一种多端柔性中压直流配电系统的直流线路继电保护方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种多端柔性中压直流配电系统的直流线路继电保护方法。

背景技术：

将基于电压源换流器(voltagesourceconverter，vsc)的柔性直流技术引入城市配电网，可解决传统交流配电网的一些问题，其优势主要体现在：1)将城市交流配网改造为柔性直流配网可以节省线路投资，而且还有电能质量高、传输容量大、可靠性高、系统结构简单、经济性好和电能损耗低等优点；2)直流配电网不涉及频率稳定和无功功率问题；3)柔性直流配电网有利于分布式电源的接入。较之传统交流配网，分布式电源并入直流配网可省去一级变换，减小了成本也降低了损耗，有利于智能电网和能源互联网建设；4)电动汽车、电子设备以及直流电机等直流负荷的应用越来越多，使用直流可避免ac-dc变换器的使用，提高了电能使用效率。5)对传统直流输电技术的优势。如换流器能够控制功率四象限运行，无换相失败，谐波较少。当前，我国在深圳地区已建立了柔性直流配电系统示范工程，并初步对其电压等级、技术架构、控制和保护策略等进行了研究。

然而保护技术作为柔性直流配电网的关键技术之一，目前仍是阻碍柔性直流配电技术应用的主要原因之一。相对于交流配电网，柔性直流配电网的系统架构、工作模式、故障特性等均有不同，传统的交流配网的保护方式并不适用于直流配网。目前直流配电系统处于探索、研发阶段，同时直流配电系统保护研究还没有完全达到工程应用的要求，尚无通过实践验证并被广泛接受的系统保护方案，还有待直流配电系统结构的完善、保护标准的制定以及相应配电保护理论的实践反馈。

有文献对直流配电网采用过流保护方案，但基于电流的保护在比较复杂的配网中由于相邻区域的保护定值难以整定，且难以实现时间上的配合而应用受限；另一方面，许多研究在涉及保护策略时没有考虑到换流器拓扑结构和接地方式对系统故障特性的影响。有文献设计了针对柔性直流配电系统的测距式保护，距离保护做主保护时无法保护线路全长，且由于过渡电阻的影响难以计算出准确的故障距离。还有文献将差动保护应用于直流配电系统，但该方案需要同步比较两端的电流值，由于直流故障的电流变化率很大，微小的时间差异会造成很大计算误差。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种多端柔性中压直流配电系统的直流线路继电保护方法，包括：包含主保护和后备保护；

所述主保护反映直流线路极间短路故障和经小过渡电阻的单极接地故障，根据电流状态矩阵识别故障类型和故障区间；

所述后备保护以电压不平衡持续时间作为启动判据，以保护安装处的正、负极不平衡电流状态矩阵判别故障区间并隔离故障。

所述方法根据主保护的开合信号和后备保护的开合信号确定直流断路器处的动作信号，并发出相应动作。

优选的，所述主保护具体包括如下步骤：

s11，规定正极电流正方向和负极电流正方向；

s12，设定保护直流断路器的电流阀值，并对所述电流阀值进行整定；

s13，定义并判断每个保护装置安装处的电流测量元件的状态；

s14，每个直流断路器处的保护装置向相邻断路器处的保护装置传递电流测量元件状态信号，由此形成电流状态矩阵；

s15，根据同一线路上相邻的两个断路器处的保护装置的工作状态信号判断故障位置和故障类型；

s16，根据保护装置动作策略控制相应断路器动作；

s17，计算保护动作时间。

优选的，所述正极电流正方向为从保护装置安装处流向被保护直流线路，所述负极电流正方向的规定为从被保护直流线路流向保护装置安装处。

优选的，所述故障类型包括正极接地故障、极间短路故障和单极接地故障。

优选的，所述电流阀值包括正值电流的最大值和负值电流的最小值。

优选的，所述后备保护具体包括如下步骤：

s21，设定保护启动判据；

s22，设定故障定位和隔离策略，设定后备保护的动作时间；

s23，由判别矩阵判断故障区间。

优选的，所述步骤s22具体包括：

s221，计算后备保护的正值电流阀值和负值电流阀值，根据直流断路器处流向故障点的故障电流，判断每个保护装置的电流测量元件的状态；

s222，根据相邻保护传递电流测量元件的状态信息，构造不平衡电流状态矩阵，定义并根据后备保护的故障区间判定函数确定故障区间。

本发明的有益效果在于：

本发明针对多端柔性直流配电系统设计了一种新的保护方案。主保护保护线路极间短路故障和经小过渡电阻的单极接地故障，其能根据电流状态矩阵识别故障类型和故障区间，并在5ms内将故障隔离。过渡电阻较大的单极接地故障对系统的破坏作用不大，但主保护可能出现检测不到故障的情况，设计的后备保护用于解决该问题。后备保护以电压不平衡持续一段时间作为启动判据，以保护安装处的正负不平衡电流状态矩阵判别故障区间并隔离故障。

