CN104852366A - 含电阻型超导限流器的直流配电系统短路故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于含电阻型超导限流器的直流配电系统的保护方法：利用各馈出线路首端保护安装处采集到的直流电压、直流电流信息，基于直流断路器，使用电压突变量原理作为直流母线和直流线路的故障启动元件，暂态峰值过电流保护原理作为直流线路的I段保护，暂态过电流启动的限时低电压保护作为直流线路的II段保护，保护线路全长。本发明能有效规避限流器接入对直流配电系统保护的影响，快速切除故障线路。

Description

含电阻型超导限流器的直流配电系统短路故障保护方法

所属技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及用于含电阻型超导限流器的直流配电系统短路故障的保护方法。

背景技术

智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网未来发展方向主要集中在配电网，国际上正在积极开展配电网领域前瞻性研究。

目前越来越多的家用电器和办公电器的最终用电形式是直流，如手机、液晶显示器、计算机、电动汽车等；日益增多的家用负荷和工业负荷为提高效率采用变频技术，这些负荷可视为间接直流负荷。同时部分基于可再生能源的分布式发电产生的电力是直流，如光伏发电、燃料电池发电。因而便产生了一种提高效率和减少能耗的天然解决方法——使用直流配电系统。直流配电系统具有电能质量高、可靠性高、经济性好、传输容量大、电能损耗低、拓扑结构简单和适应分布式电源(Distributed Generator，DG)接入等优点。但是由于直流配电系统需要大量的电容进行稳压和滤波，在发生短路故障时，电容瞬间放电，产生非常大的暂态短路电流，对系统和设备造成巨大的损害，同时IGBT由于自身保护而闭锁，这使得电压源型整流器变为不控整流，直流侧电压电流更加无法控制。因此，直流配电系统的发展需要限流器的配合，而电阻型超导限流器(SFCL)作为一种响应快、损耗小的限流装置，能够满足直流配电系统对限流器的要求。

典型的含电阻型超导限流器的直流配电系统拓扑结构图如附图1所示，使用10kV交流系统作为主要供电电源，经过10/3.8kV变压器和整流器组成的配电换流站整流成10kV直流电，直接连接到10kV直流母线上；系统馈出线路分为三段，负载通过直流电缆连接至直流母线。

发明内容

本发明提出一种用于含电阻型超导限流器的直流配电系统的保护方法。本发明的技术方案如下：

一种含电阻型超导限流器的直流配电系统短路故障保护方法，利用各馈出线路首端保护安装处采集到的直流电压、直流电流信息，基于直流断路器，使用电压突变量原理作为直流母线和直流线路的故障启动元件，暂态峰值过电流保护原理作为直流线路的I段保护，暂态过电流启动的限时低电压保护作为直流线路的II段保护，保护线路全长，具体为：

①如果直流电压突变量Δu超过整定值Δu_{_set}，启动线路保护；

②线路保护启动后，若线路电流峰值和电流到达峰值的比值大于暂态峰值过电流保护整定值说明故障发生在线路80％长度范围内，则应立即断开该故障线路上的直流断路器；

③若线路电流峰值和电流到达峰值的比值大于暂态电流保护整定值并且经过时间的延时后，此时直流侧电压小于低电压保护的整定值说明故障发生在线路80％长度以外，如果此时下游线路的I段保护未动作，则应立即断开该故障线路上的直流断路器。

④对于直流配电系统最末端的线路，则配置两段式过电流保护，只要线路电流大于整定值，则应立即断开该线路上的直流断路器，限时过电流保护作为该线路的后备保护。

作为优选实施方式，步骤②中的暂态峰值过电流保护整定值其中I_{k·peak·end·1}为线路末端金属性极间短路故障时短路电流峰值；Δt_{k·peak·end·1}为从故障开始到电流峰值的时间；为可靠系数，取1.2-1.3。

