CN110429572B - 一种直流配电网极间故障快速保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流配电网极间故障快速保护方法，利用故障暂态电气量以及线路RL模型，求解线路的电感参数，并根据该电感参数大小判断故障线路；为了进一步提高该方法的灵敏度，在每条线路首端串联边界小电感，并利用该电感电压代替线路RL模型中的微分，消除了用差分代替微分时的截断误差、减小了计算线路电感参数时的计算量、同时简化了计算过程、降低了算法对采样率的要求。

Description

一种直流配电网极间故障快速保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，涉及柔性直流配电网极间故障保护方法。

背景技术

近年来，随着用户对供电需求、供电可靠性、电能质量等方面要求的不断提高以及分布式电源、储能装置、直流负载的广泛接入，柔性直流配电网受到了越来越多的关注和研究，并成为未来配电网的重要发展方向。然而，与交流系统相比，柔性直流配电网具有“低惯性、低阻抗”特性，一旦直流线路发生极间故障，分布在直流配电网中的储能元件(主要是各个换流器中的电容元件)会快速向故障点释放能量，导致故障电流在数毫秒以内达到数十甚至上百千安，严重威胁电力电子器件以及其他电气设备的安全运行。因此需要在数毫秒以内可靠的完成故障检测和隔离，这对中压直流配电网继电保护的速动性提出了极高的要求。

而传统的单端电气量保护(如：电流保护、距离保护等)因无法有效的防止相邻下一条线路首端故障引起的本线路保护误动，其速动段保护不能实现全线速动，故该类保护很难适应中压柔性直流配电网对保护速动性的高要求。其中电流保护原理简单，但由于直流配电网中的直流线路多为电缆线路，其线路阻抗小、距离较短，线路末端故障与首端故障电流差异相对不大，按照躲过线路末端短路电流的整定原则势必造成其保护范围缩小，从而影响该保护速动段的灵敏性。

(孙刚，时伯年，赵宇明，李树鹏.基于MMC的柔性直流配电网故障定位及保护配置研究.电力系统保护与控制2015,43(22):127-133)目前已采用的直流配电网电流差动保护方案，虽然从原理上可保证保护的选择性，具有良好的速动性，但其可靠性将受到通信通道可靠性以及两侧数据同步性的影响。

在现有的地铁、舰船直流配电系统中，通常采用电流上升率di/dt及电流增量ΔI保护作为牵引系统的主保护，但利用电气量微分的保护，其定值依赖于仿真计算，缺乏普适性的定值整定方法，且耐受过渡电阻的能力有限。

(Xianyong Feng,Li Qi,Jiuping Pan.A Novel Fault Location Method andAlgorithm for DC Distribution Protection.IEEE Transactions on IndustryApplications,2017,53(3):1834–1840)基于线路RL模型的电感参数识别的直流配电网故障定位方法，利用故障暂态数据以及最小二乘法求解对线路RL模型进行求解，得出了保护安装处到故障点的线路电感，该方法算法相对复杂，用差分代替微分也存在一定的截断误差。

(李猛,贾科,毕天姝等.适用于直流配电网的测距式保护.电网技术,2016,40(3):719-724)利用换流器出口处限流电抗器的电压降代替RL模型中的微分，得出了线路电感参数的数值解公式，该方法虽然简单、计算量小、对采样频率要求不高，但仍无法保护线路全长，且其仅适用于换流器出口处限流电抗器能作为本地信息的情况，存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流配电网极间故障快速保护方法，以解决上述技术问题；本发明能全线速动、计算量小、易于实现、准确度高。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流配电网极间故障快速保护方法，包括以下步骤：

步骤1、在直流配电网保护安装处的正、负极线路中加装串联边界电感；

利用加装在保护安装处正、负极线路上的边界电感的电压，替代保护安装处到故障点之间线路RL模型中的微分项，得到保护安装处母线极间电压u_dc、正极边界电感电压u_Lmarp、负极边界电感电压u_Lmarn、线路正极电流i_p以及线路负极电流i_n之间的关系式：

其中：u_Lmar＝u_Lmarp-u_Lmarm；i_dc＝i_p-i_n；L_mar为保护安装处正负极线路边界电感的电感值；L_x、R_x为边界电感到故障点之间的线路电感和电阻；R_f为故障电阻；

