本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多端柔性中壓直流配電系統(tǒng)的直流線路繼電保護方法。

背景技術(shù)：

將基于電壓源換流器(voltagesourceconverter，vsc)的柔性直流技術(shù)引入城市配電網(wǎng)，可解決傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的一些問題，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1)將城市交流配網(wǎng)改造為柔性直流配網(wǎng)可以節(jié)省線路投資，而且還有電能質(zhì)量高、傳輸容量大、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好和電能損耗低等優(yōu)點；2)直流配電網(wǎng)不涉及頻率穩(wěn)定和無功功率問題；3)柔性直流配電網(wǎng)有利于分布式電源的接入。較之傳統(tǒng)交流配網(wǎng)，分布式電源并入直流配網(wǎng)可省去一級變換，減小了成本也降低了損耗，有利于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)；4)電動汽車、電子設(shè)備以及直流電機等直流負荷的應(yīng)用越來越多，使用直流可避免ac-dc變換器的使用，提高了電能使用效率。5)對傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢。如換流器能夠控制功率四象限運行，無換相失敗，諧波較少。當前，我國在深圳地區(qū)已建立了柔性直流配電系統(tǒng)示范工程，并初步對其電壓等級、技術(shù)架構(gòu)、控制和保護策略等進行了研究。

然而保護技術(shù)作為柔性直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前仍是阻礙柔性直流配電技術(shù)應(yīng)用的主要原因之一。相對于交流配電網(wǎng)，柔性直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式、故障特性等均有不同，傳統(tǒng)的交流配網(wǎng)的保護方式并不適用于直流配網(wǎng)。目前直流配電系統(tǒng)處于探索、研發(fā)階段，同時直流配電系統(tǒng)保護研究還沒有完全達到工程應(yīng)用的要求，尚無通過實踐驗證并被廣泛接受的系統(tǒng)保護方案，還有待直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善、保護標準的制定以及相應(yīng)配電保護理論的實踐反饋。

有文獻對直流配電網(wǎng)采用過流保護方案，但基于電流的保護在比較復(fù)雜的配網(wǎng)中由于相鄰區(qū)域的保護定值難以整定，且難以實現(xiàn)時間上的配合而應(yīng)用受限；另一方面，許多研究在涉及保護策略時沒有考慮到換流器拓撲結(jié)構(gòu)和接地方式對系統(tǒng)故障特性的影響。有文獻設(shè)計了針對柔性直流配電系統(tǒng)的測距式保護，距離保護做主保護時無法保護線路全長，且由于過渡電阻的影響難以計算出準確的故障距離。還有文獻將差動保護應(yīng)用于直流配電系統(tǒng)，但該方案需要同步比較兩端的電流值，由于直流故障的電流變化率很大，微小的時間差異會造成很大計算誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種多端柔性中壓直流配電系統(tǒng)的直流線路繼電保護方法，包括：包含主保護和后備保護；