本发明的主保护不像差动保护那样需要实时同步比较两端的电流值，只需相邻的两个保护传输电流元件状态信号值-1、0和1，降低了对通信系统的要求。后备保护只需电压量判别是否发生故障，且不平衡电流计算的是同一保护处的正极电流和负极电流，不会因通信延时或不同步而产生误差，因此不会对保护的正确判断产生影响。

附图说明

图1是柔性直流配电系统结构图；

图2是故障电路图；

图3a～3d是故障特性图，其中，a为保护5正极电流示意图，b为保护4、5、6处测得的正极电流示意图，c为主保护和后备保护的故障区间判别函数图，d为t2端口测得的电压值示意图；

图4a～4b是母线④处故障故障示意图，其中，a为区间识别函数示意图，b为t2端口电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

本发明针对多端柔性直流配电系统的中压直流线路，设计了配置直流断路器隔离故障的继电保护方案，包含主保护和后备保护。主保护反映直流线路极间短路故障和经小过渡电阻的单极接地故障，其能根据电流状态矩阵识别故障类型和故障区间，并在5ms内将故障隔离。经较大过渡电阻的单极接地故障对系统的破坏作用不大，但主保护可能出现检测不到该故障的情况，因此设计了后备保护用于解决该问题。后备保护以电压不平衡持续一段时间作为启动判据，以保护装置安装处的正、负不平衡电流状态矩阵判别故障区间并隔离故障。具体方案如下。

如图1所示，是一种典型“手拉手”多端柔性直流配电系统。后文为清晰阐述，会结合图1进行解释。图中对各端口进行了编号，其中t1和t2端口分别代表vsc1换流站和vsc2换流站，其与交流电网相连接；t3-t5与负荷侧相连接，其中t3和t6与直流负荷相连接，t3负荷侧连接有分布式电源，t6负荷侧不含有分布式电源；t4和t5与交流负荷相连接，其中t5端口含分布式电源。中压直流侧直流断路器的配置如图1所示，1～10为中压直流线路上的10处保护。

1.1保护配置

各直流支路的两侧安装直流断路器，并在断路器对应配置继电保护装置，装置包含主保护和后备保护；每个保护装置安装处还配置电流、电压测量装置和通信装置。每两个相邻的继电保护装置可保护它们之间的区域。

例如图1中的保护装置3和保护装置4保护其间的直流线路，保护装置4和保护装置5保护母线②和该母线上联接的负荷。t2端口处安装有电压测量装置和通信装置。

1.2主保护

首先，规定正极电流正方向为从保护装置安装处流向被保护直流线路，负极电流正方向的规定为从被保护装置直流线路流向保护安装处。

以图2所示电路为例，其断路器编号和电流正方向规定如图2所示，其中k1～k4为假设的故障点，i5p、i6p分别为cb5p和cb6p处配置的保护装置的正极电流正方向；i5n、i6n分别为cb5n和cb6n处配置的保护装置的正极电流正方向。其它线路电流正方向的规定同理。

