一种中压直流配电网保护控制系统及方法

摘要

本发明公开一种中压直流配电网保护控制系统，包括直流保护装置和故障恢复系统，直流保护装置包括配置于中压直流配电网母线的直流母线差动保护装置、配置于环网电缆的直流线路差动保护装置和配置于馈出线的直流馈线保护装置，故障恢复系统与换流站一一对应设置，用于执行故障后供电恢复的功能；所述换流器始端配置断路器，其余配置负荷开关；各直流保护装置之间采用点对点光纤进行通信，换流器、电力电子变压器、断路器、负荷开关、直流保护装置、故障恢复系统之间构建GOOSE网以进行相互之间的通信。此种系统采用差动保护作为主保护，并采用线路始端配置断路器、其余配置负荷开关的方案，节省投资。本发明还公开一种中压直流配电网保护控制方法。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统直流配电网领域，特别涉及一种中压直流配电网保护控制系统及方法。

背景技术

目前中压直流配电网处于探索阶段，选择何种类型的换流器、采用伪双极还是真双极的运行方式、联接变接地方式的选择、断路器以及负荷开关的技术性能以及相互之间的配合、单极接地故障的处理、一二次设备的通信协议以及相互之间的通信网络、故障隔离与故障恢复的方法等都不成熟，本发明针对这些问题提出了解决方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种中压直流配电网保护控制系统及方法，采用差动保护作为主保护，并采用线路始端配置断路器、其余配置负荷开关的方案，节省投资。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种中压直流配电网保护控制系统，所述中压直流配电网由多个换流站构成，采用伪双极的运行方式，支持闭环运行和开环运行；换流器始端配置限流电抗器；分布式电源和直流负荷分别通过电力电子变压器接入中压直流配电网；所述保护控制系统包括直流保护装置和故障恢复系统，其中，直流保护装置包括配置于中压直流配电网母线的直流母线差动保护装置、配置于环网电缆的直流线路差动保护装置和配置于馈出线的直流馈线保护装置，故障恢复系统与换流站一一对应设置，用于执行故障后供电恢复的功能；所述换流器始端配置断路器，其余配置负荷开关；各直流保护装置之间采用点对点光纤进行通信，换流器、电力电子变压器、断路器、负荷开关、直流保护装置、故障恢复系统之间构建GOOSE网以进行相互之间的通信。

上述中压直流配电网在闭环运行时，将其中一套故障恢复系统作为主系统，其余均作为备用系统；所述保护控制系统在开环运行时，每一套故障恢复系统均独立运行。

换流器联接变中性点经过第一电阻接地，且换流器联接变中性点还依次经过开关、第二电阻接地，且第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值；所述中压直流配电网开环运行时，若发生单极接地故障，则发生单极接地故障的换流站投入第二电阻；所述中压直流配电网闭环运行时，若发生单极接地故障，则投入其中任意一个站的第二电阻。

