一种基于单端量前加速保护的故障重启方法

技术领域

本发明属于直流配电网继电保护技术领域，提供了一种基于单端量前加速保护的故障重启方法。

背景技术

为了进一步增强城市就地消纳可再生能源的能力，降低对化石能源的依赖。中压直流配电网(medium voltage direct current，MVDC)因易于实现分布式能源接入、便于和储能配合、损耗低、电能质量高的优势成为解决以上需求的最佳途径。如何将柔性直流工程运行经验和理论知识相结合，达到为城市用户提供清洁、高质量电能的目标是目前待解决的难点之一。

直流配电网是高渗透率电力电子配电网，相比传统交流配电网，其系统形态发生改变，故障在时空传播也产生新特征。一旦直流侧线路发生短路故障，短路电流在几个毫秒内可以达到额定电流数倍乃至数十倍。连接交直流电网换流器主要由绝缘栅门极晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT)组成，电力电子器件的低耐流能力仍然是阻碍器件发展的根本原因之一。为降低IGBT承受过渡的故障电流应力，对直流线路保护提出了更高要求；目前配电网保护通信可靠性还存在质疑，有绝对选择性的纵联保护可能存在拒动现象；综合来看，现有的直流配电线路存在不能快速精确的判断故障区段，且依赖线路通信造成灵敏度低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单端量前加速保护的故障重启方法，解决了现有直流配电线路不能快速精确的判断故障区段，且依赖线路通信造成灵敏度较低的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种基于单端量前加速保护的故障重启方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1、实时电压采集：在线路发生故障的情形下，合闸靠近功率送端的直流断路器，采集线路的电压；

步骤2、故障类型判断：将采集的电压瞬时值求和，然后判断配电系统线路上的故障属于永久性故障还是瞬时性故障；

步骤3、再次合闸靠近功率受端的直流断路器，采集线路电压并重复步骤2；

步骤4、计算故障电流暂态能量：满足步骤2和步骤3条件的前提下，将保护装置处的故障电流的电气量利用小波变换得到固定频段的故障电流暂态能量；

步骤5、故障区域判断：将计算得到的各段线路的故障电流暂态能量与整定值作比较，若大于该段线路的整定值则判断该段线路发生故障；

步骤6、启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障。

本发明的特点还在于，

在步骤2中，判断是否发生永久性故障时，判断依据为正负极电压是否满足下公式(1)：

其中，U

若满足则判断发生永久性故障；反之，则为瞬时性故障；。

在步骤4中，小波变换采用小波作为基函数，进行四层小波分解法提取故障信号特征量，得到固定频段的故障电流暂态能量。

在步骤4中，故障电流暂态能量的表达式如下公式(2)：

其中，f为采样频率200kHz，i为第i个时间窗，N

其中，

其中，c为尺度因子，d为平移因子，ψ(t)为小波函数，t为时间，S为故障电流信号。

在步骤1中，当直流断路器合闸后，对于永久性故障此时故障回路等效为RLC二阶振荡电路，得到故障电流的振荡频率如下公式(4)：

在步骤5中，直流输电线路包括四段线路，四段线路分别相连且有与之对应的线路保护装置，保护装置动作的条件如下公式(5)和(6)：

E

E

E

本发明的有益效果是：本发明一种基于单端量前加速保护的故障重启方法，基于本地信息的单端量保护,为了提升速动性，引入交流配电网前加速保护思想，第一步动作利用限流电抗器构造边界保护，给对应的DCCB下发指令切除整条故障线路；第二步针对永久性极间故障，提出一种故障重启新方法；

本发明通过有顺序地重合线路功率送受两端断路器，得到固定时间窗内电压瞬时值之和及小波变换得到故障电流暂态能量，能够快速、精确的判断故障区段，且不需要线路通讯就能够可靠动作，灵敏度高，非常适合直流配电系统线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。

附图说明

图1是本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法的流程图；

图2是本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法的含多端线路的四端柔性中压直流配电网示意图；

图3是本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法中故障时直流配电线路中的电流曲线；

图4是采用本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法中功率送端侧DCCB合闸后故障回路示意图；

图5是采用本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法中功率受端侧DCCB合闸后故障回路示意图；

图6是本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法判别瞬时性故障和永久性故障的仿真结果；

图7是本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法在线路L142的f

图8是本发明一种基于单端量前加速重合闸保护的故障重启方法在噪声影响下的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明一种基于单端量前加速保护的故障重启方法进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于单端量前加速保护的故障重启方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，实时电压采集：在线路发生故障后，首先合闸靠近功率送端的DCCB(直流断路器)，此时该线路拆分为两个独立的辐射网络，如图4所示，采集送端侧3ms内的线路电压；

步骤2，故障类型判断：将采集的3ms电压瞬时值求和，若和值大于N

若满足则判断发生永久性故障，反之则为瞬时性故障。

步骤3，再次，合闸靠近功率受端的DCCB，此时故障回路如图5所示，采集受端侧3ms内的线路电压并重复步骤2。

步骤4，计算故障电流暂态能量：对于永久性故障此时故障回路等效为RLC二阶振荡电路，得到故障电流的振荡频率如公式：

电流频率主要受制于

将保护装置处的故障电流的电气量利用小波变换，采用db4小波作为基函数，进行4层小波分解法提取故障信号特征量，故障电流暂态能量的表达式为：

公式中，f为采样频率200kHz，i为第i个时间窗，N

c为尺度因子，d为平移因子，ψ(t)为小波函数，t为时间，S为故障电流信号。得到固定频段的故障电流暂态能量；

步骤5，故障区域判断：将计算得到的各段线路的故障电流暂态能量与整定值作比较，一条直流输电线路包括四段线路L141、线路L142、线路L143和线路144分别相连且有与之对应的线路保护装置，保护装置分别为A1、A2、A3、A4和B1、B2、B3、B4；保护装置动作的条件为：

