CN114336546A - 基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法 - Google Patents

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CN114336546A CN202111576976.XA CN202111576976A CN114336546A CN 114336546 A CN114336546 A CN 114336546A CN 202111576976 A CN202111576976 A CN 202111576976A CN 114336546 A CN114336546 A CN 114336546A
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Abstract

本发明公开了一种基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，具体包括以下步骤：执行岸基电流限流控制保护判据，若判据成立，则进行限流保护；执行岸基站直流侧保护启动判据和分支单元保护启动判据，若岸基站直流侧保护启动判据成立，则岸基电源侧进行故障检测和隔离；若分支单元保护启动判据成立，则启动分支单元支缆侧故障方向判据，在该判据成立时进行分支单元支缆侧故障检测和隔离，在其不成立时进行分支单元与岸基站间的故障检测和隔离；本发明保护范围广，实现了海底观测网供电系统故障的准确定位和隔离，保护效果良好。

Description

基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法
技术领域
本发明属于电力电子化电力系统保护技术领域，特别是涉及一种基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法。
背景技术
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：
缆系海底观测网是海洋资源开发、海洋国防建设的“国之重器”，是全球海洋科学勘探技术发展的前沿和制高点，与恒流海底观测网相比，恒压海底观测网因其系统扩展性强、功率转换效率高等优势，逐渐成为各国的主流建设方向，恒压海底观测网的研究和建设尚处于起步阶段，其供电系统拓扑结构复杂，故障区段判别困难，供电系统故障电流增长迅速，分支单元开断能力有限，致使故障隔离困难。
目前学界多集中于海底观测网分支单元拓扑结构的研究，关于恒压海底观测网供电系统保护策略的研究文献较少，El-Sharkawi M.A.等人针对NEPTUNE恒压海底观测网提出了一种基于岸基电源电压降低、电压极性反转的线路保护及故障隔离策略，但该文仅提出概念性策略方案，对岸基电源拓扑及控制方式、海缆保护判据均未研究，且电压极性反转会损害光电复合海缆绝缘，为供电系统埋下隐性安全隐患；吕安强等人提出分布式光纤应变和温度传感技术实现光电复合海缆故障实时检测，可实现光电复合海缆电气性、机械性短路故障准确判别及定位，但该方法目前仍存在数秒计算延迟，较难应用于海底观测网的供电保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，基于限流控制模式下的供电系统特征，利用分支单元电流方向实现支缆故障判别及主缆故障区段判别，利用分支单元/岸基站电压变化实现主缆故障判别，并在有效电流水平下实现分支单元/岸基站继电开关快速动作，实现故障有效隔离。
本发明所采用的技术方案是，基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，包括以下步骤：
执行岸基站电源限流控制启动判据，若判据不成立，则重复该操作直至判据成立，若判据成立，则启动岸基电源限流控制，等待供电系统进入限流控制稳态阶段；
执行岸基站直流侧保护启动判据和分支单元保护启动判据，若两个判据均不成立，则重复执行直至岸基站直流侧保护启动判据或分支单元保护启动判据成立；
若岸基站直流侧保护启动判据成立，岸基站开始岸基电源故障判别和隔离；
若分支单元保护启动判据成立，分支单元开始进行分支单元故障判别与隔离。
进一步的，所述岸基电源故障判别和隔离包括：
岸基站开始岸基站直流侧反时限欠电压保护动作计时，当计时到达计时时限Tdc.Ψ时，断开岸基电源直流侧继电开关。
进一步的，所述分支单元故障判别与隔离包括：
