CN112444667B - 一种直流配电网的边界保护方法 - Google Patents

一种直流配电网的边界保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用直流配电网的边界保护方法，该方法为：在直流配电网中的直流线路两端安装边界元件电容，对线路两端电容支路的电流进行同步采样，并用滤波器提取特定频带的电流分量，判断电流分量是否大于启动阀值，计算线路两端电容支路的特定频带电流分量的比值K，根据K在一定的时间窗口内的波动性，进行故障识别。本发明原理简单，可靠性高而且保护动作快速，不受线路分布式电容的影响，具有较强的耐受过电阻能力。

Description

一种直流配电网的边界保护方法
技术领域
本发明涉及直流配电网继电保护领域，特别是一种直流配电网的边界保护方法。
背景技术
近年来，随着社会经济的发展，城市负荷密度越来越高，用电负荷质量、需求量不断增加，给传统交流配电网带来了巨大的挑战。另一方面，未来的配电网应该能够接纳风能、太阳能等新能源的大规模并网，目前常见的分布式电源主要为光伏发电、燃料电池、风力发电和燃气轮机等，但这些电源所产生的电能一般需要经过两级变换器才能并入电网，增大了损耗与降低了电能质量。
针对上述问题，交流配电网已经难以满足要求，伴随着电力电子技术和信息通信技术的快速发展，直流配电网技术为解决这些难题提供了一个很好的方法。目前各国对于直流配电网领域的相关研究和示范工程仍在起步阶段，作为制约直流配电网发展的关键技术之一，直流配电网的保护研究尚处于一个起步阶段，缺乏相关的标准规则与保护配置的经验，现有用于交流配电网的保护难以直接用于直流配电网中。在直流配电网中，由于分布式电源的接入以及直流线路较短，过电流与欠电压保护难以满足保护的选择性要求；传统差动保护易受线路分布式电容的影响，保护需要躲过电容的暂态电流，不能满足保护的快速性要求；行波保护虽然动作快，但是耐受过电阻能力差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流配电网的边界保护方法，可靠性高而且保护动作快速，不受线路分布式电容的影响，具有较强的耐受过电阻能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种直流配电网的边界保护方法，包括以下步骤：
步骤1，在直流配电网中的直流线路两端安装边界元件电容；
步骤2，采样两端电容支路的特定频带电流分量；
步骤3，当电容支路特定频带电流分量大于启动阀值时，进行步骤4，否则返回步骤2；
步骤4，计算两端电容支路的特定频带电流分量的比值K；
步骤5，根据K值在一定的时间窗口内的波动性，进行故障识别。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的保护方法原理简单，易于操作，适用于直流配电网中；(2)利用故障瞬间的暂态分量，可以不用考虑直流线路故障前的电气分量对保护的影响；(3)利用电容支路的特定频带电流分量比值，克服了传统差动保护易受线路分布式电容影响的特点与具有较强的耐受过电阻能力。
附图说明
图1为两端供电型直流配电网简图。
图2为本发明的直流配电网的边界保护方法流程图。
图3为直流线路3发生故障时的故障附加电路图。
图4为直流线路2发生故障时的故障附加电路图。
图5为区内直流线路3正极经过渡电阻接地短路时，线路3两端电容支路特定频带电流的仿真图。
图6为区内直流线路3正极经过渡电阻接地短路时，线路3两端电容支路特定频带电流比值K的仿真图。
图7为区外直流线路2正极经过渡电阻接地短路时，线路3两端电容支路特定频带电流的仿真图。
图8为区外直流线路2正极经过渡电阻接地短路时，线路3两端电容支路特定频带电流比值K的仿真图。
具体实施方式
本发明的一种直流配电网的边界保护方法，包括以下步骤：
步骤1，在直流配电网中的直流线路两端安装边界元件电容；
步骤2，采样两端电容支路的特定频带电流分量；
步骤3，当电容支路特定频带电流分量大于启动阀值时，进行步骤4，否则返回步骤2；
步骤4，计算两端电容支路的特定频带电流分量的比值K；
步骤5，根据K值在一定的时间窗口内的波动性，进行故障识别。
进一步地，步骤2中，所述的采样，其频率为20KHz，且用全球定位系统GPS进行实时监测直流线路两端电容支路的特定频带电流，获得离散的电流信号系列其中，IT1(i)与IT2(i)分别表示直流线路两端电容支路特定频带电流。
进一步地，步骤2中，所述的特定频带电流分量是通过巴特沃斯滤波器获得的，其频带为2000Hz-3000Hz。
进一步地，步骤3中，所述的特定频带电流分量大于启动阀值是max(IT1(i),IT2(i))＞Iset，Iset为启动阀值。
进一步地，步骤4中，所述的计算K值的表达式如下：
进一步地，步骤5中，所述的一定的时间窗口为1ms。
进一步地，步骤5中，所述的K值的波动性用标准差系数S衡量，其表达式如下：式中，N是时间窗口内的采样点数，N＝F×T，F为采样频率，T为时间窗口，S为标准差系数，/>为时间窗口内的/>平均值。
