一种用于直流电网分区的保护方法及系统与流程

本发明涉及直流电网领域，具体讲涉及一种基于全网故障信息判断和决策的直流电网分区保护方法。

背景技术：

直流电网包含诸多的线路和换流器，这些换流器均是能按照给定的控制策略进行调节的装置，同时配置必要的元件保护。如果这些装置的元件保护，独立以本地采集信息为判据启动，清除内部故障，则直流电网故障后，每个关键设备元件只能以采集到的反映临近区域运行状态的信息作为判据动作。当直流电网扩展至较大的复杂电网时，这种元件保护就有可能不能满足选择性、速动性及故障保护的要求。这些装置保护之间需要协调配合，避免系统某点发生故障后造成网内继电保护相继动作，整个电网的安全水平下降。而直流电网故障传播速度越快，这个问题就越突出。

直流电网被认为是新能源消纳和传输的有效途径之一，对直流电网的研究目前尚处起步阶段，开展的相关研究侧重于直流输电系统的输电类型和直流电网拓扑，以直流电网中的关键设备，如直流断路器、高低增益DC/DC变换器、电压极性可翻转换流器、潮流控制器及这些关键设备的控制策略研究，作为直流电网关键技术之一的直流电网保护、特别是保护配置方面的研究很少。

关于直流电网的保护研究，可归为三类：第一类：通过控制策略实现保护方法，主要依靠控制策略，不需或只是增加少量的附加设备进行保护；第二类方法：基于换流器拓扑改进的方法，可节约生产成本，降低运行损耗，减少占地面积；第三种方法：通过增加附加装置来消耗故障能量或抑制短路电流的方法。

在实际工程中无论是常规换流站LCC-HVDC(line-commutated converters HVDC)还是柔性换流站VSC-HVDC(Voltage source converters HVDC)，其保护配置总体上相差不大，如图1所示，一般可分为交流保护、阀保护和直流线路保护。单个换流站的保护配置是直流电网中最基本的保护，基于单个换流站的保护，直流电网统筹考虑各个节点的关键设备保护，并着眼于提高整个直流电网系统的稳定性和安全性，来研究适用于直流电网的保护配置框架。

目前，故障隔离的常见设备是直流断路器(DCCB)或者具有故障自清除功能的DC/DC变换器，但这两种设备价格昂贵，在各个装置出口处安装故障隔离装置代价较大。

因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于直流电网分区的保护方法及系统，其保护方法包括步骤：设于直流电网联络线上的直流保护单元RPU采集故障隔离装置的故障保护信息，并根据所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现直流电网间的分区故障隔离；所述就地测量和保护单元LMPU基于所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现所述直流电网和交流电网间的故障隔离。

所述根据所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现直流电网间的分区故障隔离，包括：当所述故障保护信息大于或等于所述直流保护单元RPU中预设的保护变量时，所述直流保护单元RPU启动保护动作，设于所述故障隔离装置中的联络线直流断路器断开或具有故障自清除功能的DC/DC换流器闭锁；当所述故障保护信息小于所述直流保护单元RPU中预设的保护变量时，所述直流保护单元RPU不启动。

所述直流保护单元RPU启动保护动作，包括：若所述直流保护单元RPU启动保护动作后，所述故障保护信息仍大于或等于所述保护变量且所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU的保护阈值，则设于所述就地测量和保护单元LMPU的控制保护调节单元发出自启动命令，所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作。

所述直流保护单元RPU不启动，包括：若所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU的保护阈值，则设于所述就地测量和保护单元LMPU的控制保护调节单元发出自启动命令，所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作。

所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作，包括：若所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU中预设的保护阈值，则断开设于所述就地测量和保护单元LMPU中的快速直流开关和交流断路器；实现所述直流电网和交流电网间的故障隔离后，更新故障保护信息。