所述主保護反映直流線路極間短路故障和經(jīng)小過渡電阻的單極接地故障，根據(jù)電流狀態(tài)矩陣識別故障類型和故障區(qū)間；

所述后備保護以電壓不平衡持續(xù)時間作為啟動判據(jù)，以保護安裝處的正、負極不平衡電流狀態(tài)矩陣判別故障區(qū)間并隔離故障。

所述方法根據(jù)主保護的開合信號和后備保護的開合信號確定直流斷路器處的動作信號，并發(fā)出相應(yīng)動作。

優(yōu)選的，所述主保護具體包括如下步驟：

s11，規(guī)定正極電流正方向和負極電流正方向；

s12，設(shè)定保護直流斷路器的電流閥值，并對所述電流閥值進行整定；

s13，定義并判斷每個保護裝置安裝處的電流測量元件的狀態(tài)；

s14，每個直流斷路器處的保護裝置向相鄰斷路器處的保護裝置傳遞電流測量元件狀態(tài)信號，由此形成電流狀態(tài)矩陣；

s15，根據(jù)同一線路上相鄰的兩個斷路器處的保護裝置的工作狀態(tài)信號判斷故障位置和故障類型；

s16，根據(jù)保護裝置動作策略控制相應(yīng)斷路器動作；

s17，計算保護動作時間。

優(yōu)選的，所述正極電流正方向為從保護裝置安裝處流向被保護直流線路，所述負極電流正方向的規(guī)定為從被保護直流線路流向保護裝置安裝處。

優(yōu)選的，所述故障類型包括正極接地故障、極間短路故障和單極接地故障。

優(yōu)選的，所述電流閥值包括正值電流的最大值和負值電流的最小值。

優(yōu)選的，所述后備保護具體包括如下步驟：

s21，設(shè)定保護啟動判據(jù)；

s22，設(shè)定故障定位和隔離策略，設(shè)定后備保護的動作時間；

s23，由判別矩陣判斷故障區(qū)間。

優(yōu)選的，所述步驟s22具體包括：

s221，計算后備保護的正值電流閥值和負值電流閥值，根據(jù)直流斷路器處流向故障點的故障電流，判斷每個保護裝置的電流測量元件的狀態(tài)；

s222，根據(jù)相鄰保護傳遞電流測量元件的狀態(tài)信息，構(gòu)造不平衡電流狀態(tài)矩陣，定義并根據(jù)后備保護的故障區(qū)間判定函數(shù)確定故障區(qū)間。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明針對多端柔性直流配電系統(tǒng)設(shè)計了一種新的保護方案。主保護保護線路極間短路故障和經(jīng)小過渡電阻的單極接地故障，其能根據(jù)電流狀態(tài)矩陣識別故障類型和故障區(qū)間，并在5ms內(nèi)將故障隔離。過渡電阻較大的單極接地故障對系統(tǒng)的破壞作用不大，但主保護可能出現(xiàn)檢測不到故障的情況，設(shè)計的后備保護用于解決該問題。后備保護以電壓不平衡持續(xù)一段時間作為啟動判據(jù)，以保護安裝處的正負不平衡電流狀態(tài)矩陣判別故障區(qū)間并隔離故障。

本發(fā)明的主保護不像差動保護那樣需要實時同步比較兩端的電流值，只需相鄰的兩個保護傳輸電流元件狀態(tài)信號值-1、0和1，降低了對通信系統(tǒng)的要求。后備保護只需電壓量判別是否發(fā)生故障，且不平衡電流計算的是同一保護處的正極電流和負極電流，不會因通信延時或不同步而產(chǎn)生誤差，因此不會對保護的正確判斷產(chǎn)生影響。

附圖說明

圖1是柔性直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是故障電路圖；

圖3a～3d是故障特性圖，其中，a為保護5正極電流示意圖，b為保護4、5、6處測得的正極電流示意圖，c為主保護和后備保護的故障區(qū)間判別函數(shù)圖，d為t2端口測得的電壓值示意圖；

圖4a～4b是母線④處故障故障示意圖，其中，a為區(qū)間識別函數(shù)示意圖，b為t2端口電壓示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對實施例作詳細說明。

本發(fā)明針對多端柔性直流配電系統(tǒng)的中壓直流線路，設(shè)計了配置直流斷路器隔離故障的繼電保護方案，包含主保護和后備保護。主保護反映直流線路極間短路故障和經(jīng)小過渡電阻的單極接地故障，其能根據(jù)電流狀態(tài)矩陣識別故障類型和故障區(qū)間，并在5ms內(nèi)將故障隔離。經(jīng)較大過渡電阻的單極接地故障對系統(tǒng)的破壞作用不大，但主保護可能出現(xiàn)檢測不到該故障的情況，因此設(shè)計了后備保護用于解決該問題。后備保護以電壓不平衡持續(xù)一段時間作為啟動判據(jù)，以保護裝置安裝處的正、負不平衡電流狀態(tài)矩陣判別故障區(qū)間并隔離故障。具體方案如下。

如圖1所示，是一種典型“手拉手”多端柔性直流配電系統(tǒng)。后文為清晰闡述，會結(jié)合圖1進行解釋。圖中對各端口進行了編號，其中t1和t2端口分別代表vsc1換流站和vsc2換流站，其與交流電網(wǎng)相連接；t3-t5與負荷側(cè)相連接，其中t3和t6與直流負荷相連接，t3負荷側(cè)連接有分布式電源，t6負荷側(cè)不含有分布式電源；t4和t5與交流負荷相連接，其中t5端口含分布式電源。中壓直流側(cè)直流斷路器的配置如圖1所示，1～10為中壓直流線路上的10處保護。