其次，设定保护装置m的电流阀值ihm和ilm，其中ihm为电流正值的最大值，ilm为负值电流的最小值。并按如下原则整定ihm和ilm：

已知保护装置m所在线路正常运行时最大电流的绝对值为inmax，则：

其中krel为可靠系数，可取1.2～1.5。

第三，定义每个保护装置安装处的电流测量元件有三种状态，根据下式判断：

其中，i为电流互感器测得的流过被保护线路的电流值；m为直流断路器的编号1、2……10，t为直流断路器的正负极，p(正极)和n(负极)。

第四，每个直流断路器处的保护装置向相邻断路器处的保护装置传递电流测量元件状态信号，并形成电流状态矩阵。

如图2中cb5p处的保护装置将其运行状态s5p传递给cb4p和cb6p处的保护装置，cb4p和cb6p处的保护装置也会将它们的工作状态s4p和s6p传递给cb5p处的保护装置。当k1点发生正极接地故障时，断路器cb5p和cb6p处的保护装置测得的电流为正向过流，而cb4p处保护装置测得的电流为反向过流，因此有s5p＝s6p＝1，s4p＝-1。负极线路上由于只有线路电容形成的泄露电路，不会造成线路过流，因此s4n＝s5n＝s6n＝0。同理，当k3点发生极间短路时，保护装置5和6处都会正向过流，即s4p＝s5n＝s6p＝s6n＝1，而cb4p和cb4n处保护装置测得的电流反向过流，因此有s4p＝s4n＝-1。类似地，可得故障点k1～k6点直流断路器的电流状态矩阵如表1所示。

表1电流状态矩阵

第五，故障定位和故障类型判别

同一线路上相邻的两个断路器处保护装置的工作状态信号相乘可得3种结果：

令sm(m+1)t＝smt×s(m+1)t，对于中压直流线路任意1处故障，以m和(m+1)处断路器为例，有如下关系式：

则当sm(m+1)p＝1且sm(m+1)n＝0时，则表示m和(m+1)之间发生了正极接地故障；若sm(m+1)p＝sm(m+1)n＝1，则表示m和(m+1)之间发生了极间短路故障；若sm(m+1)p和sm(m+1)n都等于-1，则表示在m和(m+1)之外区间发生了极间短路故障，若sm(m+1)p和sm(m+1)n之中只有1个等于-1，另外一个为0，则取值为-1的那一极线路在m和(m+1)区间外发生了单极接地故障。

定义故障区间判别函数：

若sm(m+1)＝0，则保护装置m和(m+1)之间的区域发生了故障；若sm(m+1)＝1，则保护装置m和(m+1)之间的区域无故障。

第六，保护动作策略

定义bm为断路器编号为m的那一组断路器的开、合信号，如b4表示cb4p和cb4n的开合信号。

m+1号断路器的开合信号为：

bm+1＝sm(m+1)(and)s(m+1)(m+2)(7)

即无论m+1号断路器的左侧还是右侧发生了故障，该断路器都会动作。

例如，1号断路器和10号断路器的开合信号为：

第七，保护动作时间

设从故障发生到故障完全隔离用时为ttotal，则ttotal包括故障检测时间tdet和故障隔离时间tiso；tdet包括故障电流达到到阀值的时间tri和通信延时tdelay。

直流电容放电电流上升速度很快，一般有tri≤2ms，考虑到0.5ms的通信延时和2ms的直流断路器动作时间，故障一般可在5ms内被隔离。

1.3后备保护

上述保护能够快速切断极间短路故障电流和小电阻接地故障电流，但当接地故障的故障电阻较大时，会导致故障极过流不明显，可能存在主保护拒动现象，为确保继电保护系统的可靠性，本发明设置针对单极接地故障的后备保护。

1)保护启动判据

单极故障发生后，尽管极间电压保持稳定，但正负极电压出现了不平衡现象。本发明根据单极接地故障的不平衡特性作为后备保护的启动判据，表示为：

其中vp为直流正极对地电压，vn为直流负极对地电压，vset是保护启动的不平衡电压阀值，vset设置的越小，保护的灵敏度越高。其值要考虑到正常运行时可能出现的不平衡量，一般情况下vset可设置为额定电压的0.1～0.2倍，tset为不平衡电压大于阀值所持续的时间，其取值应考虑到主保护动作后不平衡电压恢复正常所需要的时间。

2)定位和隔离策略

首先，系统正常运行和极间短路故障时保护装置安装处的正极电流和负极电流之差为零，但单极接地故障后，正极电流和负极电流不再平衡，正极电流和负极电流之差即为保护装置安装处向故障点流过的电流。对于任意一个保护安装处m，有：

ifm＝imp+imn(10)

其中，ifm为保护装置m处流向故障点的故障电流，imp和imn分别为该处的正极电流和负极电流。设定m处后备保护的正值电流阀值i′hm和负值电流阀值i′lm，其整定计算为：

其中k′rel为可靠系数，可取0.15～0.25。定义每个保护装置的电流测量元件有三种状态:

