CN113092950B - 用于直流电网双端保护的故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流电力系统技术领域，公开了一种用于直流电网双端保护的故障识别方法，实时采集线路两侧的瞬时电流与瞬时电压，当任意一侧的电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，并获取故障电流与故障电压；根据故障电流与故障电压以及故障发生前的直流电流与直流电压，分别计算线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差以及正负极故障分量瞬时功率和；根据线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差的极性判断故障区域，再根据正负极故障分量瞬时功率和判断故障极。本发明解决如何提高故障识别的速动性和准确性的技术问题，在满足保护选择性要求的前提下，保护范围接近线路全长，且具有较好的耐受过渡电阻能力。

Description

用于直流电网双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，具体涉及直流电网双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双端保护的故障识别方法，解决如何提高故障识别的速动性和准确性的技术问题。

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

实时采集线路两侧的瞬时电流与瞬时电压，当任意一侧的电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，并获取故障电流与故障电压；

根据故障电流与故障电压以及故障发生前的直流电流与直流电压，分别计算线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差；

根据线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差的极性判断故障区域，故障区域识别判据如下：

当ΔP₁ ^->0且ΔP₂ ^->0，则判断线路两侧的保护区内发生区内故障；

当ΔP₁ ^-<0且ΔP₂ ^->0，则判断线路一侧的保护区外发生区外故障；

当ΔP₁ ^->0且ΔP₂ ^-<0，则判断线路另一侧的保护区外发生区外故障；

其中，ΔP₁ ^-表示线路一侧保护安装处的正极故障分量瞬时功率与负极故障分量瞬时功率之差，即线路一侧的正负极故障分量瞬时功率差；ΔP₂ ^-表示线路另一侧保护安装处正负极的故障分量瞬时功率之差，即线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率差。

进一步的，线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差ΔP₁ ^-、ΔP₂ ^-，分别按如下公式：

式中，i₁₊、i₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电流，u₁₊、u₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电压；i_1-、i_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电流，u_1-、u_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电压；i_1pre+、i_2pre+分别为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电流；u_1pre+、u_2pre+为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电压；i_1pre-、i_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电流；u_1pre-、u_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电压。。

进一步的，还包括根据故障电流与故障电压以及故障发生前的电流与电压，分别计算线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和；

当判断出发生区内故障时，再根据线路两侧的故障分量瞬时功率和判断故障极，故障极识别判据如下：

当ΔP₁ ⁺>0且ΔP₂ ⁺>0，则判断发生区内正极故障；

当ΔP₁ ⁺<0且ΔP₂ ⁺<0，则判断发生区内负极故障；

当ΔP₁ ⁺＝0且ΔP₂ ⁺＝0，则判断发生区内两极故障；

其中，ΔP₁ ^-表示线路一侧上的保护安装处的正极故障分量瞬时功率与负极故障分量瞬时功率之和，即线路一侧的正负极故障分量瞬时功率和；ΔP₂ ^-表示线路另一侧的保护安装处正负极的故障分量瞬时功率之和，即线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率和。

进一步的，建立以线路一侧的正负极故障分量瞬时功率差为横坐标，线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率差为纵坐标的故障分量瞬时功率差相平面，根据所述故障区域识别判据在所述故障分量瞬时功率差相平面上划分出故障位置类型区域，通过线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差形成的相平面轨迹落入的故障位置类型区域对故障区域进行可视化识别。

建立以线路一侧的正负极故障分量瞬时功率和为横坐标，线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率和为纵坐标的故障分量瞬时功率和相平面，根据所述故障极识别判据在所述故障分量瞬时功率和相平面上划分出故障极类型区域，通过线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和形成的相平面轨迹落入的故障极类型区域对故障极进行可视化识别。

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，进一步采用故障分量(正负极故障分量瞬时功率差、正负极故障分量瞬时功率和)对故障进行分类识别，故障分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、本发明利用故障分量的极性而非利用故障分量的数值进行故障分类识别，避免了进行阈值整定，阈值整定往往依赖于经验，具有较强主观性，难以精确整定，因此使得故障分类识别摆脱了对阈值的依赖，能够提高故障识别的准确性。

3、本发明利用被保护线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差，分别作为x坐标和y坐标，构造故障分量瞬时功率差相平面；利用被保护线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和，分别作为x坐标和y坐标，构造故障分量瞬时功率和相平面。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、本发明提出通过引入低电压判据，对故障分量瞬时功率重新进行计算，消除了线路出口处存在保护死区的问题。因为当故障位置越靠近线路出口处时，电压越接近于0，相对应瞬时功率值也会很小，从而使得难以判断功率方向。引入这个低电压判据后，当判断出故障发生在线路出口附近时，用故障前的瞬时电压，就不存在电压接近于0的情况了，也就能判断出功率方向(故障分量极性)了。在满足保护选择性要求的前提下，保护范围接近线路全长，且具有较好的耐受过渡电阻能力。