所述故障保护信息包括：故障电流的大小、方向和变化率，故障电流功率的大小、方向和变化率。

其保护系统包括：设于直流电网联络线上的n个依次连接的直流保护单元RPU及设于直流电网分区的m个就地测量和保护单元LMPU；其中每个直流保护单元RPU分别与预设数量的就地测量和保护单元LMPU相连；其中，m、n均为大于1的整数。

所述保护系统包括：所述直流保护单元RPU，设于直流电网联络线上的直流保护单元RPU采集故障隔离装置的故障保护信息；并根据所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现直流电网分区间的的故障隔离；所述就地测量和保护单元LMPU，基于所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现所述直流电网和交流电网间的故障隔离。

直流保护单元RPU根据所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现直流电网间的分区故障隔离，包括：当所述故障保护信息大于或等于所述直流保护单元RPU中预设的保护变量时，所述直流保护单元RPU启动保护动作，设于所述故障隔离装置中的联络线直流断路器断开或具有故障自清除功能的DC/DC换流器闭锁；当所述故障保护信息小于所述直流保护单元RPU中预设的保护变量时，所述直流保护单元RPU不启动。

所述直流保护单元RPU启动保护动作，包括：若所述直流保护单元RPU启动保护动作后，所述故障保护信息仍大于或等于所述保护变量且所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU的保护阈值，则设于所述就地测量和保护单元LMPU的控制保护调节单元发出自启动命令，所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作。

所述直流保护单元RPU不启动，包括：若所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU的保护阈值，则设于所述就地测量和保护单元LMPU的控制保护调节单元发出自启动命令，所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作。

所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作，包括：若所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU中预设的保护阈值，则断开设于所述就地测量和保护单元LMPU中的快速直流开关和交流断路器；实现所述直流电网和交流电网间的故障隔离后，更新故障保护信息。

所述故障保护信息包括：故障电流的大小、方向和变化率，故障电流功率的大小、方向和变化率。

所述就地测量和保护单元LMPU与DC/DC换流器、VSC型或LCC型换流站相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明配置了最少的故障隔离装置，动作后将直流电网分区，保证非故障区域可以继续运行，尽可能降低了故障影响的范围，同时满足了复杂直流电网速度快、选择性好且可靠性高的要求；

2、本发明采用分层分区的直流电网故障保护框架，各LMPU系统相互独立，各LMPU之间、LMPU和上层RPU之间耦合关系较少；

3、本发明通过RPU的上层判断和决策，先将故障区域和非故障区域隔离，避免全网的LMPU盲目的以就地判断为依据而动作，造成某一部分的故障，从而影响整个系统的运行；

4、本发明设置的LMPU保留了本地保护和装置自身的协调控制功能，采用一定的故障保护策略，起到局部缓解故障影响的作用，从而尽可能发挥LMPU较低等级层的控制保护功能，以提高控制效率，防止故障的扩大化。

附图说明

图1是直流换流站的保护配置框图；

图2是本发明两个分区的直流电网；

图3是本发明直流电网区域保护配置方案；

图4是本发明RPU层保护实现逻辑框图；

图5是本发明LMPU层保护实现逻辑框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本申请的技术方案做进一步详细说明。

为了兼顾经济性，本发明考虑只在直流电网安全稳定的关键点或者薄弱点安装一定的故障隔离装置，将故障区域和非故障区域尽快隔离，尽可能减少故障影响范围，从而实现对直流电网的分区保护。

1、分区保护方法

基于故障分析计算，以应用最少的故障隔离装置，提高经济性为目的，可以将系统分为若干个区域。

如图2所示，以在直流电网区域联络线上的关键点加装DCCB为例，介绍直流电网区域保护的实现逻辑。

将一个直流电网划分为两个区域，即直流电网分区1和直流分区2为例，整个直流电网通过AC/DC变换器和交流电网相连。在两个直流电网分区的连接点处设置两个直流断路器(也可以是具有故障自清除功能的DC/DC变换器，以下均以采用直流断路器方法为例)。