基于如前所述的中压直流配电网保护控制系统的方法，中压直流配电网发生双极短路故障时，包括如下步骤：

步骤1，由直流保护装置判断故障点；

步骤2，直流保护装置发命令给换流器始端配置的断路器，跳开线路；

步骤3，直流保护装置跳开故障点两端的负荷开关，隔离故障；

步骤4，由故障恢复系统恢复供电。

上述步骤2的具体内容是：

步骤21，判断出故障点的直流保护装置向换流器始端配置的断路器发出跳闸命令，断开电源；

步骤22，分布式电源处的电力电子变压器闭锁，断开分布式电源。

上述步骤4的具体内容是：

步骤41，在步骤3隔离故障后，直流保护装置将故障隔离的信息发送给故障恢复系统；

步骤42，故障恢复系统在接收到故障隔离的信息后，命令换流器始端配置的断路器合上，恢复换流器电源；

步骤43，故障恢复系统命令换流站之间的联络开关合上；

步骤44，故障恢复系统命令分布式电源处的电力电子变压器重启，恢复分布式电源；

步骤45，负荷侧的电力电子变压器检测到中压侧电压恢复正常后重启，恢复负荷侧正常供电。

发生单极接地故障时，包括如下步骤：

步骤A，中压直流配电网发生单极接地故障时，由直流保护装置判断故障点；

步骤B，直流保护装置直接跳开故障点两端的负荷开关进行隔离故障，然后恢复正常运行。

采用上述方案后，本发明具有以下改进：

(1)由于直流断路器价格较高，全部配置直流断路器经济型较差，不具备可推广性，所以本发明提出了线路始端配置直流断路器、其余配置负荷开关，双极短路故障时，故障时先跳开线路始端的断路器，然后由负荷开关隔离故障的处理方法，大大节省了投资；

(2)由于换流器较脆弱，配电线路发生故障时，换流器会很快闭锁，时间最快只要几百个微秒，并且配电网线路较短，各处的故障电流相近，通过时间以及故障电流的级差配合难以实现故障的选择性，采用差动保护可以准确定位故障点，故障隔离和故障恢复的策略比较容易实现，并且对于单极接地故障由于故障电流较小，采用差动保护也可以提高灵敏度，所以本发明采用灵敏度较高并且定位准确的差动保护作为系统的主保护；

(3)由于只有线路始端配置直流断路器、其余配置负荷开关，双极短路时，故障电流较大，直流保护不能直接跳开负荷开关，所以本发明提出了双极短路时，由差动保护定位故障点后发命令跳开线路始端的断路器，然后再跳开负荷开关隔离故障的方法，很好地解决了此问题；

(4)对于伪双极线路，发生单极接地故障时，会发生双极电压不平衡，故障电流会很小，如果采用电压不平衡作为主保护，不能进行故障定位，因此本发明提出了联接变中性点并联小电阻，并且采用灵敏度较高的差动保护，进行单极接地故障的故障隔离的方法；

(5)由于单极接地故障时，系统能够短时正常运行，并且由于故障电流较小，可以由差动保护直接跳开负荷开关隔离故障，故障隔离以后故障恢复，基本不影响系统正常运行，由于大部分的故障是单极接地故障，所以此方法可以提高供电可靠性；

(6)换流器、电力电子变压器、断路器、负荷开关、直流保护装置、故障恢复系统之间需要通信，本发明提出了采用GOOSE作为通信协议的思路。

(7)对于双极短路故障，先跳开断路器切除故障再由负荷开关隔离故障的处理方法，对于单极接地故障，提出了直接由负荷开关隔离故障的处理方法，兼顾了故障隔离与故障恢复的效率的同时大大节省了投资，为中压直流配电网的建设提供了一种切实可行的技术方案。

附图说明

图1是本发明的系统架构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种中压直流配电网保护控制系统，从如下方面进行介绍：

1、运行方式

中压直流配电网由两个换流站H1、H2构成，采用伪双极的运行方式，支持闭环运行、开环运行。

2、系统的接地方式

换流器联接变中性点经过阻值较大的电阻接地，中性点经过开关串联一个阻值较小的电阻Z1、Z2。

开环运行，当发生单极接地故障时，发生单极接地故障的换流站投入并联小电阻。

闭环运行，当发生单极接地故障时，投入H1换流站小电阻Z1或者H2换流站小电阻Z2。

3、一次设备的配置

中压直流配电网由两个换流站H1、H2构成，支持闭环运行以及开环运行的方式；换流器的首端配置限流电抗器X1、X2；换流器的首端配置断路器D1、D2，其余开关配置负荷开关；分布式电源通过电力电子变压器DB1接入中压直流配电网；直流负荷通过电力电子变压器DB2和DB3接入中压直流配电网。