步骤2、利用故障暂态过程中的任意两个相邻采样点的保护安装处母线极间电压采样值u_dc(k)和u_dc(k+1)、正极边界电感电压采样值u_Lmarp(k)和u_Lmarp(k+1)、负极边界电感电压采样值u_Lmarn(k)和u_Lmarn(k+1)、线路正极电流采样值i_p(k)和i_p(k+1)以及线路负极电流采样值i_n(k)和i_n(k+1)，求得u_Lmar(k)＝u_Lmarp(k)-u_Lmarm(k)、u_Lmar(k+1)＝u_Lmarp(k+1)-u_Lmarn(k+1)，i_dc(k)＝i_p(k)-i_n(k)、i_dc(k+1)＝i_p(k+1)-i_n(k+1)，并通过截至频率为f_w的低通滤波对u_dc(k)、u_Lmar(k)、i_dc(k)以及u_dc(k+1)、u_Lmar(k+1)、i_dc(k+1)进行滤波，得到u”_Lmar(k)、u”_Lmar(k)、i”_dc(k)和u”_Lmar(k+1)、u”_Lmar(k+1)、i”_dc(k+1)，并求得边界电感到故障点的线路电感L_x(k)：

步骤3、利用故障暂态过程中的采样数据，计算出一边界电感到故障点的线路电感序列[L_x(k)]，其元素L_x(k)为任意两个相邻的采样点计算所得边界电感到保护安装处的线路电感，然后求该线路电感中所有元素的平均值

并利用

构成保护判据：

其中：N为边界电感到故障点的线路电感序列[L_x(k)]中元素的个数；L_set为整定值；K_rel为可靠系数；

进一步的，L_set的数值按照躲过相邻下一条线路首端故障时本线路保护的测量电感来进行整定，即本条线路保护的整定值L_set＝K_rel(L+L_mar.next)，L为本条线路的电感，L_mar.next为下一条线路保护安装处所加的边界电感，当满足

时保护动作。

进一步的，

L_mar2为相邻下一条线路首端的边界电感。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明利用故障暂态电气量以及线路RL模型，求解线路的电感参数，并根据该电感参数大小判断故障线路；为了进一步提高该方法的灵敏度，在每条线路首端串联小边界电感，并利用该电感电压代替线路RL模型中的微分，消除了用差分代替微分时的截断误差、减小了计算线路电感参数时的计算量、同时简化了计算过程、降低了算法对采样率的要求。

附图说明

图1为单侧电源辐射状直流配电网示意图；

图2为故障线路的R-L等效电路图；

图3为直流配电网电磁暂态模型；

图4为直流配电网极间故障快速保护流程图；

图5为线路L5不同地点金属性故障时保护5(线路L5的保护)的动作情况以及测量电感的相对误差；其中图5(a)为测量电感的平均值；图5(b)为测量电感的计算误差；

图6为线路L6不同地点金属性故障时保护5(线路L5的保护)的动作情况以及测量电感的相对误差；其中图6(a)为测量电感的平均值；图6(b)为测量电感的计算误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

为了说明本发明所述方法，给出了图1所示的一个典型的单侧电源辐射状多级供电的柔性直流配电网络单线图。为了能够实现基于电感参数识别的单端电气量全线速动保护，每条直流线路的保护安装处均接入了一个小数值的电感(L_mar)作为边界元件(如图1中线路L1、线路L2和线路L3所示)，该边界电感不能影响系统正常运行，同时又能有效的区分本条线路末端和下一条线路首端的故障。

当图1所示网络中的线路L1发生极间故障，线路L1的等效电路如图2所示，其中：u_dc为保护安装处线路首端极间电压；i_p、i_n分别为线路正、负极电流；u_Lmarp、u_Lmarn为线路正、负极边界电感上的电压降，该数值可通过增设电压互感器获取；L_x和R_x为边界电感至故障点的线路电阻与电感，R_f为故障电阻。

根据图2所示电路可得：

而式(1)中：

即有：

L_mar为保护安装处正负极线路边界电感的电感值；为了避免参数辨识的过程中，用差分代替微分所引起的替代误差，用式(3)中的u_Lmarp/L_mar和u_Lmarn/L_mar代替式(1)中的di_p/dt和di_n/dt并合并同类项可得：

利用故障暂态过程中的任意两个相邻采样点的保护安装处母线极间电压采样值u_dc(k)和u_dc(k+1)、正极边界电感电压采样值u_Lmarp(k)和u_Lmarp(k+1)、负极边界电感电压采样值u_Lmarn(k)和u_Lmarn(k+1)、线路正极电流采样值i_p(k)和i_p(k+1)以及线路负极电流采样值i_n(k)和i_n(k+1)，可求得如下方程组：

其中：i_dc(k+1)＝i_p(k+1)-i_n(k+1)，i_dc(k)＝i_p(k)-i_n(k)，u_Lmar(k+1)＝u_Lmarp(k+1)-u_Lmarn(k+1)，u_Lmar(k)＝u_Lmarp(k)-u_Lmarn(k)。

