CN112865028B - 一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法。该方法包括以下步骤：在直流配电网中的直流侧线路两端安装电容与电感组成的边界元件；实时采样各直流侧线路首、末两端直流电抗器暂态电压的大小；比较直流电抗器暂态电压与保护启动阀值的大小，当符合要求时，进行下一步，否则返回上一步；计算直流电抗器暂态阻抗的大小；利用相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系识别故障线路；利用故障线路正、负极直流电抗器暂态电压的差异实现故障极的判断。本发明原理简单，可靠性高、动作迅速，对通信系统的要求较且具有较强的耐受过电阻能力。

Description

一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法

技术领域

本发明涉及直流配电网继电保护技术领域，具体为一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法。

背景技术

交流配电网在过去凭借着自身一系列的优势，如易于电压等级变换，断路器装置灭弧容易，以及成熟的行业标准等，使其在现有的配电网领域中占有绝大部分的比例。然而，随着我国在用电需求量、电能质量与供电可靠性等方面的要求不断提高。交流配电网已经难以满足社会发展的需求了，主要体现在，一方面，城市交流配电网的发展远落后于城市的发展，使得城市的供电越来越紧张，而且伴随着土地价格的高涨，在城市周边建设配电线走廊需要付出巨大的花费，为了满足对电力的需要，需要在现有的配电线走廊的基础上输送更多的电能，而这与交流配电网具有输送电能少的特性相矛盾。同时现在大量的高新企业对电能质量的要求越来越高，但是交流配电网中存在的负荷类型越来越复杂，在一定程度上降低了电能质量。

另一方面，随着全球能源危机与环境污染日益严重，清洁的新能源技术是全球发展的趋势，越来越多的分布式电源与储能设备将会并入配电网中。而光伏发电、蓄电池、超级电容等装置需要经过换流器以及复杂的控制系统才能并入交流电网中，风力发电由于产生的是一种随机波动的交流电，其需要经过两级换流器变换才能并入交流电网中，这不仅会增加电力建设的成本，还增加了电能的损耗与降低了电能质量，影响电力系统运行的安全性与稳定性。

针对上述问题，交流配电网已经难以满足要求了，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。但是，直流配电网也给传统电力系统带来了新的挑战，继电保护就是新的挑战之一。因此，研究直流配电网的保护方案对电力系统的安全、稳定运行具有重要的意义。目前，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原理简单、可靠性高、动作迅速的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，包括以下步骤：

步骤1，在直流配电网中的直流侧线路两端安装电容与电感组成的边界元件；

步骤2，实时采样各直流侧线路首、末两端直流电抗器暂态电压的大小；

步骤3，比较直流电抗器暂态电压与保护启动阈值的大小，当符合要求时，进行步骤4，否则返回步骤2；

步骤4，计算直流电抗器暂态阻抗的大小；

步骤5，利用相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系识别故障线路；

步骤6，利用故障线路正、负极直流电抗器暂态电压的差异实现故障极的判断。

进一步地，步骤2中，所述的实时采样，采样频率为20KHz。

进一步地，步骤3中，所述的比较直流电抗器暂态电压与保护启动阈值的大小，表达式为：max(|Ei1|,|Ei2|)＞E_set，式中，Ei1、Ei2分别为直流侧线路i首、末两端直流电抗器暂态电压，E_set为保护启动阈值。

进一步地，步骤3中，所述的符合要求，是指当max(|Ei1|,|Ei2|)连续三个点大于E_set时，保护启动判据动作。

进一步地，步骤4中，所述的计算直流电抗器暂态阻抗的大小，表达式为：

式中，U_Tij(k)与I_Tij(k)分别为直流侧线路i的j端直流电抗器暂态电压与暂态电流分量，两者同时采样，j＝1或2分别代表首端或末端，Z_Tij(k)为相对应的直流电抗器暂态阻抗，N为采样点数，N＝F×T，F为采样频率，T为保护方法所需的数据窗口长度1ms。

进一步地，步骤5中，所述的相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系，具体表达式为：

式中：Z_i1与Z_(i-1)2分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti1(k)与Z_T(i-1)2(k)的绝对值在故障时间 T内采样点的平均值，Z_i2与Z_(i+1)1分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti2(k)与Z_T(i+1)1(k)的绝对值在故障时间T内采样点的平均值，K_set1与K_set2是整定值。

