CN113702757B - 基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法，启动保护之后，对测得的电压和电流信号进行高通滤波，得到高频分量；根据|u_{Sb_hf}|和|u_{Sc_hf}|的比值判断是否为直流故障，如果max|u_{Sb_hf}|/max|u_{Sc_hf}|>k_set1，则确定为直流电缆故障；步骤4、在确定直流故障后，对于一条直流母线连接多条直流电缆的情况，进一步区分故障电缆和非故障电缆。与现有技术相比，本发明基于精确线路模型，计及线路几何参数对保护的影响，规避了线路波阻抗差异较大对保护可靠性的威胁，适用于直流配电系统特别是MVDC配电系统。

Description

基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法

技术领域

本发明涉及直流配电系统继电保护领域，具体涉及一种基于电流/电压高频反向行波幅值比的直流配电网快速方向纵联保护方法。

背景技术

直流线路保护是直流系统发展的关键技术之一，其中快速、可靠判断故障方向是直流线路快速保护必不可少的关键环节。

现有的直流配电级纵联保护部分考虑线路分布参数和频变参数对于保护的影响，但未考虑不同线路的参数差异对保护的影响，在不同类型输电导体(导体与架空线)、不同几何参数(电缆内径、绝缘种类、厚度、埋地深度以及导体相对介电常数等)导致相邻线路的波阻抗相差达几十倍以上，折反射系数不再接近于1，导致仅利用反向电压行波幅值比的方法可靠性下降。并且配网系统拓扑结构更加复杂，直流电抗器(用于故障电流限制)更有可能仅安装在换流站出口处，不能提供明显的线路边界。

文献《High-speed Directional Pilot Protection for MVDC DistributionSystems》提出的仅依靠高频反向电压行波特性的方向纵联保护可靠性变差，当线路波阻抗差异较大时，难以准确判断故障区段。单端量(不基于通信)保护只利用本地信息检测和识别直流故障，具有较高的运行速度(亚毫秒级)，文献《Protection algorithm based ondifferential voltage measurement for MTDC grids》提出利用电抗器电压的幅值进行故障识别，同时根据其第一个波头确定故障方向。然而该保护的选择性是由每个直流线路的两端都有直流电抗器来保证的。在配电网层面，系统拓扑结构更加复杂，直流电抗器(用于故障电流限制)更有可能仅安装在换流站出口处。因此，上述根据幅值分级识别故障的单端保护不能再保护一个清晰的有界区域。理论上基于时间的分段可以保证直流保护的选择性，但直流配电系统中上下游保护的动作时间裕度很小，导致保护的协调性很难实际实现。

目前对直流配电系统保护的研究主要集中在低压直流《Detection method forsingle-pole-grounded faulty feeder based on parameter identification in MVDCdistribution grids》，如±375V，±750V，在LVDC系统，直流电缆的长度不会超过几公里，因此可以忽略电缆分布电容电流的影响。但在MVDC水平，例如，±10kV，±35kV，电缆长度可能更长(几公里到几十公里)。分布电容电流大到足以影响上述保护的可靠运行。特别是在单极直流配电系统中，极对地故障电流主要由电缆分布电容馈流。根据直流电流差动保护的工作原理，外部故障条件下的差动电流与内部故障条件下的差动电流非常接近，因为它们都近似等于电缆分布电容电流。这意味着传统的电流差动保护不能可靠地区分内部故障和外部故障。同样，基于Δi或di/dt的方向保护由于振荡特性，其运行可靠性也受到分布电容电流的严重影响。综上所述，对于MVDC配电系统，在设计直流保护时，忽略分布电容电流、线路波阻抗差异的影响，且依赖线路终端边界是不合理的。

发明内容

针对中压直流配电系统，尤其是线路波阻抗两端无电抗器等边界元件的情况以及电缆分布电容电流较大的情况，本发明提出了一种基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法，实现了利用故障电缆电压和电流行波与相邻(向后)电缆行波的差异来实现方向纵联保护的新方法。

本发明的技术方案如下：

一种直流配电网快速方向纵联保护方法，基于电流/电压高频反向行波幅值比实现直流配电系统的内部故障和外部故障的区分，依据故障进行MVDC配电系统的保护安装，该方法具体包括以下步骤

