CN112103926B - 一种用于直流配电网的双端量加速保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于直流配电网的双端量加速保护方法从速动性角度出发提出满足实际工程对速动性需求的加速保护方案，保护方案由启动判据，重合闸后永久性瞬时性故障判别，永久性故障类型和故障区域识别组成。本文为了降低加速保护第一次造成的误动，提出两次启动判据用于避免稳态和一些非故障情况，有效地提升了选择性，确保直流断路器在故障后1ms快速动作，换流器中电力电子器件不会被破坏且不闭锁。经过300ms去游离延时后，重合直流断路器后识别出是永久性故障后，利用重合后的电压电流故障信息，准确识别出故障类型和故障区域，该加速保护方案有助于完善直流配电工程线路保护。

Description

一种用于直流配电网的双端量加速保护方法
技术领域
本发明属于直流配电网继电保护技术领域，涉及一种用于直流配电网的双端量加速保护方法。
背景技术
分布式发电和储能技术不断突破，城市直流负荷的快速增加、导致传统配电网的“源、网、荷”发生了翻天覆地的变化，与此同时城市供电走廊的紧缺成为限制扩建交流配电线路的制约因素。中压直流配电网(medium voltage direct current，MVDC)易于实现分布式能源接入，便于和储能配合。相比交流配电网，直流配电网的电能传输效率更高、电能质量更优、损耗更低以及环境污染更小等突出优势，成为解决以上问题的有效手段之一。相比交流配电网，直流配电网是由大量的电力电子器件构成，系统形态发生巨大改变，故障特性也相应发生改变，故障在时空的传播也存在新的特征。直流配电网的直流侧一般呈现欠阻尼状态，当直流侧线路发生故障，短路电流在几个毫秒内可以达到额定电流数倍乃至数十倍，由于换流器内绝缘栅门极晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT)承受短路电流能力有限，大电流严重威胁IGBT的安全。为了确保直流配电网安全可靠稳定运行，需要研究快速动作的线路保护方案。
发明内容
本发明提供了一种用于直流配电网的双端量加速保护方法，解决了现有直流配电网对保护速动性的要求，可以有效提升故障切除的速度，从而减少故障切除时间。
本发明所采用的技术方案是，一种用于直流配电网的双端量加速保护方法，包括以下步骤：
步骤1、定义电流正方向，规定正极线路的电流正方向是从母线流到线路侧，而负极线路的电流正方向是从线路侧流到母线，规定直流断路器只能在电流方向检测为正方向的时候动作；
并采集功率送端和功率受端保护装置处的电压瞬时值upi，uni，电流瞬时值ipi，ini；
步骤2、将采集的电流瞬时值ipi，ini和对应的线路末端最大负荷电流imax进行比较，采集到的电压瞬时值upi，uni和对应的母线电压 ubus进行比较。当采集到的电流满足ipi>kINormal*imax或者ini>kINormal*imax；采集到的电流满足upi<kUNormal*ubus或者uni<kUNormal*ubus；如果电流和电压同时满足以上条件，此时满足第一次启动判据，进入第二次启动判据。
电压电流合理的波动范围主流认为是±5％和±7％。因此为了躲避稳态情况，第一次启动判据设置为电流高出10％，电压低10％。所以本文选取的kINormal值为1.1，选取的kUNormal值为0.9，
步骤3、进入第二次启动判据，连续采集10个点的电压电流值， N取10，计算采集到的线路电流和电压的平均值I，U。将计算的电流平均值I，U和高阻故障电流
Figure GDA0003562106020000021
以及
Figure GDA0003562106020000031
进行比较。当计算的电流平均值I满足
Figure GDA0003562106020000032
计算的电压平均值U满足
Figure GDA0003562106020000033