进一步地，步骤5中，所述的识别故障线路，方法为：

进一步地，步骤6中，所述的故障线路正、负极直流电抗器暂态电压，计算表达式为：

式中，E_Tp(k)与E_Tn(k)分别为故障线路正、负极首端直流电抗器暂态电压，两者同时采样，N为时间窗口T之内的采样点数。

进一步地，步骤6中，所述的实现故障极的判断，方法为：

式中，K_set3为整定值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)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)该保护方案只传递信号的逻辑值，降低了对通信系统的要求，同时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为本实施例的拓扑结构图。

图3为直流侧线路3发生故障时的故障附加电路图。

图4为直流侧线路4发生故障时的故障附加电路图。

图5为直流侧线路3发生区内故障时，相关直流电抗器暂态电压的仿真结果图。

图6为直流侧线路3发生区内故障时，Z_T22与Z_T31的仿真结果图。

图7为直流侧线路3发生区内故障时，Z_T32与Z_T41的仿真结果图。

图8为直流侧线路3发生区内故障时，故障线路正、负极直流电抗器暂态电压的仿真结果图。

图9为直流侧线路4发生故障时，相关直流电抗器暂态电压的仿真结果图。

图10为直流侧线路4发生故障时，Z_T32与Z_T41的仿真结果图。

图11为本发明所述的直流配电网保护方案逻辑图。

具体实施方式

本发明一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，包括以下步骤：

步骤1，在直流配电网中的直流侧线路两端安装电容与电感组成的边界元件；

步骤2，实时采样各直流侧线路首、末两端直流电抗器暂态电压的大小；

步骤3，比较直流电抗器暂态电压与保护启动阈值的大小，当符合要求时，进行步骤4，否则返回步骤2；

步骤4，计算直流电抗器暂态阻抗的大小；

步骤5，利用相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系识别故障线路；

步骤6，利用故障线路正、负极直流电抗器暂态电压的差异实现故障极的判断。

进一步地，步骤2中，所述的实时采样，采样频率为20KHz。

进一步地，步骤3中，所述的比较直流电抗器暂态电压与保护启动阈值的大小，表达式为：max(|Ei1|,|Ei2|)＞E_set，式中，Ei1、Ei2分别为直流侧线路i首、末两端直流电抗器暂态电压，E_set为保护启动阈值。

进一步地，步骤3中，所述的符合要求，是指当max(|Ei1|,|Ei2|)连续三个点大于E_set时，保护启动判据动作。

进一步地，步骤4中，所述的计算直流电抗器暂态阻抗的大小，表达式为：

式中，U_Tij(k)与I_Tij(k)分别为直流侧线路i的j端直流电抗器暂态电压与暂态电流分量，两者同时采样，j＝1或2分别代表首端或末端，Z_Tij(k)为相对应的直流电抗器暂态阻抗，N为采样点数，N＝F×T，F为采样频率，T为保护方法所需的数据窗口长度1ms。

进一步地，步骤5中，所述的相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系，具体表达式为：

式中：Z_i1与Z_(i-1)2分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti1(k)与Z_T(i-1)2(k)的绝对值在故障时间 T内采样点的平均值，Z_i2与Z_(i+1)1分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti2(k)与Z_T(i+1)1(k)的绝对值在故障时间T内采样点的平均值，K_set1与K_set2是整定值。

进一步地，步骤5中，所述的识别故障线路，方法为：

进一步地，步骤6中，所述的故障线路正、负极直流电抗器暂态电压，计算表达式为：

式中，E_Tp(k)与E_Tn(k)分别为故障线路正、负极首端直流电抗器暂态电压，两者同时采样，N为时间窗口T之内的采样点数。

进一步地，步骤6中，所述的实现故障极的判断，方法为：

式中，K_set3为整定值。

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与交流系统直接相连，通过换流器使直流侧电压为±400V，光伏阵列与蓄电池相邻并入直流配电网，其目的是为了平抑光伏阵列出力波动，负荷统一由直流负荷代替。系统正常运行时，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。

本实施例操作步骤如下：

步骤1，分别在直流配电网的直流侧线路1、2、3、4两端安装电容与电感组成的边界元件，如图2所示，Ci1、Li1为直流侧线路i首端安装的电容与直流电抗器元件，Ci2、 Li2为直流侧线路i末端安装的电容与直流电抗器元件，各电容的型号相同，各直流电抗器的型号也是一样。