附图说明

图1是本具体实施方式中用于直流电网线路双端保护的故障识别方法的逻辑流程图；

图2是故障分量瞬时功率差相平面区域划分示意图；

图3是故障分量瞬时功率和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。

参考图1所示，一种用于直流电网双端保护的故障识别方法，包括以下步骤：

实时采集线路两侧的瞬时电流与瞬时电压，当任意一侧的电流变化率超过保护启动阈值g时，则判断发生故障，并获取故障电流与故障电压。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。

一旦采样时刻的电流变化率超过保护启动阈值，则可以判断发生故障，可以取对应采样时刻的瞬时电流和瞬时电压作为故障电流与故障电压。但是，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，以瞬时电流I₄作为故障电流，以瞬时电压U₄作为故障电压。当故障发生时的瞬时电压小于低电压阈值时，采用故障发生前第3个采样点时刻的瞬时电压作为故障电压。低电压判据如下：

u＜u_set＝5％×u_N；

其中，u为保护安装处故障发生时的瞬时电压；u_N为额定电压；u_set为低电压阈值，按额定电压的5％进行整定。

因为当故障位置越靠近线路出口处时，电压越接近于0，相对应瞬时功率值也会很小，从而使得难以判断功率方向。引入这个低电压判据后，当判断出故障发生在线路出口附近时，用故障前的瞬时电压，就不存在电压接近于0的情况了，也就能判断出功率方向(故障分量极性)了。在满足保护选择性要求的前提下，保护范围接近线路全长，且具有较好的耐受过渡电阻能力。

根据故障电流与故障电压以及故障发生前的直流电流与直流电压，分别计算线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差ΔP₁ ^-、ΔP₂ ^-，分别按如下公式：

式中，ΔP₁ ^-表示线路一侧保护安装处(保护1安装处)的正极故障分量瞬时功率与负极故障分量瞬时功率之差，即线路一侧的正负极故障分量瞬时功率差；ΔP₂ ^-表示线路另一侧保护安装处(保护2安装处)正负极的故障分量瞬时功率之差，即线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率差；i₁₊、i₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电流，u₁₊、u₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电压；i_1-、i_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电流，u_1-、u_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电压；i_1pre+、i_2pre+分别为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电流；u_1pre+、u_2pre+为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电压；i_1pre-、i_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电流；u_1pre-、u_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电压。。

根据线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差的极性判断故障区域，故障区域识别判据如下：

当ΔP₁ ^->0且ΔP₂ ^->0，则判断线路两侧的保护区内发生区内故障；可令ΔP₁ ^->0且ΔP₂ ^->0为判据(4)；

当ΔP₁ ^-<0且ΔP₂ ^->0，则判断线路一侧的保护区外发生区外故障；可令ΔP₁ ^-<0且ΔP₂ ^->0为判据(5)；

当ΔP₁ ^->0且ΔP₂ ^-<0，则判断线路另一侧的保护区外发生区外故障；可令ΔP₁ ^->0且ΔP₂ ^-<0为判据(6)。

建立以线路一侧的正负极故障分量瞬时功率差为横坐标，线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率差为纵坐标的故障分量瞬时功率差相平面，根据所述故障区域识别判据在所述故障分量瞬时功率差相平面上划分出故障位置类型区域，通过线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差形成的相平面轨迹落入的故障位置类型区域对故障区域进行可视化识别。

当判据(4)满足时，判断发生区内故障；当判据(4)不满足，判据(5)满足时，判断发生保护1安装侧区外故障；当判据(5)不满足，判据(6)满足时，判断发生保护2安装侧区外故障。参考图2所示，当相平面轨迹落在第一象限粉底区域，则判断发生区内故障；当相平面轨迹落在第二象限蓝底区域，则判断发生保护1安装侧区外故障；当相平面轨迹落在第四象限灰底区域，则判断发生保护2安装侧区外故障。

当确定所述故障类型为区内故障时，也就是判据(4)满足时，再根据线路两侧的故障分量瞬时功率和判断故障极，故障极识别判据如下：

当ΔP₁ ⁺>0且ΔP₂ ⁺>0，则判断发生区内正极故障；

当ΔP₁ ⁺<0且ΔP₂ ⁺<0，则判断发生区内负极故障；

当ΔP₁ ⁺＝0且ΔP₂ ⁺＝0，则判断发生区内两极故障；

其中，ΔP₁ ^-表示线路一侧上的保护安装处的正极故障分量瞬时功率与负极故障分量瞬时功率之和，即线路一侧的正负极故障分量瞬时功率和；ΔP₂ ^-表示线路另一侧的保护安装处正负极的故障分量瞬时功率之和，即线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率和。

