CN114977137B - 一种基于控保协同的直流配电线路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于控保协同的直流配电线路保护方法，涉及多端柔性直流系统继电保护领域。针对直流配电网中限流技术与保护原理的结合问题，利用换流器限流策略与故障识别原理相配合，具体步骤如下：首先读取电压、电流数据，根据故障启动判据判断是否有故障，若是则限流控制模块与故障识别模块同时启动，各限流环节进行故障限流；同时计算线路两侧保护安装处检测到电流的相关性，根据相关系数计算结果判定故障线路。本发明能够在降低直流断路器开断电流需求的同时识别故障区域与故障类型，降低了直流配电网的建设成本和保护冗余，保护方法不需要严格的通信同步，且不受过渡电阻、数据窗长和噪声的影响，能够满足速动性和可靠性要求。

Description

一种基于控保协同的直流配电线路保护方法

技术领域

本发明涉及多端柔性直流配电系统继电保护领域，具体为一种基于控保协同的直流配电线路保护方法。

背景技术

基于半桥型MMC的柔性直流配电网适用于分布式电源和各类直流负载接入，在直流负载供电效率、电能质量、控制灵活性等方面相比于交流系统也具有优势，已成为配电领域未来的发展方向。与传统交流系统不同，柔直系统短路电流上升速度快、峰值高，对于高开断电流断路器设备的需求一定程度上阻碍了直流配网的大规模建设和发展。

目前限制故障电流的思路主要有增设直流限流器、优化换流器拓扑以及改进换流器控制策略三种。通过加装限流器(fault current limiter，FCL)来限制故障电流的思路在直流网中已趋于成熟，其原理就是在故障期间增大回路的电感值或电阻值。通过优化换流器拓扑进行限流的思路利用具有阻断能力的MMC子模块拓扑，在故障时旁路子模块或让其输出反向电压，进而降低故障电流。事实上，通过改进半桥型MMC本身的控制策略也能够起到一定的限流效果，通过阀控制器控制投入的子模块数量来降低直流电压，能够达到限制故障电流的目的。

综上所述，三种方法均能够起到一定的限流效果，且改进换流器控制策略的思路不需要增加或改造设备，具有一定的经济性和应用前景。但是，在直流配网中应用限流技术后会改变其本身的故障特性，部分基于幅值量或变化率的保护可能拒动，因此，故障限流技术与故障识别原理的结合问题已成为目前直流配电网保护技术亟需填补的空白。

由此，针对直流配电网中现有的限流技术及线路保护方法的不足，设计一种快速限流并可靠识别故障的控保协同(控制和保护共同作用)保护方法具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决直流配电网中故障限流技术与故障识别原理结合的问题，提供了一种基于控保协同的直流配电线路保护方法。

针对基于半桥型MMC的多端直流配电网，可以通过减少子模块的导通数量，即调制比来降低换流器出口电压，进而起到抑制故障电流的作用；同时，利用Pearson相关系数识别故障电流的变化特征，所得结果不受限流策略的影响，可以同时识别区内外故障并且区分故障类型。因此本发明通过如下技术方案来实现：一种基于控保协同的直流配电线路保护方法，包括如下步骤：

S1：故障启动：

保护装置采集各线路电压、电流数据，规定采样频率为20kHz，正极或负极电压连续3个采样点低于所设阈值时，认为发生了接地短路故障，为了避免正常运行情况下噪声及雷击信号的干扰，将阈值设计为0.85倍的额定电压，公式如下：

|V_P|＜0.85|U_Pn|∪|V_N|＜|0.85U_Nn| (1)

V_P为正极线路电压，V_N为负极线路电压，U_Pn、U_Nn分别为正负极线路额定电压；

S2：故障限流：

(1)电流变化率限流环节：

在故障初期，保护安装处检测到故障电流变化率大于500kA/s时，启动电流变化率限流控制环节，此时MMC输出子模块调制比为：

其中K_D为电流变化率限流控制参数，可取为0.2～0.4，通过在故障初期降低调制比，起到“虚拟电感”的作用，可以延缓故障电流的上升速度。

(2)电流幅值限流环节：

在故障中段，保护安装处检测到故障电流大于5倍的额定电流值时，认为故障已发展到一定程度，启动电流幅值限流环节，此时MMC输出子模块调制比为：

其中K_I为电流幅值限流控制参数，可取为0.2～0.4，N_SM为子模块总数量，可起到“虚拟电阻”作用，可以降低故障电流幅值；

(3)最低电压限流环节：

在故障后期，保护安装处检测到故障电流达到峰值以后，控制器切换为最低电压限流控制，利用线路的极间电压除以电压额定值得到调制比：

K_M＝min{V₁,V₂......V_n}/V_dcn (4)