步骤2，实时采样各直流侧线路首、末两端直流电抗器暂态电压的大小，采样频率为20KHz。

步骤3，当直流配电网正常运行时，直流侧各线路中会有极低的交流谐波含量，一旦发生单、双极故障时，直流侧线路中的暂态谐波分量在极短的时间之内迅速上升。因此，可以根据此特征判断直流侧线路是否发生故障，其表达式:max(|Ei1|,|Ei2|)＞E_set，式中：Ei1与Ei2分别为线路i首、末两端直流电抗器暂态电压。E_set为启动阈值。为了防止保护的误动，当max(|Ei1|,|Ei2|)连续三个点大于E_set时，保护启动判据动作。

步骤4，为了描述直流电抗器暂态阻抗的大小，定义其计算公式：

由于故障信号的能量主要集中在低频段，因而，通过巴特沃斯滤波器提取0-2000Hz 频段的暂态信号分量，U_Tij(k)与I_Tij(k)分别为直流侧线路i的j端直流电抗器暂态电压与暂态电流分量，两者是同时采样，j＝1或2分别代表首端或末端，Z_Tij(k)为直流电抗器Lij的暂态阻抗，N为采样点数，N＝F×T，F为采样频率，本发明保护方案的采样频率为20kHz，T为保护所需的数据窗口长度1ms。

步骤5，以直流侧线路3的保护为例进行分析，当直流侧线路3与直流侧线路4发生故障时，故障附加电路图分别如图3与如图4所示，图中，U_f为故障点的叠加故障电源分量，Za与Zb分别为交流侧的等效阻抗，Zi为直流侧线路i的等效阻抗，Zi-a为直流侧线路i第a段等效阻抗，Z5、Z6、Z7分别为蓄电池侧、光伏阵列侧、负荷侧的等效阻抗，各电容、直流电抗器的参数如图2所示。

步骤6，当直流侧线路3发生单极接地故障时，在故障瞬间，由边界元件所表现的阻抗特性可知，高频信号分量主要通过电容C31，C32与故障点形成放电回路，由于边界元件对高频信号的衰减程度远大于对低频信号的衰减，因而，在故障瞬间，直流侧线路3中的高频信号含量最大。同理，当直流侧线路4发生单极接地故障时，在故障瞬间，直流侧线路4中的高频信号含量最大。根据直流电抗器的频率特性可知，电抗器的阻抗 Z＝2πfL，当信号中高频分量的含量越大时，信号的频率也就越高，即f也就越高，使得电抗器的阻抗Z越大。

步骤7，由步骤6可知，当直流侧线路i发生故障时，其两端安装的直流电抗器暂态阻抗是最大的。因而当直流侧线路3发生单极接地故障时，有表达式：

当直流侧线路4发生单极接地故障时，有表达式：Z₃₂＜Z₄₁，式中：Z₂₂、Z₃₁、Z₃₂、Z₄₁分别为直流电抗器暂态阻抗Z_T22(k)、Z_T31(k)、Z_T32(k)、Z_T41(k)的绝对值在时间T内采样点的平均值。

步骤8，为了降低对通信系统的要求，本发明所提的保护方案只需要比较相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小，定义如下的判据：

式中：Z_i1与Z_(i-1)2分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti1(k)与Z_T(i-1)2(k)的绝对值在故障时间 T内采样点的平均值，Z_i2与Z_(i+1)1分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti2(k)与Z_T(i+1)1(k)的绝对值在故障时间T内采样点的平均值，K_set1与K_set2是整定值。

步骤9，为了识别故障线路，本发明设置如下保护判据：

步骤10，当直流侧线路i发生单极接地故障时，故障极直流电抗器暂态电压远大于非故障极的暂态电压，当发生双极短路故障时，正极直流电抗器暂态电压与负极直流电抗器暂态电压基本相同。因而，可以利用这一特性实现线路故障极的判断，其判据如下：

式中：E_Tp(k)与E_Tn(k)分别为故障线路正、负极首端直流电抗器暂态电压，两者是同时采样，N为时间窗口T之内的采样点数。K_set3为故障选极识别判据的整定值，若对故障发生后1ms之内的E_p与E_n进行比较，当发生正极接地故障时，E_p/E_n＞＞1，当发生负极接地故障时，E_p/E_n＜＜1，当发生双极短路故障时，E_p/E_n≈1。考虑各种干扰因素，同时保证一定的裕度，设置K_set3＝3。