步骤③的暂态电流保护整定值 ${\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\Δt}}\right)}_{\mathrm{set}\·1}^{\mathrm{II}}=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\×{\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\Δt}}\right)}_{\mathrm{set}\·2}^I=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\×K_{\mathrm{rel}}^I\×\left(\frac{I_{k\·\mathrm{peak}\·\mathrm{end}\·2}}{{\mathrm{\Δt}}_{k\·\mathrm{peak}\·\mathrm{end}\·2}}\right),$ $t_{\mathrm{set}\·1}^{\mathrm{II}}=t_2^I+\mathrm{\Δt},U_{\mathrm{set}\·1}^{\mathrm{II}}=K_{u\·\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\×U_N,$ 其中为下游线路的暂态电流保护整定值；为可靠系数，取1.1-1.2；U_N为系统运行额定电压；为可靠系数，取0.5-0.6；为断路器固有动作时间；Δt为断路器动作时延，取0.1-0.3s。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本方法适用于含电阻型超导限流器的直流配电系统发生直流侧金属性极间短路的情况。能有效规避限流器接入对直流配电系统保护的影响，快速切除故障线路。

2.直流线路80％内故障时，保护系统能够在3ms左右可靠发出跳闸指令；直流线路80％以外故障时，保护系统能够在给定延时后的3ms左右可靠的发出跳闸指令，保证了保护系统的可靠性、速动性、选择性和灵敏性。

2.附图说明

图1是直流配电系统测试模型拓扑结构图；

图2是电流峰值与电流到达峰值的比值和故障位置的关系曲线；

图3是含电阻型超导限流器的直流配电系统的保护方法流程图。

具体实施方式

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于含电阻型超导限流器的直流配电系统的保护方法，该保护方案使用的保护原理简单，线路故障时快速性好、可靠性高，为直流配电系统的安全可靠运行提供技术支撑。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供用于含电阻型超导限流器的直流配电系统短路故障的线路保护方法，所述方案包括以下步骤：

步骤1：判断电压突变量是否超过门槛值，决定启动元件是否动作：根据采集的保护安装处直流电压u信息，实时计算出直流电压突变量Δu。如果计算出的Δu连续两次超过保护启动的直流电压突变量整定值Δu_set，则启动故障判别程序，进入步骤2；否则保护故障判别程序不启动。

步骤2：判断电流峰值与到达峰值的时间的比值是否大于保护的门槛值；这一步骤为直流线路故障判别。本方法中若电流峰值与到达峰值的时间的比值大于保护I段的整定值，即则立即跳开本线路的直流断路器。暂态电流保护整定值的计算公式为其中I_{k·peak·end·1}为线路末端金属性极间短路故障时短路电流峰值；Δt_{k·peak·end·1}为从故障开始到电流峰值的时间；为可靠系数，一般为1.2-1.3。

步骤3：确定直流线路短路故障，并断开直流断路器。

这一步骤为直流线路末端故障判别。本方法中若电流峰值与到达峰值的时间的比值大于保护II段的整定值，且经过一定的延时后，此时直流电压低于保护整定值，即 $(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&Delta;t}}>{\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&Delta;t}}\right)}_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}})\&cap;(t=t_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}})\&cap;(U_{\mathrm{dc}}<U_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}})$ 则应立即断开该侧线路的直流断路器，具体为：

若线路电流峰值和电流到达峰值的比值大于暂态电流保护整定值并且经过时间的延时后，此时直流侧电压小于低电压保护的整定值说明故障发生在线路80％长度以外，如果此时下游线路的I段保护未动作，则应立即断开该故障线路上的直流断路器；上游线路的II段保护通过延时和下游线路的I段保护进行配合，保证系统的选择性。暂态过电流启动的限时低电压保护整定值的选取为 ${\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&Delta;t}}\right)}_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}}=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\&times;{\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&Delta;t}}\right)}_{\mathrm{set}\&CenterDot;2}^I=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\&times;K_{\mathrm{rel}}^I\&times;\left(\frac{I_{k\&CenterDot;\mathrm{peak}\&CenterDot;\mathrm{end}\&CenterDot;2}}{{\mathrm{\&Delta;t}}_{k\&CenterDot;\mathrm{peak}\&CenterDot;\mathrm{end}\&CenterDot;2}}\right),t_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}}=t_2^I+\mathrm{\&Delta;t},U_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}}=K_{u\&CenterDot;\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\&times;U_N,$ 其中为下游线路的暂态电流保护整定值；为可靠系数，一般为1.1-1.2；U_N为系统运行额定电压；为可靠系数，一般可取为0.5-0.6；为断路器固有动作时间；Δt为断路器动作时延，一般取为0.1-0.3s。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