步骤1、在直流配电系统正常运行期间始终观察到|du/dt|和|di/dt|的值，当|du/dt|超过阈值Δ₁或|di/dt|超过阈值Δ₂，启动保护；其中du/dt|和|di/dt|分别表示被保护线路电压电流变化率的绝对值；

步骤2、启动保护后，对测得的保护安装处电压和电流信号进行高通滤波，得到高频分量u_{Sb_hf}、u_{Sc_hf}和i_{dc1_hf}～i_{dcn_hf}；u_{Sb_hf}表示直流电抗器母线侧(安装在变流器出口处)测量电压的高频分量，u_{Sc_hf}表示换流站侧测量电压的高频分量，i_{dc1_hf}～i_{dcn_hf}表示线缆1～线缆n(Cable₁～Cable_n)上测量电流的高频分量；

步骤3、根据|u_{Sb_hf}|和|u_{Sc_hf}|的比值判断是否为直流故障，如果max|u_{Sb_hf}|/max|u_{Sc_hf}|>k_set1，则确定为直流电缆故障；

步骤4、在确定直流故障后，对于一条直流母线连接多条直流电缆的情况，进一步区分故障电缆和非故障电缆：

计算保护安装处反向电压行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1和背侧电缆(Cable₂～Cable_n)出口上的反向电压行波的高频瞬态分量，即u_{Sb_hf}-i_{dc2_hf}·Z_c2,u_{Sb_hf}-i_{dc3_hf}·Z_c3,…,u_{Sb_hf}-i_{dcn_hf}·Z_cn，保护安装处反向电流行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}和背侧电缆出口Cable₂～Cable_n上的反向电压行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}，并计算每条线路Cable_i反向电压幅值比k_ui＝max|u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1|/max|u_{Sb_hf}-i_{dci_hf}·Z_ci|和反向电流幅值比k_ii＝max|u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}|/max|u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}|，当|k_ui-1|>|k_ii-1|时，取k_i＝k_ui，反之，k_i＝k_ii；只有当k₁，k₂，…，k_n的值均大于k_set2时(考虑可靠性，k_set2略大于1)，保护安装位置P₁把故障判为正方向故障，本侧保护的方向信号逻辑值DR_loc(被设置为1；否则保护安装位置P₁把故障判为反方向故障，DR_loc被设置为0；其中，max|u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1|表示保护安装处反向电压行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}-i_{dci_hf}·Z_ci|表示背侧电缆(Cable₂～Cable_n)出口上的反向电压行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}|表示保护安装处反向电流行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}|表示背侧电缆(Cable₂～Cable_n)出口上的反向电流行波的高频瞬态分量的最大值；

步骤5、逻辑值DR_loc被发送到对侧的保护，并且从对端保护接收对侧保护发送的方向信号逻辑值DR_opp；

如果DR_loc&DR_opp＝1，则该故障被识别为内部故障；相反，如果DR_loc&DR_opp＝0，则故障被识别为外部故障；

从而可靠地区分内部故障和外部故障。

与传统的纵联保护相比，本发明优点主要包括：1)基于精确线路模型，计及线路几何参数对保护的影响，规避了线路波阻抗差异较大对保护可靠性的威胁；2)只发送方向信号，不需要数据同步，从而大大降低了实际实施的难度；3)该保护不受分布电容电流和行波混叠的影响，更适合于MVDC配电系统；4)该方法不依赖于线路终端的边界(如安装在线路终端上的电抗器)，更符合直流配电系统的拓扑结构特点。

附图说明

图1为三端直流系统示意图；

图2为以保护安装位置P₁为例的正向故障的行波网格图；

图3为以保护安装位置P₁为例的正向故障的行波在多端直流系统中的反射和折射特性示意图；(a)直流馈线数量为2条，(b)直流馈线数量为n条；

图4为本发明的基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明设计的框架结构、功能及作用详细说明如下。

如图1所示，为三端直流系统示意图。如图2所示，为保护安装位置P₁的正向故障的行波网格图。如图3所示，为保护安装位置P₁的正向故障的行波在多端直流系统中的反射和折射特性示意图；(a)直流馈线数量为2条，(b)直流馈线数量为n条。