步骤11，对本实施例在直流侧线路3正极经10Ω过渡电阻接地短路故障进行仿真。如图5所示，一旦故障发生，直流侧线路3两端直流电抗器暂态电压在短时间内迅速上升，满足保护启动判据，保护启动；如图6所示，在仿真时间窗口内，Z_T31(k)都大于Z_T22(k)，经计算，Z₃₁/Z₂₂＝1.0246e03；如图7所示，在仿真时间窗口内，Z_T32(k)都大于Z_T41(k)，经计算，Z₃₂/Z₄₁＝352.3124，因而可知R_i1＝1，R_i2＝1，R_i1∩R_i2＝1，满足区内故障识别判据，判断直流侧线路3发生了区内故障；如图8所示，直流侧线路3正极线路首端直流电抗器暂态电压远大于负极线路首端直流电抗器暂态电压，经计算E_p/E_n＝1.5167e04，远大于K_set3，因而最终判断为直流侧线路3发生区内正极接地故障。

步骤12，对本实施例在直流侧线路4正极接地短路故障进行仿真。如图9所示，当直流侧线路4发生故障时，虽然线路3两端直流电抗器暂态电压在短时间内迅速上升，满足保护启动判据，保护启动；如图10所示，在仿真时间窗口内，Z_T41(k)大于Z_T32(k)，经计算，Z₃₂/Z₄₁＝0.0062，因而可知R_i2＝0，即R_i1∩R_i2＝0，判断为直流侧线路3发生了区外故障。图11为本发明所述的直流配电网保护方案逻辑图。

步骤13，以上结果表明，本发明所提保护方案的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，本发明只传递信号的逻辑值，降低了对通信系统的要求，同时具有较强的耐受过电阻能力。

Claims (7)

1.一种基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在直流配电网中的直流侧线路两端安装电容与电抗器组成的边界元件；

步骤2，实时采样各直流侧线路首、末两端直流电抗器暂态电压的大小；

步骤3，比较直流电抗器暂态电压与保护启动阈值的大小，当符合要求时，进行步骤4，否则返回步骤2；

步骤4，计算直流电抗器暂态阻抗的大小；

步骤5，利用相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系识别故障线路；

步骤6，利用故障线路正、负极直流电抗器暂态电压的差异实现故障极的判断；

步骤4中，所述的计算直流电抗器暂态阻抗的大小，表达式为：

式中，U_Tij(k)与I_Tij(k)分别为直流侧线路i的j端直流电抗器暂态电压与暂态电流分量，两者同时采样，j＝1或2分别代表首端或末端，Z_Tij(k)为相对应的直流电抗器暂态阻抗，N为采样点数，N＝F×T，F为采样频率，T为保护方法所需的时间窗口长度1ms；

步骤5中，所述的相邻线路背靠背直流电抗器暂态阻抗的大小关系，具体表达式为：

式中：Z_i1与Z_(i-1)2分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti1(k)与Z_T(i-1)2(k)的绝对值在时间窗口T内采样点的平均值，Z_i2与Z_(i+1)1分别为直流电抗器暂态阻抗Z_Ti2(k)与Z_T(i+1)1(k)的绝对值在时间窗口T内采样点的平均值，K_set1与K_set2是整定值。

2.根据权利要求1所述的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤2中，实时采样频率为20KHz。

3.根据权利要求1所述的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤3中，所述的比较直流电抗器暂态电压与保护启动阈值的大小，表达式为：max(|Ei1|,|Ei2|)＞E_set，式中，Ei1、Ei2分别为直流侧线路i首、末两端直流电抗器暂态电压，E_set为保护启动阈值。

4.根据权利要求3所述的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤3中，所述的符合要求，是指当max(|Ei1|,|Ei2|)连续三个点大于E_set时，保护启动判据动作。

5.根据权利要求1所述的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤5中，所述的识别故障线路，方法为：

6.根据权利要求1所述的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤6中，所述的故障线路正、负极直流电抗器暂态电压，计算表达式为：

式中，E_Tp(k)与E_Tn(k)分别为故障线路正、负极首端直流电抗器暂态电压，两者同时采样，N为时间窗口T之内的采样点数。

7.根据权利要求6所述的基于直流电抗器暂态阻抗的直流配电网保护方法，其特征在于，步骤6中，所述的实现故障极的判断，方法为：

式中，K_set3为整定值。

Images