1.1保護配置

各直流支路的兩側(cè)安裝直流斷路器，并在斷路器對應(yīng)配置繼電保護裝置，裝置包含主保護和后備保護；每個保護裝置安裝處還配置電流、電壓測量裝置和通信裝置。每兩個相鄰的繼電保護裝置可保護它們之間的區(qū)域。

例如圖1中的保護裝置3和保護裝置4保護其間的直流線路，保護裝置4和保護裝置5保護母線②和該母線上聯(lián)接的負荷。t2端口處安裝有電壓測量裝置和通信裝置。

1.2主保護

首先，規(guī)定正極電流正方向為從保護裝置安裝處流向被保護直流線路，負極電流正方向的規(guī)定為從被保護裝置直流線路流向保護安裝處。

以圖2所示電路為例，其斷路器編號和電流正方向規(guī)定如圖2所示，其中k1～k4為假設(shè)的故障點，i5p、i6p分別為cb5p和cb6p處配置的保護裝置的正極電流正方向；i5n、i6n分別為cb5n和cb6n處配置的保護裝置的正極電流正方向。其它線路電流正方向的規(guī)定同理。

其次，設(shè)定保護裝置m的電流閥值ihm和ilm，其中ihm為電流正值的最大值，ilm為負值電流的最小值。并按如下原則整定ihm和ilm：

已知保護裝置m所在線路正常運行時最大電流的絕對值為inmax，則：

其中krel為可靠系數(shù)，可取1.2～1.5。

第三，定義每個保護裝置安裝處的電流測量元件有三種狀態(tài)，根據(jù)下式判斷：

其中，i為電流互感器測得的流過被保護線路的電流值；m為直流斷路器的編號1、2……10，t為直流斷路器的正負極，p(正極)和n(負極)。

第四，每個直流斷路器處的保護裝置向相鄰斷路器處的保護裝置傳遞電流測量元件狀態(tài)信號，并形成電流狀態(tài)矩陣。

如圖2中cb5p處的保護裝置將其運行狀態(tài)s5p傳遞給cb4p和cb6p處的保護裝置，cb4p和cb6p處的保護裝置也會將它們的工作狀態(tài)s4p和s6p傳遞給cb5p處的保護裝置。當k1點發(fā)生正極接地故障時，斷路器cb5p和cb6p處的保護裝置測得的電流為正向過流，而cb4p處保護裝置測得的電流為反向過流，因此有s5p＝s6p＝1，s4p＝-1。負極線路上由于只有線路電容形成的泄露電路，不會造成線路過流，因此s4n＝s5n＝s6n＝0。同理，當k3點發(fā)生極間短路時，保護裝置5和6處都會正向過流，即s4p＝s5n＝s6p＝s6n＝1，而cb4p和cb4n處保護裝置測得的電流反向過流，因此有s4p＝s4n＝-1。類似地，可得故障點k1～k6點直流斷路器的電流狀態(tài)矩陣如表1所示。

表1電流狀態(tài)矩陣

第五，故障定位和故障類型判別

同一線路上相鄰的兩個斷路器處保護裝置的工作狀態(tài)信號相乘可得3種結(jié)果：

令sm(m+1)t＝smt×s(m+1)t，對于中壓直流線路任意1處故障，以m和(m+1)處斷路器為例，有如下關(guān)系式：

則當sm(m+1)p＝1且sm(m+1)n＝0時，則表示m和(m+1)之間發(fā)生了正極接地故障；若sm(m+1)p＝sm(m+1)n＝1，則表示m和(m+1)之間發(fā)生了極間短路故障；若sm(m+1)p和sm(m+1)n都等于-1，則表示在m和(m+1)之外區(qū)間發(fā)生了極間短路故障，若sm(m+1)p和sm(m+1)n之中只有1個等于-1，另外一個為0，則取值為-1的那一極線路在m和(m+1)區(qū)間外發(fā)生了單極接地故障。