执行分支单元支缆侧故障方向判据，若该判据成立则分支单元支缆侧继电开关开断；若该判据不成立，则分支单元开始分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时，并执行分支单元R侧故障方向判据和I侧故障方向判据；
若分支单元R侧故障方向判据成立，则在分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时到达计时时限后，开断分支单元R侧的继电开关；
若分支单元I侧故障方向判据成立，则在分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时达到计时时限后，开断分支单元I侧的继电开关。
进一步的，还包括：
执行岸基站直流侧保护结束判据，若岸基站直流侧保护结束判据成立，则结束供电保护。
进一步的，还包括：
执行分支单元保护结束判据，若分支单元保护结束判据成立，则结束供电保护。
进一步的，所述岸基站电源限流控制启动判据如公式(1)所示：
|didc.Ψ(t)/dt|≥KFault (1)
其中t为测量时间，idc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电流，KFault为限流控制启动判据的整定值；
所述岸基站直流侧保护启动判据如公式(2)所示：
|udc.Ψ(t)|≤Uop_set (2)
分支单元保护启动判据如公式(3)所示：
|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|≤Uop_set (3)
其中udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值，Uop_set为保护启动判据阈值。
进一步的，所述计时时限Tdc.Ψ如公式(4)所示：
Figure BDA0003425550420000031
其中KRel为可靠系数，udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，Δt为保护判据时间窗，KSecure为防误开断系数，TRelay为继电开关开断延时。
进一步的，所述分支单元反时限欠电压保护动作的计时时限TBUn如公式(5)所示：
Figure BDA0003425550420000032
其中KRel为可靠系数，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值，Δt为保护判据时间窗，KSecure为防误开断系数，TRelay为继电开关开断延时；
所述分支单元支缆侧故障方向判据如公式(6)所示：
sign(in.BR)×sign(in.BI)＜0 (6)
所述分支单元R侧故障方向判据如公式(7)所示：
sign(in.BR)＜0 and sign(in.BI)＜0 (7)
所述分支单元I侧故障方向判据如公式(8)所示：
sign(in.BR)＞0 and sign(in.BI)＞0 (8)
in.BR为分支单元R侧的电流，in.BI为分支单元I侧的电流，sign(in.BR)为分支单元BUn的R侧测量单元电流方向，sign(in.BI)为分支单元BUn的I侧测量单元电流方向。
进一步的，所述岸基站直流侧保护结束判据如公式(9)所示：
|dudc.Ψ(t)/dt|≥KStop (9)
其中t为测量时间，udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，KStop为终止判据阈值。
进一步的，所述分支单元保护结束判据如公式(10)所示：
Figure BDA0003425550420000033
其中t为测量时间，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值，KStop为终止判据阈值。
本发明的有益效果是：1、本发明实施例所述的供电系统保护方法，保护范围覆盖海缆全区段，无需依赖通讯，仅利用岸基站/分支单元本地测量电气量构成保护判据，实现海缆故障有选择性判别及隔离；2、本发明实施例的耐受过电流能力、耐噪性能良好，在噪声环境中能够对供电系统的故障位置进行准确定位，并操控相应的继电开关动作实现故障隔离；3、本发明实施例借助岸基电源限流控制实现控保协同，能有效抑制故障电流，实现故障快速判别与隔离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a是双端环形的恒压海底观测网供电系统两节点拓扑结构图，图1b是双端环形的恒压海底观测网供电系统三节点拓扑结构图。
