一种柔性直流配电系统测距式后备保护方法与装置与流程

本发明属于柔性直流配电系统线路故障保护领域，具体地，涉及一种基于线路多位置电压信息的柔性直流配电系统测距式后备保护方法与装置。

背景技术：

1、直流配电系统具备传输容量高、供电半径大、电能质量好与线路损耗小等优点，且更适合接纳分布式可再生电源，是新型配电系统的重要组成部分之一。由于存在电容、电感等储能元件，直流配电线路故障后放电电流迅速上升，要求保护系统快速检测、切除故障，因此，能够用来进行故障测距的时间窗口有限，显著增大了直流配电线路故障测距难度。此外，直流线路多为埋藏于地下的电力电缆，耗时耗力的人工巡线难以发现故障点。

2、现有技术中，直流配电线路距离较短，采用传统行波故障测距法需要较高的采样频率以保证足够的测距精度。高阻故障时，故障信号幅值微弱，行波难以被检测和识别。此外，直流配电网的拓扑结构复杂，行波的折、反射复杂，增加了行波测距的难度。利用故障暂态信息进行测距方法，在直流线路双极短路后，分别取2个不同时刻的测量值得到2个独立方程，联立求解故障回路参数进行测距，但该方法不适用于单极接地故障。通常将直流线路等效为r-l模型，分别通过暂态电压比初始值和时域迭代、电流微分初始、直接时间反转法、故障释放能量、多端时域模型等方法建立故障后故障回路的等值模型，通过求取故障回路等值参数获取故障距离。其他方法则利用故障后一系列测量数据，通过求解伪逆矩阵得到保护测量点与故障点间的电抗，从而获得故障距离，但无法适用于复杂的多源直流配电网络，并提出基于固定间距两点电压测量的故障测距方法，并利用一次迭代提高在大过渡电阻故障情况下的测距精度。注入信号法是另一种常用的直流配电线路故障测距方法。通常的方法是在直流断路器(dc circuitbreaker,dccb)切除故障线路后，利用探针功率元件(probe power unit,ppu)注入信号进行故障测距。本质是投入带初始电压的电容器组，使得故障回路形成二阶振荡回路，并通过fft、prony等算法提取衰减振荡信息，从而获得故障距离。上述注入信号法是在dccb切除故障线路后进行离线测距，无法实现快速故障测距。此外，这些方法需要专门的测距器件、成本较高，且提取振荡参数易受噪声干扰。为避免增加额外有源器件导致的故障测距成本上升，部分文献通过直流系统原有的可控器件注入电流，分别通过控制t有源断路器，有源换流器，混合模块化多电平换流器等产生特定的注入信号进行故障测距，但需要换流器等系统器件参与，增加了控制的复杂性，也容易扩大故障影响区域。

3、无论是故障暂态信息法还是注入信号法，均需将直流线路等效为r-l或者π模型，通过求解故障回路的等效参数获得故障距离。然而，直流配电线路故障测距中，直流暂态信号中存在各种频率分量，线路参数存在明显的依频特性，从而导致上述线路等效模型在实际应用中存在明显的误差。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种柔性直流配电系统测距式后备保护方法与装置，解决参数依频特性对故障保护的影响，克服基于单端暂态量的柔性直流配电系统线路保护可靠性低、灵敏性差等局限，基于线路上四个位置的电压信号，根据电压在线路非故障区域沿线均匀分布的特点，设计了测距式后备保护方案，作为主保护的后备，用于后备检测是否发生区内故障，并确定故障发生的具体区间，提高线路保护的可靠性和灵敏性。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明提出了一种柔性直流配电系统测距式后备保护方法，包括：

4、当直流线路主保护动作时，采集直流线路上送端端点电压、受端端点电压、第一端点电压以及第二端点电压；并以第一端点与送端端点的距离作为第一距离、以第二端点与受端端点的距离作为第二距离；

5、根据四个端点电压判断直流线路故障类型；

6、以任意两个端点间电压差与这两个端点间线路长度的比值作为直流线路区间的电压分布系数，得到第一电压分布系数、第二电压分布系数、第三电压分布系数；以第二电压分布系数与第三电压分布系数的比值作为第一保护系数，以第二电压分布系数与第一电压分布系数的比值作为第二保护系数；

7、设置阈值区间；根据第一保护系数、第二保护系数与阈值区间的关系，判定是否发生区内故障；在判定发生区内故障时，利用第一保护系数、第二保护系数与阈值区间的关系，对区内故障的故障区间进行定位。

8、将四个端点电压传输到主保护中后，基于相同采样时刻对四个端点电压进行同步采样。

9、根据四个端点电压判断直流线路故障类型，包括：

10、四个端点电压中任一端点电压为极对地电压时，则判定为单极接地故障；四个端点电压中任一端点电压为极对极电压时，则判定为双极短路故障。

11、在主保护安装在送端端点或受端端点时，直流线路上送端端点电压、受端端点电压、第一端点电压以及第二端点电压构成三个直流线路区间，按照直流线路区间内直流线路的长度从长到短，分别为第一电压分布系数、第二电压分布系数、第三电压分布系数；其中，