考虑线路几何参数对于波阻抗差异对保护的影响，当直流系统发生故障时，保护安装位置P₁、P₂瞬间产生故障行波，并沿电缆传播。在传播过程中以及反射、折射过程中，行波的大小都会发生变化。因此，在不同的保护安装位置观测到的行波是不同的，可以用来识别故障方向。在有2条馈线的辐射状直流配电系统中，当f点(保护安装位置P₁的正向故障和故障点P₂的反向故障)发生故障时，在保护安装位置P₁和保护安装位置P₂处观察到的反向行波是不同的。当考虑波形混叠现象时，

和

处的反向电压行波表示为：

P₂处的反向电压行波

表示为：

其中，λ₁₂表示电缆1到电缆2电压行波的折射系数，μ_s3表示电缆2靠近换流站S₃端部的反射系数，γ₂表示电缆2的衰减系数，l₂表示电缆2的长度，μ₂₁表示靠近电缆1的电缆2终端的反射系数，j表示行波在保护安装位置P₂和换流站S₃之间来回传播的次数。

根据式(2)，当故障发生在电缆1(即保护安装位置P₂的反向故障)上时，即在t＝2jl₂/v₂时刻(假设初始行波到达P₁和P₂的时刻为零时刻)，

和

的比值k_u满足下式：

其中，λ₁₂表示电缆1至电缆2的电压行波折射系数，μ_s3和μ₂₁分别表示电缆2靠近换流站S₃和靠近电缆1的终端处的反射系数，γ₂表示电缆2的衰减系数，而l₂表示电缆2的长度，v₂表示电缆2上行波的传播速度。

同样，当故障发生在电缆2(即保护安装位置P₁的反向故障)上时，当t＝2jl₁/v₁时，

和

的比值k_u满足下式：

其中，λ₂₁表示电缆2至电缆1的电压行波折射系数，μ_s2和μ₁₂分别表示电缆1靠近换流站S₂和靠近电缆2的终端处的反射系数，γ₁表示电缆1的衰减系数，而l₁表示电缆1的长度，v₁表示电缆1上行波的传播速度。

同理，当考虑波形混叠现象时，

和

处的反向电流行波表示为：

P₂处的反向电流行波表示为：

其中，ρ₁₂表示电缆1到电缆2电流行波的折射系数，η_s3表示电缆2靠近换流站S₃端部的反射系数，α₂表示电缆2的衰减系数，l₂表示电缆2的长度，η₂₁表示靠近电缆1的电缆2终端的反射系数，j表示行波在保护安装位置P₂和换流站S₃之间来回传播的次数。

根据式(5)，在t＝2jl₂/v₂时刻，

和

的比值k_i满足

其中，ρ₁₂表示电缆1至电缆2的电流行波折射系数，η_s3和η₂₁分别表示电缆2靠近换流站S₃和靠近电缆1的终端处的反射系数，α₂表示电缆2的衰减系数，而l₂表示电缆2的长度，v₂表示电缆2上行波的传播速度。

同样，当故障发生在电缆2上时，当t＝2jl₁/v₁时，

和

的比值k_i满足下式：

其中，ρ₂₁表示电缆2至电缆1的电流行波折射系数，η_s2和η₁₂分别表示电缆1靠近换流站S₂和靠近电缆2的终端处的反射系数，α₁表示电缆1的衰减系数，而l₁表示电缆1的长度，v₁表示电缆1上行波的传播速度。

在上述推导过程中，分析对象是双馈直流系统。在直流馈线较多的情况下，

与其它直流馈线端的反向电压行波的比值仍可用式(3)和式(4)近似计算。同时，也可以类似地计算出

与其它直流馈线端的反向电流行波的比值。

由式(3)、式(4)、式(7)和式(8)可知，正向故障和反向故障的比值k_u、k_i的差异主要取决于反射系数、折射系数、电缆衰减系数和电缆长度。显然，后两个参数很容易得到。

然而，在直流配电系统中，特别是在多端配电系统中，反射系数和折射系数尚未导出。为了计算η₁₂和ρ₁₂，u_1b是电缆1上的反向电压行波，u_1f是正向电压行波，i_1b是反向电流行波，i_1f是正向电流行波。u_2f和i_2f是电缆2上的正向电压和电流行波。需要指出的是，行波的反射和折射是同时发生的。因此，在计算η₁₂和ρ₁₂时，不需要考虑电缆2上的反向行波，因为此时它们还没有传播回来。另外，i_S1是流入S₁站的电流。Z_c1和Z_c2分别是电缆1和电缆2的波阻抗，Z_S1～Z_S3分别是S₁～S₃的等效阻抗。

u_1b,u_1f,i_1b,i_1f,u_2f,i_2f和i_S1之间的关系被描述为：

u_1b+u_1f＝u_2f (9)

i_1b-i_1f＝i_2f+i_S1 (10)

u_1b＝i_1b·Z_c1 (11)

u_1f＝i_1f·Z_c1 (12)

u_2f＝i_2f·Z_c2＝i_S1·Z_S1. (13)