如果电流和电压同时满足以上条件，此时满足第二次启动判据，认为系统内部线路发生故障，启动前加速保护。kINormal值的选择只需要确保在故障电流最小(单极高阻接地)的时候可以准确启动保护即可，因此本文选取的 kIFault的值选择0.9，kUFault值的选择是更进一步确定故障发生，因此可以选择较小的值，本文选取的kIFault的值选择1.1。
步骤4、功率送端(电流流出端)加速装置识别发生故障，此时给功率受端(电流流入端)加速保护装置通信将本侧结果传递对侧，如果此时功率受端检测电流大于等于0，此时两端的直流断路器都跳闸；
步骤5、开闸的直流断路器经过300ms去游离延时后，此时重合闸启动，利用加速保护装置采集重合闸3ms数据窗的故障电压信息，如果电压迅速上升且抬升至母线电压，则认为是瞬时性故障，否则是永久性故障。如果是瞬时故障则此时故障消失，系统恢复正常，如果此时是永久性故障，进入下一步。
步骤6、确实是永久性故障，利用加速保护装置采集重合闸3ms 数据窗的故障电压信息，根据线路正极和负极电压特点，定义故障类型识别系数KPN，如果是正极故障，此时0<KPN≤0.75，如果是负极故障，此时1.35≤KPN<∞，如果是极间故障，此时0.75<KPN<1.35。根据故障类型识别系数KPN值的不同判别永久性故障的类型。
步骤7、利用重合闸期间故障电流信息，根据区内故障和区外故障下，线路两端电流的特点，定义两侧电流横轴对称系数△ip和△iN。如果是区外故障，此时两侧电流大小相等，方向相反，其系数近似0；而对于区内故障，此时两侧电流大小不相等，方向相同，其系数远大于0。根据两侧电流横轴对称系数大小可以可靠区分区内故障和区外故障。
本发明的特点还在于：
进一步地，针对永久性故障，在步骤7中提出利用重合闸期间故障电压特性识别故障类型。
进一步地，针对永久性故障，在步骤8中提出利用重合闸期间故障电流信息，借助电流波形的整体波形思想识别故障区域。
步骤6故障类型识别依据KPN系数判别如下：
Figure GDA0003562106020000041
Figure GDA0003562106020000042
Figure GDA0003562106020000043
其中，USEP为重启时正极电压平均值；USEN为重启时负极电压平均值；Up和UN分别为正、负极电压，NRe值是3ms数据窗的数据点，为60；KPN为故障类型识别系数，Ubus表示正常运行下线路电压；
定义故障类型识别系数KPN，如果是正极故障，此时0<KPN≤0.75，如果是负极故障，此时1.35≤KPN<∞，如果是极间故障，此时 0.75<KPN<1.35，根据故障类型识别系数KPN值的不同判别永久性故障的类型。
步骤6中重合闸的重启原则是先启动功率送端一侧直流断路器，经过5ms延迟启动功率受端一侧直流断路器，主要的目的降低两侧断路器同时合闸产生的电压应力。
步骤7依据保护判据识别故障是否在区内的判断依据如下：
区外故障：线路两侧电流迅速增加，电流幅值大小相等，但是方向相反，两侧电流关于横轴完全对称；
区内故障：线路两侧电流迅速增加，电流幅值大小不相等且方向一致，两侧电流关于横轴完全不对称，关于横轴对称程度发生严重偏移。
步骤7的保护判据如式(8)所示，
Figure GDA0003562106020000051
其中，k△值取为0.8，△ISETP和△ISETN分别是不同故障情况下仿真得到最小对称程度系数。
Figure GDA0003562106020000052
Figure GDA0003562106020000053
Figure GDA0003562106020000054
为故障正极电流、
Figure GDA0003562106020000055
为故障负极电流，其中P和N代表的是线路正极负极，a的取值是1和2，分别代表两侧的测量装置；定义正负极两侧电流横轴对称系数为ΔiP和ΔiN，NTi代表的是3ms内的数据点，取60。
本发明的有益效果是，提出加速保护方法可以有效地提升保护方案的速动性，在故障1ms后可以确保直流断路器动作，从而可以快速地切除故障。重合直流断路器后识别出是永久性故障后，针对快速性导致故障后数据点少的问题，本文提出利用重合后的电压电流故障信息，准确识别出故障类型和故障区域。非常适合直流配电系统线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。