12、主保护安装在送端端点a时，以送端端点a和受端端点b间电压差ub-ua，与送端端点a和受端端点b间线路长度l的比值作为第一电压分布系数；以受端端点b和第一端点a1间电压差ub-ua1，与受端端点b和第一端点a1间线路长度l-d1的比值作为第二电压分布系数；以第二端点b1和第一端点a1间电压差ub1-ua1，与第二端点b1和第一端点a1间线路长度l-d1-d2的比值作为第三电压分布系数；

13、主保护安装在受端端点b时，以送端端点a和受端端点b间电压差ub-ua，与送端端点a和受端端点b间线路长度l的比值作为第一电压分布系数；以送端端点a和第二端点b1间电压差ua-ub1，与送端端点a和第二端点b1间线路长度l-d2的比值作为第二电压分布系数；以第二端点b1和第一端点a1间电压差ub1-ua1，与第二端点b1和第一端点a1间线路长度l-d1-d2的比值作为第三电压分布系数；

14、其中，ua为送端端点电压，ub为受端端点电压，ua1为第一端点电压，ub1为第二端点电压，第一端点与送端端点的距离为第一距离d1，第二端点与送端端点的的距离为第二距离d2，直流线路的全长为l。

15、未发生故障或者未发生区内故障时，三个电压分布系数相等。

16、主保护安装在送端端点a时，以第二电压分布系数与第三电压分布系数的比值作为第一保护系数k1，满足如下关系式：

17、

18、主保护安装在送端端点a时，以第二电压分布系数与第一电压分布系数的比值作为第二保护系数k2，满足如下关系式：

19、

20、主保护安装在受端端点b时，第一保护系数和第二保护系数计算方法相同。

21、设置阈值区间(δ1,δ2)，其中，δ1为阈值区间下限，δ2为阈值区间上限，δ1＝0，δ2＝2。

22、根据第一保护系数k1、第二保护系数k2与阈值区间的关系，判定是否发生区内故障；包括：

23、主保护安装在送端端点a或受端端点b时，若k1∈(δ1,δ2)且k2∈(δ1,δ2)，则判定直流线路未发生故障或者未发生区内故障；

24、反之，则判定直流线路发生区内故障。

25、在判定发生区内故障时，利用第一保护系数、第二保护系数与阈值区间的关系，对区内故障的故障区间进行定位，包括：

26、主保护安装在送端端点a时，若k1∈(δ1,δ2)且则判定直流线路发生区内故障且故障发生在送端端点a和第一端点a1间的直流线路上；主保护安装在受端端点b时，若且k2∈(δ1,δ2)，则判定直流线路发生区内故障且故障发生在受端端点b和第二端点b1间的直流线路上；

27、主保护安装在送端端点a时，若且则判定直流线路发生区内故障且故障发生在第一端点a1和受端端点b间的直流线路上；主保护安装在受端端点b时，若且则判定直流线路发生区内故障且故障发生在送端端点a和第二端点b1间的直流线路上。

28、本发明还提出了一种柔性直流配电系统测距式后备保护装置，包括：

29、采集模块，故障类型判别模块，保护系数计算模块，后备保护判别模块；

30、采集模块，用于当直流线路主保护动作时，采集直流线路上送端端点电压、受端端点电压、第一端点电压以及第二端点电压；并以第一端点与送端端点的距离作为第一距离、以第二端点与受端端点的距离作为第二距离；

31、故障类型判别模块，用于根据四个端点电压判断直流线路故障类型；

32、保护系数计算模块，用于以任意两个端点间电压差与这两个端点间线路长度的比值作为直流线路区间的电压分布系数，得到第一电压分布系数、第二电压分布系数、第三电压分布系数；以第二电压分布系数与第三电压分布系数的比值作为第一保护系数，以第二电压分布系数与第一电压分布系数的比值作为第二保护系数；

33、后备保护判别模块，用于设置阈值区间；根据第一保护系数、第二保护系数与阈值区间的关系，判定是否发生区内故障；在判定发生区内故障时，利用第一保护系数、第二保护系数与阈值区间的关系，对区内故障的故障区间进行定位。

34、本发明的有益效果在于，与现有技术相比至少包括，本发明基于线路上四个位置的电压信号，利用线路故障点破坏线路电压沿线路均匀分布的特点设计了测距式后备保护方案，作为主保护的后备，能够可靠、灵敏检测是否发生区内故障，本发明提出的方法适用于具有不同类型(辐射状、双端供电、环形等)网络结构、不同电压等级(±750v、±1500v、±10kv等)的柔性直流配电系统，当直流线路(电缆线路或者架空线路)发生单极接地故障或双极短路故障时，即便在过渡电阻呈高阻时，本发明均能可靠检测并判断故障发生的区域，具备很强的适应性，能够提高直流配电系统的供电可靠性。