其次，相邻保护装置传递电流测量元件的状态信息，并形成不平衡电流状态矩阵。

对于图2所示的系统，当故障点发生在k1、k2、k4和k5处时，可得如下的不平衡电流状态矩阵：

表2不平衡电流状态矩阵

第三，由判别矩阵可知，若接地故障发生在保护装置安装处m和(m+1)处，则一定有cm×cm+1＝1，令：

cm(m+1)＝cm×cm+1(13)

定义后备保护的故障区间判定函数为：

可以根据s'm(m+1)的取值来判别故障区间，即若s'm(m+1)＝0，则表示故障发生在保护装置m与(m+1)之间，反之则该区间无故障。

设定后备保护装置m的开合信号b'm为：

例如当m＝1或10时有：

最终，保护装置m处的动作信号trm由主保护的开合信号bm和后备保护的开合信号b'm经“与”运算，即：

trm＝bm(and)b'm(18)

当trm＝0时，m处保护动作，当trm＝1时，m处保护不动作。

2仿真验证

仍以图1所示的多端柔性直流配电系统进行验证。采用基于主从控制的单点电压控制方式，t2端口采用定直流电压控制，作为整个系统的平衡节点；t1端口采用定功率控制，作为整个系统的功率节点；t3-t6端口与负荷侧相连，由于负荷波动，为维持负荷侧电压稳定，t3-t6均采用定负荷侧电压控制。

直流电缆线路line1～line5的长度分别为2km、15km、10km、15km、2km，t1～t6端口中压直流出口侧均连接有大小为的限流电抗器，换流变压器接地电阻的大小为，各换流站的电压变换和容量如表3所示。

表3各换流站的电压和容量

各保护装置安装处在正常情况下的最大运行电流如表4所示。

表4最大运行电流

2.1接地方案

系统的接地点有直流侧电容接地点和换流变压器接地点。

1)直流电容接地配置

直流正负极对称运行，对直流侧电容采用分裂电容中点直接接地，以确保正常运行时正负极电压的对称和平衡。

2)换流变压器接地配置

t1和t2端口的换流变压器换流器侧经电阻接地，t4和t5端口换流变压器的换流器侧采用δ接。

主保护的可靠系数krel取1.4，后备保护的可靠系数k'rel取0.2，tset设为10ms，vset取值1.5kv。

以保护装置4、5、6处为例进行分析。根据公式可得保护装置4、5、6处主保护和后备保护电流的阀值如表5所示。

表5电流阀值

表中数据单位为ka。在1s时刻，对保护装置5和6之间线路的中点施加极间短路故障，图3a给出了保护装置5处测的的电流值的变化，并对比了不安装保护装置的情况下的电流值，由图可知保护系统能在故障电流上升到最大值之前将其切除。

由图3b可知，故障后保护装置4处也测到了过电流，图3c为主保护和后备保护的故障区间识别函数，该故障由主保护识别，并准确判定故障发生在保护装置5和6之间。主保护在0.3ms检测到故障，最终在故障后3.6ms完全将故障隔离。对其它处施加极间短路故障可同理分析。

2)单极接地故障

对保护装置5和6之间的线路3施加正极接地故障，当过渡电阻为0.01ω和1ω时，主保护的故障区间判别函数均能够在在0.4～0.5ms之间判别出故障区域在保护装置5和6之间。保护装置在故障发生后的3.5ms和3.4ms完全将故障隔离，由于能够在极端的时间内隔离故障，此时端口t2的电压变化不明显，并且很快恢复，后备保护不动作。当过渡电阻为10ω时，故障极的电流被限制在主保护阀值以内而无法检测到故障，但t2端口检测到了不平衡电压，若主保护不动作，不平衡电压会满足式判据，后备保护启动，各保护装置计算该保护装置处的不平衡电流，最终由后备保护的故障区间判别函数判别出故障区间，并令故障两端的直流断路器动作。

3)故障位置对保护装置的影响

上述故障点设在保护装置5和6之间，距离t2端口电压测量处较远，使得单极接地故障发生后t2端口的不平衡电压不明显，在主保护动作的情况下，后备保护不再启动。若故障点距离t2端口较近，如发生在母线④的正极线路上，此时保护装置8、9的主、后备保护故障区间判别函数如图4a所示，主保护装置和后备保护都在故障后检测到保护装置8和9之间发生了故障。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。