图2是恒压海底观测网供电系统示意图。
图3是分支单元内部拓扑结构示意图。
图4是恒压海底观测网供电系统保护方法的流程图。
图5a是限流控制投入前后岸基电源R直流侧电压，图5b是限流控制投入前后岸基电源R直流侧电流。
图6是支缆故障验证中岸基站直流侧电压、分支单元电压。
图7是支缆故障验证中分支单元主缆测量电压。
图8是支缆故障验证中岸基站直流侧电压变化率、分支单元电压变化率。
图9是主缆故障验证中岸基站直流侧电压、分支单元电压。
图10是主缆故障验证中分支单元主缆测量单元处电流。
图11是主缆故障验证中岸基站直流侧电压变化率、分支单元电压变化率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
恒压海底观测网供电系统的拓扑结构包括岸基站和输配电系统，所述输配电系统由光电复合海缆、分支单元、光电复合海缆、海底接驳盒、科学观测仪器依次连接而成，岸基站与输配电系统的连接方式为以下的任一种：
第一种，如图1a所示，岸基站有两个(岸基站R、岸基站I)，输配电系统有两条，每个岸基站分别连接相应的输配电系统，两条输配电系统的分支单元通过光电复合海缆相连；
第二种，如图1b所示，岸基站有两个(岸基站R、岸基站I)，输配电系统有四条，第一、二条输配电系统的光电复合海缆分别与两个岸基站的输出接口接连，第三、四条输配电系统的光电复合海缆分别与第一、二条输配电系统的分支单元连接，且第三、四条输配电系统共用同一个由分支单元、光电复合海缆、海底接驳盒和科学观测仪器依次连接而成的拓扑结构。
其中，岸基站与分支单元之间、分支单元与分支单元之间的光电复合海缆为主缆，分支单元与海底接驳盒之间的光电复合海缆为支缆。
如图4所示，基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，包括以下步骤：
S1，构造以下判据：岸基电源限流控制启动判据、岸基站直流侧保护启动判据、分支单元保护启动判据、岸基站直流侧反时限欠电压保护动作方程、分支单元反时限欠电压保护动作方程、分支单元支缆侧故障方向判据、分支单元R侧故障方向判据、分支单元I侧故障方向判据、岸基站直流侧保护结束判据、分支单元保护结束判据；
S2，保护方案启动；
S3，执行岸基电源限流控制启动判据，若判据不成立，则重复执行该判据直至判据成立，若判据成立，则启动岸基电源限流控制，等待稳定延时，待稳定延时结束后，海底观测网供电系统进入限流控制稳态阶段；
即检测岸基电源直流侧的电流，计算电流的变化率，判读其与整定值的大小，若大于等于整定值，则启动限流控制，所述限流控制时的运行电流Idcref为1.3倍岸基电源直流侧额定电流；
所述稳定延时以限流控制启动时间为起始时刻，以岸基电源直流侧电压达到稳定值的时间为终止时间，即岸基电源直流电压在1ms内的跌幅小于0.2％；
S4，执行岸基站直流侧保护启动判据和分支单元保护启动判据，即测量岸基电源直流侧电压和分支单元直流侧电压，分别判断其与保护阈值的大小，若岸基站直流侧保护启动判据成立，则跳转至S5，若分支单元保护启动判据成立，则跳转至S6，否则重复步骤S4直至判据成立；
S5，岸基站开始岸基站直流侧反时限欠电压保护动作计时，当计时到达岸基站直流侧保护动作计时时限Tdc.Ψ后，岸基站直流侧继电开关PRdc.R断开；
计算岸基站电压变化率dudc.Ψ(t)/dt，执行岸基站直流侧保护结束判据，若判据成立，保护方案结束；
继电开关PRdc.R是岸基电源的输出开关，用于控制岸基电源切断；
S6，计算分支单元两侧的电流方向sign(in.BR)、sign(in.BI)，执行分支单元支缆侧故障方向判据，若判据成立则分支单元支缆侧继电开关PRn.SP开断，执行步骤S8；
若分支单元支缆侧故障方向判据不成立，则分支单元开始分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时，并执行分支单元R侧故障方向判据和分支单元I侧故障方向判据，并跳转至S7；
S7，若分支单元R侧故障方向判据成立，则到达分支单元反时限欠电压保护动作计时时限TBUn后，继电开关PRn.BR断开，PRn.BR为分支单元靠近岸基站R侧的继电开关，用来控制分支单元R侧的线路切断，TBUn为分支单元BUn保护动作计时时限；
