CN113030653A - 一种用于直流电网单端保护的故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直流电网单端保护的故障识别方法：实时采集线路的瞬时电流，当电流变化率超过保护启动阈值g时，则判断发生故障，并获取故障电流；根据故障电流确定地模分量和线模分量增量，根据故障发生时的电流变化率K确定阈值缩比因子：根据阈值缩比因子自适应整定区内故障保护阈值，并构建故障电流模量幅值相平面；对于不同的故障类型，获取故障电流模量幅值相平面轨迹，对所述故障电流模量与预设保护阈值进行比较，根据比较结果确定故障发生区域及故障极，以实现保护。本发明改进与完善现有技术耐受过渡电阻能力有限、难以满足速动性要求以及末端高阻故障检测灵敏度低的问题，提高了直流电网的运行稳定性。

Description

一种用于直流电网单端保护的故障识别方法

技术领域

本发明涉及直流电力系统技术领域，具体涉及直流电网单端保护的故障识别技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电迅速发展起来，与传统高压直流输电相比，柔性直流输电具有电能质量高、损耗低、有功无功灵活独立控制、输电容量大、无换相失败等技术特点。其中，多端柔性直流输电系统，可实现多电源供电、多落点受电，相比于点对点式直流输电系统，可降低线路成本、提高供电可靠性、灵活性和系统冗余度，是未来电网发展的必然趋势。

由于柔性直流输电系统呈现低阻尼特性，直流线路故障发展迅速，故障电流通常在几毫秒内爬升到额定值的数十倍，多个换流站出力的叠加更为加剧故障，而直流系统一次设备的耐受过电流水平十分有限。保护动作慢会导致换流站全部闭锁甚至全网停电，故直流电网保护必须快速识别和切除故障。目前已提出的直流线路保护方案还不成熟，单端保护方法普遍存在阈值整定困难、耐受过渡电阻能力有限、保护范围非线路全长的缺陷，双端保护方法难以满足保护速动性的要求，影响了柔性直流输电系统运行可靠性。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于直流电网单端保护的故障识别方法，解决如何提高故障识别灵敏度与故障识别速度的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种用于直流电网单端保护的故障识别方法，包括以下步骤：

实时采集线路的瞬时电流，当电流变化率超过保护启动阈值g时，则判断发生故障，并获取故障电流；

对故障电流进行模量分解，计算故障电流的线模分量增量Δi₁；

根据故障发生时的电流变化率K确定阈值缩比因子：

式中，K_max表示最大电流变化率，K_min表示最小电流变化率，K_S表示阈值缩比因子；根据阈值缩比因子自适应整定区内故障保护阈值：

k′_set1＝K_Sk_set1；

式中，k_set1表示预设区内故障保护阈值，k′_set1表示自适应区内故障保护阈值；

根据故障电流的线模分量增量Δi₁和自适应区内故障保护阈值k′_set1判断故障发生区域：当Δi₁＞k′_set1，则判断发生区内故障；当0＜Δi₁＜k′_set1则判断发生前向区外故障；当Δi₁＜0，则判断发生后向区外故障。

进一步的，还包括计算故障电流的地模分量i₀；当判断出发生区内故障时，再根据故障电流的地模分量i₀和预设不对称故障保护阈值k_set2判断故障极：当i₀＞k_set2，则判断发生区内正极接地故障；当i₀＜-k_set2，则判断发生区内负极接地故障；当-k_set2＜i₀＜k_set2，则判断发生区内极间短路故障。

进一步的，建立以地模分量i₀为x坐标轴，线模分量增量Δi₁为y坐标轴的故障电流模量幅值相平面；根据自适应区内故障保护阈值k′_set1与预设不对称故障保护阈值k_set2，在所述故障电流模量幅值相平面内划分出区内负极接地故障区、区内两极短路故障区、区内正极接地故障区、前向区外故障区以及后向区外故障区；根据故障电流的地模分量i₀和线模分量增量Δi₁构成的相平面轨迹落入所述故障电流模量幅值相平面内的区域相应判断出故障发生区域与故障极。

进一步的，当至少连续3个电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，并获取故障电流；按如下公式：

式中，k表示连续n个电流变化率的均值；I_j表示第j个采样点的瞬时电流，j∈{1,2,3,...n}；Δt表示采样间隔；g表示保护启动阈值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、故障发生的瞬间，电流发生突变，本发明通过电流变化率来识别故障的发生，能够快速识别到有故障发生，满足单端保护的速动性要求。识别到故障发生后，进一步采用故障电流模量(线模分量、地模分量)对故障进行分类识别，故障电流模量受过渡电阻的影响比故障电流要小，因此能够提高耐受过渡电阻能力。

2、通过阈值缩比因子来自适应整定区内故障保护阈值，使得区内故障保护阈值随着故障电流的增减而增减，从而提高故障识别的灵敏度，尤其避免了在发生末端高阻故障时，故障电流较小，容易导致线模分量的增量小于预设区内故障保护阈值而无法准确识别到区内故障的情况。

