CN112595932A - 一种适用于中压直流配电网的单极故障选线方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，涉及直流配电网线路继电保护领域，其利用线路不平衡电压作为启动判据，利用线路暂态电流极性进行区内、外故障的选择，利用零模功率幅值的不同进行故障线路的选择。本发明主要应用于直流配电网中的单端量快速故障选线，不需要双端量信息的严格对时，算法简单易实现；具有动作速度快，选择性好，可靠性高等特点。

Description

一种适用于中压直流配电网的单极故障选线方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体来说，是一种利用线路暂态电流分量极性识别和线路零模功率幅值比较的适用于中压直流配电网的单极故障选线方法。
背景技术
伴随着光伏、风电、蓄电池等分布式电源的不断接入电网，以及负荷的不断直流化，使得交流配电网在输送容量、电能质量、运行稳定性等方面存在着比较棘手的问题。电力电子技术的不断发展以及换流技术的不断成熟，使得基于电压源换流器的直流配电技术得到了快速的发展。直流配电网的发展解决了交流配电网存在的部分缺陷，另外直流配电网在投资建设、升级改造等方面也具有一定的优势，因此得到了国内外学者的广泛关注。
目前，直流配电技术主要运用于船舰供电及城市区域性配电网，其运行的稳定性不言而喻。直流配电网的继电保护主要是为了保证直流配电网供电的持续性和稳定性而设计的，保护系统需要快速的检测出直流配电网中所存在的故障并快速切除，避免故障的扩展而带来更大的影响。对于直流配电网保护的研究目前还处于初级阶段，并未形成成熟的理论体系，多是对交流配电网和柔性直流输电的保护技术加以改进，进而应用到直流配电网中。直流配电网中故障线路的准确选择在未来的一段时间内仍然是研究的重难点之一，特别是对于直流配电网线路比较复杂的拓扑结构。
发明内容
本发明的主要目的是为中压直流配电网提供一种快速、准确的识别故障线路的方法，进而达到快速隔离故障线路的目的。
为了达到上述目的，本发明提供一种适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，该方法利用暂态电流分量极性进行区内、外故障的区分，利用零模电流的不同进行故障选极，对于区内故障利用线路零模功率幅值的不同进行故障选线。
进一步的，所述的适用于直流配电网的单极故障选线方法按照以下步骤进行：
步骤一，实时采集直流配电网中各条馈线的电压、电流信号；
步骤二，根据采集到的电压信号进行判定线路电路是否平衡，若电压的不平衡值大于所整定的阈值时保护装置启动；
步骤三，对各条线路的采集到的电流信号进行极性的判别，分别计算D1、D2的值，并且对电压、电流信号进行相模变换；
步骤四，若D1的值为1，说明此时主馈线正极上存在潜在故障；若D1的值为0，说明此时故障发生在区外；若D1的值为-1，说明此时主馈线负极上存在潜在故障；
步骤五，故障发生在区内时，对各条主馈线的零模功率进行计算，并且选出零模功率幅值最大的线路；
步骤六，对所选线路判定该线路是否含有子馈线。若否，则说明主馈线发生了区内正极故障(D1＝1的情况)或发生了区内负极故障(D1＝-1的情况)；若是，则判定D2的值；
步骤七，对于子馈线的判别结果，若D2的值为1，则说明子馈线发生了正极故障(D1＝1的前提下)；若否，则说明此连接此子馈线的主馈线发生了正极故障。若D2的值为-1，则说明子馈线发生了负极故障(D1＝-1的前提下)；若否，则说明此连接此子馈线的主馈线发生了负极故障。
进一步的，所述的线路零模功率的幅值按照以下方法获得：
对采集到的电压、电流信号进行相模变换取其零模值，然后通过各线路对应的电压、电流零模量相乘计算得到线路零模功率并对其取模值。
针对步骤二，当直流配电网中发生线路单极故障时，线路正、负极电压由原来的平衡状态转变为不平衡状态，不平衡值超过所整定的阈值K，用公式表示即为
uPi+uNi＞K (1)
式中：uPi、uNi分别表示线路的正、负极电压；K表示整定裕度，取K＝0.1unri，unri表示线路电压的额定电压，r表示线路的正、负极，i表示线路编号。
针对步骤三和步骤四：1)当不含子馈线的线路主馈线发生正极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为正；当不含子馈线的线路主馈线发生负极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为负；因此对于不含子馈线的主馈线区内外故障的判据可采用下式进行判定
Figure BDA0002856044660000021
式中：ΔIPmi、ΔINmi分别表示线路i正极、负极的故障电流分量；Ii0表示线路i的零模电流。
式(2)表示，当故障电流分量的极性为正且零模电流为正时，判断为1，属于主馈线区内正极故障；当故障电流分量的极性为负时，判断为0，属于区外故障；当故障电流分量的极性为正且零模电流为负时，判断为-1，属于主馈线区内负极故障。