若分支单元I侧故障方向判据成立，则分支单元反时限欠电压保护动作计时到达TBUn后，继电开关PRn.BI断开，PRn.BI为分支单元靠近岸基站I侧的继电开关，用来控制分支单元I侧的线路切断；
S8，计算分支单元电压变化率d[(un.BR(t)+un.BI(t))/2]/dt，执行分支单元保护结束判据，若分支单元保护结束判据成立，保护方案结束。
S1中所述的岸基电源限流控制启动判据如公式(1)所示：
|didc.Ψ(t)/dt|≥KFault (1)
t为测量时间，idc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电流，KFault为限流控制启动判据的整定值，以大于近岸基电源直流侧接地故障时，另一端岸基电源直流侧电流变化率为整定原则。
岸基站直流侧保护启动判据如公式(2)所示，分支单元保护启动判据如公式(3)所示：
|udc.Ψ(t)|≤Uop_set (2)
|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|≤Uop_set (3)
其中Uop_set为保护启动判据阈值，依据最远端、最轻微故障时，限流控制稳态阶段岸基电源直流侧的最高电压整定，Uop_set＝Idcref·Req·KRel，Idcref为限流控制稳态阶段岸基电源直流侧的运行电流，等效电阻Req＝4RLine_Bb+Rf，RLine_Bb为各段主缆的线路电阻，Rf为过渡电阻的上限值，KRel为可靠系数，udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值。
岸基站直流侧反时限欠电压保护动作方程如公式(4)所示：
Figure BDA0003425550420000071
Tdc.Ψ为岸基站直流侧保护动作计时时限，KRel为可靠系数，Δt为保护判据时间窗，KSecure为防误开断系数，KSecure＝TRelay/(0.001Idcref·RLine_Bb)，TRelay为继电开关开断延时。
分支单元反时限欠电压保护动作方程如公式(5)所示：
Figure BDA0003425550420000072
TBUn为分支单元BUn保护动作计时时限。
分支单元支缆侧故障方向判据如公式(6)所示：
sign(in.BR)×sign(in.BI)＜0 (6)
分支单元R侧故障方向判据如公式(7)所示：
sign(in.BR)＜0 and sign(in.BI)＜0 (7)
分支单元I侧故障方向判据如公式(8)所示：
sign(in.BR)＞0 and sign(in.BI)＞0 (8)
其中sign(in.BR)为分支单元BUn的R侧测量单元电流方向，sign(in.BI)为分支单元BUn的I侧测量单元电流方向，un.BR、in.BR分别表示分支单元R侧的电压、电流，un.BI、in.BI分别表示分支单元I侧的电压、电流，un.SP、in.SP分别表示分支单元支缆侧的电压、电流。
岸基站直流侧保护结束判据如公式(9)所示，分支单元保护结束判据如公式(10)所示：
|dudc.Ψ(t)/dt|≥KStop (9)
Figure BDA0003425550420000081
其中KStop为终止判据阈值，以大于近岸基电源直流侧金属性接地故障时，另一岸基电源的直流侧电压变化率为整定原则。
线路接地故障下岸基电源限流控制启动，限流控制使岸基电源(MMC)子模块的电压维持恒值，故限流控制稳态阶段供电系统的电压恒定，因而接驳盒换流器监测低压退出，各支缆将保持持续末端空载运行，限流控制使故障分析得以简化，基于限流控制稳态阶段供电系统拓扑，容易分析得到不同故障场景下潮流流动方向，即电流方向；在正常运行时供电系统中潮流单向流动，所以分支单元两侧的电流同向，极性相同，当供电系统发生故障时，故障电流都流向了故障点，导致分支单元两侧的电流反向，极性相反，因此可以根据电流的流向对故障进行准确定位，进而驱动继电开关动作，实现故障隔离。
实施例
如图1a所示为双端环形的恒压海底观测网供电系统两节点拓扑结构图，图1b所示为双端环形的恒压海底观测网供电系统三节点拓扑结构图，本发明选择图1b所示结构为实施例拓扑结构。
