适用于直流配电网线路的差动保护方法及系统与流程

本发明涉及适用于直流配电网线路的差动保护方法及系统，属于直流配电网技术领域。

背景技术：

现有的直流配电网线路差动保护，主要采用线路两侧的实时采样值进行差动电流计算并要求满足比率制动方程后才可以动作。

但由于伪双极直流配电网在单极接地故障时负荷电流依旧可以保持原有特性短暂运行，而线路单极接地故障电流值只有约几十安，相比负荷电流较小，采用实时采样值的制动电流较大，导致差动电流与制动电流的比值较小，故障特征不明显，因此采用实时采样值的差动保护方法在发生单极接地故障时会有灵敏性不足的问题。若针对性地采用较低动作值和较低比率制动系数来提高发生单极故障差动保护的灵敏性，可能又会有因为电气量扰动导致误动作的问题；而通过额外增加动作延时来避免因扰动引起的误动作，又会使得真实发生故障时动作速度较慢。

当直流配电网线路发生双极短路故障时，线路两侧的电流呈现剧烈升高的特点，采用实时采样值的差动保护方法，不会存在灵敏性不足的问题。但对直流系统来说，需要尽可能快速切除该故障以保护电力电子元件，而采用实时采样值的差动保护方法需要额外延时来避免因采样误差等异常情况导致的误动作。因此，针对双极短路故障，现有的采用实时采样值的差动保护方法存在可靠性和快速性不能兼顾的问题。

因此，目前亟待寻求一种兼顾灵敏性、可靠性和速动性的差动保护方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种新的适用于直流配电网线路的差动保护方法及系统。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种适用于直流配电网线路的差动保护方法，所述方法包括如下步骤：

采集直流配电网线路本侧差动保护装置和对侧差动保护装置的瞬时电流值，计算直流配电网线路同一侧差动保护的电流变化量；

根据两侧差动保护的电流变化量确定电流变化量差动电流；

依据电流变化量差动电流匹配相适应的差动保护动作特性，以进行差动保护动作信号输出控制。

结合第一方面，进一步的，所述电流变化量采用下述方程计算获取：

δi(t)＝i(t)-i(t-t)

式中：δi(t)表示直流配电网线路同一侧差动保护t时刻相对于t-t时刻的电流变化量；i(t)表示直流配电网线路t时刻差动保护正极或负极的瞬时电流值；i(t-t)表示直流配电网线路t-t时刻差动保护正极或负极的瞬时电流值；t表示预设的时间间隔。

结合第一方面，进一步的，所述差动保护动作特性包括高动作值特性和低动作值特性。

结合第一方面，进一步的，所述高动作值特性是指在采样序列中有连续n个采样点满足相应的电流变化量差动保护动作方程，则经过延时th输出电流变化量差动保护的动作信号，n大于4。

结合第一方面，进一步的，所述低动作值特性是指在采样序列中有连续m个采样点满足相应的电流变化量差动保护动作方程，则经过延时tl输出电流变化量差动保护的动作信号，其中：tl＞th；m大于5且m大于n。

结合第一方面，进一步的，所述电流变化量差动保护动作方程如下：

其中：δidφ表示电流变化量差动电流，δidφ＝|δimφ+δinφ|；δirφ表示电流变化量电流变化量制动电流，δirφ＝|δimφ-δinφ|；δimφ表示直流配电网线路本侧差动保护装置的电流变化量；δinφ表示直流配电网线路对侧差动保护装置的电流变化量；k表示与动作值特性对应的比率制动系数；iset表示与动作值特性对应的动作值。

结合第一方面，进一步的，所述高动作值特性适用于双极短路故障，所述低动作值特性适用于单极接地故障。

第二方面，本发明提供了一种适用于直流配电网的差动保护系统，所述系统包括：

采样模块：用于采集直流配电网线路本侧差动保护装置和对侧差动保护装置的瞬时电流值；

计算模块：用于计算直流配电网线路同一侧差动保护的电流变化量；

确定模块：用于根据两侧差动保护的电流变化量确定电流变化量差动电流；

匹配控制模块：用于依据电流变化量差动电流匹配相适应的差动保护动作特性，以进行差动保护动作信号输出控制。

第三方面，本发明还提供了一种适用于直流配电网的差动保护系统，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行前述任一项所述方法的步骤。

第四方面.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明提供的适用于直流配电网线路的差动保护方法及系统所达到的有益效果至少包括：