设计一个截止频率为f_w的低通滤波器，对i_dc(k+1)、i_dc(k)、u_Lmar(k+1)、u_Lmar(k)、u_dc(k+1)、u_dc(k)进行滤波得到i”_dc(k+1)、i”_dc(k)、u”_Lmar(k+1)、u”_Lmar(k)、u”_dc(k+1)、u”_dc(k)，并将其代入到式(5)并对其进行求解可得如式(6)所示的L_x和R_x的数值解。在此设计低通滤波器的原因是：线路实际模型与RL模型之间的存在误差，为了保证算法精度，该低通滤波器的截止频率f_w应按照线路RL模型的适用频带来进行选取。(索南加乐,王向兵,孟祥,等.基于RL模型的参数识别快速方向元件.西安交通大学学报,2006,40(6):689-693)分析了线路RL模型相对于线路实际模型的适用频带，对于长度小于100km的线路，线路RL模型的适用频带为0-600Hz。对于直流配电网而言，其线路长度均小于100km，因此该滤波器的截止频率应低于600Hz，本发明采用的是f_w＝300Hz。

利用故障暂态过程中的采样数据，并结合式(6)可以求得一个测量电感序列[L_x(k)]，则考虑到L_x(k)存在计算波动，因此本发明采用该计算电感的平均值

来构成保护判据，具体判据如式(7)所示，其中：L_set为保护整定值。

为了保证本发明所提保护方法的选择性，L_set按照躲过相邻下一条线路首端故障时本线路保护的测量电感来进行整定，则本条线路的整定电感应满足(以图1所示的线路L1为例)：

L_set1＝K_rel(L_L1+L_mar2) (8)

式(8)中：L_L1为L1整条线路的电感；L_mar2为相邻下一条线路首端的边界电感；K_rel为可靠系数，由于文中保护为欠量保护，故0＜K_rel＜1，其具体取值应考虑互感器误差、参数测量误差、保护装置误差情况。

同时为了保证本条线路末端故障时保护不拒动以及边界电感的有效性，保护的整定值还应满足：

L_set1>L1 (9)

联立式(8)和式(9)，便可求的相邻下一条线路保护安装处所加边界电阻的取值下限：

应该注意的是：保护安装处的边界电感L_mar应在不影响系统正常的情况下，应取稍大一点。比如在实施例中，当K_rel取0.9，L_L1为2.8mH时，根据式(10)可计算出L_mar2应大于0.311，根据上述原则实施例中的L_mar2取值为1mH。

通过上述分析可见：利用边界电感上的电压代替式(1)中的微分，不仅消除了差分代替微分的替代误差，同时避免了利用最小二乘法求解线路参数时的矩阵运算，计算量小、过程简单，利用暂态数据对故障进行识别，可在数毫秒内快速的切除故障。

图4为本发明所述保护原理的具体实现流程。

实施例

在PSCAD/EMTP中搭建了图1所示的直流配电网电磁暂态模型，其电磁暂态模型如图3所示。在该模型中，MMC每相上下桥臂均由10个半桥子模块(Half Bridge Sub-Module，HBSM)串联而成，其调制方式为最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation，NLM)，控制方式为定直流电压和定无功功率控制；线路模型由多个π模型串联而成，其中每500m等效为一个π模型；由于负载及其适配器与直流配电网0模故障网络无关，故被等效为一个恒电阻模型；其它参数则见表1。

表1仿真模型相关参数

该模型的采样率为20kHz，每两个采样点便能计算出一个测量电感Lx。考虑到测量电感计算波动，本发明实施例中采用故障时刻后0.002s以内数据求解测量电感，并利用所求电感的平均值以及计算波动作为保护判据。若计及测量延时(当其电流上升率在100A/μs以内时，霍尔传感器的测量时间不超过3μs)、算法延时(采用高速处理器时算法延时不超过数μs)以及直流断路器的动作时间(0.1ms左右)。由此可见，本发明所述保护原理可在5ms以内快速动作，能够满足直流配电网对保护速度的高要求。

为了验证本发明所述保护原理的准确性和正确性，利用本发明的实施例中的仿真模型及其仿真数据对其进行了验证。

在实施例中，首先模拟了线路L5和线路L6在不同位置、不同故障电阻下的极间故障，并利用故障仿真数据对L5保护安装处的平均测量阻抗

计算波动σ5(具体计算见式(11))以及计算相对误差α进行了计算，以验证本发明所述保护原理在不同故障条件下的计算准确性，具体计算结果如表2所示。

表2不同故障条件下L5保护安装处的

σ5以及α

表2所示结果表明：

(1)该方法在金属性故障(Rf＝0Ω)时，平均测量电感的计算波动及相对误差很小；随着故障电阻的增加，平均测量电感不断减小，而计算波动及计算误差增加。

(2)当故障点距离保护安装处越近时，平均测量电感计算波动与计算误差受故障电阻的影响愈大，尤其是本段线路首端经故障电阻故障时，本段线路保护及上一级线路的平均测量电感均大幅度减小，而当上一级线路保护的平均测量电感值满足保护判据时将出现稳态超越现象。