基于上述拓扑结构利用PSCAD/EMTDC搭建如图2所示的恒压海底观测网供电系统仿真模型，其中PFER和PFEI分别表示岸基站R和岸基站I，BU1、BU2、BU3分别表示分支单元1、分支单元2和分支单元3，JBC1、JBC2、JBC3分别表示与BU1、BU2、BU3连接的海底接驳盒，Line0、Line1、Line2、Line3均表示主缆，Line4、Line5、Line6均表示支缆，AC为岸基站三相交流电源，udc.R、idc.R分别表示岸基站R直流侧的电压、电流，udc.I、idc.I分别表示岸基站I直流侧的电压、电流，采样频率为10kHz，对本发明所述保护方法进行分析、验证，关键参数如表1所示。
表1海底观测网供电系统关键参数
参数 数值
供电系统额定直流电压 -10kV
交流侧额定电压 6kV
岸基站换流变变比 8.9/6
岸基电源额定容量 72kW
接驳盒换流器额定容量 44kW
仪器负载恒阻抗模型 16Ω
光电复合海缆各段主缆长度 20km
光电复合海缆各段支缆长度 1km
光电复合海缆等效电阻 1.0Ω/km
光电复合海缆等效电感 0.5mH/km
岸基电源采用全桥型多电平换流器，其子模块结构如图2虚线框所示，NEPTUNE观测网分支单元拓扑结构如图3所示，基于恒压海底观测网供电系统仿真模型构造以下判据：岸基电源限流控制启动判据、岸基站直流侧保护启动判据、分支单元保护启动判据、岸基站直流侧反时限欠电压保护动作方程、分支单元反时限欠电压保护动作方程、分支单元支缆侧故障方向判据、分支单元R侧故障方向判据、分支单元I侧故障方向判据、岸基站直流侧保护结束判据、分支单元保护结束判据。
其中岸基电源限流控制启动判据为|didc.Ψ(t)/dt|≥KFault，KFault为限流控制启动判据的整定值，KFault＝0.1A/s，连续采集三次岸基电源直流侧的电流，当连续三个采样点的|didc.Ψ(t)/dt|均大于等于KFault时，限流控制判据成立。
岸基站直流侧保护启动判据为|udc.Ψ(t)|≤Uop_set，分支单元保护启动判据为|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|≤Uop_set，Uop_set＝Idcref·Req·KRel，Req＝4RLine_Bb+Rf，可靠系数KRel取1.2，过渡电阻Rf上限值取10Ω，各段主缆的线路电阻RLine_Bb取20Ω，当连续三个采样点的|udc.Ψ(t)|、|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|均小于等于Uop_set时，启动判据成立。
岸基站直流侧反时限欠电压保护动作方程为
Figure BDA0003425550420000091
保护判据时间窗Δt取1ms，KSecure＝TRelay/(0.001Idcref·RLine_Bb)＝78.125，继电开关开断延时TRelay取15ms。
分支单元反时限欠电压保护动作方程为
Figure BDA0003425550420000101
分支单元支缆侧故障方向判据为sign(in.BR)×sign(in.BI)＜0，分支单元R侧故障方向判据为sign(in.BR)＜0 and sign(in.BI)＜0，分支单元I侧故障方向判据为sign(in.BR)＞0 and sign(in.BI)＞0，sign(in.BR)为分支单元BUn的R侧测量单元电流方向，sign(in.BI)为分支单元BUn的I侧测量单元电流方向，如图2中所示，令岸基站R流指向岸基站I为供电系统电流正方向(认为结果大于零)，反之即为负方向(认为结果小于零)。
岸基站直流侧保护结束判据为|dudc.Ψ(t)/dt|≥KStop，分支单元保护结束判据为
Figure BDA0003425550420000102
终止判据阈值KStop取0.2kV/s，当连续三个采样点的|dudc.Ψ(t)/dt|、
Figure BDA0003425550420000103
均大于等于KStop时，保护结束判据成立。
根据上述判据进行供电系统保护的过程如下：
步骤1，启动保护方案；
步骤2，执行岸基电源限流控制启动判据，若判据不成立则重复执行判据操作，若判据成立，其启动岸基电源限流控制保护，等待稳定延时，待延时结束后执行步骤3；
步骤3，执行岸基站直流侧保护启动判据和分支单元保护启动判据，若岸基站直流侧保护启动判据成立，则跳转至步骤4，若分支单元保护启动判据成立，则跳转至步骤5，否则重复步骤3直至岸基站直流侧保护启动判据或分支单元保护启动判据成立；
步骤4，岸基站开始岸基站直流侧反时限欠电压保护动作计时，计时到达计时时限后岸基站直流侧继电开关PR dc.R断开，并执行岸基站直流侧保护结束判据，若判据成立，则则停止岸基站直流侧反时限欠电压保护动作计时，保护结束；