附图说明
图1是本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法流程示意图；
图2是本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法中的直流配电网线路非区内故障电流流向图；
图3是本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法中直流配电网线路区内故障电流流向图；
图4是采用本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法直流配电网加速保护装置安装示意图
图5是本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法中直流断路器重合闸后瞬时性故障和永久性故障识别图；
图6是本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法中直流断路器重合闸后永久性故障类型识别图；
图7是本发明一种用于直流配电网的双端量加速保护方法中直流断路器重合闸后永久性故障区域识别图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明并不限于这些方式。
一种用于直流配电网的双端量加速保护方法的流程示意图如图1 所示，包括以下步骤：
步骤1、在线路源端保护装置处安装前加速装置，并采集功率送端和功率受端处保护装置处的电压电流瞬时值upi，uni，ipi，ini；
步骤2、将采集的电流瞬时值ipi，ini和对应的线路末端最大负荷电流imax进行比较，采集到的电压瞬时值upi，uni和对应的母线电压 ubus进行比较。当采集到的电流满足ipi>kINormal*imax或者ini>kINormal*imax；采集到的电流满足upi<kUNormal*ubus或者uni<kUNormal*ubus。如果电流和电压同时满足以上条件，此时满足第一次启动判据，进入第二次启动判据。
电压电流合理的波动范围主流认为是±5％和±7％。因此为了躲避稳态情况，第一次启动判据设置为电流高出10％，电压低10％。所以本文选取的kINormal值为1.1，选取的kUNormal值为0.9，
步骤3、进入第二次启动判据，连续采集10个点的电压电流值， N取10，计算采集到的线路电流和电压的平均值I，U。将计算的电流平均值I，U和高阻故障电流
Figure GDA0003562106020000071
以及
Figure GDA0003562106020000072
进行比较。当计算的电流平均值I满足
Figure GDA0003562106020000073
计算的电压平均值U满足
Figure GDA0003562106020000074
如果电流和电压同时满足以上条件，此时满足第二次启动判据，认为系统内部线路发生故障，启动加速保护。可靠系数值的选择只需要确保在故障电流最小(单极高阻接地)的时候可以准确启动保护即可，因此本文选取的 kIFault的值选择0.9，kUFault值的选择是更进一步确定故障发生，因此可以选择较小的值，本文选取的kIFault的值选择1.1。
步骤4、功率送端加速装置识别发生故障，此时给功率受端加速保护装置通信将本侧结果传递对侧，如果此时功率受端检测电流大于等于0，此时两端的直流断路器都跳闸。
直流断路器的工作原理如图2和图3所示，其中Y表示前加速采集装置采集到的数据是正方向，对应的断路器可以动作，而N表示前加速采集装置采集到的数据是负方向，对应的断路器拒绝动作。从图中可以看到，当系统在正常运行、功率翻转以及区外故障的时候，线路电流从一侧流向另一侧，两侧采集到的电流方向一正一负，在前加速的驱使下，电流方向为正的断路器动作，而对侧断路器拒绝动作。
步骤6、开闸的直流断路器经过300ms去游离延时后，此时重合闸启动，判断是瞬时故障还是永久性故障。如果是瞬时故障则此时故障消失，系统恢复正常，如果此时是永久性故障，进入下一步。
