CN114465213A - 一种无直流断路器柔性直流线路保护方法 - Google Patents

Abstract

一种无直流断路器柔性直流线路保护方法,涉及一种电力系统自动化技术领域。包括实时状态监测、执行保护启动判据、执行保护判据、执行故障阻断、执行瞬时性和永久性故障甄别。本发明利用柔直线路的单端电气量，提高了保护快速性；利用多点的电压电流比有效克服了被保护线路上负荷投切、雷击等影响，提高了保护可靠性；利用换流器低压重启与负荷开关的配合甄别瞬时性故障和永久性故障，提高了供电可靠性；本案方法不依赖直流断路器，减少了运行维护和投资费用，提高直流配电网的经济性。

Description

一种无直流断路器柔性直流线路保护方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统自动化技术领域，尤其涉及一种无直流断路器柔性直流线路保护方法。

背景技术

直流配电网因其便于分布式能源与多元负荷接入、线损小、控制灵活等优点，得到本技术领域研发企业的广泛研究。但直流配电网特有的“低阻尼”、“低惯性”的特点，导致直流系统故障发展速度极快，需要快速的故障检测、保护与阻断技术，实现直流配电网故障快速高效处理。直流配电网故障隔离可采用交流断路器、直流断路器和具有自阻断能力的换流器。

无直流断路器的柔性直流配电线路保护技术中，如图1所示。直流配电网采用常规的闭环结构，开环运行的方式。直流配电网的换流器采用模块化多电平换流器MMC，其中的子模块采用具有自阻断故障电流的拓扑结构，如全桥结构。直流侧采用伪双极，无中性线。直流线路发生单极接地，不影响直流配电网的运行。直流线路上配置负荷开关。

为了满足直流线路故障快速检测和隔离的要求，现有的柔直线路保护技术普遍采用行波保护。行波保护利用故障初始行波，检测故障，并利用雷电波与干扰产生的行波与故障行波特征的不同，如信号能量的频带分布关系，甄别故障与干扰，保证保护可靠性。故障隔离后，为保证非故障区段的供电可靠性，故障区段识别利用行波定位方法实现。由于配电线路距离短，负荷复杂，系统正常运行存在干扰行波，现有的基于故障初始行波的保护和定位技术实现要求高，现场应用难度大。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种保证故障检测高效性的同时，提高保护可靠性和实用性的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法。

本发明的技术方案是：一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，包括如下步骤：

S1：实时状态监测

采集直流线路两极电压和电流，通过两极电压和电流的差模量，计算基于电压电流差模量的反向电压行波瞬时值；

S2：执行保护启动判据

实时比较反向电压行波瞬时值与行波启动整定值，确定是否满足启动判据；

S3：执行保护判据

满足启动判据，计算单点电压瞬时值与电流瞬时值的比值，得到电阻量纲的值(本案简称为电压电流电阻比)，连续多点比较电阻量纲的值与保护动作整定值；

S4：执行故障阻断

连续多点满足电压电流电阻比小于整定值，保护动作出口，执行故障阻断。

还包括步骤S5：执行瞬时性、永久性故障甄别；

换流器降压重启，柔性直流线路符合开关有压闭合；重合至故障，换流器阻断，负荷开关分段并锁定故障区段。

柔性直流线路上所有负荷开关打开后，经设定延迟时间，换流器切换控制策略，重新启动，并控制直流柔性线路电压低于额定电压，直流线路升压；负荷开关有压重合，负荷开关控制器检测到柔直线路电压上升后，自动重合负荷开关；