步骤5，执行分支单元支缆侧故障方向判据，若判据成立，则分支单元支缆侧继电开关PR n.SP断开，执行分支单元保护结束判据，若分支单元保护结束判据成立，则停止分支单元反时限欠电压保护动作计时，结束保护；
若分支单元支缆侧故障方向判据未成立，则分支单元开始分支单元反时限欠电压保护动作计时，并执行分支单元R侧故障方向判据和分支单元I侧故障方向判据；
步骤6，若分支单元R侧故障方向判据成立，则分支单元反时限欠电压保护动作方程计时结束后，继电开关PR n.BR断开；
若分支单元I侧故障方向判据成立，则分支单元反时限欠电压保护动作方程计时结束后，继电开关PRn.BI断开；
步骤7，执行分支单元保护结束判据，若判据成立，则停止分支单元反时限欠电压保护动作计时，保护方案结束。
对上述的供电系统保护方案进行仿真验证：
1、限流控制验证
供电系统故障情况下，未投入、投入限流控制时，岸基电源直流侧电压、电流如图5a、图5b所示，由图5a、图5b对比可知，故障情况下，未进行限流控制时，直流电压保持跌落且不断波动，直流电流迅速增大，故障电流超过正常运行额定值的十倍左右，投入限流控制后，电压逐渐达到稳定值，电流峰值仅上升到额定电流两倍左右，故障电流得到有效控制。
2、支缆故障验证(以Line5为例)
以第10.5s时海缆Line5中点处金属性接地故障为例，投入限流控制后岸基站直流侧电压|udc.Ψ(t)|、分支单元电压|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|，如图6所示，根据岸基站直流侧保护启动判据、分支单元保护启动判据，岸基站R、岸基站I、分支单元BU1、分支单元BU2、分支单元BU3分别于10.50555s、10.50555s、10.5050s、10.5045s、10.5050s启动保护。
岸基站直流侧保护启动后，岸基站R、岸基站I测量电压分别为0.421kV、0.420kV，由岸基站直流侧反时限欠电压保护动作方程可得岸基站R、岸基站I反时限欠电压保护动作时延分别为54.5ms、54.4ms。
分支单元保护启动后，分支单元测量电流如图7所示，与故障支缆Line5直接相连接的分支单元BU测量电路i2.BI与i2.BR的电流方向相异，根据分支单元支缆侧故障方向判据判别为支缆故障，相连接分支单元支缆侧继电开关PR n.SP动作，隔离故障；与故障支缆Line5非直接连接的分支单元BU1、BU3测量电流i1.BI与i1.BR、i3.BI与i3.BR的电流方向分别相同，根据分支单元反时限欠电压保护动作方程计算其保护动作时延分别为37.1ms、37.1ms。
由于故障支缆Line5直接连接的分支单元BU2继电开关PRn.SP动作，故障被隔离，系统电压回升，岸基电源直流侧电压变化率|dudc.Ψ(t)/dt|、分支单元电压变化率|d[(un.BR(t)+un.BI(t))/2]/dt|如图8所示，根据岸基站直流侧保护结束判据、分支单元保护结束判据，与故障支缆Line5非直接连接的岸基站R、岸基站I、分支单元BU1、分支单元BU3保护流程结束，保护不误动。
3、主缆故障验证(以Line1为例)
以第10.5s时海缆Line1中点处金属性接地故障为例，投入限流控制后岸基站直流侧电压|udc.Ψ(t)|、分支单元电压|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|，如图9所示，根据岸基站直流侧保护启动判据、分支单元保护启动判据，岸基站R、岸基站I、分支单元BU1、分支单元BU2、分支单元BU3分别于10.5053s、10.5059s、10.5047s、10.5047s、1050525s启动保护。
岸基站直流侧保护启动后，岸基站R、岸基站I测量电压分别为0.307kV、0.515kV，由岸基站直流侧反时限欠电压保护动作方程可得岸基站R、岸基站I反时限欠电压保护动作时延分别为43.8ms、63.3ms。
分支单元保护启动后，各分支单元测量电流如图10所示，各分支单元两端测量电流i1.BI与i1.BR、i2.BI与i2.BR、i3.BI与i3.BR的电流方向分别相同，根据分支单元支缆侧故障方向判据可知，不满足支缆动作要求，进而由分支单元反时限欠电压保护动作方程计算得：各分支单元反时限欠电压保护动作计时时限分别为25.1ms、25.6ms、35.3ms，根据动作计时时限大小，与故障段Line1直接连接的分支单元BU1、BU2先行满足动作条件；根据分支单元R侧故障方向判据、分支单元I侧故障方向判据，BU1中PR.1.BI、BU2中PR.2.BR动作，实现故障有选择性隔离。
