基于时序配合的四端环状柔性直流配电网保护方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其是一种基于时序配合的四端环状柔性直流配电网保护方法及系统。


背景技术：

2.直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量高、供电可靠性高、无需无功补偿等优点，对于可再生能源及储能装置的接入也有极大优势，逐渐成为了未来配电网的发展趋势。其中，环状直流配电网更因其供电可靠、运行和控制灵活而受到了广泛关注。然而，柔性直流配电网的发展尚面临着几大难点，其中直流故障的快速有效识别和隔离时最为关键的技术难点之一。一方面，直流系统阻尼小、故障发展迅速、故障定位困难、故障影响范围广，在几毫秒内就会对系统及设备造成极大损害，从而危及整个电网的安全稳定运行，尤其在多端柔性直流电网中，多个换流站故障电流的叠加使得线路的过流危害更加突出，从而对继电保护提出了苛刻的要求，而现阶段直流保护原理还尚不完善，且直流分断问题也尚未得到完全的解决，直流断路器存在拒动的风险。进一步地，当主保护拒动或断路器失灵后，直流后备保护的快速动作可以将故障限制在尽可能小的范围内，从而提高保护的选择性及系统的供电可靠性。因此，快速且有选择性的切除故障线路，保证柔性直流电网的安全稳定运行是直流配电系统建设的关键技术。
3.目前，针对直流配电网保护的研究主要集中于主保护方案，现有直流保护方法存在缺乏选择性，定值整定复杂，耐过渡电阻能力差等问题，同时关于直流后备保护的研究还较为匮乏，无法满足未来环状柔性直流配电网的建设需求。


技术实现要素：

4.本发明的首要目的在于提供一种方法选择性好，定值整定简单，耐受过渡电阻能力强，能够避免受到交流侧故障的影响的基于时序配合的四端环状柔性直流配电网保护方法。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于时序配合的四端环状柔性直流配电网保护方法，该方法包括下列顺序的步骤：
6.(1)根据采集的电流数据及故障阈值判断故障是否发生；
7.(2)当故障发生时，根据采集的电流数据及故障选极判据整定值判断故障类型；
8.(3)根据所述电流数据及给定的各保护间的时序配合规则，确定各保护间的时序配合关系并动作相应的保护；
9.(4)当故障清除后，解锁所有闭锁的保护。
10.所述步骤(1)具体是指：根据采集的电流数据计算电流变化率，判断所述电流变化率是否超过故障阈值，若判断结果为是，发生故障；否则，没有发生故障；所述故障阈值的选取原则为躲过正常运行时直流线路电流变化率的最大值；所述电流变化率的计算式如下：
[0011][0012]
式中，i(t)为t时刻的电流数据采样值，i(t-δt)为上一时刻的电流数据采样值，δt为采样时间间隔。
[0013]
在步骤(2)中，所述故障类型包括极间短路故障、正极接地故障和负极接地故障，若正负极电流变化率之比大于故障选极判据整定值，则故障类型判断为正极接地故障，若正负极电流变化率之比小于故障选极判据整定值倒数，则故障类型判断为负极接地故障，若正负极电流变化率之比介于故障选极判据整定值及其倒数之间，则故障类型判断为极间短路故障；所述故障选极判据整定值的选取原则为躲过正常运行时直流线路正负极电流变化率比值的最大值。
[0014]
所述步骤(3)具体包括：根据采集的电流数据及预设的保护闭锁判据整定值确定保护是否闭锁；根据保护及其关联保护处的电流变化率大小确定保护是否闭锁；根据保护是否收到对端保护的闭锁信号确定保护动作的延时时间；根据所设置的延时时间动作相应的保护。
[0015]