进一步降低故障电流。

整体而言，全周期限流策略为在故障初期利用电流变化率限流环节抑制故障电流上升率，在故障中段利用电流幅值限流环节降低故障电流幅值，在故障后期利用最低电压限流环节进一步降低故障电流。该限流策略既能够限制故障电流的峰值与上升率，减轻环状直流配电网对高开断容量直流断路器的需求，还能够在故障后期起到降低故障电流的作用，即使断路器拒动，也能减轻对直流配电网的危害。

S3：故障识别：

直流配电网故障情况下的电流特征可以表述为：故障线路两侧电流波形突变方向一致，非故障线路两侧电流波形突变方向相反。考虑到全周期限流控制策略会限制故障电流的幅值，但是不会改变其波形变化方向，利用Pearson相关系数线路描述线路两侧电流变化特征，其计算公式如下：

其中，P_m取值范围为(-1,1)，当P_m在1附近时，两侧电流正相关，判定为故障线路；当P_m在-1附近时，两侧电流负相关，判定为非故障线路。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于控保协同的直流配电线路保护方法，能够在限流的同时实现故障识别，既减小了直流配电网对于高开断电流断路器的需求，也能够同时识别区内外故障与故障类型，减小了保护冗余。该保护方法不需要严格的通信同步，且不受过渡电阻、数据窗长和噪声的影响，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例所涉及的四端柔性直流配电网拓扑结构示意图。

图2是本发明具体实施例所涉及MMC故障等效电路图。

图3是本发明具体实施例所涉及限流控制策略示意图。

图4是本发明具体实施例所涉及线路故障电流波形特征示意图。

图5是本发明具体实施例所涉及保护方案流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

图1为四端柔性直流配电网拓扑结构示意图，直流线路额定电压±10kV，MMC1采用定直流电压控制，其余换流器采用定直流功率控制，直流线路L₁-L₄均采用伪双极接线，线路长度分别为10、8、12、8km，参数为：R＝0.0139Ω/km，L＝1.59×10^-4H/km。

本实施例对应的一种基于控保协同的直流配电线路保护方法，验证及实施操作过程如下：

S1：故障电压分析，即故障启动：

当线路发生故障的情况下，正极线路与负极线路电压变化情况如表1所示：

表1故障情况下线路正、负极电压变化

故障或其他情况	dVp/dt	dVn/dt
			正极接地	-	-
负极接地	+	+
			双极短路	-	+
正常运行	0	0

如表1所示，在任一故障情况下，故障极的电压均会大幅下降，为了避免正常运行情况下噪声及雷击波动信号的干扰，将判定阈值设为0.85倍的额定电压。保护装置采集各线路电压、电流数据，设定采样频率为20kHz，当启动判据连续3个采样点均成立时，认为发生接地短路故障。公式如下：

|V_P|＜0.85|U_Pn|∪|V_N|＜|0.85U_Nn| (1)

V_P为正极线路电压，V_N为负极线路电压，U_Pn、U_Nn分别为正负极线路额定电压；

S2：限流控制策略：

图2为直流线路双极故障时MMC等效电路，分别列写故障后换流器侧和线路侧的基尔霍夫电压方程可得：

式中V_i＝V_Pi+V_Ni，R_ph＝2R₀、L_ph＝2L₀，令V_ph＝(V_a+V_b+V_c)/3，并消去v_dc可得：

其中

在无限流环节投入的情况下，K_M＝1.0，则V_ph＝K_MV_dc＝V_dc，解得：

(1)在电流变化率限流环节投入的情况下，在故障初期，保护安装处检测到故障电流变化率大于500kA/s时，启动电流变化率限流控制环节，此时MMC输出子模块调制比为：

其中K_D为电流变化率限流控制参数，可取为0.2～0.4，通过在故障初期降低调制比，起到“虚拟电感”的作用，可以延缓故障电流的上升速度。

将公式(5)代入式(3)可得：

解得：

其中，L_e′_q＝L_eq+K_DV_dc，相当于增加了一定的“虚拟电感”。

(2)而在电流幅值限流环节投入的情况下，在故障中段，保护安装处检测到故障电流大于5倍的额定电流值时，认为故障已发展到一定程度，启动电流幅值限流环节，此时MMC输出子模块调制比为：

其中K_I为电流幅值限流控制参数，可取为0.2～0.4，N_SM为子模块总数量，可起到“虚拟电阻”作用，可以降低故障电流幅值。将公(8)式代入式(3)可得：

解得：

此时，τ′＝L_eq/R_e′_q。相当于增加了一定的“虚拟电阻”。

(3)在最低电压限流投入的情况下，在故障后期，保护安装处检测到故障电流达到峰值以后，控制器切换为最低电压限流控制，利用线路的极间电压除以电压额定值得到调制比：

K_M＝min{V₁,V₂......V_n}/V_dcn (11)