由于故障区段Line1直接连接的分支单元继电开关动作、故障被隔离，系统电压回升，岸基电源直流侧电压变化率|dudc.Ψ(t)/dt|、分支单元电压变化率|d[(un.BR(t)+un.BI(t))/2]/dt|如图11所示，根据保护结束判据岸基站直流侧保护结束判据、分支单元保护结束判据，与故障区段Line1非直接连接的岸基站R、岸基站I、分支单元BU3保护流程结束，保护不误动。
4、影响因素分析及验证
为了进一步验证本发明所述保护方法的性能，以下分别针对故障位置、过渡电阻、噪声对保护方案的影响进行分析。
4.1故障位置及过渡电阻影响
不同位置、不同过渡电阻故障情况下，仿真结果如表2所示，仿真结果表明，限流控制模式下，随着过渡电阻的增大，电压幅值减小，保护动作时限也随之增长，各区段故障时，本保护方案均能正确动作。
表2不同故障位置及过渡电阻仿真结果
故障位置 过渡电阻 保护动作 有无动作
Line0 0Ω 第10.5709sPRdc.R断开 无
Line0 0Ω 第10.6373sPR1.BR断开 无
Line0 5Ω 第10.5709sPRdc.R断开 无
Line0 5Ω 第10.6373sPR1.BR断开 无
Line0 10Ω 第10.6699sPRdc.R断开 无
Line0 10Ω 第10.6733sPR1.BR断开 无
Line0 20Ω 第10.7072sPRdc.R断开 无
Line0 20Ω 第10.7097sPR1.BR断开 无
Line1 0Ω 第10.5713sPR1.BR断开 无
Line1 0Ω 第10.5718sPR2.BR断开 无
Line1 5Ω 第10.5713sPR1.BR断开 无
Line1 5Ω 第10.5713sPR2.BR断开 无
Line1 10Ω 第10.5898sPR1.BR断开 无
Line1 10Ω 第10.5897sPR2.BR断开 无
Line1 20Ω 第10.6084sPR1.BR断开 无
Line1 20Ω 第10.6083sPR2.BR断开 无
Line4 0Ω 第10.5600sPR1.SP断开 无
Line4 5Ω 第10.5603sPR1.SP断开 无
Line4 10Ω 第10.5607sPR1.SP断开 无
Line4 20Ω 第10.5618sPR1.SP断开 无
Line5 0Ω 第10.5600sPR2.SP断开 无
Line5 5Ω 第10.5602sPR2.SP断开 无
Line5 10Ω 第10.5604sPR2.SP断开 无
Line5 20Ω 第10.5609sPR2.SP断开 无
4.2噪声影响
海底观测网测量单元受噪声等干扰的影响，存在测量误差等，对表2所示故障场景添加信噪比为40dB的高斯白噪声，验证所提出保护方案的耐干扰性能，仿真结果显示本发明所述保护方法能正确可靠地实现故障判别，具有良好的耐噪性能。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
执行岸基站电源限流控制启动判据，若判据不成立，则重复该操作直至判据成立，若判据成立，则启动岸基电源限流控制，等待供电系统进入限流控制稳态阶段；
执行岸基站直流侧保护启动判据和分支单元保护启动判据，若两个判据均不成立，则重复执行直至岸基站直流侧保护启动判据或分支单元保护启动判据成立；
若岸基站直流侧保护启动判据成立，岸基站开始岸基电源故障判别和隔离；
若分支单元保护启动判据成立，分支单元开始进行分支单元故障判别与隔离。
2.根据权利要求1所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述岸基电源故障判别和隔离包括：
岸基站开始岸基站直流侧反时限欠电压保护动作计时，当计时到达计时时限Tdc.Ψ时，断开岸基电源直流侧继电开关。
3.根据权利要求1所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述分支单元故障判别与隔离包括：
执行分支单元支缆侧故障方向判据，若该判据成立则分支单元支缆侧继电开关开断；若该判据不成立，则分支单元开始分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时，并执行分支单元R侧故障方向判据和I侧故障方向判据；