3、本发明利用故障电流地模分量作为x坐标，线模分量增量作为y坐标，构造故障电流模量幅值相平面，基于相平面轨迹与相平面区域划分规则的比较结果，可以更为直观地辨别故障发生区域和选择故障极，有利于柔性直流电网运行状态的实时直观判断。

4、当至少连续3个电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，防止采样值抖动而导致保护频繁误启动。

附图说明

图1是本具体实施方式中直流电网T接线路的故障识别流程图；

图2是故障识别的逻辑框图；

图3是故障电流模量幅值相平面区域划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本具体实施方式以直流电网T接线路为例进行说明，T接线路的三侧分别采用本发明的故障识别方法进行故障识别，参考图1所示，通过检测柔性直流电网T接线路的故障电流，将模量分解获得地模分量和线模分量增量，对保护动作原则及阈值进行整定，基于故障电流模量与预设保护阈值的比较结果，确定故障发生区域和故障极。能够满足柔性直流输电系统对线路保护速动性的要求，提高其运行稳定性。

一种用于直流电网单端保护的故障识别方法，包括以下步骤：

实时采集线路的瞬时电流，当电流变化率超过保护启动阈值g时，则判断发生故障，并获取故障电流。

为了防止采样值抖动而导致保护频繁误启动，当至少连续3个电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，并获取故障电流；按如下公式：

式中，k表示连续n个电流变化率的均值；I_j表示第j个采样点的瞬时电流，j∈{1,2,3,...n}；Δt表示采样间隔；g表示保护启动阈值。g按躲过最大的负荷电流变化率进行整定，设置阈值g为0.5kA/ms。即当k超过阈值g时，保护被激活。

本具体实施方式中，n＝3。计算所述阈值缩比因子时，以瞬时电流I₄作为故障电流，以第二个电流变化率作为故障发生时的电流变化率K，即K＝|I₃-I₂|/Δt。需要在判断出故障之后，往前倒推确定故障时刻，之前的采样点数据被记录在系统中的，通过利弊分析确定的采用第第二个电流变化率作为故障发生时的电流变化率K。

对故障电流进行模量分解，计算故障电流的线模分量增量Δi₁与故障电流的地模分量i₀。

式中，i₀表示故障电流的地模分量，i₁表示故障电流的线模分量，I_p表示正极故障电流，I_n表示负极故障电流。

对故障电流进行模量分解，计算故障电流的线模分量增量Δi₁：故障电流的线模分量与正常状态下的故障前电流的线模分量之差作为故障电流的线模分量增量Δi₁。

根据故障发生时的电流变化率K确定阈值缩比因子：

式中，K_max表示最大电流变化率，K_min表示最小电流变化率，K_S表示阈值缩比因子。

最大电流变化率K_max、最小电流变化率K_min分别对应首端金属性故障的电流变化率、末端高阻故障的电流变化率；保护启动阈值g按照躲过最大的负荷电流变化率进行整定。因阈值缩比因子中采用的是故障瞬间的电流变化率，故可以假设所有相邻和远端MMC端电压不变，即将所有端子视为恒定直流电压源。故障电流的最大变化率通过在该假设下，设置线路等效电感为零获得，而故障电流的最小变化率，可在该假设下，设置可能出现的最大过渡电阻获得。

为了避免阈值缩比因子过小而造成反向误动，设置其饱和值为0.2，对阈值缩比因子K_S进行约束：0.2≤K_S≤1；当阈值缩比因子K_S的计算值小于0.2时，令K_S＝0.2。

根据阈值缩比因子自适应整定区内故障保护阈值：

k′_set1＝K_Sk_set1；

式中，k_set1表示预设区内故障保护阈值，k′_set1表示自适应区内故障保护阈值。

参考图2所示，根据故障电流的线模分量增量Δi₁和自适应区内故障保护阈值k′_set1判断故障发生区域：

当Δi₁＞k′_set1，则判断发生区内故障，可令Δi₁＞k′_set1为判据(5)；

当0＜Δi₁＜k′_set1，则判断发生前向区外故障，可令0＜Δi₁＜k′_set1为判据(6)；

当Δi₁＜0，则判断发生后向区外故障；

当判断出发生区内故障时，再根据故障电流的地模分量i₀和预设不对称故障保护阈值k_set2判断故障极：

当i₀＞k_set2，则判断发生区内正极接地故障，可令i₀＞k_set2为判据(7)；

当i₀＜-k_set2，则判断发生区内负极接地故障，可令i₀＜-k_set2为判据(8)

当-k_set2＜i₀＜k_set2，则判断发生区内极间短路故障。

预设不对称故障保护阈值k_set2按躲开线路末端处极间短路时可能出现的最大不平衡电流来整定。一般认为该值最大不会超过额定电流的5％，取k_set2＝5％i_0N。