2)当含有子馈线的线路主馈线发生正极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为正，子馈线暂态电流分量的极性为负；当含有子馈线的线路主馈线发生负极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为负，子馈线暂态电流分量的极性为负；
当含有子馈线的线路子馈线发生正极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为正，子馈线暂态电流分量的极性为正；当含有子馈线的线路子馈线发生负极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为负，子馈线暂态电流分量的极性为正。当发生区外故障时，各线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化。
因此对于包含子馈线的子馈线区内外故障的判据可采用下式进行判定
Figure BDA0002856044660000031
式(3)表示，当主、子馈线的极性相同且零模电流为正时，判断为1，属于子馈线正极故障；当主、子馈线的极性相同且都为负时，判断为0，属于主馈线故障；当主、子馈线的极性相同且零模电流为负时，判断为-1，属于子馈线负极故障。
针对步骤五，当发生区内故障时，线路暂态电流分量的极性为正，线路零模功率的幅值最大；当发生区外故障时，线路暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化。
所述的线路零模功率的幅值按照以下方法获得：对采集到的电压、电流信号进行相模变换取其零模值，然后通过各线路对应的电压、电流零模量相乘计算得到线路零模功率并对其取模值。
本发明具有以下有益效果
1、对于只含主馈线的线路本方法采用单端量作为故障判据的原始信息，通过提取线路电流的暂态分量进行极性的判别，进而实现区、内外故障的判别；对于含有子馈线的线路主子馈线进行简单的通讯，通过提取线路m侧线路电流的暂态分量进行极性的判别，进而实现区、内外故障的判别。
2、本发明所用到的电气量信号通过相模变换矩阵进行了解耦，消除了线路间耦合作用的影响，提高了选线的准确性。
3、本方法可在5ms内实现故障线路的选择，选线时间短，具有良好的快速性，并且数据窗在满足要求的情况下可进一步的缩小，视情况而定。
4、进行故障选线时所用到的零模功率的幅值各线路差异较大，即使存在过渡电阻时其大小也不在同一数量级内，对于过渡电阻具有较好的耐受性。
附图说明
图1是辐射状中压直流配电网的拓扑图；
图2是线路1区内正极故障时的等效电路图；
图3为线路区外正极故障时的等效电路图；
图4为含有子馈线的线路主馈线正极发生单极故障时的等效电路图；
图5为含有子馈线的线路子馈线正极发生单极故障时的等效电路图；
图6为直流配电网故障选线流程图；
图7为只含主馈线的线路正极故障时的仿真图；
图8为只含主馈线的线路负极故障时的仿真图；
图9为含有子馈线的线路主馈线正极故障时的仿真图；
图10为含有子馈线的线路主馈线负极故障时的仿真图；
图11为含有子馈线的线路子馈线正极故障时的仿真图；
图12为含有子馈线的线路子馈线负极故障时的仿真图；
图13(a)为区外直流母线正极故障时的仿真图；
图13(b)为区外交流测单相接地时的仿真图；
图14为含过渡电阻时的仿真图；
具体实施方式
适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，主要利用线路发生单极故障时各线路零模功率幅值的不同进行故障选线及线路暂态电流极性的不同进行区内外故障的判别。
按照以下步骤进行：
1)从直流配电网中各条线路中采集电压、电流信号；
2)根据采集到电压信号进行不平衡度的判定，当不平衡值大于整定阈值时保护启动；
3)对采集到信号提取电流的暂态分量并进行极性的判别，分别计算D1、D2的值，并对电压、电流信号完成相模变换；
4)对主馈线利用D1的值进行区内外故障的判别；
5)对于区内故障采用零模功率的幅值进行故障线路的选择；
6)对所选的线路判定该线路是否含有子馈线。若结果为否，则可以说明是主馈线发生了故障；若结果为是，则需进一步判定D2的值；
7)对于子馈线的判别采用式(3)进行判定。
其中步骤2)按照以下方法进行：
根据式(1)实时监测线路正、负极电压的值，若正负极电压之和超过所整定的阈值K则保护启动，说明线路中发生了故障。
步骤3)、步骤4)、步骤6)和步骤7)按照式(2)和(3)进行，分别计算D1、D2的值。
步骤5)按照式(4)进行故障线路的选择。
以下是本发明的原理：