而出现上述现象的原因在于：随着故障电阻的增大，本发明所建数学模的误差与而随之增大，因此由此计算所得的测量电感的数值也出现较大的偏差。

但是由于本发明所述保护原理基于暂态电气量信息，其动作时间快，而对于极间故障的故障电阻而言，故障初期的故障电阻主要是电弧电阻，其数值较小(接近于零)，因此基于故障暂态电气量的极间故障快速保护只要在故障电阻较小时能保证高准确度即可满足要求，而由仿真结果可知：本发明所述保护原理在故障电阻接近于0时保证很高的精度(计算误差小于<10％)。

在上述情况下，本实施例对线路L5、L6不同故障位置下的金属性极间故障进行了仿真，利用仿真数据对保护5(线路L5的保护)的测量电感进行计算，并使其与整定值(其数值如表3所示)进行比较，以验证本发明所述保护原理是否能够可靠动作，即本条线路内部故障时不拒动、本条线路以外故障时不误动，具体仿真结果如图5和图6所示。本实施例中保护判据的各个整定值取值如表3所示。

表3不同故障条件下L5的保护定值表

L<sub>mar5</sub>	1mH	L<sub>set5</sub>	3.42mH
				L<sub>mar5</sub>	1mH	σ<sub>set</sub>	10％
K<sub>rel</sub>	0.85	-	-

由图5和图6所示波形可知：

(1)本发明所述保护方法在线路L5任何一点故障时，保护5(线路L5的保护)的测量电感平均值均小于整定电感，能做到全线速动；而在下一条线路L6上任一点故障，保护5的测量电感平均值均大于整定电感，因此区外故障时不误动。

(2)线路L5和下一级线路L6不同地点故障时，利用故障暂态电气量在不考虑故障电阻的情况下，保护5处测量电感的计算误差均在±5％范围之内，保证了算法的正确性。

Claims (3)

1.一种直流配电网极间故障快速保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在直流配电网保护安装处的正、负极线路中加装串联边界电感；

利用加装在保护安装处正、负极线路上边界电感的电压，替代保护安装处到故障点之间线路RL模型中的微分项，得到保护安装处母线极间电压u_dc、正极边界电感电压u_Lmarp、负极边界电感电压u_Lmarn、线路正极电流i_p以及线路负极电流i_n之间的关系式：

其中：u_Lmar＝u_Lmarp-u_Lmarn；i_dc＝i_p-i_n；L_mar为保护安装处正负极线路边界电感的电感值；L_x、R_x为边界电感到故障点之间的线路电感和电阻；R_f为故障电阻；

步骤2、利用故障暂态过程中的任意两个相邻采样点的保护安装处母线极间电压采样值u_dc(k)和u_dc(k+1)、正极边界电感电压采样值u_Lmarp(k)和u_Lmarp(k+1)、负极边界电感电压采样值u_Lmarn(k)和u_Lmarn(k+1)、线路正极电流采样值i_p(k)和i_p(k+1)以及线路负极电流采样值i_n(k)和i_n(k+1)，求得u_Lmar(k)＝u_Lmarp(k)-u_Lmarn(k)、u_Lmar(k+1)＝u_Lmarp(k+1)-u_Lmarn(k+1)，i_dc(k)＝i_p(k)-i_n(k)、i_dc(k+1)＝i_p(k+1)-i_n(k+1)，并通过截至频率为f_w的低通滤波对u_dc(k)、u_Lmar(k)、i_dc(k)以及u_dc(k+1)、u_Lmar(k+1)、i_dc(k+1)进行滤波，得到u”_dc(k)、u”_Lmar(k)、i”_dc(k)和u”_dc(k+1)、u”_Lmar(k+1)、i”_dc(k+1)，并求得边界电感到故障点的线路电感L_x(k)：

步骤3、利用故障暂态过程中的采样数据，计算出一边界电感到故障点的线路电感序列[L_x(k)]，其元素L_x(k)为任意两个相邻的采样点计算所得边界电感到保护安装处的线路电感，然后求该线路电感中所有元素的平均值

并利用

构成保护判据：

其中：N为边界电感到故障点的线路电感序列[L_x(k)]中元素的个数；L_set为整定值。

2.根据权利要求1所述的一种直流配电网极间故障快速保护方法，其特征在于，L_set的数值按照躲过相邻下一条线路首端故障时本线路保护的测量电感来进行整定，即本条线路保护的整定值L_set＝K_rel(L+L_mar.next)，L为本条线路的电感，L_mar.next为下一条线路保护安装处所加的边界电感，当满足

时保护动作；其中，K_rel为可靠系数。

3.根据权利要求2所述的一种直流配电网极间故障快速保护方法，其特征在于，

L_mar2为相邻下一条线路首端的边界电感。

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