一种多级直流配电馈线的保护方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于直流配电网继电保护技术领域，具体涉及一种多级直流配电馈线的保 护方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力负荷的迅速增长，现有交流配电网日益受到供电半径的限制，特别是电 力电子装置的大量应用给交流配电系统注入了大量谐波，交流配电网的电能质量还受到了 严重的影响。随着高压直流输电技术及柔性直流技术有了长足的发展和广泛的工程应用， 近年来国内外专家学者提出在供电、配电的电压等级上进行直流供电。与交流配电系统相 比，直流配电系统存在供电容量大、线路损耗小、线路造价低、可靠性好、电能质量好、电磁 辐射小等优势。但是，目前对直流配电系统的研宄尚处在理论分析和试验探索阶段，其重要 原因之一就是直流线路保护技术不完善。
[0003] 对此，各国学者展开了多方面研宄：1)在多端柔性直流系统中常常采用常规交流 断路器代替直流断路器，通过和换流站控制系统或直流侧隔离开关相配合来隔离故障线 路；2)在地铁直流牵引供电系统中直流线路保护主要有大电流脱扣保护、电流上升率及电 流增量保护等；3)在基于VSC的舰船直流配电系统的保护与重构方案中，用可关断器件代 替了换流器中的反并联二极管来实现限制、分断短路电流的作用，使得故障被快速隔离。
[0004] 以上各保护方案主要是针对"单级"直流线路的，但是多端柔性直流系统或直流 牵引供电因其特殊的结构或用途，它们的线路保护方案并非传统意义上的配电馈线保护， 具有很强的特殊性，且大多是针对换流器出口侧只有一条直流线路，该直流线路较少出现T 接负载或分布式电源支路。所以这些直流线路保护方案不可直接应用于直流供配电网中 "多级"馈线的保护。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种多级直流配电馈线的保护方法，能够准确判别直流线路 的故障区段，在短时间内切除故障。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种多级直流配电馈线的保护方法，具体按照以下 步骤实施：
[0007] 步骤1、采集多级直流配电馈线的各级直流母线出口处的电流ix(k)，并计算电流 增量测量值Ai x(k)，
[0008] 其中，x为A，B,…M级，
[0009] k为各级直流母线出口处的电流的采样点数；
[0010] 步骤2、判断多级直流配电馈线的故障区段；
[0011] 步骤3、换流器重启。
[0012] 本发明的特点还在于：
[0013] 步骤1中电流增量测量值A ix(k)采用3点采样值的计算方法得到，为：
[0014]
[0015] 步骤2判断多级直流配电馈线的故障区段的具体步骤为：
[0016] 步骤2. 1、当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)不小于换流器 保护动作电流值时，换流器保护启动，立即切断供电电源，然后开始检测各级直流母线出口 处的电流匕&+1);当换流器直流侧电流即A级直流母线出口处的电流iA(k)小于换流器保 护动作电流值时，继续检测各级直流母线出口处的电流i x(k+l);
[0017] 步骤2. 2、若任意有一级直流母线出口处的电流大于馈线保护启动电流，根据各级 馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值和实际值的大小关系判断故障是否发生 在本级：若满足本级馈线的I段保护动作条件，则本级直流断路器立即跳闸，若满足本级馈 线的II段保护动作条件，则本级直流断路器延时跳闸，转到步骤3;否则返回步骤2. 1。
[0018] 步骤2. 1中换流器保护动作电流值不大于1000A。
[0019] 步骤2. 2中各级馈线的I段保护和各级馈线的II段保护的整定值的计算过程为：