参考图3所述，建立以地模分量i₀为x坐标轴，线模分量增量Δi₁为y坐标轴的故障电流模量幅值相平面；根据自适应区内故障保护阈值k′_set1与预设不对称故障保护阈值k_set2，在所述故障电流模量幅值相平面内划分出区内负极接地故障区、区内两极短路故障区、区内正极接地故障区、前向区外故障区以及后向区外故障区；根据故障电流的地模分量i₀和线模分量增量Δi₁构成的相平面轨迹落入所述故障电流模量幅值相平面内的区域相应判断出故障发生区域与故障极。

当相平面轨迹落在第一象限绿底区域，则判断发生区内正极接地故障。

当相平面轨迹落在第二象限粉底区域，则判断发生区内负极接地故障。

当相平面轨迹落在第一、二象限蓝底区域，则判断发生区内极间短路故障。

当相平面轨迹落在第一、二象限黄底区域，则判断发生前向区外故障。

当相平面轨迹落在第三、四象限紫底区域，则判断发生后向区外故障。

本发明提出利用故障初期信息，构造阈值缩比因子，增大了对末端高阻故障检测的灵敏度，实现了区内故障保护阈值的自适应整定及模量相平面边界的动态调整。在满足保护速动性要求的前提下，保护范围接近线路全长，具有较好的耐受过渡电阻能力，且可有效规避系统扰动的影响。

Claims (10)

1.一种用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时采集线路的瞬时电流，当电流变化率超过保护启动阈值g时，则判断发生故障，并获取故障电流；

对故障电流进行模量分解，计算故障电流的线模分量增量Δi₁；

根据故障发生时的电流变化率K确定阈值缩比因子：

式中，K_max表示最大电流变化率，K_min表示最小电流变化率，K_S表示阈值缩比因子；

根据阈值缩比因子自适应整定区内故障保护阈值：

k′_set1＝K_Sk_set1；

式中，k_set1表示预设区内故障保护阈值，k′_set1表示自适应区内故障保护阈值；

根据故障电流的线模分量增量Δi₁和自适应区内故障保护阈值k′_set1判断故障发生区域：当Δi₁＞k′_set1，则判断发生区内故障；当0＜Δi₁＜k′_set1则判断发生前向区外故障；当Δi₁＜0，则判断发生后向区外故障。

2.根据权利要求1所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，还包括计算故障电流的地模分量i₀；当判断出发生区内故障时，再根据故障电流的地模分量i₀和预设不对称故障保护阈值k_set2判断故障极：当i₀＞k_set2，则判断发生区内正极接地故障；当i₀＜-k_set2，则判断发生区内负极接地故障；当-k_set2＜i₀＜k_set2，则判断发生区内极间短路故障。

3.根据权利要求2所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，预设不对称故障保护阈值k_set2按躲开线路末端处极间短路时可能出现的最大不平衡电流来整定。

4.根据权利要求2所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，建立以地模分量i₀为x坐标轴，线模分量增量Δi₁为y坐标轴的故障电流模量幅值相平面；根据自适应区内故障保护阈值k′_set1与预设不对称故障保护阈值k_set2，在所述故障电流模量幅值相平面内划分出区内负极接地故障区、区内两极短路故障区、区内正极接地故障区、前向区外故障区以及后向区外故障区；根据故障电流的地模分量i₀和线模分量增量Δi₁构成的相平面轨迹落入所述故障电流模量幅值相平面内的区域相应判断出故障发生区域与故障极。

5.根据权利要求1所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，当至少连续3个电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，并获取故障电流；按如下公式：

式中，k表示连续n个电流变化率的均值；I_j表示第j个采样点的瞬时电流，j∈{1,2,3,...n}；Δt表示采样间隔；g表示保护启动阈值。

6.根据权利要求5所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，n＝3，计算所述阈值缩比因子时，以瞬时电流I₄作为故障电流，以第二个电流变化率作为故障发生时的电流变化率K，即K＝|I₃-I₂|/Δt。

7.根据权利要求1或6所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，对阈值缩比因子K_S进行约束：0.2≤K_S≤1；当阈值缩比因子K_S的计算值小于0.2时，令K_S＝0.2。

8.根据权利要求1所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，最大电流变化率K_max、最小电流变化率K_min分别对应首端金属性故障的电流变化率、末端高阻故障的电流变化率；保护启动阈值g按照躲过最大的负荷电流变化率进行整定。

9.根据权利要求1所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，对故障电流进行模量分解，计算故障电流的线模分量增量Δi₁：故障电流的线模分量与正常状态下的故障前电流的线模分量之差作为故障电流的线模分量增量Δi₁。

10.根据权利要求2所述的用于直流电网单端保护的故障识别方法，其特征在于，故障电流的地模分量i₀的计算公式：

式中，i₀表示故障电流的地模分量，i₁表示故障电流的线模分量，I_p表示正极故障电流，I_n表示负极故障电流。

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