一种用于直流配电系统短路故障的保护方案

摘要

本发明涉及电力系统继电保护领域，涉及一种用于直流配电系统短路故障保护方案，该方案：①如果直流电压突变量超过整定值，启动母线和线路保护；②母线保护启动后，若差动电流大于差动保护电流整定值，则母线保护动作，跳开所有电源侧的直流断路器；③线路保护启动后，若线路电流大于瞬时速断保护电流整定值，或者是在保护启动一段时间后，线路电流仍大于限时速断保护电流整定值，则判断该线路发生故障，立即断开该故障线路上的直流断路器。本发明具有保护原理简单，故障时快速性好、可靠性高的优点。

说明书

所属技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及用于直流配电系统短路故障的保护方案。

背景技术

智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。 智能电网未来发展方向主要集中在配电网，国际上正在积极开展配电网领域前瞻性研究。

目前越来越多的家用电器和办公电器基于电子产品，其最终用电形式是直流，如手机、液晶显示器、 计算机、电动汽车等；日益增多的家用负荷和工业负荷为提高效率采用变频技术，这些负荷可视为间接直 流负荷。同时部分基于可再生能源的分布式发电产生的电力是直流，如光伏发电、燃料电池发电。因而便 产生了一种提高效率和减少能耗的天然解决方法——使用直流配电系统。随着现代电力电子技术的快速发 展，应用于直流配电的换流元件已日趋成熟；同时直流配电系统具有电能质量高、可靠性高、经济性好、 传输容量大、电能损耗低、拓扑结构简单和适应分布式电源(Distributed Generator，DG)接入等优点。

作为直流配电系统发展的关键技术之一，继电保护技术起着保证直流配电系统安全可靠运行的作用。 目前，已有的直流配电系统保护研究主要是侧重于宏观上探索保护技术，未见深入到具体系统级别的研究， 特别是针对直流线路和直流母线保护方案。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于直流配电系统短路故障的保护方案。为了克服现有技术的不足，本发明 提供一种用于直流配电系统的保护方案，该保护方案使用的保护原理简单，故障时快速性好、可靠性高， 同时保证上级交流系统故障、下级直流配电线路或交流配电线路最严重故障情况下，保护不误动，为直流 配电系统的安全可靠运行提供技术支撑。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明的技术方案如下：

一种用于直流配电系统短路故障保护方案，该方案利用分布式电源出口和直流母线保护安装处采集到 的直流电压、直流电流信息，并基于直流断路器实现，具体为：

①如果直流电压突变量Δu超过整定值Δu_set，启动母线和线路保护；整定原则是保证躲开直流电压最大 波动值；

②母线保护启动后，若差动电流I_d，即所有与直流母线相连的直流断路器电流总和的相反数，大于差 动保护电流整定值I_{bus_set}，则母线保护动作，跳开所有电源侧的直流断路器；

③线路保护启动后，若线路电流I大于瞬时速断保护电流整定值I_{set_1}，或者是在保护启动一段时间t_set后，线路电流I仍大于限时速断保护电流整定值I_{set_2}，则判断该线路发生故障，立即断开该故障线路上的 直流断路器。

④针对分布式电源的存在形成两端供电的情形，本保护方案增设反向电流保护，一旦线路电流I达到 一定反向裕度值ε,则立即断开该侧线路上的直流断路器。

作为优选实施方式，步骤②的差动保护电流整定值I_{bus_set}的整定原则是躲开正常和区外故障时各电流 互感器最大误差绝对值总和。步骤③里，I_{set_1}的整定原则是保证在短路电流上升期间发出跳闸指令，I_{set_2}和t_set的整定原则是保证线路末端短路故障后系统达到稳态时，保护仍能启动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：直流母线和直流负载线路故障时，保护系统能够快速且可 靠发出跳闸指令；在分布式电源连接至直流母线的直流线路发生故障时，为满足保护选择性要求，保护系 统能够在较长一段时间，比如20ms内发出可靠的跳闸指令；而交流大系统发生故障和下游交流侧、直流 侧故障均能够可靠闭锁、不误动，保证了保护系统的可靠性、速动性、选择性和灵敏性。

附图说明

图1是直流配电系统测试模型拓扑结构图；

图2是短路故障时暂态直流电压、直流电流波形示意图；

图3是直流配电系统的保护方案流程图，(a)DG出口保护安装处，b)为直流母线保护安装处。

具体实施方式

典型直流配电系统拓扑结构图如附图1所示，使用110kV交流大系统作为主要供电电源，经过 110/6.3kV变压器和整流器组成的配电换流站整流成10kV直流电，直接连接到10kV直流母线上；同时分 布式电源通过直流电缆连接至直流母线，向系统输送电能；负载通过直流电缆连接至直流母线，系统模型 中存在三种负载，分别是中压直流负载、低压交流负载和低压直流负载。其中对低压直流负载和低压交流 负载供电需要有电压变换装置，即DC/DC变换器和逆变器。