根据行波理论，电压行波的反射系数定义为反射电压波与入射电压波的比值，所以η₁₂＝u_1f/u_1b；电压行波的折射系数定义为折射电压波与入射电压波的比值，即ρ₁₂＝u_2f/u_1b。根据式(9)～式(13)进一步推导，电压行波反射系数和折射系数表示为

对于直流馈线较多的情况，η₁₂和ρ₁₂分别表示为：

其中Z_cn表示电缆n的波阻抗。

同理，电流行波反射系数和折射系数可以表示为：

对于直流馈线较多的情况，η₁₂和ρ₁₂分别表示为

其中，Z_cn表示电缆n的波阻抗。

根据式(3)-(4)、式(7)-(8)、式(14)-(15)、式(18)-(19)进一步分析可得，当Z_c1>Z_c2时，反向电压行波幅值比更能精确反映故障方向，即：保护正方向故障时，保护处反向电压行波和背侧线路出口反向电压行波比大于1；且频率越大，比值越大。保护反方向故障时，保护处反向电压行波和背侧线路出口反向电压行波比小于1；且频率越大，比值越小。反向电流行波幅值比在正反向故障时距1更近。

当Z_c1<Z_c2时，反向电流行波幅值比更能精确反映故障方向，即：保护正方向故障时，保护处反向电流行波和背侧线路出口反向电流行波比大于1；且频率越大，比值越大。保护反方向故障时，保护处反向电流行波和背侧线路出口反向电流行波比小于1；且频率越大，比值越小。反向电压行波幅值比在正反向故障时距1更近。

基于上述分析结果，本发明的一种基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法，具体包括以下步骤

步骤1、在系统正常运行期间始终观察到|du/dt|和|di/dt|的值，当|du/dt|或|di/dt|超过阈值Δ₁,Δ₂，启动保护，其中du/dt|和|di/dt|分别表示被保护线路电压电流变化率的绝对值；-

步骤2、启动保护后，对测得的保护安装处电压和电流信号(进行高通滤波，得到高频分量u_{Sb_hf}、u_{Sc_hf}和i_{dc1_hf}～i_{dcn_hf}；u_{Sb_hf}表示直流电抗器母线侧(安装在变流器出口处)测量电压的高频分量，u_{Sc_hf}表示换流站侧测量电压的高频分量，i_{dc1_hf}～i_{dcn_hf}表示线缆1～线缆n(Cable₁～Cable_n)上测量电流的高频分量；

步骤3、根据|u_{Sb_hf}|和|u_{Sc_hf}|的比值判断是否为直流故障，如果max|u_{Sb_hf}|/max|u_{Sc_hf}|>k_set1(出于可靠性考虑，k_set1通常略大于1)，则确定为直流电缆故障；

步骤4、在确定直流故障后，对于一条直流母线连接多条直流电缆的情况，进一步区分故障电缆和非故障电缆：计算保护安装处反向电压行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1和背侧电缆(Cable₂～Cable_n)出口上的反向电压行波的高频瞬态分量，即u_{Sb_hf}-i_{dc2_hf}·Z_c2,u_{Sb_hf}-i_{dc3_hf}·Z_c3,…,u_{Sb_hf}-i_{dcn_hf}·Z_cn，保护安装处反向电流行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}和背侧电缆出口Cable₂～Cable_n上的反向电压行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}，并计算每条线路Cable_i反向电压幅值比k_ui＝max|u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1|/max|u_{Sb_hf}-i_{dci_hf}·Z_ci|和反向电流幅值比k_ii＝max|u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}|/max|u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}|，当|k_ui-1|>|k_ii-1|时，取k_i＝k_ui，反之，k_i＝k_ii；只有当k₁，k₂，…，k_n的值均大于k_set2时(考虑可靠性，k_set2略大于1)，保护安装位置P₁把故障判为正方向故障，本侧保护的方向信号逻辑值DR_loc被设置为1；否则保护安装位置P₁把故障判为反方向故障，DR_loc被设置为0；其中，max|u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1|表示保护安装处反向电压行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}-i_{dci_hf}·Z_ci|表示背侧电缆(Cable₂～Cable_n)出口上的反向电压行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}|表示保护安装处反向电流行波的高频瞬态分量的最大值、max|u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}|表示背侧电缆(Cable₂～Cable_n)出口上的反向电流行波的高频瞬态分量的最大值；