请参照图1，图1为所选的典型的辐射状中压直流配电网的拓扑图。为了保证供电的稳定性而采用双电源的策略，如交流系统A和交流系统B所示，交流源的电压等级为10kV。变压器接线方式采用Y/Y方式，其中一次侧为中性点直接接地，二次侧为经高阻接地。VSC1和VSC2为两电平电压源换流器，直流侧输出极间电压为12kV。PV为光伏发电，通过具有双向能量流动的直流变压器接入直流配电网中。集中式新能源包含光伏、风电和蓄电池。直流负载1-4为恒功率负载，通过直流变压器接入或直接接入电网，在配网运行过程中不考虑可变功率负载。交流负载通过逆变器接入配电网。L1-L5为输电线路，f1-f7为不同的故障位置，其中f1-f5为直流线路的单极故障，f6为交流测单相接地故障，f7为直流母线单极故障。m1-m5为直流线路的左侧，n1-n5为直流线路的右侧。
图2为线路1区内正极故障时的等效电路图，首先规定正极电流的正方向为母线指向线路，负极电流的正方向为线路指向母线。P表示线路的正极，N表示线路的负极，RL1m表示线路正极m1侧的等效阻抗，RL1n表示线路正极n1侧的等效阻抗，△IPm1、△IPn1分别表示线路m1、n1侧的暂态电流分量，Ifi为汇入故障点的暂态电流，Uf为等效故障源。从图2中可以看出当线路区内发生单极故障时，线路m1侧的暂态电流分量为母线指向线路，极性为正。
图3为线路区外正极故障时的等效电路图，可以看出线路m1侧的暂态电流分量为线路指向母线，极性为负。
图4为含有子馈线的线路主馈线正极发生单极故障时的等效电路图，可以看出线路m2侧的暂态电流分量为母线指向线路，极性为正，m3侧的暂态电流分量为线路指向母线，极性为负。
图5为含有子馈线的线路子馈线正极发生单极故障时的等效电路图，可以看出线路m2侧的暂态电流分量为母线指向线路，极性为正，m3侧的暂态电流分量为母线指向线路，极性为正。
当直流配电网线路发生单极故障时，故障极电流会发生很大的突变，而非故障线路的电流变化很小或基本无变化；对于线路电压而言，由于各条线路均并联于直流母线上，所以当某一条线路发生故障时，各条线路正负极的电压均发生同样的变化。对各条线路的电流和电压分别进行相模变换取其零模值，当零模电流的值大于0说明线路发生的是正极故障，当零模电流的值小于0时说明线路发生的是负极故障，取相对应的零模电流和零模电压乘积作为线路的零模功率，并取其幅值量。对于故障线路来说由于其电流发生很大的突变量，故其零模功率的幅值也会远大于其余线路的零模功率的幅值。
综上所述，对于只有主馈线的线路当线路发生区内故障时，线路m侧的暂态电流分量的极性为正，当发生区外故障时，线路m侧的暂态电流分量的极性为负，由此可以区内出主馈线区内、外故障。对于含有子馈线的线路子馈线发生区外故障时，线路m2侧暂态电流分量极性为正，m3侧暂态电流分量极性为负，二者相反；子馈线发生区内故障时，线路m2侧暂态电流分量极性为正，m3侧暂态电流分量极性为正，二者相同，由此可以区分出子馈线是否发生区内故障。当线路发生区内故障时，零模电流的大小存在差异，零模功率幅值的大小也存在着差异。因此，根据上述特征提出了一种适用于中压直流配电网的故障选线方法。
故障选线算法的整定
为了满足继电保护装置的要求，对保护判据进行如下构造：
(1)启动判据
直流配电网运行在稳定状态时，其换流器正负极输出的电压幅值相等、方向相反，输电线路正负极的电压也是如此，正负极电压求和的结果为0，线路电压可认为是平衡的。但当线路发生单极故障时，故障点处的电压逐渐降为0，而非故障极的电压逐渐上升为极间电压，正负极电压求和的结果不为0，线路电压不再平衡。由此可以根据线路正负极电压的求和的结果是否为0作为保护的启动判据，并考虑一定的裕度。启动判据可整定为
uPi+uNi＞uset (1)
式中：uPi、uNi分别表示线路的正、负极电压；uset表示整定值，取uset＝0.1unri，unri表示线路电压的额定电压，r表示线路的正、负极。
(2)区内外故障判据
(a)主馈线区内外故障判据
故障发生后，可根据式(2)进行主馈线区内外故障和故障极的判别。
Figure BDA0002856044660000071
式中，Ii0表示线路i的零模电流。根据D1的判定结果极性判定故障所处的区段和故障极，当D1为1时说明是主馈线区内正极故障，当D1为-1时说明是主馈线区内负极故障，当D1为0时说明主馈线区外故障。
(b)子馈线区内外故障判据
故障发生后，可根据式(3)进行子馈线区内外故障和故障极的判别。
Figure BDA0002856044660000072
根据D2的判定结果极性判定故障所处的区段和故障极，当D2为1时说明是子馈线区内正极故障，当D2为-1时说明是子馈线区内负极故障，当D2为0时说明是子馈线区外故障。
(3)选线判据
对于故障线路的选择，按照式(4)进行。
|pi0|＞|pj0| (4)
式(4)表明当第i条线路的零模功率的幅值大于其余j条线路的零模功率的幅值时即可判定为第i条线路存在故障。
本实施例中对不同的线路故障的区内、外故障进行了仿真验证。请参照图7至图13，同时对故障点处存在过渡电阻的情况进行了验证，验证结果如图14所示。
根据图7至图14的仿真验证结果表明，本发明所提出了适用于中压直流配电网的单极故障选线方法快速有效，可以准确无误的识别出故障线路，可靠性高，为了直流配电网故障选线提供了一种快速有效的方法。