4、直流保护

中压直流配电网母线配置直流母线差动保护装置MB11，保护范围为相应的母线；环网电缆配置直流线路差动保护装置XB111、XB112、XB211、XB212，保护范围为相应的环网电缆；馈出线配置直流馈线保护装置K11、K12、K21，保护范围为相应的馈线。

采用联接变中性点并联小电阻的方式解决单极接地故障问题。单极发生故障时，检测到电压不平衡后投入联结变中性点小电阻，增大故障电流，通过直流差动保护进行故障隔离。

对于单极接地故障，由于故障电流较小，系统能够短时正常运行，直流差动保护直接跳开故障点两端的负荷开关隔离故障后，故障恢复。

对于单极接地故障，由于故障电流较小，系统能够短时正常运行，直流差动保护并且直接跳开故障点两端的负荷开关或者断路器直接进行故障隔离，然后故障恢复。

对于配电直流线路双极短路故障，由于故障电流较大，直流保护定位故障后发命令给换流器出口处的断路器跳开线路，然后由直流保护跳开故障点两端的负荷开关隔离故障，最后由故障恢复系统恢复供电。

5、故障恢复系统

换流站H1配置故障恢复系统GH1，换流站H2配置故障恢复系统GH2，执行故障后供电恢复的功能。

闭环运行时，两套故障恢复系统一主一备。

开环运行时，每套独立运行。

6、通信网络

直流线路差动保护之间采用专用点对点光纤进行通信。

换流器、电力电子变压器、断路器、负荷开关、直流保护装置、故障恢复系统之间构建GOOSE网用以相互之间的通信。

本发明还提供一种中压直流配电网保护控制方法，包含双极短路故障的处理方法和单极接地故障的处理方法，其内容分别是：

双极短路故障的处理方法：

双极短路故障时，由于故障电流较大，需要先由直流保护定位故障，然后发命令给换流器出口处的断路器跳开线路，然后由直流保护跳开故障点两端的负荷开关，隔离故障，最后由故障恢复系统恢复供电。

单极接地故障的处理方法：

采用联接变中性点并联小电阻的方式解决单极接地故障问题。单极发生故障时，检测到电压不平衡后投入联结变中性点小电阻，增大故障电流，通过直流差动保护进行故障隔离；

单极接地故障时，由于故障电流较小，系统能够短时正常运行，直流差动保护直接跳开故障点两端的负荷开关隔离故障后，故障恢复。

1、开环运行时双极短路故障的故障隔离与故障恢复的步骤(闭环运行时故障隔离与故障恢复的步骤类似)：

步骤1：中压直流配电网在f1点发生双极短路故障时，由直流线路差动保护装置XB111和XB112判断故障点；

步骤2：直流线路差动保护装置XB111发命令给断路器D2跳闸，断开半桥端电源；

步骤3：光伏分布式电源处的电力电子变压器DB1闭锁，断开分布式电源；

步骤4：直流保护装置跳开故障点周围的负荷开关F1，隔离故障；

步骤5：直流保护将故障隔离的信息发送给故障恢复系统GH1；

步骤6：故障恢复系统GH1在接收故障隔离的信号后，发命令给断路器D1合上，恢复半桥端电源；

步骤7：故障恢复系统GH1发命令合上联络开关F4；

步骤8：故障恢复系统发命令给分布式电源处的电力电子变压器DB1重启，恢复分布式电源；

步骤9：电力电子变压器DB2检测到中压侧电压恢复正常后重启，恢复极间电圧、负荷侧正常供电。

2、开环运行时单极接地故障的故障隔离与故障恢复的步骤(闭环运行时故障隔离与故障恢复的步骤类似)：

步骤1：中压直流配电网f1点发生单极接地故障时，由直流线路差动保护装置XB111和XB112判断故障点；

步骤2：由于故障电流较小，直流配电系统能够短时运行，直流线路差动保护装置XB111和XB112跳开故障点两端的断路器D1和负荷开关F1进行隔离故障，然后系统恢复正常运行。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。