E

E

E

步骤6，启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障。

下面通过具体的实施例对本发明一种基于单端量前加速保护的故障重启方法进行详细说明；

实施例1

在PSCAD中搭建了如图2所示的含多段线路的四端柔性中压直流配电网模型，电压等级为±100kV。该直流配电网由四条直流线路组成，分别为线路L14、L15、L16和L17，四条线路长度均为100km。每条线路被分为四段，以线路L14为例包含L141、L142、L143和L144，长度均为25km。各段线路上对应相连有线路保护装置，线路保护装置分别为A1、A2、A3、A4和B1、B2、B3、B4。直流配电网由四个换流器进行功率的传递，其中换流器MMCB2、MMCB3、MMCE1采用恒功率控制，换流器MMCF1采用恒压控制。

判断线路故障是否为永久性故障：

经过一定时间电弧去游离后，重合闸启动，DCCB合闸，本次仿真假设在图2中的线路L142中f

故障类型的判断条件如公式(1)，满足条件则可判断为发生永久性故障。

其中，U

仿真结果如图7所示，瞬时性故障电压攀升比较明显，永久性故障电压增长较为缓慢，根据不同故障情况下的电压情况可以正确识别瞬时性故障和永久性故障。

故障电流的暂态能量保护方法步骤如下：

步骤1、计算故障电流暂态能量：满足步骤永久性故障的前提下，将保护装置处的故障电流的电气量利用小波变换，采用db4小波作为基函数，进行4层小波分解法提取故障信号特征量得到固定频段的故障电流暂态能量；

步骤2、故障区域判断：选择线路末端极间故障下对应的故障电流暂态能量值，将步骤1中计算得到的各段线路的故障电流暂态能量与整定值作比较，若大于该段线路的整定值则满足条件，判断该段线路发生故障；反之则该段线路处于故障区域外。

步骤3、启动故障线路的保护装置动作，切断和排除故障。

小波变换求取故障电流暂态能量值：

设仿真的时间窗T为5ms，在固定时间窗内经db4小波变换后的低频系数平方和，可以表征固定频段的故障电流能量，各尺度下低频系数计算如公式(3)；

公式中，A

各尺度下低频系数的电流暂态能量表达式如公式(2)：

式中：E

利用小波变换的暂态能量保护整定方法：

1、在动作整定值上，选择线路末端极间故障下对应的故障电流暂态能量值作为该段线路的暂态能量整定值。

2、在动作时间上，在完成故障类型判别并判定为永久性故障后，进入故障区域判定环节，功率送端侧DCCB合闸后经过3ms计算电压瞬时值和判定为永久性故障，又经过5ms计算各段线路的电流暂态能量值与整定值进行判断，之后满足条件的保护装置动作。通过进行不同位置故障的仿真，得到多段线路各段整定值如表1所示：

表1各段线路故障电流暂态能量整定值

故障区域判别：

启动故障线路的保护装置动作，具体采用以下公式说明保护装置动作，动作的条件如式(5)和式(6)所示：

E

E

E

假设在线路L142的f1处发生永久性故障的仿真结果如图7所示，图7a为功率送端侧DCCB合闸后故障区域判别结果，图7b为功率受端侧DCCB合闸后故障区域判别结果，可以看出该方法可准确识别故障区域并且使得对应的保护装置动作。

不同位置故障瞬时性和永久性识别：

针对不同故障位置发生永久性和瞬时性故障情况下对保护方案进行测试，测试结果如表2所示：

表2不同位置极间故障瞬时性和永久性识别

从表中可以看出，在各段线路的不同位置设置瞬时性或永久性极间故障后，仍可正确识别故障类型。

比较理论计算判断的结果和PSCAD模型仿真的结果相同，比较，说明该保护方案可判断并有选择地切除故障线路。

不同位置故障时故障区域识别：

在线路L142的0km、5km、10km、15km、20km和25km处分别设置故障进行仿真，得到的仿真结果如表3所示：

表3不同位置极间故障区域识别

表中给出了线路不同位置发生故障时得到的各区段电流暂态能量值和保护装置动作状况，对比可知针对不同位置发生故障的情况该方法仍可正确识别并使保护装置动作。

以上大量PSCAD仿真测试结果显示，不同位置的极间故障。如果是瞬时故障在去游离之后可以迅速恢复供电，减少故障时间。如果是永久性故障，可以通过故障电流暂态能量可靠识别故障区域，有选择地切除对应的DCCB，降低故障对系统的危险性。

噪声对判别结果的影响：

在判别故障类型和故障区域的基础上，对故障区域识别分别做了信噪比为10、20、30、40、50dB和无穷大(∞即无噪声)的效果分析，噪声采用高斯白噪声。从图8分析发现，噪声无论10、20、30、40、50dB和无穷大，重合闸重启后，故障电流暂态能量值不随噪声发生改变，皆可正确识别故障区域L142。则可以认为本文提出的重合新方法具有很强的抗噪声的能力

本发明一种基于单端量前加速保护的故障重启方法，属于直流配电网继电保护技术领域。将故障线路从故障点分开成为两个独立的辐射网络，首先重合功率送端一侧断路器，经过固定延时后重合功率受端一侧断路器，利用合闸后采集到的电压与稳态电压的0.85倍作对比判断是否为永久性故障；在此基础上若为永久性故障两侧合闸后用各段线路上的故障电流暂态能量与整定值比较判断故障发生位置，能够快速、精确的判断故障区段，且不需要线路通信就能够可靠动作，灵敏度高，适合直流配电系统线路保护使用，有助于完善直流配电工程线路保护。