定義故障區(qū)間判別函數(shù)：

若sm(m+1)＝0，則保護裝置m和(m+1)之間的區(qū)域發(fā)生了故障；若sm(m+1)＝1，則保護裝置m和(m+1)之間的區(qū)域無故障。

第六，保護動作策略

定義bm為斷路器編號為m的那一組斷路器的開、合信號，如b4表示cb4p和cb4n的開合信號。

m+1號斷路器的開合信號為：

bm+1＝sm(m+1)(and)s(m+1)(m+2)(7)

即無論m+1號斷路器的左側(cè)還是右側(cè)發(fā)生了故障，該斷路器都會動作。

例如，1號斷路器和10號斷路器的開合信號為：

第七，保護動作時間

設(shè)從故障發(fā)生到故障完全隔離用時為ttotal，則ttotal包括故障檢測時間tdet和故障隔離時間tiso；tdet包括故障電流達到到閥值的時間tri和通信延時tdelay。

直流電容放電電流上升速度很快，一般有tri≤2ms，考慮到0.5ms的通信延時和2ms的直流斷路器動作時間，故障一般可在5ms內(nèi)被隔離。

1.3后備保護

上述保護能夠快速切斷極間短路故障電流和小電阻接地故障電流，但當接地故障的故障電阻較大時，會導(dǎo)致故障極過流不明顯，可能存在主保護拒動現(xiàn)象，為確保繼電保護系統(tǒng)的可靠性，本發(fā)明設(shè)置針對單極接地故障的后備保護。

1)保護啟動判據(jù)

單極故障發(fā)生后，盡管極間電壓保持穩(wěn)定，但正負極電壓出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象。本發(fā)明根據(jù)單極接地故障的不平衡特性作為后備保護的啟動判據(jù)，表示為：

其中vp為直流正極對地電壓，vn為直流負極對地電壓，vset是保護啟動的不平衡電壓閥值，vset設(shè)置的越小，保護的靈敏度越高。其值要考慮到正常運行時可能出現(xiàn)的不平衡量，一般情況下vset可設(shè)置為額定電壓的0.1～0.2倍，tset為不平衡電壓大于閥值所持續(xù)的時間，其取值應(yīng)考慮到主保護動作后不平衡電壓恢復(fù)正常所需要的時間。

2)定位和隔離策略

首先，系統(tǒng)正常運行和極間短路故障時保護裝置安裝處的正極電流和負極電流之差為零，但單極接地故障后，正極電流和負極電流不再平衡，正極電流和負極電流之差即為保護裝置安裝處向故障點流過的電流。對于任意一個保護安裝處m，有：

ifm＝imp+imn(10)

其中，ifm為保護裝置m處流向故障點的故障電流，imp和imn分別為該處的正極電流和負極電流。設(shè)定m處后備保護的正值電流閥值i′hm和負值電流閥值i′lm，其整定計算為：

其中k′rel為可靠系數(shù)，可取0.15～0.25。定義每個保護裝置的電流測量元件有三種狀態(tài):

其次，相鄰保護裝置傳遞電流測量元件的狀態(tài)信息，并形成不平衡電流狀態(tài)矩陣。

對于圖2所示的系統(tǒng)，當故障點發(fā)生在k1、k2、k4和k5處時，可得如下的不平衡電流狀態(tài)矩陣：

表2不平衡電流狀態(tài)矩陣

第三，由判別矩陣可知，若接地故障發(fā)生在保護裝置安裝處m和(m+1)處，則一定有cm×cm+1＝1，令：

cm(m+1)＝cm×cm+1(13)

定義后備保護的故障區(qū)間判定函數(shù)為：

可以根據(jù)s'm(m+1)的取值來判別故障區(qū)間，即若s'm(m+1)＝0，則表示故障發(fā)生在保護裝置m與(m+1)之間，反之則該區(qū)間無故障。

設(shè)定后備保護裝置m的開合信號b'm為：

例如當m＝1或10時有：

最終，保護裝置m處的動作信號trm由主保護的開合信號bm和后備保護的開合信號b'm經(jīng)“與”運算，即：

trm＝bm(and)b'm(18)