利用各直流线路的最小值除以额定电压构成调制比，该环节能够更大程度地抑制故障电流的上升；进一步降低故障电流。

整体而言，限流策略为在故障初期利用电流变化率限流环节抑制故障电流上升率，在故障中段利用电流幅值限流环节降低故障电流幅值，在故障后期利用最低电压限流环节进一步降低故障电流。

S3：故障识别原理：

利用Pearson相关系数线路描述线路两侧电流变化特征，其计算公式如下：

其中，P_m取值范围为(-1,1)，当P_m在1附近时，两侧电流正相关，判定为故障线路；当P_m在-1附近时，两侧电流负相关，判定为非故障线路。

在直流网络中，电流只有大小和极性，故障情况下，其特征可以表现为各侧电源向线路故障点的馈流作用。图4为线路1在各种运行工况下产生的故障回路，规定各侧电流正方向均为母线流向线路。

线路正常运行或区外故障时，保护区内没有接地点，流过线路的电流均为穿越电流，正负极两侧保护安装处的电流极性相反，具有负的相关性。而在区内双极或单极故障情况下，各电源均会向故障点馈流。由故障回路可以看出：双极故障时，线路两侧正极电流会产生正向突变，两侧负极电流会产生反向突变，正极和负极线路两侧保护安装处的电流均有同向突变；而单极故障时，仅有故障极产生故障回路，其两侧电流突变方向相同，非故障极电流仍保持原来相反的极性。综上所述：直流配电网在发生故障时，仅有故障线路两侧电流呈现正的相关性，非故障线路及非故障极均呈现负的相关性，直流线路各种运行工况下的电流相关性特征如表2：

表2电流相关性特征

运行工况	正极电流相关性	负极电流相关性
			正常运行	-	-
区外故障	-	-
			区内正极故障	+	-
区内负极故障	-	+
			区内双极故障	+	+

根据两侧正极和负极电流的相关性，可以同时识别区内外故障并区分故障极，具有简洁性与整体性，能够减轻直流配电网在保护方面的冗余。

根据S1-S3的原理，设计保护方法流程图如图5所示，保护方法包括故障启动、故障限流和故障识别三个部分，当低电压判据满足启动条件后，利用全周期限流控制策略对故障电流进行限制，同时，利用Pearson系数进行故障识别，在识别出区内故障后，发出告警信号或跳闸信号，相应的保护单元动作，换流器控制模式恢复。需要注意的是，各限流环节是否启动均由自身启动判据决定，在高阻故障或单极接地情况下故障电流较低，限流需求较小，可能存在部分限流环节不启动的情况，但不会影响故障电流相关性特征，保护能够可靠动作。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于控保协同的直流配电线路保护方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：故障启动：

保护装置采集各线路电压、电流数据，规定采样频率为20kHz，正极或负极电压连续3个采样点低于所设阈值时，认为发生接地短路故障，将阈值设计为0.85倍的额定电压，公式如下：

|V_P|＜0.85|U_Pn|∪|V_N|＜|0.85U_Nn| (1)

V_P为正极线路电压，V_N为负极线路电压，U_Pn、U_Nn分别为正负极线路额定电压；

S2：故障限流：

(1)电流变化率限流环节：

在故障初期，保护安装处检测到故障电流变化率大于500kA/s时，启动电流变化率限流控制环节，此时MMC输出子模块调制比为：

其中K_D为电流变化率限流控制参数，取为0.2～0.4，通过在故障初期降低调制比，起到虚拟电感的作用，延缓故障电流的上升速度；

(2)电流幅值限流环节：

在故障中段，保护安装处检测到故障电流大于5倍的额定电流值时，认为故障已发展到一定程度，启动电流幅值限流环节，此时MMC输出子模块调制比为：

其中K_I为电流幅值限流控制参数，可取为0.2～0.4，N_SM为子模块总数量，起到虚拟电阻作用，降低故障电流幅值；

(3)最低电压限流环节：

在故障后期，保护安装处检测到故障电流达到峰值以后，控制器切换为最低电压限流控制，利用线路的极间电压除以电压额定值得到调制比：

K_M＝min{V₁,V₂......V_n}/V_dcn (4)

进一步降低故障电流；

S3：故障识别：

利用Pearson相关系数线路描述线路两侧电流变化特征，其计算公式如下：

其中，P_m取值范围为(-1,1)，当P_m在1附近时，两侧电流正相关，判定为故障线路；当P_m在-1附近时，两侧电流负相关，判定为非故障线路。