以上内容式结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，其特征在于：利用线路发生单极故障时各线路零模功率幅值的不同进行故障选线及线路暂态电流分量极性的不同进行区内外故障的判别，按照以下步骤进行：
步骤一，实时采集直流配电网中各条馈线的电压、电流信号；
步骤二，根据采集到的电压信号进行判定线路电压是否平衡，若电压的不平衡值大于所整定的阈值时保护装置启动；
步骤三，对各条线路采集到的电流信号进行极性的判别，分别计算D1、D2的值，并且对电压、电流信号进行相模变换；
步骤四，若D1的值为1，说明此时主馈线正极上存在潜在故障；若D1的值为0，说明此时故障发生在区外；若D1的值为-1，说明此时主馈线负极上存在潜在故障；
步骤五，故障发生在区内时，对各条主馈线的零模功率进行计算，并且选出零模功率幅值最大的线路；
步骤六，对所选线路判定该线路是否含有子馈线，若否，则说明主馈线发生了区内正极故障(D1＝1的情况)或发生了区内负极故障(D1＝-1的情况)；若是，则判定D2的值；
步骤七，对于子馈线的判别结果，若D2的值为1，则说明子馈线发生了正极故障(D1＝1的前提下)；若否，则说明此连接此子馈线的主馈线发生了正极故障，若D2的值为-1，则说明子馈线发生了负极故障(D1＝-1的前提下)；若否，则说明此连接此子馈线的主馈线发生了负极故障。
2.根据权利要求1所述的适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，其特征在于：
针对步骤二，当直流配电网中发生线路单极故障时，线路正、负极电压由原来的平衡状态转变为不平衡状态，不平衡值超过所整定的阈值K，用公式表示即为
uPi+uNi＞K (1)
式中：uPi、uNi分别表示线路的正、负极电压；K表示整定裕度，取K＝0.1unri，unri表示线路电压的额定电压，r表示线路的正、负极，i表示线路编号；
针对步骤三和步骤四：1)当不含子馈线的线路主馈线发生正极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为正；当不含子馈线的线路主馈线发生负极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为负；因此对于不含子馈线的主馈线区内外故障的判据可采用下式进行判定
Figure FDA0002856044650000021
式中：ΔIPmi、ΔINmi分别表示线路i正极、负极的故障电流分量；Ii0表示线路i的零模电流；
式(2)表示，当故障电流分量的极性为正且零模电流为正时，判断为1，属于主馈线区内正极故障；当故障电流分量的极性为负时，判断为0，属于区外故障；当故障电流分量的极性为正且零模电流为负时，判断为-1，属于主馈线区内负极故障；
2)当含有子馈线的线路主馈线发生正极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为正，子馈线暂态电流分量的极性为负；当含有子馈线的线路主馈线发生负极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为负，子馈线暂态电流分量的极性为负；
当含有子馈线的线路子馈线发生正极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为正，子馈线暂态电流分量的极性为正；当含有子馈线的线路子馈线发生负极区内故障时，故障线路的暂态电流分量的极性为正，非故障线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，故障线路的零模电流的值为负，子馈线暂态电流分量的极性为正，当发生区外故障时，各线路的暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化，
因此对于包含子馈线的子馈线区内外故障的判据可采用下式进行判定
Figure FDA0002856044650000022
式(3)表示，当主、子馈线的极性相同且零模电流为正时，判断为1，属于子馈线正极故障；当主、子馈线的极性相同且都为负时，判断为0，属于主馈线故障；当主、子馈线的极性相同且零模电流为负时，判断为-1，属于子馈线负极故障。
3.根据权利要求1所述的适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，其特征在于：针对步骤五，当发生区内故障时，线路暂态电流分量的极性为正，线路零模功率的幅值最大；当发生区外故障时，线路暂态电流分量的极性为负或线路电流基本无变化。
4.根据权利要求1所述的适用于中压直流配电网的单极故障选线方法，其特征在于：所述的线路零模功率的幅值按照以下方法获得：
对采集到的电压、电流信号进行相模变换取其零模值，然后通过各线路对应的电压、电流零模量相乘计算得到线路零模功率并对其取模值。
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