柔性直流配电网单极接地故障识别、故障保护方法与流程

本发明属于电力电子技术与直流配电领域，具体涉及柔性直流配电网单极接地故障识别、故障保护方法。

背景技术：

多端柔性直流配电系统是指在同一直流网架下，含有2个以上VSC(电压源换流器)，换流端口直流侧采用并联或串联的方式相互连接而组成的柔性直流配电系统。模块化多电平换流器(MMC)相对于传统的两电平或三电平VSC，具有易于扩展、谐波畸变小、开关损耗低、故障处理能力强等优点，成为柔性直流配电网的优选换流器拓扑之一。

目前，直流单极接地故障的识别及排除是通过差动保护实现的，当母线发生单极金属性接地故障时，故障极直流电压变为0，非故障极直流电压变为2倍额定值，故障处的电流较小，影响故障检测的准确性。并且，现有技术中启动差动保护的时间较慢，如果不能快速隔离故障母线，可能会造成设备过压、启动过压保护、闭锁换流器及换流器退出运行，影响供电的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种柔性直流配电网单极接地故障识别、故障保护方法，用于解决现有技术无法准确检测出单极接地故障的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种柔性直流配电网单极接地故障识别方法，包括以下五个解决方案：

方案一，包括如下步骤：

1)获取正、负直流母线对地电压，获取正、负直流母线的极间电压变化率；

2)当正、负直流母线的极间电压变化率的绝对值大于第一比较限值，脉冲展宽t₁毫秒，且正直流母线对地电压与负直流母线对地电压的和的绝对值大于第二比较限值，所述大于第二比较限值的持续时间超过时间限值时，判定当前正、负直流母线发生单极接地故障。

方案二，在方案一的基础上，所述第一比较限值通过下式得出：

dU_dcset＝k_rel1dU_{dc_max_o}

式中，dU_dcset为第一比较限值，dU_{dc_max_o}为区外单极接地故障电压变化率绝对值最大值，k_rel1为第一设定可靠系数。

方案三，在方案二的基础上，所述第一比较限值通过下式进行灵敏性校验：

式中，dU_{dc_min_i}为区内单极接地故障电压变化率绝对值最小值，k_sen1为第一灵敏系数。

方案四，在方案一的基础上，所述第二比较限值通过下式得出：

dU_dcunbalset＝k_rel2dU_{dcunbal_max_o}

式中，dU_dcunbalset为第二比较限值，dU_{dcunbal_max_o}为区外非单极接地故障导致的电压不平衡绝对值最大值，k_rel2为第二设定可靠系数。

方案五，在方案四的基础上，所述第二比较限值通过下式进行灵敏性校验：

式中，dU_{dcunbal_min_i}为区内单极接地故障电压不平衡绝对值最小值，k_sen2为第二灵敏系数。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种柔性直流配电网单极接地故障保护方法，包括以下五个解决方案：

方案一，包括如下步骤：

1)获取正、负直流母线对地电压，获取正、负直流母线的极间电压变化率；

2)当正、负直流母线的极间电压变化率的绝对值大于第一比较限值，脉冲展宽t₁毫秒，且正直流母线对地电压与负直流母线对地电压的和的绝对值大于第二比较限值，所述大于第二比较限值的持续时间超过时间限值时，判定当前正、负直流母线发生单极接地故障；

3)向发生单极接地故障的正、负直流母线的直流断路器发出跳闸指令，断开所述正、负直流母线。

方案二，在方案一的基础上，所述第一比较限值通过下式得出：

dU_dcset＝k_rel1dU_{dc_max_o}

式中，dU_dcset为第一比较限值，dU_{dc_max_o}为区外单极接地故障电压变化率绝对值最大值，k_rel1为第一设定可靠系数。

方案三，在方案二的基础上，所述第一比较限值通过下式进行灵敏性校验：

式中，dU_{dc_min_i}为区内单极接地故障电压变化率绝对值最小值，k_sen1为第一灵敏系数。

方案四，在方案一的基础上，所述第二比较限值通过下式得出：

dU_dcunbalset＝k_rel2dU_{dcunbal_max_o}

式中，dU_dcunbalset为第二比较限值，dU_{dcunbal_max_o}为区外非单极接地故障导致的电压不平衡绝对值最大值，k_rel2为第二设定可靠系数。

