元的检测点位于所属第一直流断路器临近配电线路的一侧；所述线路故障检测单元的检测点位于所属第二直流断路器远离直流母线的一侧。
4.根据权利要求1所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征以构建故障判据，判别故障发生位置并判断是否发出故障动作信号的过程包括以下步骤：
S1，采集各直流母线和配电线路上检测点的电流值，根据下述保护启动判据依次判断其中是否出现了故障电流：
Figure FDA0002643854870000021
式中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关；
S2，当任意一条线路上的电流值满足保护启动判据时，判定该线路的第k个采样点电流为故障电流；
S3，判断故障电流所属线路，如果故障电流出现在配电线路上，以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定，如果故障电流出现在直流母线上，结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定。
5.根据权利要求4所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，步骤S3中，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S301，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，取故障前若干个点作为样本计算得到电流平均值MA(ixn)；
S302，计算电流突变量Δixn：
Δixn＝ixn-MA(ixn)；
S303，将Δixn与整定值
Figure FDA0002643854870000022
进行比较，当Δixn大于
Figure FDA0002643854870000023
则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障；整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min；
S304，采用辅助判据作进一步确认：
判断故障电流方向是否为正方向，若是，记P＝1，判定故障电流所属线路为故障线路；若故障电流方向为反方向，记P＝0，返回步骤S1。
6.根据权利要求4所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，步骤S3中，所述结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S311，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，计算所有输入电流的总和：
Figure FDA0002643854870000031
式中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure FDA0002643854870000032
的取值为最小母线不平衡电流的值；
S312，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure FDA0002643854870000033
进行比较，如果总和大于阈值
Figure FDA0002643854870000034
则判定为总线故障并触发跳闸。
7.根据权利要求4所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置，其特征在于，步骤S1中，如果任意一条线路的电流值的连续X个连续样本均满足保护启动依据，判断该线路的这X个采样点电流为故障电流；
所述X为大于1的正整数。
8.一种基于权利要求1的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置的保护方法，其特征在于，所述保护方法包括以下步骤：
S1，采集各直流母线和配电线路上检测点的电流值，根据下述保护启动判据依次判断其中是否出现了故障电流：
Figure FDA0002643854870000035
式中：ik表示第k个采样点电流的电流；m为启动判据窗长内的采样点数，m的大小与采样频率有关；
S2，当任意一条线路上的电流值满足保护启动判据时，判定该线路的第k个采样点电流为故障电流；
S3，判断故障电流所属线路，如果故障电流出现在配电线路上，以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定，如果故障电流出现在直流母线上，结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定。
9.根据权利要求8所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置的保护方法，其特征在于，步骤S3中，所述以电流突变量和电流方向作为保护特征执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S301，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，取故障前若干个点作为样本计算得到电流平均值MA(ixn)；
S302，计算电流突变量Δixn：
Δixn＝ixn-MA(ixn)；
S303，将Δixn与整定值Δixn.set进行比较，当Δixn大于Δixn.set则判定为本线路故障，否之则为相邻线路故障；整定值Δixn·set的选择应满足小于线路Lxn上的故障电流的最小值ΔIxn·max大于Lxn相邻线路上的故障的的最大值ΔIxi·min；
S304，采用辅助判据作进一步确认：
判断故障电流方向是否为正方向，若是，记P＝1，判定故障电流所属线路为故障线路；若故障电流方向为反方向，记P＝0，返回步骤S1。
10.根据权利要求8所述的基于直流断路器的柔性直流配电线路保护装置的保护方法，其特征在于，步骤S3中，所述结合所有输入电流的总和执行当前故障电流对应的故障线路判定的过程包括以下步骤：
S311，设故障电流所属电路Lxn的电流方向以流向线路为正方向，计算所有输入电流的总和：
Figure FDA0002643854870000041
式中，Iij和Ii分别是Sxx和Sxj测量的电流，
Figure FDA0002643854870000042
的取值为最小母线不平衡电流的值；
S312，将所有输入电流的总和的绝对值与阈值
Figure FDA0002643854870000043
进行比较，如果总和大于阈值
Figure FDA0002643854870000044
则判定为母线故障并触发故障母线的直流断路器跳闸。
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