进一步地，步骤5中，所述的故障识别是当标准差系数S小于整定值Sset时，判断为区内故障；当标准差系数S大于等于整定值Sset时，判断为区外故障。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，本发明的应用范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，为本实施例中的两端供电型直流配电网简图，两端交流系统为10kV的交流电源，两电平VSC换流器与交流系统相连，通过换流器使直流侧电压为±0.4kV，分布式电源，蓄电池，负荷通过DC/DC并入直流配电网中。正常运行时，光伏阵列负责向负荷与蓄电池供电，同时将剩余的功率流向交流系统，保持系统功率平衡。
如图2所示，直流配电网的边界保护方法步骤如下：
步骤1，分别在直流配电网的线路1、2、3、4两端安装边界元件电容，其电容的大小相同。其中线路1:整流器出口与储能设备出口之间的直流线路；线路2:储能设备出口与光伏阵列出口之间的直流线路；线路3:光伏阵列出口与直流负荷出口之间的直流线路；线路4:直流负荷出口与整流器出口之间的直流线路。
步骤2，对直流线路两端电容支路特定频带电流进行同步采样，采样频率为20KHz，采用GPS进行同步采样，实时监测直流线路两端电容支路的特定频带电流，获得离散的电流信号系列其中，IT1(i)与IT2(i)分别表示直流线路两端电容支路特定频带电流。
步骤3，通过巴特沃斯滤波器提取电容支路特定频带电流，其频带为2000Hz-3000Hz。
步骤4，当系统正常运行时，直流线路两端电容支路基本没有此频带电流分量，当发生故障时，此频带电流分量明显增大。因此，可以利用电容支路特定频带电流分量的大小作为启动判据，其表达式：max(IT1(i)，IT2(i))＞Iset式中：IT1(i)与IT2(i)分别是故障瞬间直流线路两端电容支路特定频带电流分量，max(IT1(i)，IT2(i))为取较大的值，Iset为启动阀值,为防止误动，当max(IT1(i)，IT2(i))连续三个采样点大于Iset时，保护启动。
步骤5，当直流线路3发生故障时(区内故障)，故障附加电路图如图3所示，IT1与IT2可以通过如下公式计算：
式中：Uf为故障点的叠加故障电源，Za与Zb分别为直流线路3两端背侧系统的等效阻抗，Ia、Ib分别为背侧系统的等效电流。Zl3-1与Zl3-2分别为故障点到直流线路3两端的等效线路阻抗，Il3-1、Il3-2分别为直流线路3两端流过的特定频带电流，IT1与IT2分别为线路3两端电容支路的特定频带电流，IT22与IT4分别为线路2末端电容支路与线路4首端电容支路的特定频带电流，△Um与△Un分别为两端电容支路的特定频带电压，ZC3与ZC33分别为线路3两端电容支路的阻抗，ZC22为线路2一端(靠近线路3侧)电容支路的阻抗，ZC4为线路4一端(靠近线路3侧)电容支路的阻抗，以图中箭头所示的方向为正方向。
步骤6，通过步骤5的式子计算，可得
由于电容阻抗与频率成反比，在此特定频带下，电容暂态阻抗极小，且ZC3与ZC22基本相等，ZC33与ZC4基本相等，因而
步骤7，直流线路3两端电容支路特定频带电流比值为式中：Z为线路的单位长度阻抗，l1与l2分别为故障点到线路3两端的距离。可知，当发生区内故障时，一旦故障点确定，在故障瞬间，K值就为一个定值，即线路两端电容支路特定频带电流比值为一定的。
步骤8，当直流线路2发生故障时(区外故障)，故障附加电路图如图4所示，IT1与IT2可以通过如下公式计算：
式中：IC为流过等效阻抗ZC的特定频带电流，I1为直流线路3流过的特定频带电流，其他参数含义如步骤5所述。
步骤9，通过步骤8的式子计算，可得当不同频率的电流分量流过线路两端电容时，阻抗ZC33是变化的，线路3的阻抗也是变化的，但两者的变化幅度不同。因而可知，当发生区外故障时，在故障瞬间，K值是变化的。
步骤10，本发明用标准差系数S衡量K在一定时间窗口的波动性，其时间窗口为1ms，S的计算公式：式中，N是时间窗口内的采样点数，N＝F×T，F为采样频率，T为时间窗口，S为标准差系数，/>为时间窗口内的/>平均值。
步骤11，对本实施例在直流线路3正极经20Ω过渡电阻接地短路进行仿真：如图5所示，故障发生后，直流线路3两端电容支路的特定频带电流分量迅速增大，保护启动，而且其变化趋势基本一样；如图6所示，由K值仿真图可知，在一定的时间窗口内，K值的波动极小，所以标准差系数S小于整定值Sset，判断为区内故障。
步骤12，对本实施例在直流线路2正极经20Ω过渡电阻接地短路进行仿真：如图7所示，直流线路3两端电容支路的特定频带电流分量迅速增大，保护启动，但是其变化趋势差异很大。如图8所示，由K值仿真图可知，在一定的时间窗口内，K值的波动很大，所以标准差系数S大于整定值Sset，判断为区外故障。
以上结果表明，本发明仿真结果与理论分析一致，区内故障时，保护快速可靠动作，区外故障时，保护不会发生误动，此外，本发明保护不受线路分布式电容的影响与具有较强的耐受过电阻能力。
本发明采用直流线路两端电容支路特定频带电流比值实现区内、区外故障识别。原理简单，动作快速，可靠性高，而且不受线路分布式电容的影响与具有较强的耐受过电阻能力。