在两个直流分区内部配置了一些慢速的保护装置，如较便宜的快速直流开关等，以配合实现故障隔离。如果一个区域电网直流侧发生故障，通过两个分区之间的直流断路器可快速将整个电网分开，非故障的区域电网可以在故障隔离后快速过渡至新的运行状态，而有故障的区域电网可以通过较慢的交流断路器和直流开关断开故障部分，使得一个区域内的故障范围缩小，故障不会渗透至另外一个区域电网，从而防止一个地区的局部故障，导致整个电网的瘫痪。

2、分层分区的直流电网系统保护配置框架

如图3所示，基于换流站的最基本保护配置方式，为了减少故障隔离装置数量，将一个复杂电网进行若干分区，可降低分区后，各个换流站的基本保护以本地保护范围为主，而可能带来的整个系统保护失配。

为了保证保护框架的快速性和可靠性，加快信息交互，该保护框架只有两层：第一层为就地测量和保护单元(Local measurement and protection unit(LMPU))，该单元包括了每个换流站所必需的保护系统，即图1中的所有保护模块。

每个LMPU单元为一个独立单元，对应一个DC/DC换流器或者VSC型、LCC型换流站的基本保护系统，具有自己独立的控制保护模块。为了对该区域的保护配合进行统一协调，多个LMPU由第二层所在的一个区域性的直流保护单元(Regional protection unit(RPU)单元来完成。整个直流电网可以分为N个地区，每个地区具有一个RPU，RPU间互相交换尽可能少的关键必需信息，作为RPU进行决策的判据。RPU的启动来自于对自身RPU联络线上胡章保护信息的判断，如电流大小、方向、变化率，功率大小、方向、变化率及其他可能的非电气量的突变等信息，RPU一般装设在区域故障隔离装置上。

框架中各部分的功能实现方式如下：

LMPU作为站内整体控制保护系统的一部分，实时监控当地直流变电站或直流场的运行状况。系统发生扰动后，LMPU可以快速检测到一些基本突变信息，通过就地直流换流站的控制保护单元，对一些基本故障进行实时控制响应。靠近故障点的LMPU会响应的更快，远离故障点的LMPU由于灵敏度不够，可能会不响应，直流电网中同一区域LMPU的响应时间差异较小。LMPU同时将必要的故障信息传送給RPU，同时接受并执行RPU的决策结果。

为了减少RPU的决策输入条件，便于快速可靠的给出决策结果，一个直流电网中的RPU合集无需完全覆盖整个电力系统，即不一定要涵盖该电网中所有的LMPU或者设备，只需包含电网中安全稳定水平影响最大的关键换流站的关键信息即可。要确定这些信息，需要进行全网的控制保护配合计算，对于LMPU和RPU的保护动作范围，故障类型等进行合理分配，从而确保动作逻辑、分区设置、保护策略能切实提高关键枢纽变电站或系统联系薄弱环节的安全运行水平。

RPU的保护控制命令最终可由直流断路器或者具有故障自清除能力的DC/DC变换器来实现，从而实现整个直流电网的故障分区，尽可能降低故障范围，减少故障带来的电量损失。

3、基于直流通路模块DCCB的直流电网区域故障保护实现逻辑

如图4所示的单个RPU故障保护实现逻辑流程图,RPU之间通过通讯或者局域网传输尽量少的关键故障保护信息，同时需要接受本区域下层LMPU单元上传信息。RPU实时获取流经故障隔离装置中直流断路器的保护信息，如故障电流大小、方向、电流变化率(di/dt)及故障功率大小、方向、功率变化率(dp/dt)等。

如果以上保护信息量值大于等于预设的保护变量，则用于保护区域电网的直流断路器会首先断开，断开时间需要和LMPU开关动作时间协调配合，从而将故障区域和非故障区域实现可靠隔离。故障隔离后，对于非故障区域可以通过网内设备控制策略和运行方式的改变过渡至新的运行状态；对于故障区域，在故障隔离后，由于向故障点馈入能量的降低，各个故障的信息量也会大大降低，可能达不到定值，从而保护不启动；如果大于或等于LMPU预设的保护阈值，则可以通过操作内部快速直流开关和相关的交流断路器，将故障部分与交流电网部分彻底隔离，从而保护整个电网的安全。