步骤7、确实是永久性故障，利用加速保护装置采集重合闸3ms 数据窗的故障电压信息，根据正极和负极电压的关系判断故障类型。
步骤8、利用重合闸期间故障电流信息，根据区内故障和区外故障下，线路两端电流的特点，定义两侧电流横轴对称系数△ip和△iN。如果是区外故障，此时两侧电流大小相等，方向相反，其系数近似0；而对于区内故障，此时两侧电流大小不相等，方向相同，其系数远大于0。根据两侧电流横轴对称系数大小可以可靠区分区内故障和区外故障。
实施例1
在MATLAB/SIMULINK中搭建了如图5所示的四端环网直流配电系统拓扑结构模型，该模型由四个MMC换流器构造，连接四条线路，在每条线路的源侧安装前加速装置，分别为AR12、AR21、AR13、 AR31、AR24、AR42、AR34、AR43，每个前加速装置都有与之对应的直流断路器，安装的直流断路器是目前主流的混合式直流断路器，其直流配电线路长度为100km，系统的直流电压Udc为±100kV，采样频率为10kHz，环网配电网的相关参数如表1所示，线路选用的是 PSCAD中的频域相关相域模型(Frequency Dependent(Phase) Model)，线路参数如表2所示。
表1四端口直流配电网参数表
Figure GDA0003562106020000091
表2系统线路参数
Figure GDA0003562106020000092
MVDC配电网正常运行时，认为电压和电流的波动范围在±5％或±7％之间。第一次启动判据主要为了躲避稳态情况，结合故障特性，认为电流高出10％，电压低出10％即可认为满足第一次启动判据。
启动判据：如式(1)所示，其中kINormal值取为1.1，kUNormal值取为0.9。只要有一个点满足，即认为满足第一次启动判据，进而第二次启动判据。
Figure GDA0003562106020000101
一次判据只要采集的一点的电压电流同时满足判据要求，此时第一级判据启动，进入第二级判据。
启动判据：如公式(2)所示，其中kIFault值取为0.9，kUFault值取为1.1。连续采集10个点，N取10，此时计算采集到的线路电流和电压的平均值
Figure GDA0003562106020000102
本文在送端加速装置计算是否启动判据，如果两次启动判据也满足，则加速装置预判发生故障，同时加速装置将预判结果传递受端加速装置，如无特殊说明,假设通信延时为0.1ms，送端加速装置在延迟0.1ms后给直流断路器跳闸指令，受端在接收到跳闸直流即刻给对应的直流断路器指令。经过仿真分析计算发现，考虑到不同过渡电阻及不同故障位置的单极和极间故障，知在故障后0.4ms内第一次启动判据满足。第二次启动判据需要0.5ms的时间窗,因此可以认为本文提出的加速保护启动会在故障后1ms动作。在仿真发现故障1ms 后，换流器中的电力电子器件可以耐受故障电流，因此加速保护下换流器不用闭锁。
直流断路器在被激活以后，同时接收到对应的加速装置跳闸指令才会动作。直流断路器动作后，经过一定的延时后，经过300ms无电荷延迟后，直流断路器合闸需要判断是瞬时性故障还是永久性故障。
重合闸重启原则，先启动送端一侧直流断路器，经过5ms延迟启动受端一侧直流断路器，可以有效降低产生的电压应力。
由于仅仅启动一侧直流断路器，无论故障是否消除，此时电流都无法传输到对侧，无法利用电流信息识别，因此本文从电压的角度出发。两侧直流断路器合闸有间隔，考虑如果是永久性故障，有故障类型、故障区域的算法计算需求以及进一步有选择性跳闸的延迟需要，因此本文选择时间窗为3ms，留有2ms的时间裕度。瞬时性故障在直流断路器合闸之前已经消失，因此永久性和瞬时性故障在送端直流断路器合闸期间有不同的电压特性。
一侧直流断路器合闸后，电压抬升至母线电压，此时认为是瞬时性故障，否则是永久性故障。如果识别是瞬时性故障，此时另一侧直流断路器可以成功合闸；如果识别是永久性故障，则此时需要进行推迟另一侧直流断路器合闸，进一步判断故障类型和故障区域，进行二次动作。
重合闸判据：如式(3)所示，其中kReclose值取为0.85，NRe值是 3ms数据窗的数据点，为60。