[0020] 按照传统的三段式电流保护思想，在动作阈值上，本级馈线的I段保护按本级馈 线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率整定；而本级馈线的II段保护整定值 与下一级馈线的I段保护整定值相配合；在动作时间上，本级馈线的I段保护为无延时动 作，与相邻馈线的保护动作时间无关；而本级馈线的II段保护动作时间需与下一级馈线的 I段的动作时间相配合；X级为本级，X+1级为下一级，其中X为A，B，级，di fdt为本级馈 线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率；(A/爿'为本级馈线的I段保护整定值； (A/治为本级馈线的II段保护整定值；0〇丨+1为下一级馈线的I段保护整定值；K m1'、Km1" 分别为I段保护和II段保护的可靠系数；△ t为保护采样时间，则I段和II段的整定值为 式⑵所示：
[0021]
(2)
[0022] 本级馈线的I段保护动作条件为：
[0023]
C3)
[0024] 式⑶中1\是直流断路器固有动作时间；
[0025] 本级馈线的II段保护动作条件为：
[0026]
(4)
[0027] 式（4)中T2为本级馈线的II段保护相对于下一级馈线的I段保护的动作延迟时 间。
[0028] 本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初始变化率difdt的计算过程为：
[0029] 在进行馈线保护动作阈值整定时，直流网络视为一个串联的RLC二阶电路，设单 极直流电容为Q，直流馈线每公里电阻、电感分别为巧和1i，故障点距电源端换流器的距离 为a，Rf为过渡电阻，则当发生极间故障时，
[0030] R=2ar:+Rf (5)
[0031] L=2al: (6)
[0032] C=C/2 (7)
[0033] 上述串联的RLC二阶电路可用一个二阶微分方程表示，对于直流配电馈线，R往往 小于该电路的阻尼电阻，故电容电压11。(〇、直流电容放电电流i (t)、本级馈线末端故障时 直流电容放电电流变化率di (t)/dt用式（8)表示：
[0034]
[0035]其中，tQ为故障发生的起始时刻；
[0036] 通过求解式（8)，即可得到本级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率di (t)/ dt为：
[0038] (9)
[0039] 将、=0代入式（9)，即可得到本级馈线末端发生故障时直流电容放电电流的初 始变化率di f/dt。
[0040] 步骤3重启换流器具体为：直流断路器跳闸后保护装置立即向电源端换流器发出 重启信息，若为瞬时性故障则换流器重启成功，转到步骤1 ;若为永久性故障，则换流器停 止重启，即完成对多级直流配电馈线的保护。
[0041] 本发明的有益效果是：
[0042] ①本发明一种多级直流配电馈线的保护方法，当过渡电阻相同，而故障位置不同 时，该保护方案能够正确识别直流馈线故障的区段，并由相应的馈线保护切除故障，且其相 邻馈线保护不会误动。尤其是当短路故障发生在馈线末端时，可以由本级馈线的II段保护 延时1^切除故障，而当故障发生在馈线首端时，本级馈线的I段保护经过判断会先于上一 级馈线的II段保护发出动作信号，防止上一级馈线的II段保护误动，保证了保护动作的可 靠性，选择性，速动性。
[0043] ②本发明一种多级直流配电馈线的保护方法，原理简单且易于实现。
【附图说明】
[0044] 图1是本发明多级直流配电馈线的系统结构图；
[0045] 图2是本发明多级直流配电馈线的故障简化电路图；
[0046] 图3是本发明中电容放电电流的计算波形与仿真波形图；
[0047] 图4(a)是本发明的各级馈线末端故障时直流电容放电电流图；
[0048] 图4(b)是本发明的各级馈线末端故障时直流电容放电电流变化率图；
[0049] 图5 (a)是本发明的Cable A故障后各级线路电流波形图；
[0050] 图5(b)是本发明的Cable A故障后各级保护发出的断路器控制信号图；
[0051] 图5(c)是本发明的Cable A故障切断过程图。
[0052] 图中，1.霍尔电流传感器，2.保护判断模块，3.保护操作机构。
【具体实施方式】
[0053] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0054] -种多级直流配电馈线，系统结构如图1所示，多级直流馈线分别为Cable A、 Cable B、一 Cable M，其中线路保护和直流断路器分别配置在各级馈线首端，直流断路器从 左（即与换流器连接的一端）至右依次为直流断路器A、直流断路器B