步骤5、逻辑值DR_loc被发送到对侧的保护，并且从对端保护(线路两端分别配置本专利所提出的保护，并通过通信方式给对侧保护发送方向信号)接收对侧保护发送的方向信号逻辑值DR_opp；

如果DR_loc&DR_opp＝1，则该故障被识别为内部故障；相反，如果DR_loc&DR_opp＝0，则故障被识别为外部故障；

从而可靠地区分内部故障和外部故障。

Claims (1)

1.一种基于电流/电压高频行波比的直流配网快速方向保护方法，基于电流/电压高频反向行波幅值比实现直流配电系统的内部故障和外部故障的区分，依据故障进行MVDC配电系统的保护安装，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、在直流配电系统正常运行期间始终观测|du/dt|和|di/dt|的值，当|du/dt|超过阈值Δ₁或|di/dt|超过阈值Δ₂，启动保护；其中，du/dt|和|di/dt|分别表示被保护线路电压电流变化率的绝对值；

步骤2、启动保护后，对测得的保护安装处电压和电流信号进行高通滤波，得到高频分量u_{Sb_hf}、u_{Sc_hf}和i_{dc1_hf}～i_{dcn_hf}；u_{Sb_hf}表示安装在变流器出口处的直流电抗器母线侧测量电压的高频分量，u_{Sc_hf}表示换流站侧测量电压的高频分量，i_{dc1_hf}～i_{dcn_hf}表示线缆1～线缆n上测量电流的高频分量；

步骤3、根据|u_{Sb_hf}|和|u_{Sc_hf}|的比值判断是否为直流故障，如果max|u_{Sb_hf}|/max|u_{Sc_hf}|>k_set1，则确定为直流电缆故障；

步骤4、在确定直流故障后，对于一条直流母线连接多条直流电缆的情况，进一步区分故障电缆和非故障电缆：

计算保护安装处反向电压行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1和背侧电缆Cable₂～Cable_n出口上的反向电压行波的高频瞬态分量，即u_{Sb_hf}-i_{dc2_hf}·Z_c2,u_{Sb_hf}-i_{dc3_hf}·Z_c3,…,u_{Sb_hf}-i_{dcn_hf}·Z_cn，保护安装处反向电流行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}和背侧电缆出口Cable₂～Cable_n上的反向电压行波的高频瞬态分量u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}，并计算每条线路Cable_i反向电压幅值比k_ui＝max|u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1|/max|u_{Sb_hf}-i_{dci_hf}·Z_ci|和反向电流幅值比k_ii＝max|u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}|/max|u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}|，当|k_ui-1|>|k_ii-1|时，取k_i＝k_ui，反之，k_i＝k_ii；只有当k₁，k₂，…，k_n的值均大于k_set2时，保护安装位置P₁把故障判为正方向故障，本侧保护的方向信号逻辑值DR_loc被设置为1；否则保护安装位置P₁把故障判为反方向故障，DR_loc被设置为0，其中，max|u_{Sb_hf}-i_{dc1_hf}·Z_c1|表示保护安装处反向电压行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}-i_{dci_hf}·Z_ci|表示背侧电缆Cable₂～Cable_n出口上的反向电压行波的高频瞬态分量的最大值，max|u_{Sb_hf}/Z_c1-i_{dc1_hf}|表示保护安装处反向电流行波的高频瞬态分量的最大值、max|u_{Sb_hf}/Z_ci-i_{dci_hf}|表示背侧电缆Cable₂～Cable_n出口上的反向电流行波的高频瞬态分量的最大值；

步骤5、逻辑值DR_loc被发送到对侧的保护，并且从对端保护逻辑值DR_opp，与本侧方向信号比较；

如果DR_loc&DR_opp＝1，则该故障被识别为内部故障；相反，如果DR_loc&DR_opp＝0，则故障被识别为外部故障；

从而可靠地区分内部故障和外部故障。

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