所述根据采集的电流数据及预设的保护闭锁判据整定值确定保护是否闭锁具体是指：根据采集的电流数据计算电流变化率，判断所述电流变化率是否满足保护闭锁判据，若判断结果为是，则保护闭锁；否则，保护不闭锁；保护闭锁判据整定值的选取原则为躲过正常运行时保护的电流变化率的最小值。
[0016]
所述根据保护及其关联保护处的电流变化率大小确定保护是否闭锁具体是指：每个换流站所关联的两个保护至少有一个需要闭锁，当某处保护及其关联保护均检测到电流变化率大于-k
set
时，将两者相比较，若所述保护的电流变化率小于其关联保护处的电流变化率，则保护闭锁；若所述保护的电流变化率大于其关联保护处的电流变化率，则该保护定时t+δt，无论是否收到对端保护的闭锁信号，并在t+δt时间内持续判断所述电流变化率是否满足闭锁判据；所述-k
set
为闭锁判据整定值，t为第一延时时间，t设置为0.5ms，δt为第二延时时间，δt设置为3ms。
[0017]
所述根据保护是否收到对端保护的闭锁信号确定保护动作的延时时间具体是指：在所设置的延时时间t内，若保护未闭锁且未收到对端保护的闭锁信号，则保护直接动作；若保护未闭锁且收到对端保护的闭锁信号，则该保护定时δt，该保护的总延时时间仍为t+δt，并在δt时间内持续判断所述电流变化率是否满足闭锁判据；t设置为0.5ms，δt设置为3ms。
[0018]
所述根据所设置的延时时间动作相应的保护具体是指：启动定时器，设置保护动作的延时时间，δt或t+δt；在所设置的延时时间δt或t+δt内持续判断电流变化率是否满足保护闭锁判据，若电流变化率满足闭锁判据，则保护闭锁；否则，在所设置的延时时间δt或t+δt到达后，保护动作。
[0019]
本发明的另一目的在于提供一种基于时序配合的四端环状柔性直流配电网保护方法的系统，包括：
[0020]
故障判断模块，用于根据预先采集的电流数据计算电流变化率，并判断所述电流变化率是否超过故障阈值，若判断结果为是，则说明发生故障；否则，说明没有发生故障；
[0021]
故障选极模块，用于根据采集的电流数据判断和预设的故障选极判据判断故障类
型；
[0022]
故障动作模块，用于根据所述电流数据和给定的各保护间的时序配合关系，确定保护是否发生动作；
[0023]
解锁模块，用于当故障清除后，解锁所有闭锁的保护。
[0024]
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明根据采集的电流数据判断故障是否发生；当故障发生时，根据采集的电流数据判断故障类型；根据所述电流数据及给定的各保护间的时序配合规则，确定各保护间的时序配合关系并动作相应的保护；当故障清除后，解锁所有闭锁的保护；第二，本发明方法选择性好，能够在最小范围内隔离故障，保证非故障线路的正常运行，从而提高系统的供电可靠性；第三，本发明定值整定简单，仅需设置启动判据及闭锁判据两项整定值及保护动作的延时时间，即可实现故障的选择性切除；第四，本发明耐过渡电阻能力强，且能够避免受到交流侧故障的影响，能够为四端环状柔性直流配电网提供有效的保护。
附图说明
[0025]
图1为本发明典型的四端环状柔性直流配电网示意图；
[0026]
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0027]
如图2所示，一种基于时序配合的四端环状柔性直流配电网保护方法，该方法包括下列顺序的步骤：
[0028]
(1)根据采集的电流数据及故障阈值判断故障是否发生；
[0029]
(2)当故障发生时，根据采集的电流数据及故障选极判据整定值判断故障类型；
[0030]
(3)根据所述电流数据及给定的各保护间的时序配合规则，确定各保护间的时序配合关系并动作相应的保护；
[0031]
(4)当故障清除后，解锁所有闭锁的保护。
[0032]