Figure GDA0003562106020000121
设置的单个点整定值是0.85，本小节选择的时间窗为3ms，对应的数据点是60个，因此整定值选取为51。图4表示的是线路line14 正极100Ω发生永久性和瞬时性接地故障，可以正确识别。
利用重合闸后的电压的变化趋势，选取的时间数据窗是3ms，根据故障下，正极和负极电压的关系判断故障类型。设正极、负极电压为Up和UN，计算得到重启时电压值平均值大小USEP和USEN，如式 (4)所示，根据不同故障类型下正负极电压的特点，借助单极故障极间电压不变的特性，本文定义故障类型识别系数KPN如式(5)所示，为了防止分母近似为零，对KPN等式上下分别添加了一个1％Ubus的增量。
Figure GDA0003562106020000122
Figure GDA0003562106020000123
图5是在3ms数据窗内，每个点计算得到的KPN，可以认为在3ms 时间窗内，对故障类型的判别结果十分稳定，都可以正确识别故障类型。
直流断路器在故障后1ms进行跳闸操作，有效可用故障数据量较少。送端直流断路器重合后，电流会经过直流断路器合闸支路向故障点送入功率。为了提升可靠性，本文使用送端直流断路器重合后 3ms数据窗内的数据进行故障区域识别
设故障正极电流
Figure GDA0003562106020000124
负极电流为
Figure GDA0003562106020000125
其中P和N代表的是线路正极负极，a的取值是1和2，分别代表两侧的测量装置。定义正负极两侧电流横轴对称系数△ip和△iN，其计算表达式如式(6)所示，系数越小对应于两侧电流对称越好。对正负极两侧电流横轴对称系数△ip和△iN进行求和如式(7)所示，可以消除一些噪声或者离群点的影响。
Figure GDA0003562106020000131
Figure GDA0003562106020000132
如果是区外故障，区域内电侧电流幅值会反向增加，两侧电流关于横轴的对称程度不会受到影响，个别点会受到扰动产生波动，但是求和后得到的△ip和△iN值很小。如果是区内故障，此时区域内两侧电流同向增加，两侧电流关于横轴的对称程度会受到严重影响，而系数△ip和△iN的值不断增大。
故障区域识别判据：如式(8)所示，其中k△值取为0.8，△ISETP和△ISETN分别是不同故障情况下仿真得到最小对称程度系数。
Figure GDA0003562106020000133
图6是以line14中点极间故障为例，从图中可以看到，保护判据都可以精准识别出区内区外故障，保证在永久性故障下，直流断路器可以又选择性跳闸。

Claims (3)

1.一种用于直流配电网的双端量加速保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、规定正极线路的正方向是从母线流到线路侧，而负极线路的正方向是从线路侧流到母线，规定直流断路器只能在电流方向检测为正方向的时候动作；在线路源端保护装置处安装前加速装置，并采集功率送端和功率受端保护装置处的电压瞬时值upi，uni，电流瞬时值ipi，ini；
步骤2、将采集的电流瞬时值ipi，ini和对应的线路末端最大负荷电流imax进行比较，采集到的电压瞬时值upi，uni和对应的母线电压ubus进行比较，完成前加速第一次启动判据；
当采集到的电流满足ini>kINomal×imax或者ipi>kINomal×imax；采集到的电流满足uni<kUNomal×ubus或者upi<kUNomal×ubus；
其中，kINormal值为1.1，选取的kUNormal值为0.9，如果电流和电压同时满足以上条件，进入前加速第二次启动判据；
步骤3、进入前加速第二次启动判据：连续采集N个点的电压电流值，N取10，计算采集到的线路电流平均值
Figure FDA0003562106010000011
和电压平均值
Figure FDA0003562106010000012
将电流平均值
Figure FDA0003562106010000013