當trm＝0時，m處保護動作，當trm＝1時，m處保護不動作。

2仿真驗證

仍以圖1所示的多端柔性直流配電系統(tǒng)進行驗證。采用基于主從控制的單點電壓控制方式，t2端口采用定直流電壓控制，作為整個系統(tǒng)的平衡節(jié)點；t1端口采用定功率控制，作為整個系統(tǒng)的功率節(jié)點；t3-t6端口與負荷側(cè)相連，由于負荷波動，為維持負荷側(cè)電壓穩(wěn)定，t3-t6均采用定負荷側(cè)電壓控制。

直流電纜線路line1～line5的長度分別為2km、15km、10km、15km、2km，t1～t6端口中壓直流出口側(cè)均連接有大小為的限流電抗器，換流變壓器接地電阻的大小為，各換流站的電壓變換和容量如表3所示。

表3各換流站的電壓和容量

各保護裝置安裝處在正常情況下的最大運行電流如表4所示。

表4最大運行電流

2.1接地方案

系統(tǒng)的接地點有直流側(cè)電容接地點和換流變壓器接地點。

1)直流電容接地配置

直流正負極對稱運行，對直流側(cè)電容采用分裂電容中點直接接地，以確保正常運行時正負極電壓的對稱和平衡。

2)換流變壓器接地配置

t1和t2端口的換流變壓器換流器側(cè)經(jīng)電阻接地，t4和t5端口換流變壓器的換流器側(cè)采用δ接。

主保護的可靠系數(shù)krel取1.4，后備保護的可靠系數(shù)k'rel取0.2，tset設(shè)為10ms，vset取值1.5kv。

以保護裝置4、5、6處為例進行分析。根據(jù)公式可得保護裝置4、5、6處主保護和后備保護電流的閥值如表5所示。

表5電流閥值

表中數(shù)據(jù)單位為ka。在1s時刻，對保護裝置5和6之間線路的中點施加極間短路故障，圖3a給出了保護裝置5處測的的電流值的變化，并對比了不安裝保護裝置的情況下的電流值，由圖可知保護系統(tǒng)能在故障電流上升到最大值之前將其切除。

由圖3b可知，故障后保護裝置4處也測到了過電流，圖3c為主保護和后備保護的故障區(qū)間識別函數(shù)，該故障由主保護識別，并準確判定故障發(fā)生在保護裝置5和6之間。主保護在0.3ms檢測到故障，最終在故障后3.6ms完全將故障隔離。對其它處施加極間短路故障可同理分析。

2)單極接地故障

對保護裝置5和6之間的線路3施加正極接地故障，當過渡電阻為0.01ω和1ω時，主保護的故障區(qū)間判別函數(shù)均能夠在在0.4～0.5ms之間判別出故障區(qū)域在保護裝置5和6之間。保護裝置在故障發(fā)生后的3.5ms和3.4ms完全將故障隔離，由于能夠在極端的時間內(nèi)隔離故障，此時端口t2的電壓變化不明顯，并且很快恢復(fù)，后備保護不動作。當過渡電阻為10ω時，故障極的電流被限制在主保護閥值以內(nèi)而無法檢測到故障，但t2端口檢測到了不平衡電壓，若主保護不動作，不平衡電壓會滿足式判據(jù)，后備保護啟動，各保護裝置計算該保護裝置處的不平衡電流，最終由后備保護的故障區(qū)間判別函數(shù)判別出故障區(qū)間，并令故障兩端的直流斷路器動作。

3)故障位置對保護裝置的影響

上述故障點設(shè)在保護裝置5和6之間，距離t2端口電壓測量處較遠，使得單極接地故障發(fā)生后t2端口的不平衡電壓不明顯，在主保護動作的情況下，后備保護不再啟動。若故障點距離t2端口較近，如發(fā)生在母線④的正極線路上，此時保護裝置8、9的主、后備保護故障區(qū)間判別函數(shù)如圖4a所示，主保護裝置和后備保護都在故障后檢測到保護裝置8和9之間發(fā)生了故障。

此實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。