如果故障消失，则直流配电网恢复运行；

如果负荷开关重合至永久故障，换流器再闭锁，故障区段负荷开关控制器分断负荷开关并锁定故障区段。

步骤S2中：

S2.1：当反向电压行波瞬时值大于行波启动整定值时：

则启动判据满足；判断柔性直流线路上发生了扰动，执行步骤S3。

S2.2：当反向电压行波瞬时值不大于行波启动整定值时，跳转步骤S1。

步骤S4中：

换流器收到保护动作出口信息，自阻断故障电流，柔性直流线路失压；失压后，负荷开关自脱扣，负荷开关控制器检测到线路失压后，控制负荷开关分断；

步骤S3中：

当连续多点不满足电压电流电阻比小于保护动作整定值时，跳转步骤S1。

步骤S2中，整定值为直流线路额定电压的20％，且只需测量点的某一点反向电压行波瞬时值大于整定值，则启动判据满足。

步骤S1中电压、电流的采样频率不低于10khz。

步骤S1中电压、电流的采样频率采样频率可为20kHz、50kHz和/或100kHz。

步骤S4中，柔性直流线路失压的判据为线路电压低于额定值的10％，且电流小于额定值的10％。

柔直线路上所有负荷开关打开后，经设定延迟时间，换流器切换控制策略；

设定延迟时间为负荷开关打开时间和故障点去游离时间之和。

步骤S3中，连续多点是指连续10个点；

步骤S4中，连续多点是指连续10个点内，保护动作判据满足超过7个点，则保护出口动作。

本发明利用柔直线路的单端电气量，提高了保护快速性；利用多点的电压电流比有效克服了被保护线路上负荷投切、雷击等影响，提高了保护可靠性；利用换流器低压重启与负荷开关的配合甄别瞬时性故障和永久性故障，提高了供电可靠性；所提方法不依赖直流断路器，减少了运行维护和投资费用，提高了直流配电网的经济性。

附图说明

图1是背景技术无直流断路器柔性直流配电网示意图，

图2是无直流断路器直流线路双极短路故障示意图，

图3是双极短路故障瞬时等效电路示意图，

图4是无直流断路器直流配电网拓扑与子模块，

图5是本发明原理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明如图2-5所示：

1、本案保护启动原理

正常稳定运行时，系统中只有正向电压行波，反向电压行波瞬时值为0；测量点下游发生扰动，如故障、雷击、负荷投切等，测量点将检测到反向电压行波，反向电压行波瞬时值为扰动点电压突变量的两倍，

如故障发生，故障前电压为正的额定电压，故障后并强制拉低为0或者负的额定电压，则测量点的反向电压行波值升高至额定电压以上；

如负荷投切，投切前投切点电压为额定电压，负荷点电压为0，负荷投切时投切点的电压突变为额定电压，测量点的反向电压行波瞬时值也升高。因此，保护启动判据判别被保护线路所在系统中是否发生了新的事件，其甄别正常稳定运行与线路上发生的新事件，目标是保证故障事件一定能启动，因此，其整定值可设为直流线路额定电压的20％，且只要测量点的一点反向电压行波瞬时值大于整定值，则启动。

反向电压行波瞬时值的计算如式1所示。

其中，u_f为测量点的反向电压行波，

u_l为测量点的两极电压差模量瞬时值，

i_l为测量点的两极电流差模量瞬时值，

Z为直流线路的线模波阻抗，

u₊为测量点的正极电压瞬时值，

u_-为测量点的负极电压瞬时值，

i₊为测量点的正极线路电流瞬时值，

i_-为测量点的负极线路电流瞬时值。

在实施例中，对10kV的直流架空线路，电压电流信号的采样率为不低于20kHZ，典型值可取为100kHz，架空线路线模波阻抗优先采用实测或者实际电路参数计算值，一般可取为典型值200欧姆。启动门槛整定值设置为2kV。

2、故障检测原理

当直流配电网发生直流短路故障时，故障电流快速上升。故障发生后，直流线路故障电流主要由子模块电容放电组成，如图2所示。此时子模块按照正常调制模式进行投切，任一时刻上下两个桥臂总共投入N个子模块(假设电平数为N+1)。由于子模块电容电压平衡控制原则，期间所有子模块均会投入或切除，每相所有子模块可近似等分为两组依次交替放电，每组含有N个子模块；由于系统的控制频率很高，可以近似认为每相中交替放电的两组子模块处于并联状态，因此故障可以等效成图3所示的一个RLC二阶放电回路。