利用电流变化量差动电流只有在线路故障时才产生的这一特性进行差动保护动作控制，无需考虑实时采样值的采样误差，能够明显提高直流配电网线路故障时尤其是双极短路故障时的差动保护动作的可靠性；

根据电流变化量差动电流匹配相应的差动保护动作特性，可以针对单极接地故障和双极短路故障分别设置相适应的动作延时，有助于提高单极接地故障的灵敏性及双极短路故障切除的快速性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种适用于直流配电网线路的差动保护方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的直流配电网线路发生正极接地故障时线路两侧差动保护的电流波形图；

图3是根据图2求得的正极接地故障时刻正极电流变化量差动电流波形图；

图4是根据图2求得的正极接地故障时刻正极电流变化量制动电流波形图；

图5是本发明实施例提供的直流配电网线路发生双极短路故障时线路两侧差动保护的电流波形图；

图6是根据图5求得的双极短路故障时刻正极电流变化量差动电流波形图；

图7是根据图5求得的双极短路故障时刻正极电流变化量制动电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在直流配电网线路中差动保护以安装在一条直流配电网线路的本侧及对侧为一对，通过直流配电网线路两侧开关处安装的电流采集模块实现瞬时电流采样。直流配电网线路两侧差动保护通过光纤通道进行数据交互彼此的信息。

本发明实施提供的适用于直流配电网线路的差动保护方法是基于前述的直流配电网线路结构实现的，如图1所示，该方法包括如下步骤：

采集直流配电网线路本侧差动保护装置和对侧差动保护装置的瞬时电流值，计算直流配电网线路同一侧差动保护的电流变化量；

根据两侧差动保护的电流变化量计算电流变化量差动电流；

依据电流变化量差动电流匹配相适应的差动保护动作特性，以进行差动保护动作信号输出控制。

本发明实施例提供的差动保护方法利用电流变化量差动电流只有在线路故障时才产生的这一特性进行差动保护动作控制，无需考虑实时采样值的采样误差，能够明显提高直流配电网线路故障时尤其是双极短路故障时的差动保护动作的可靠性；根据电流变化量差动电流匹配相应的差动保护动作特性，可以针对单极接地故障和双极短路故障分别设置相适应的动作延时，有助于提高单极接地故障的灵敏性及双极短路故障切除的快速性。

其中，所述瞬时电流值可以是差动保护的正极瞬时电流值，也可以是负极瞬时电流值。但需要说明的是，两侧差动保护瞬时电流值的采样时刻应保持同步，进而保证两侧差动保护的电流变化量也为同一时刻计算得到。以t时刻为例，本发明实施例中电流变化量采用下述方程计算获取：

δi(t)＝i(t)-i(t-t)(1)

式中：δi(t)表示直流配电网线路同一侧差动保护t时刻相对于t-t时刻的电流变化量；i(t)表示直流配电网线路t时刻差动保护正极或负极的瞬时电流值；i(t-t)表示直流配电网线路t-t时刻差动保护正极或负极的瞬时电流值；t表示预设的时间间隔，考虑到t应该大于直流配电网发生故障时电流畸变持续时间，在本发明实施例中，t可以取5毫秒。

为了不仅能够实现对单极接地故障的差动保护，也能够实现对双极短路故障的差动保护，本发明实施例针对双极短路故障设置了高动作值特性，针对单极接地故障设置了低动作值特性。所谓高动作值特性，是指在采样序列中有连续n个采样点满足相应的电流变化量差动保护动作方程，则经过延时th输出电流变化量差动保护的动作信号，其中：n大于4。所谓低动作值特性是指在采样序列中有连续m个采样点满足相应的电流变化量差动保护动作方程，则经过延时tl输出电流变化量差动保护的动作信号，其中：m大于5且m大于n。满足高动作值特性时的动作延时th小于满足低动作值特性时的动作延时tl，在本发明实施例中th取值为1ms,tl取值为5ms。