电压平均值
Figure FDA0003562106010000014
和高阻故障电流
Figure FDA0003562106010000015
以及高阻故障电压
Figure FDA0003562106010000016
进行比较；
iFault和uFaultbus分别指的是线路经过100Ω过渡电阻发生的单极故障的电流和电压值大小；
当电流平均值
Figure FDA0003562106010000021
满足
Figure FDA0003562106010000022
电压平均值
Figure FDA0003562106010000023
满足
Figure FDA0003562106010000024
如果电流和电压同时满足以上条件，认为系统内部线路发生故障，启动加速保护；
其中，kIFault取值为0.9，kUFault取值为1.1；
步骤4、功率送端加速装置识别发生故障，此时给功率受端加速保护装置通信将本侧结果传递对侧，如果此时功率受端检测电流大于等于0，此时两端的直流断路器都跳闸；
步骤5、开闸的直流断路器经过300ms去游离延时后，此时重合闸启动，判断是瞬时故障还是永久性故障，如果是瞬时故障则此时故障消失，系统恢复正常，如果是永久性故障，进入步骤6；
步骤6、确定故障是永久性故障，利用加速保护装置采集重合闸3ms数据窗的故障电压信息，根据正极和负极电压的关系判断故障类型；
步骤7、利用加速保护装置采集重合闸3ms数据窗的故障电流信息，如果是区外故障，此时线路两侧电流幅值大小相等，方向相反；而对于区内故障，此时线路两侧电流幅值大小不相等，方向相同；根据线路两侧电流的特点，从电流波形对称性的角度入手构建保护判据，依据保护判据识别故障是否在区内，识别出故障进一步有选择性地切除故障；
所述依据保护判据识别故障是否在区内的判断依据如下：
区外故障：线路两侧电流迅速增加，电流幅值大小相等，但是方向相反，两侧电流关于横轴完全对称；
区内故障：线路两侧电流迅速增加，电流幅值大小不相等且方向一致，两侧电流关于横轴完全不对称，关于横轴对称程度发生严重偏移；
所述的保护判据如式(8)所示，
Figure FDA0003562106010000031
其中，k△值取为0.8，△ISETP和△ISETN分别是不同故障情况下仿真得到最小对称程度系数；其中△IP和△IN的计算方法如公式(7)所示，
Figure FDA0003562106010000032
Figure FDA0003562106010000033
Figure FDA0003562106010000034
为故障正极电流、
Figure FDA0003562106010000035
为故障负极电流，其中P和N代表的是线路正极负极，a的取值是1或2，分别代表两侧的测量装置；定义正负极两侧电流横轴对称系数为ΔiP和ΔiN，NTi代表的是3ms内的数据点，取60。
2.根据权利要求1所述的一种用于直流配电网的双端量加速保护方法，其特征在于，步骤6所述故障类型识别依据KPN系数判别如下：
Figure FDA0003562106010000036
Figure FDA0003562106010000037
Figure FDA0003562106010000041
其中，USEP为重启时正极电压平均值；USEN为重启时负极电压平均值；Up和UN分别为正、负极电压，NRe值是3ms数据窗的数据点，为60；KPN为故障类型识别系数，Ubus表示正常运行下线路电压；
定义故障类型识别系数KPN，如果是正极故障，此时0<KPN≤0.75，如果是负极故障，此时1.35≤KPN<∞，如果是极间故障，此时0.75<KPN<1.35，根据故障类型识别系数KPN值的不同判别永久性故障的类型。
3.根据权利要求1所述的一种用于直流配电网的双端量加速保护方法，其特征在于，步骤6所述重合闸的重启原则是先启动功率送端一侧直流断路器，经过5ms延迟启动功率受端一侧直流断路器，主要的目的降低两侧断路器同时合闸产生的电压应力。
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