Claims (5)

1.一种直流配电网的边界保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，在直流配电网中的直流线路两端安装边界元件电容；
步骤2，采样两端电容支路的特定频带电流分量；所述的采样，其频率为20KHz，且用全球定位系统GPS进行实时监测直流线路两端电容支路的特定频带电流，获得离散的电流信号系列其中，IT1(i)与IT2(i)分别表示直流线路两端电容支路特定频带电流；
步骤3，当电容支路特定频带电流分量大于启动阀值时，进行步骤4，否则返回步骤2；
步骤4，计算两端电容支路的特定频带电流分量的比值K，K值的表达式如下：
步骤5，根据K值在一定的时间窗口内的波动性，进行故障识别；K值的波动性用标准差系数S衡量，其表达式如下：
式中，N是时间窗口内的采样点数，N＝F×T，F为采样频率，T为时间窗口，S为标准差系数，/>为时间窗口内的/>平均值。
2.根据权利要求1所述的直流配电网的边界保护方法，其特征在于，步骤2中，所述的特定频带电流分量是通过巴特沃斯滤波器获得的，其频带为2000Hz-3000Hz。
3.根据权利要求1所述的直流配电网的边界保护方法，其特征在于，步骤3中，所述的特定频带电流分量大于启动阀值，max(IT1(i),IT2(i))＞Iset，Iset为启动阀值。
4.根据权利要求1所述的直流配电网的边界保护方法，其特征在于，步骤5中，所述的时间窗口为1ms。
5.根据权利要求1所述的直流配电网的边界保护方法，其特征在于，步骤5中，所述的故障识别是当标准差系数S小于整定值Sset时，判断为区内故障；当标准差系数S大于等于整定值Sset时，判断为区外故障。
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