若分支单元R侧故障方向判据成立，则在分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时到达计时时限后，开断分支单元R侧的继电开关；
若分支单元I侧故障方向判据成立，则在分支单元直流侧反时限欠电压保护动作计时达到计时时限后，开断分支单元I侧的继电开关。
4.根据权利要求2所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，还包括：
执行岸基站直流侧保护结束判据，若岸基站直流侧保护结束判据成立，则结束供电保护。
5.根据权利要求3所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，还包括：
执行分支单元保护结束判据，若分支单元保护结束判据成立，则结束供电保护。
6.根据权利要求1所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述岸基站电源限流控制启动判据如公式(1)所示：
|didc.Ψ(t)/dt|≥KFault (1)
其中t为测量时间，idc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电流，KFault为限流控制启动判据的整定值；
所述岸基站直流侧保护启动判据如公式(2)所示：
|udc.Ψ(t)|≤Uop_set (2)
分支单元保护启动判据如公式(3)所示：
|(un.BR(t)+un.BI(t))/2|≤Uop_set (3)
其中udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值，Uop_set为保护启动判据阈值。
7.根据权利要求2所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述计时时限Tdc.Ψ如公式(4)所示：
Figure FDA0003425550410000021
其中KRel为可靠系数，udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，Δt为保护判据时间窗，KSecure为防误开断系数，TRelay为继电开关开断延时。
8.根据权利要求3所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述分支单元反时限欠电压保护动作的计时时限TBUn如公式(5)所示：
Figure FDA0003425550410000022
其中KRel为可靠系数，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值，Δt为保护判据时间窗，KSecure为防误开断系数，TRelay为继电开关开断延时；
所述分支单元支缆侧故障方向判据如公式(6)所示：
sign(in.BR)×sign(in.BI)＜0 (6)
所述分支单元R侧故障方向判据如公式(7)所示：
sign(in.BR)＜0 and sign(in.BI)＜0 (7)
所述分支单元I侧故障方向判据如公式(8)所示：
sign(in.BR)＞0 and sign(in.BI)＞0 (8)
in.BR为分支单元R侧的电流，in.BI为分支单元I侧的电流，sign(in.BR)为分支单元BUn的R侧测量单元电流方向，sign(in.BI)为分支单元BUn的I侧测量单元电流方向。
9.根据权利要求4所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述岸基站直流侧保护结束判据如公式(9)所示：
|dudc.Ψ(t)/dt|≥KStop (9)
其中t为测量时间，udc.Ψ(t)为t时刻岸基电源直流侧电压，KStop为终止判据阈值。
10.根据权利要求5所述的基于控保协同的恒压海底观测网供电系统保护方法，其特征在于，所述分支单元保护结束判据如公式(10)所示：
Figure FDA0003425550410000031
其中t为测量时间，un.BR(t)表示t时刻分支单元R侧的测量电压值，un.BI(t)表示t时刻分支单元I侧的测量电压值，KStop为终止判据阈值。
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