本发明的技术方案如下：

利用分布式电源出口和直流母线等保护安装处采集到的直流电压、直流电流信息，并基于快速直流断 路器，使用电压突变量原理作为直流母线和直流线路的故障启动元件，差动电流保护原理作为直流母线保 护，两段式电流保护(瞬时电流速断保护和限时电流速断保护)作为直流线路保护。具体为：

①如果直流电压突变量Δu超过整定值Δu_set(即Δu>Δu_set)，启动母线和线路保护；整定原则是保证躲开 直流电压最大波动值。

②母线保护启动后，若差动电流I_d(所有与直流母线相连的直流断路器电流总和的相反数)大于差动 保护电流整定值I_{bus_set}(即I_d>I_{bus_set})，则母线保护动作，跳开所有电源侧的直流断路器；整定原则是躲开 正常和区外故障时各电流互感器最大误差绝对值总和。

③线路保护启动后，若线路电流I大于瞬时速断保护电流整定值I_{set_1}，或者是在保护启动t_set后，线路 电流I仍大于限时速断保护电流整定值I_{set_2}(即I>I_{set_1}，或者I>I_{set_2}且t>t_set)，则均立即断开该故障线路上 的直流断路器；I_{set_1}的整定原则是保证在短路电流上升期间发出跳闸指令，I_{set_2}和t_set的整定原则是保证线 路末端短路故障后系统达到稳态时，保护仍能启动。

④针对分布式电源的存在形成两端供电的情形，本保护方案增设反向电流保护，一旦电流I达到一定 反向裕度值ε(即I>ε),则立即断开该侧线路上的直流断路器。

本发明提供用于直流配电系统短路故障的保护方案，具体可以包括以下步骤：

步骤1：设置保护安装处；

步骤2：启动元件动作；

步骤3：确定直流线路短路故障或者是直流母线故障，并断开直流断路器。

所述步骤1中，保护安装处设置在直流配电系统中直流母线处和分布式电源出口处，实时采集直流电 压u和直流电流i信息。

所述步骤2中，根据采集的保护安装处直流电压u信息，实时计算出直流电压突变量Δu。如果计算出 的Δu连续两次超过保护启动的直流电压突变量整定值Δu_set，则启动故障判别程序，进入步骤3；否则保护 故障判别程序不启动。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：这一步骤为直流母线故障判别。本方案采用以基尔霍夫电流定律为理论依据的差动保护作 为直流母线主保护。定义差动电流等于所有与直流母线相连的直流断路器电流总和的相反数。若差动电流 I_d大于差动电流保护整定值I_{bus_set}，则母线保护动作，跳开所有电源侧的直流断路器。

步骤3-2：这一步骤为直流线路故障判别。本方案采用瞬时电流速断保护与限时电流速断保护相结合 的两段式电流保护作为直流线路主后备保护。若线路电流I大于瞬时速断保护电流整定值I_{set_1}，或者大于 限时速断保护电流整定值I_{set_2}的持续时间超过整定值t_set，则线路保护动作，跳开相应线路上的直流断路器。 此外，某些支路在双端电源(直流配电系统交流主电源和分布式电源)作用下，线路故障时线路一侧电流 会出现反向。基于此，本方案增设线路电流反向保护；若线路电流I大于反向电流裕度ε，则线路电流反向 保护动作，断开该侧线路的直流断路器。

将本发明提供的直流配电系统直流母线和线路短路故障的保护方案应用在如附图1所示直流配电系统 测试模型上，进行实例验证。

本发明使用电磁暂态仿真软件PSCAD搭建该实例模型，稳态运行时，系统各电气量如表1所示。

表1直流配电系统电气量

基于如附图2所示的短路故障时暂态直流电压、直流电流波形示意图，本发明制定了如附图3所示的 直流配电系统的保护方案流程图。结合保护四性要求和保护方案参数整定原则，本发明如表2所示设置保 护动作判据中各参数整定值。

表2直流配电系统参数整定值

在PSCAD模型中设置八种短路故障，分别是直流线路1-4短路故障(F1-F4)、直流母线故障(F5)， 高压交流系统三相短路(F6)、低压负荷交流系统三相短路(F7)、低压负荷直流系统短路(F8)，如附图 1所示。将故障前后直流电压、直流电流的数据输入到由MATLAB编程实现的故障判据中，得出以下结论：

(1)保护方案中故障启动元件非常灵敏，在直流母线和直流线路发生故障时，启动元件能在1ms内 启动母线和线路保护。

(2)直流母线和直流线路(负载线路)故障时，保护系统能够在3ms内可靠发出跳闸指令；而在DG 连接至直流母线的直流线路(电源线路)发生故障时，为满足保护选择性要求，保护方案增大了电流整定 值，间接牺牲了保护动作时间，但仍然能够在20ms内可靠发出跳闸指令。

(3)交流大系统发生故障和下游交流侧、直流侧发生故障时，保护系统能够可靠闭锁、不误动。

通过PSCAD和MATLAB仿真验证，验证了保护方案能够满足保护可靠性、速动性、选择性和灵敏性 要求，证实了直流配电系统保护方案的可行性。

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，尽管参照上述实施例对 本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。