该阶段的暂态过程可以表示为：

其中，Le＝2L/3+Ll、Re＝2R/3+Rl、Ce＝6C/N。

通常情况下，有

所以子模块电容放电是一个二阶欠阻尼振荡过程。

方程的特征根是一对共轭复数。

式中σ＝R_e/2L_e、

假设故障瞬间直流电压、直流线路电流的值为U0、I0，可近似认为级联子模块电容电压初始值亦为U0。由此可求得电容电压和直流线路故障电流的暂态解为：

上式中：

直流线路测量点电压为

其中，u_l为测量点的两极电压差模量瞬时值，i_l为测量点的电流瞬时值，R_l为测量点到故障点的线路电阻，L_l为测量点到故障点的线路电抗。

在该阶段，子模块电容电压快速下降，直流线路故障电流快速上升，但故障电流的大小受到子模块电容值、桥臂子模块数量和桥臂电抗值的影响。当系统容量、电压等级固定时，子模块电容越大、桥臂子模块数越少、桥臂电抗值越小，故障电流越大。

而正常运行时，直流电压、直流线路电流的值为U0、I0，测量点的电压电流比为：

在实施例中，电压电流电阻比的整定值设为0.5倍的直流线路额定电压与直流线路最大负荷电流之比，如对10kV的直流线路，最大负荷电流为500A，则保护电阻比整定值为10欧姆。

同时，如果系统中发生的是非故障，而是雷击等干扰情况，则系统中电压电流电阻比不会持续满足显著降低的情况。因此，在保护判据中，检测连续多点的电压电流电阻比是否小于整定值。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

如图4所示，无直流断路器直流配电网示意图。其中，直流配电网采用伪双极结构，无中性线方式，换流器采用具有故障电流阻断能力的全桥子模块。直流线路分段运行，分段处配置带控制器的负荷开关，控制器可根据就地或者远程信息控制负荷开关动作。直流线路出口处配置保护，保护根据就地的电压电流瞬时值判断故障，检测出故障后向换流器发出阻断故障电流指令。直流线路上配置带控制器的负荷开关，负荷开关控制器检测到直流线路失压后，发出负荷开关打开指令；待一段时间延迟后，负荷开关控制器再次检测到直流线路上存在电压后，发出负荷开关闭合指令，如闭合后，线路中再次发生故障，则闭锁负荷开关闭合。图b示出了换流器直流测的两极线路，且无中性线。图c示出了具有故障电流阻断能力的换流器子模块，本发明中采用全桥子模块。

基于换流器自阻断能力的柔直线路保护方法，包括：

步骤102，实时状态监测，采集直流线路两极电压和电流，计算两极电压和电流的差模量，计算基于电压电流差模量的反向电压行波瞬时值。

在实施例中，电压、电流的采样频率不低于10khz，典型的采样频率可为20kHz、50kHz和100kHz。本发明采样直流线路正极线路和负极线路的电压电流，对每一个采样点计算直流线路两极电压和电流的差模量。

反向电压行波瞬时值的计算如式1所示。

其中，u_f为测量点的反向电压行波，u_l为测量点的两极电压差模量瞬时值，i_l为测量点的两极电流差模量瞬时值，Z为直流线路的线模波阻抗，u₊为测量点的正极电压瞬时值，u_-为测量点的负极电压瞬时值，i₊为测量点的正极线路电流瞬时值，i_-为测量点的负极线路电流瞬时值。

在实施例中，对10kV的直流架空线路，电压电流信号的采样率为不低于20kHZ，典型值可取为100kHz，架空线路线模波阻抗优先采用实测或者实际电路参数计算值，也可取为典型值200欧姆。启动门槛设置为2kV。

步骤104，执行保护启动判据，实时比较反向电压行波瞬时值与行波启动整定值。如反向电压行波瞬时值不大于整定值，则返回步骤102；如反向电压行波瞬时值大于整定值，则启动判据满足，判断柔直线路上发生了扰动，执行保护判据106。

步骤106，执行保护判据，计算电压电流电阻比，连续多点比较电阻比与整定值，如连续多点满足电压电流电阻比小于整定值，判定柔直线路上发生了故障，保护动作出口。

为保证可靠性，本发明的保护判据采用多点连续比较的方式。在实施例中采用10点连续比较，如果在保护判据启动后的连续10点内，保护动作判据满足超过7点，则保护出口动作，向换流器发出阻断故障电流的指令。在实施例中，保护判据执行采用如下式。

u_l＜R_zi_l (5)