所述步骤(1)具体是指：根据采集的电流数据计算电流变化率，判断所述电流变化率是否超过故障阈值，若判断结果为是，发生故障；否则，没有发生故障；所述故障阈值的选取原则为躲过正常运行时直流线路电流变化率的最大值；所述电流变化率的计算式如下：
[0033][0034]
式中，i(t)为t时刻的电流数据采样值，i(t-δt)为上一时刻的电流数据采样值，δt为采样时间间隔。
[0035]
在步骤(2)中，所述故障类型包括极间短路故障、正极接地故障和负极接地故障，若正负极电流变化率之比大于故障选极判据整定值，则故障类型判断为正极接地故障，若正负极电流变化率之比小于故障选极判据整定值倒数，则故障类型判断为负极接地故障，若正负极电流变化率之比介于故障选极判据整定值及其倒数之间，则故障类型判断为极间短路故障；所述故障选极判据整定值的选取原则为躲过正常运行时直流线路正负极电流变化率比值的最大值。
[0036]
所述步骤(3)具体包括：根据采集的电流数据及预设的保护闭锁判据整定值确定
保护是否闭锁；根据保护及其关联保护处的电流变化率大小确定保护是否闭锁；根据保护是否收到对端保护的闭锁信号确定保护动作的延时时间；根据所设置的延时时间动作相应的保护。
[0037]
所述根据采集的电流数据及预设的保护闭锁判据整定值确定保护是否闭锁具体是指：根据采集的电流数据计算电流变化率，判断所述电流变化率是否满足保护闭锁判据，若判断结果为是，则保护闭锁；否则，保护不闭锁；保护闭锁判据整定值的选取原则为躲过正常运行时保护的电流变化率的最小值。
[0038]
所述根据保护及其关联保护处的电流变化率大小确定保护是否闭锁具体是指：每个换流站所关联的两个保护至少有一个需要闭锁，当某处保护及其关联保护均检测到电流变化率大于-k
set
时，将两者相比较，若所述保护的电流变化率小于其关联保护处的电流变化率，则保护闭锁；若所述保护的电流变化率大于其关联保护处的电流变化率，则该保护定时t+δt，无论是否收到对端保护的闭锁信号，并在t+δt时间内持续判断所述电流变化率是否满足闭锁判据；所述-k
set
为闭锁判据整定值，t为第一延时时间，t设置为0.5ms，δt为第二延时时间，δt设置为3ms。
[0039]
所述根据保护是否收到对端保护的闭锁信号确定保护动作的延时时间具体是指：在所设置的延时时间t内，若保护未闭锁且未收到对端保护的闭锁信号，则保护直接动作；若保护未闭锁且收到对端保护的闭锁信号，则该保护定时δt，该保护的总延时时间仍为t+δt，并在δt时间内持续判断所述电流变化率是否满足闭锁判据；t设置为0.5ms，δt设置为3ms。
[0040]
所述根据所设置的延时时间动作相应的保护具体是指：启动定时器，设置保护动作的延时时间，δt或t+δt；在所设置的延时时间δt或t+δt内持续判断电流变化率是否满足保护闭锁判据，若电流变化率满足闭锁判据，则保护闭锁；否则，在所设置的延时时间δt或t+δt到达后，保护动作。
[0041]
本系统包括：
[0042]
故障判断模块，用于根据预先采集的电流数据计算电流变化率，并判断所述电流变化率是否超过故障阈值，若判断结果为是，则说明发生故障；否则，说明没有发生故障；
[0043]
故障选极模块，用于根据采集的电流数据判断和预设的故障选极判据判断故障类型；
[0044]
故障动作模块，用于根据所述电流数据和给定的各保护间的时序配合关系，确定保护是否发生动作；
[0045]
解锁模块，用于当故障清除后，解锁所有闭锁的保护。
[0046]
以下结合图1、2对本发明作进一步的说明。
[0047]
如图1所示为本发明典型的四端环状柔性直流配电网示意图，端口处四个换流站分别为mmc1、mmc2、mmc3、mmc4，其上所连母线分别为母线1、母线2、母线3、母线4；线路1靠近母线1侧的保护为保护12，相应的直流断路器为cb12，相应的限流电抗器为l