将本发明提供的含电阻型超导限流器的直流配电系统线路短路故障的保护方法应用在如附图1所示直流配电系统测试模型上，进行实例验证。

本发明使用电磁暂态仿真软件PSCAD搭建该实例模型，稳态运行时，系统各电气量如表1所示。

表1直流配电系统电气量

基于如附图2所示的短路故障时电流峰值与达到峰值的时间的比值与故障位置的关系曲线，本发明制定了如附图3所示的含电阻型超导限流器的直流配电系统的线路保护方法流程图。结合保护四性要求和保护方案参数整定原则，本发明如表2所示设置保护动作判据中各参数整定值。

表2直流配电系统参数整定值

在PSCAD模型中设置线路九个不同位置的短路故障，分别是各个线路的30％、80％和100％处故障。将故障前后直流电压、直流电流的数据输入到由MATLAB编程实现的故障判据中，得出以下结论：

(1)保护方案中故障启动元件非常灵敏，在直流线路发生故障时，启动元件能在1ms内启动母线和线路保护。

(2)直流线路80％长度以内故障时，保护系统能够在3ms左右可靠发出跳闸指令；而在在线路80％范围以外故障时，为了保证保护的选择性，需要经过延时，牺牲保护的动作时间，但是延时后，依旧可以在3ms左右的时间发出跳闸命令。

通过PSCAD和MATLAB仿真验证，验证了保护方法能够满足保护可靠性、速动性、选择性和灵敏性要求，证实了含电阻型超导限流器的直流配电系统保护方法的可行性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种含电阻型超导限流器的直流配电系统短路故障保护方法，利用各馈出线路首端保护安装处采集到的直流电压、直流电流信息，基于直流断路器，使用电压突变量原理作为直流母线和直流线路的故障启动元件，暂态峰值过电流保护原理作为直流线路的I段保护，暂态过电流启动的限时低电压保护作为直流线路的II段保护，保护线路全长，具体为：

①如果直流电压突变量Δu超过整定值Δu_{_set}，启动线路保护；

②线路保护启动后，若线路电流峰值和电流到达峰值的比值大于暂态峰值过电流保护整定值说明故障发生在线路80％长度范围内，则应立即断开该故障线路上的直流断路器；

③若线路电流峰值和电流到达峰值的比值大于暂态电流保护整定值并且经过时间的延时后，此时直流侧电压小于低电压保护的整定值说明故障发生在线路80％长度以外，如果此时下游线路的I段保护未动作，则应立即断开该故障线路上的直流断路器；

④对于直流配电系统最末端的线路，则配置两段式过电流保护，只要线路电流大于整定值，则应立即断开该线路上的直流断路器，限时过电流保护作为该线路的后备保护。

2.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，步骤②中的暂态峰值过电流保护整定值其中I_{k·peak·end·1}为线路末端金属性极间短路故障时短路电流峰值；Δt_{k·peak·end·1}为从故障开始到电流峰值的时间；为可靠系数，一般取1.2-1.3。

3.根据权利要求1所述的保护方法，其特征在于，步骤③的暂态电流保护整定值 ${\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&Delta;t}}\right)}_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}}=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\&times;{\left(\frac{I_{\mathrm{peak}}}{\mathrm{\&Delta;t}}\right)}_{\mathrm{set}\&CenterDot;2}^I=K_{\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\&times;K_{\mathrm{rel}}^I\&times;\left(\frac{I_{k\&CenterDot;\mathrm{peak}\&CenterDot;\mathrm{end}\&CenterDot;2}}{{\mathrm{\&Delta;t}}_{k\&CenterDot;\mathrm{peak}\&CenterDot;\mathrm{end}\&CenterDot;2}}\right),$ $t_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}}=t_2^I+\mathrm{\&Delta;t},$ $U_{\mathrm{set}\&CenterDot;1}^{\mathrm{II}}=K_{u\&CenterDot;\mathrm{rel}}^{\mathrm{II}}\&times;U_N,$ 其中为下游线路的暂态电流保护整定值；为可靠系数，取1.1-1.2；U_N为系统运行额定电压；为可靠系数，取0.5-0.6；为断路器固有动作时间；Δt为断路器动作时延，取0.1-0.3s。