其中，u_l为测量点的两极电压差模量瞬时值，i_l为测量点的两极电流差模量瞬时值，R_Z为整定电阻值。

在实施例中，电压电流电阻比的整定值设为0.5倍的直流线路额定电压与直流线路最大负荷电流之比，如对10kV的直流线路，最大负荷电流为500A，则保护电阻比整定值为10欧姆。

连续10点的保护判据判别过程具体指，每次保护启动后，执行连续10点的公式(5)的判断，如果有7点都满足，无论该7点是否都连续，则保护动作。如果从启动后的第1点开始，连续7点都满足，则在第7点满足后，保护即出口动作。

步骤108，执行故障阻断，换流器收到保护动作出口信息，自阻断故障电流，柔直线路失压；柔直线路失压后，负荷开关自脱扣，负荷开关控制器检测到线路失压后，控制负荷开关分断。

本实施例中，柔直线路失压的判据为线路电压低于额定值的10％，且电流小于额定值的10％。

步骤110，执行瞬时性、永久性故障甄别，柔直线路上所有负荷开关打开后，经一段时间延迟，换流器切换控制策略，重新启动，并控制直流线路电压低于额定电压，直流线路升压；负荷开关有压重合，负荷开关控制器检测到柔直线路电压上升后，自动重合负荷开关；如果故障消失，则直流配电网恢复运行；如果负荷开关重合至永久故障，换流器再闭锁，故障区段负荷开关控制器分断负荷开关并锁定故障区段。

本实施例中，一段时间延迟包括负荷开关打开时间和故障点去游离时间，建议取为3秒。换流器的升压电压可控制为70％的额定电压。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

(1)、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：实时状态监测

采集直流线路两极电压和电流，通过两极电压和电流的差模量，计算基于电压电流差模量的反向电压行波瞬时值；

S2：执行保护启动判据

实时比较反向电压行波瞬时值与行波启动整定值，确定是否满足启动判据；

S3：执行保护判据

满足启动判据，计算单点电压瞬时值与电流瞬时值的比值，得到电阻量纲的值，连续多点比较电阻量纲的值与保护动作整定值；

S4：执行故障阻断

连续多点满足电压电流电阻比小于整定值，保护动作出口，执行故障阻断。

2.根据权利要求1所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，还包括步骤S5：执行瞬时性、永久性故障甄别；

换流器降压重启，柔性直流线路负荷开关有压闭合；重合至故障，换流器阻断，负荷开关分段并锁定故障区段。

3.根据权利要求2所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，柔性直流线路上所有负荷开关打开后，经设定延迟时间，换流器切换控制策略，重新启动，并控制直流柔性线路电压低于额定电压，直流线路升压；负荷开关有压重合，负荷开关控制器检测到柔直线路电压上升后，自动重合负荷开关；

如果故障消失，则直流配电网恢复运行；

如果负荷开关重合至永久故障，换流器再闭锁，故障区段负荷开关控制器分断负荷开关并锁定故障区段。

4.根据权利要求1所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，步骤S2中：

S2.1：当反向电压行波瞬时值大于行波启动整定值时：

则启动判据满足；判断柔性直流线路上发生了扰动，执行步骤S3。

5.根据权利要求1所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，步骤S4中：

换流器收到保护动作出口信息，自阻断故障电流，柔性直流线路失压；失压后，负荷开关自脱扣，负荷开关控制器检测到线路失压后，控制负荷开关分断。

6.根据权利要求1所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，步骤S2中，整定值为直流线路额定电压的20％，且只需测量点的某一点反向电压行波瞬时值大于整定值，则启动判据满足。

7.根据权利要求1所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，步骤S1中电压、电流的采样频率不低于10khz。

8.根据权利要求1或8所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，步骤S1中电压、电流的采样频率采样频率可为20kHz、50kHz和/或100kHz。

9.根据权利要求5所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，步骤S4中，柔性直流线路失压的判据为线路电压低于额定值的10％，且电流小于额定值的10％。

10.根据权利要求1所述的一种无直流断路器柔性直流线路保护方法，其特征在于，

步骤S3中，连续多点是指连续10个点；

步骤S4中，连续多点是指连续10个点内，保护动作判据满足超过7个点，则保护出口动作。

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