12
；线路1靠近母线2侧的保护为保护21，相应的直流断路器为cb21，相应的限流电抗器为l
21
；线路2靠近母线2侧的保护为保护23，相应的直流断路器为cb23，相应的限流电抗器为l
23
；线路2靠近母线3侧的保护为保护32，相应的直流断路器为cb32，相应的限流电抗器为l
32
；线路3靠近母线3侧的保护为保护34，相应的直流断路器为cb34，相应的限流电抗器为l
34
；线路3靠近母线4侧的
保护为保护43，相应的直流断路器为cb43，相应的限流电抗器为l
43
；线路4靠近母线4侧的保护为保护41，相应的直流断路器为cb41，相应的限流电抗器为l
41
；线路4靠近母线1侧的保护为保护14，相应的直流断路器为cb14，相应的限流电抗器为l
14
。
[0048]
以图1所示的四端环状柔性直流配电网中的线路1首端故障为例。
[0049]
(1)线路装设的保护装置对线路中流过的电流数据进行实时采样；
[0050]
(2)利用采样得到的电流数据判断电流变化率是否超过k
st
＝100in/s，其中in为线路的额定电流，k
st
为故障阈值，若电流变化率超过k
st
，则启动相应的保护装置；
[0051]
(3)根据保护正负极电流变化率之比判断故障类型，若正负极电流变化率之比大于λ
set
，则故障类型判断为正极接地故障，若正负极电流变化率之比小于1/λ
set
，则故障类型判断为负极接地故障，若正负极电流变化率之比大于1/λ
set
而小于λ
set
，则故障类型判断为极间短路故障；λ
set
为所述故障选极判据整定值，λ
set
的选取原则为躲过正常运行时直流线路正负极电流变化率比值的最大值；
[0052]
(4)利用采样得到的电流数据判断电流变化率是否小于-k
set
＝-100in/s，其中in为线路的额定电流，-k
set
为闭锁判据整定值，若电流变化率小于-k
set
，则保护闭锁；
[0053]
(5)当线路1首端发生故障时，保护23、保护14、保护34由于其电流变化率小于-k
set
而闭锁；流过保护43和保护41的电流变化率均大于-k
set
，且流过保护43的电流变化率小于流过保护41的电流变化率，故保护43闭锁，保护41则直接定时t+δt而无需收到保护43的闭锁信号；流过保护32的电流变化率大于-k
set
，且在延时t内收到保护23的闭锁信号，故保护32定时δt；而对于保护12和保护21来说，在t时刻保护未闭锁且未收到对端保护的闭锁信号，故保护在t时刻直接动作；
[0054]
(6)在保护所设置的延时时间，δt或t+δt，内持续判断所述电流变化率是否小于-k
set
，若所述电流变化率小于-k
set
，则保护闭锁；否则，在所设置的延时时间到达后，保护动作；
[0055]
(7)考虑到本端闭锁信号传送到对端换流站所需的时间，t设置为0.5ms；
[0056]
(8)考虑到故障线路两端直流断路器可能存在的非同期分断时间差，δt设置为3ms；
[0057]
(9)故障清除后，解锁各条线路两端已经闭锁的保护。
[0058]
步骤(7)中，选取的延时时间是考虑了本端闭锁信号传输到对端换流站所需的时间。
[0059]
步骤(8)中，选取的延时时间是考虑了故障线路两端直流断路器非同期分断的时间差。
[0060]
综上所述，本发明根据采集的电流数据判断故障是否发生；当故障发生时，根据采集的电流数据判断故障类型；根据所述电流数据及给定的各保护间的时序配合规则，确定各保护间的时序配合关系并动作相应的保护；当故障清除后，解锁所有闭锁的保护；本发明方法选择性好，能够在最小范围内隔离故障，保证非故障线路的正常运行，从而提高系统的供电可靠性。