不论是高动作值特性还是低动作值特性均采用下述电流变化量差动保护动作方程：

其中：δidφ表示电流变化量差动电流，δidφ＝|δimφ+δinφ|；δirφ表示电流变化量制动电流，δirφ＝|δimφ-δinφ|；δimφ表示直流配电网线路本侧差动保护装置的电流变化量；δinφ表示直流配电网线路对侧差动保护装置的电流变化量；k表示与动作值特性对应的比率制动系数，以kh表示高动作值特性的比率制动系数，以kl表示低动作值特性的比率制动系数，在本发明实施例中kh值可以取0.3，kl的值取0.1；iset表示与动作值特性对应的动作值，以iseth表示高动作值特性对应的动作值，isetl表示低动作值特性对应的动作值，iseth值可以取1.2倍in，isetl的值可以取0.12倍in，in为直流配电网额定电流一次值。iseth和kh的取值用于灵敏反映直流配电网线路上发生双极短路故障。isetl和kl的取值用于灵敏反映直流配电网线路上发生电气量变化不明显的单极接地故障。

下面分别采用正极接地故障和双极短路故障来说明本发明实施例提供的差动保护方法的有效性：

如图2所示，直流配电网线路上发生正极接地故障后，两侧差动保护均能够通过正极电流反映出故障特征，并且本侧差动保护装置正极电流和对侧差动保护装置正极电流均有增大、值约60a的变化量。基于公知的电路叠加原理，可以推断本侧差动保护装置正极电流和对侧差动保护装置正极电流的变化量即为正极接地故障产生的故障电流。使用公式(1)计算求得两侧差动保护正极电流变化量差动电流和制动电流后并代入公式(2)所示的差动保护方程计算，求得的正极电流变化量差动电流和制动电流分别如图3、图4所示。可以发现，正极电流变化量差动电流在发生故障后迅速增大，并且其值连续地大于设定的低动作值isetl＝60a(图3中水平虚线表示低动作值60a)，并且由于正极电流变化量制动电流其值较小，差动电流大于低动作值后其比率制动系数也满足方程，符合采样序列中有连续m个采样点满足方程的条件。因此经tl＝5ms延时后，输出电流变化量差动保护动作信号，该差动保护动作信号可以是用于控制相应断路器执行跳闸动作的开关量信号。

直流配电网线路上发生双极短路故障的分析与正极接地故障类似。两侧差动保护均在正极电流采样反映出了故障特征，如图5所示。本侧正极电流和对侧正极电流均有极明显的增大。使用公式(1)计算求得两侧正极电流变化量差动电流和制动电流后并代入公式(2)的差动保护方程计算。求得的正极电流变化量差动电流和制动电流分别如图6、图7所示。可以发现，正极变化量差动电流在发生故障后迅速增大，并且其值连续地大于设定的高动作值iseth＝600a(图6中水平虚线表示高动作值600a)，并且由于正极电流变化量制动电流其值较小，所以在差动电流大于高动作值后其比率制动系数也满足方程，符合连续n个采样序列之中，有连续n个采样点满足方程的条件。经th＝1ms延时后，输出电流变化量差动保护动作信号，同样的，该差动保护动作信号也可以是用于控制相应断路器执行跳闸动作的开关量信号。

本发明实施例还提供了一种适用于直流配电网的差动保护系统，所述系统包括：

采样模块：用于采集直流配电网线路本侧差动保护装置和对侧差动保护装置的瞬时电流值；

计算模块：用于计算直流配电网线路同一侧差动保护的电流变化量；

确定模块：用于根据两侧差动保护的电流变化量确定电流变化量差动电流；

匹配控制模块：用于依据电流变化量差动电流匹配相适应的差动保护动作特性，以进行差动保护动作信号输出控制。

本发明实施例提供的差动保护系统能够用于实现前述的差动保护方法，例如计算模块可以配置为采用下述方程计算电流变化量：

δi(t)＝i(t)-i(t-t)

式中：δi(t)表示直流配电网线路同一侧差动保护t时刻相对于t-t时刻的电流变化量；i(t)表示直流配电网线路t时刻差动保护正极或负极的瞬时电流值；i(t-t)表示直流配电网线路t-t时刻差动保护正极或负极的瞬时电流值；t表示预设的时间间隔。

本发明实施例还提供了一种适用于直流配电网的差动保护系统，同样也能够用于前述的差动保护方法，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行前述任一项所述方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。

综上，本发明实施例提供的差动保护系统及计算机可读存储介质，在执行前述的差动保护方法时，能够通过电流变化量进行差动保护动作控制，可以对直流配电网线路上发生故障电流量变化不明显的单极接地故障进行可靠、快速动作，大幅度提高了直流配电网线路差动保护的灵敏性；对直流配电网线路上发生电气量变化剧烈的双极短路故障也可以做到灵敏判别并可靠快速动作。

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系统。

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系统的制造品，该指令系统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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。