LMPU单元为区域电网中基本的保护系统单元，可完成对整个直流变电站、换流站的整体保护。LMPU需要实时接受上层RPU下传的关键信息，以及所有和本区域相关的DCCBS的状态信息，LMPU实时判断、检测保护范围内相关保护量，如电流、电压、功率和装置温度等。

如图5所示的LMPU层保护实现逻辑框图，包括：

在故障隔离装置采取/没有采取一定的措施后，RPU都会重新采集相邻RPU单元和下层LMPU传输的保护信息，然后下传至本区域内的LMPU单元。

如果LMPU单元判断故障保护信息量值小于预设的保护阈值，说明LMPU不用启动，则重新采集判断；

如果LMPU单元判断保护信息量值大于等于预设的保护阈值，但关键点的DCCB并没有断开，说明故障尚不会危及整个直流电网的运行，RPU还没有启动，该区域内的故障通过LMPU的控制保护调节单元发出控制保护动作命令，通过操作内部快速直流开关和相关的交流断路器进行局部调整，调整完之后，再重复进行阈值判断。

如果LMPU单元判断保护信息量值大于等于预设的保护阈值，且关键点的DCCB断开，则说明故障在本LMPU保护范围内，需要该LMPU立即跳开本区域内的其他相对便宜故障隔离装置，如防止交流系统功率馈入到交流断路器或者通过区域的关键设备控制来保护策略降低导致的故障所引起的变化。一般而言，如果是很严重的故障，会危及整个直流电网的运行，关键点的保护量会快速达到阈值，通过DCCB的快速隔离，从而最大程度的减少故障损失。如果不严重的故障，则可以优先通过启动LMPU的控制保护调节单元，弱化故障的影响，特别是瞬时性的故障。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种用于直流电网分区的保护系统，下面进行说明：

设于直流电网联络线上的n个依次连接的直流保护单元RPU及设于直流电网分区的m个就地测量和保护单元LMPU；其中每个直流保护单元RPU分别与预设数量的就地测量和保护单元LMPU相连；其中，m、n均为大于1的整数。

所述保护系统包括：所述直流保护单元RPU，设于直流电网联络线上的直流保护单元RPU采集故障隔离装置的故障保护信息；并根据所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现直流电网分区间的的故障隔离；所述就地测量和保护单元LMPU，基于所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现所述直流分区和交流电网间的故障隔离。

直流保护单元RPU根据所述故障保护信息判断是否启动自身的保护动作，实现直流电网间的分区故障隔离，包括：当所述故障保护信息大于或等于所述直流保护单元RPU中预设的保护变量时，所述直流保护单元RPU启动保护动作，设于所述故障隔离装置中的联络线直流断路器断开或具有故障自清除功能的DC/DC换流器闭锁；当所述故障保护信息小于所述直流保护单元RPU中预设的保护变量时，所述直流保护单元RPU不启动。

所述直流保护单元RPU启动保护动作，包括：若所述直流保护单元RPU启动保护动作后，所述故障保护信息仍大于或等于所述保护变量且所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU的保护阈值，则设于所述就地测量和保护单元LMPU的控制保护调节单元发出自启动命令，所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作。

所述直流保护单元RPU不启动，包括：若所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU的保护阈值，则设于所述就地测量和保护单元LMPU的控制保护调节单元发出自启动命令，所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作。

所述就地测量和保护单元LMPU启动保护动作，包括：若所述故障保护信息大于或等于所述就地测量和保护单元LMPU中预设的保护阈值，则断开设于所述就地测量和保护单元LMPU中的快速直流开关和交流断路器；实现所述直流分区和交流电网间的故障隔离后，更新故障保护信息。

故障保护信息包括：故障电流的大小、方向和变化率，故障电流功率的大小、方向和变化率。就地测量和保护单元LMPU与DC/DC换流器、VSC型或LCC型换流站相连。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算

机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。