方案五，在方案四的基础上，所述第二比较限值通过下式进行灵敏性校验：

式中，dU_{dcunbal_min_i}为区内单极接地故障电压不平衡绝对值最小值，k_sen2为第二灵敏系数。

本发明的有益效果是：本发明提出一种柔性直流配电网单极接地故障识别、故障保护方法，能准确检测出单极接地故障，并快速识别故障母线，通过跳开发生接地故障直流母线所在的直流断路器，实现故障母线的快速隔离，提高了直流配电网的供电可靠性。

附图说明

图1是柔性直流配电网A站母线1单极接地故障保护简图；

图2是柔性直流配电网单极接地故障定位逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种柔性直流配电网单极接地故障保护方法的实施例，包括以下步骤：

1)获取正、负直流母线对地电压，获取正、负直流母线的极间电压变化率；

2)当正、负直流母线的极间电压变化率的绝对值大于第一比较限值，脉冲展宽t₁毫秒，且正直流母线对地电压与负直流母线对地电压的和的绝对值大于第二比较限值，所述大于第二比较限值的持续时间超过时间限值时，判定当前正、负直流母线发生单极接地故障；

3)向发生单极接地故障的正、负直流母线的直流断路器发出跳闸指令，断开所述正、负直流母线。

如图1所示的A、B、C和D四个换流站通过母线1、母线2、母线3和母线4组成一个直流环网。直流母线的两端加装直流电抗器作为母线的边界，直流母线两端设有直流断路器，能够在保护出口时，带电迅速跳开，隔离故障母线。控制保护装置设置在母线两端的换流站内，用于控制直流母线两端的直流断路器。

以A站母线1发生单极接地故障为例，A站采集母线1首端的正极直流电压和负极直流电压，采样频率为10kHz。如图2所示，控制保护系统根据采集到的母线正、负极直流电压，计算正、负极极间直流电压的变化率，当电压变化率的绝对值大于第一比较限值时，表明此母线可能存在故障，此信号为暂态量保护信号，脉冲展宽t₁毫秒。判定式如下：

其中，U_p为正极直流电压，U_N为负极直流电压，dt为采样的步长，dU_dcset为第一比较限值，整定第一比较限值时，应该应躲开区外单极接地故障导致的直流电压变化率响应，通过下式进行整定：

dU_dcset＝k_rel1dU_{dc_max_o}

式中，dU_dcset为第一比较限值，dU_{dc_max_o}为区外单极接地故障电压变化率绝对值最大值，k_rel1为第一设定可靠系数，k_rel1＞1。

上述第一比较限值整定后，通过下式进行灵敏性校验：

式中，dU_{dc_min_i}为区内单极接地故障电压变化率绝对值最小值，k_sen1为第一灵敏系数，k_sen1＞1.3。

然后将母线正、负极直流电压求和，并求取绝对值，如果此值大于第二比较限值超过时间限值t₂毫秒时，表明母线1发生了单极接地故障，此路信号为电压不平衡信号。判定式如下：

|U_p+U_N|＞U_dcunbalset

式中，U_dcunbalset为第二比较限值，整定第二比较限值时，应躲开区外非单极接地故障导致的直流电压不平衡响应，通过下式进行整定：

dU_dcunbalset＝k_rel2dU_{dcunbal_max_o}

式中，dU_dcunbalset为第二比较限值，dU_{dcunbal_max_o}为区外非单极接地故障导致的电压不平衡绝对值最大值，k_rel2为第二设定可靠系数，k_rel2＞1。

上述第二比较限值整定后，通过下式进行灵敏性校验：

式中，dU_{dcunbal_min_i}为区内单极接地故障电压不平衡绝对值最小值，k_sen2为第二灵敏系数。

检测到线路1发生单极接地故障后，控制保护系统向直流断路器K1发出跳闸信号。控制保护系统程序执行周期为100μs。

本发明提供的柔性直流配电网单极接地故障保护方法，能准确检测出单极接地故障，不需要依赖站间通信，快速定位并切除故障线路，保证直流配电网的供电可靠性。

本发明的一种柔性直流配电网单极接地故障识别方法的实施例，包括以下步骤：

1)获取正、负直流母线对地电压，获取正、负直流母线的极间电压变化率；

2)当正、负直流母线的极间电压变化率的绝对值大于第一比较限值，脉冲展宽t₁毫秒，且正直流母线对地电压与负直流母线对地电压的和的绝对值大于第二比较限值，所述大于第二比较限值的持续时间超过时间限值时，判定当前正、负直流母线发生单极接地故障。

本发明的单极接地故障识别方法已经在上述一种柔性直流配电网单极接地故障保护方法的实施例中进行了详细的介绍，这里不再对柔性直流配电网单极接地故障识别方法的实施例进行赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权力要求范围之内。