线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和，按如下公式计算：

式中，i₁₊、i₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电流，u₁₊、u₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电压；i_1-、i_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电流，u_1-、u_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电压；i_1pre+、i_2pre+分别为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电流；u_1pre+、u_2pre+为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电压；i_1pre-、i_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电流；u_1pre-、u_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电压。。

线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和可以与线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差同步计算，也可以在判据(4)满足时再计算。

建立以线路一侧的正负极故障分量瞬时功率和为横坐标，线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率和为纵坐标的故障分量瞬时功率和相平面，根据所述故障极识别判据在所述故障分量瞬时功率和相平面上划分出故障极类型区域，通过线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和形成的相平面轨迹落入的故障极类型区域对故障极进行可视化识别。

参考图3所示，当相平面轨迹落在第一象限黄底区域，则判断发生区内正极接地故障；当相平面轨迹落在第三象限蓝底区域，则判断发生区内负极接地故障；当相平面轨迹落在原点附近(红底区域)，则判断发生区内极间短路故障。

Claims (8)

1.一种用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时采集线路两侧的瞬时电流与瞬时电压，当任意一侧的电流变化率超过保护启动阈值时，则判断发生故障，并获取故障电流与故障电压；

根据故障电流与故障电压以及故障发生前的直流电流与直流电压，分别计算线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差；

根据线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差的极性判断故障区域，故障区域识别判据如下：

当ΔP₁ ^->0且

则判断线路两侧的保护区内发生区内故障；

当ΔP₁ ^-<0且

则判断线路一侧的保护区外发生区外故障；

当ΔP₁ ^->0且

则判断线路另一侧的保护区外发生区外故障；

其中，ΔP₁ ^-表示线路一侧保护安装处的正极故障分量瞬时功率与负极故障分量瞬时功率之差，即线路一侧的正负极故障分量瞬时功率差；

表示线路另一侧保护安装处正负极的故障分量瞬时功率之差，即线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率差。

2.根据权利要求1所述的用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差ΔP₁ ^-、

分别按如下公式：

式中，i₁₊、i₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电流，u₁₊、u₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电压；i_1-、i_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电流，u_1-、u_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电压；i_1pre+、i_2pre+分别为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电流；u_1pre+、u_2pre+为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电压；i_1pre-、i_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电流；u_1pre-、u_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电压。

3.根据权利要求1所述的用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，还包括根据故障电流与故障电压以及故障发生前的电流与电压，分别计算线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和；

当判断出发生区内故障时，再根据线路两侧的故障分量瞬时功率和判断故障极，故障极识别判据如下：

当ΔP₁ ⁺>0且ΔP₂ ⁺>0，则判断发生区内正极故障；

当ΔP₁ ⁺<0且ΔP₂ ⁺<0，则判断发生区内负极故障；

当ΔP₁ ⁺＝0且ΔP₂ ⁺＝0，则判断发生区内两极故障；

其中，ΔP₁ ^-表示线路一侧上的保护安装处的正极故障分量瞬时功率与负极故障分量瞬时功率之和，即线路一侧的正负极故障分量瞬时功率和；

表示线路另一侧的保护安装处正负极的故障分量瞬时功率之和，即线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率和。

4.根据权利要求3所述的用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和，按如下公式计算：

式中，i₁₊、i₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电流，u₁₊、u₂₊分别为被保护线路两侧的正极直流电压；i_1-、i_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电流，u_1-、u_2-分别为被保护线路两侧的负极直流电压；i_1pre+、i_2pre+分别为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电流；u_1pre+、u_2pre+为故障发生前被保护线路两侧的正极直流电压；i_1pre-、i_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电流；u_1pre-、u_2pre-分别为故障发生前被保护线路两侧的负极直流电压。

5.根据权利要求3所述的用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，建立以线路一侧的正负极故障分量瞬时功率差为横坐标，线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率差为纵坐标的故障分量瞬时功率差相平面，根据所述故障区域识别判据在所述故障分量瞬时功率差相平面上划分出故障位置类型区域，通过线路两侧的正负极故障分量瞬时功率差形成的相平面轨迹落入的故障位置类型区域对故障区域进行可视化识别；

建立以线路一侧的正负极故障分量瞬时功率和为横坐标，线路另一侧的正负极故障分量瞬时功率和为纵坐标的故障分量瞬时功率和相平面，根据所述故障极识别判据在所述故障分量瞬时功率和相平面上划分出故障极类型区域，通过线路两侧的正负极故障分量瞬时功率和形成的相平面轨迹落入的故障极类型区域对故障极进行可视化识别。

6.根据权利要求1所述的用于直流电网双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。

7.根据权利要求6所述的用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，n＝3，以瞬时电流I₄作为故障电流，以瞬时电压U₄作为故障电压。

8.根据权利要求1所述的用于直流电网双端保护的故障识别方法，其特征在于，当故障发生时的瞬时电压小于低电压阈值时，采用故障发生前第3个采样点时刻的瞬时电压作为故障电压。

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