本發(fā)明涉及一種直流配電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域,尤其涉及一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法。
背景技術(shù):
近年來,城市的快速發(fā)展建設(shè)使傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)供電半徑擴(kuò)大,帶來了供電走廊緊張、城市中心供電不足等一系列問題。另一方面,電源與負(fù)載也發(fā)生了明顯變化,分布式電源以及直流負(fù)荷占比越來越高,但通過DC/AC變換器接入交流配電網(wǎng),不僅會(huì)影響電能質(zhì)量、降低電能使用效率,還會(huì)增加額外的投資建設(shè)成本。電力電子技術(shù)以及柔性換流技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了直流微網(wǎng),直流配電網(wǎng)的興起。相較于交流配電網(wǎng),直流配電網(wǎng)具有供電容量大、電能質(zhì)量好、可靠性高、投資成本少、適于可再生能源接入等一系列優(yōu)點(diǎn),因此成為近年來學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。然而,直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)直流側(cè)電容快速放電,要求保護(hù)在數(shù)毫秒內(nèi)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測(cè)、識(shí)別以及定位。傳統(tǒng)保護(hù)方案適應(yīng)性較差,并且保護(hù)設(shè)備不完善,給直流配電網(wǎng)的保護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
目前,直流配電網(wǎng)保護(hù)的方案尚處于理論研究階段,且直流配電網(wǎng)保護(hù)研究主要集中在單端直流配電網(wǎng),對(duì)于雙端以及多端直流配電網(wǎng)的研究仍處于空白或理論研究階段。傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)保護(hù)方案如過電流、電壓、微分保護(hù)等由于選擇性以及整定問題在直流配電網(wǎng)尤其是雙端或多端直流配電網(wǎng)中適用性較差,距離保護(hù)的應(yīng)用受限于算法的限制,差動(dòng)保護(hù)則在故障電流高速率變化時(shí)受數(shù)據(jù)同步的影響較大??梢姡瑐鹘y(tǒng)的交流配電網(wǎng)保護(hù)方案對(duì)直流配電網(wǎng)的適用性較差,有必要研究適用于直流配電網(wǎng)的保護(hù)方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:本發(fā)明目的是提供一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法,可實(shí)現(xiàn)直流配電網(wǎng)中直流饋線以及直流母線發(fā)生單極接地或雙極短路故障時(shí)的快速切除。
技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法,該方法包括以下步驟:
1)利用直流斷路器和直流母線對(duì)雙端直流配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分;
2)當(dāng)直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地或雙極短路故障時(shí),判斷步驟1)劃分的各區(qū)域中故障電流方向;
3)對(duì)各區(qū)域中故障電流方向進(jìn)行信息交互,從而區(qū)分故障類型;
4)根據(jù)故障類型,進(jìn)行故障切除。
步驟1)中,利用直流斷路器和直流母線對(duì)雙端直流配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分的方法為:在雙端直流配電網(wǎng)中的直流母線兩端分別設(shè)置直流斷路器,以直流母線為界將直流配電網(wǎng)劃分為多個(gè)區(qū)域,使每個(gè)區(qū)域中分別配備有兩個(gè)直流斷路器。
步驟2)中,規(guī)定各區(qū)域中直流電流從直流母線流向直流饋線為正方向,從直流饋線流向直流母線為負(fù)方向。
步驟3)中,信息交互是通過具有通信功能的智能電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)的,智能電子設(shè)備整合于直流斷路器。
步驟3)和步驟4)中的故障類型為直流饋線故障或直流母線故障。
當(dāng)流過的電流方向?yàn)檎龝r(shí),電子設(shè)備輸出數(shù)字信號(hào)1;當(dāng)流過的電流方向?yàn)樨?fù)時(shí),智能電子設(shè)備輸出數(shù)字信號(hào)0。
相鄰區(qū)域的智能電子設(shè)備進(jìn)行信息交互,若某區(qū)域中輸出的數(shù)字信號(hào)為“11”,則判斷為該區(qū)域內(nèi)直流饋線出現(xiàn)故障;若相鄰兩個(gè)區(qū)域中輸出的數(shù)字信號(hào)都為“00”,則判斷為位于該相鄰兩個(gè)區(qū)域中間的直流母線出現(xiàn)故障。因此,若某區(qū)域中輸出的數(shù)字信號(hào)為“11”,則斷開該區(qū)域內(nèi)兩個(gè)直流斷路器,以隔離直流饋線故障;若相鄰兩個(gè)區(qū)域中輸出的數(shù)字信號(hào)都為“00”,則斷開該相鄰兩個(gè)區(qū)域中輸出“0”的直流斷路器,以隔離直流母線故障。
有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比較,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)本發(fā)明將故障時(shí)電流方向的變化與區(qū)域劃分結(jié)合,可通過不同的信號(hào)實(shí)現(xiàn)直流饋線與直流母線故障區(qū)分,從而對(duì)直流配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù);
(2)本發(fā)明的方法基于通信,但直流配電網(wǎng)線路較短且本發(fā)明的信息交互只在相鄰區(qū)域進(jìn)行,可忽略延時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?,且只傳輸?shù)字信號(hào),使得傳輸時(shí)間基本可忽略不計(jì);電流方向變化都在毫秒級(jí)別,且使用固體直流斷路器進(jìn)行故障切除,使得該保護(hù)方案動(dòng)作速度快,可實(shí)現(xiàn)雙端直流配電網(wǎng)的快速保護(hù);
(3)雖理論表明該方法在低阻單極接地時(shí)才會(huì)發(fā)生電流方向改變,但直流配電網(wǎng)過渡電阻較小,使得該方案仍具有一定的耐過渡電阻能力,因此對(duì)于雙端直流配電網(wǎng)的典型故障類型排除具有普遍適用性。
附圖說明
圖1典型的雙端直流配電網(wǎng)示意圖;
圖2本發(fā)明的方案中直流斷路器配置示意圖;
圖3本發(fā)明的方案中雙端直流電網(wǎng)區(qū)域劃分示意圖;
圖4雙端直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極短路時(shí)故障電流方向示意圖;
圖5雙端直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地時(shí)故障電流方向示意圖;
圖6本發(fā)明的方案中雙端直流配電網(wǎng)的區(qū)域劃分以及故障電流方向示意圖。
具體實(shí)施方式
一種雙端直流配電網(wǎng)的保護(hù)方法,包括以下步驟。
(1)利用直流斷路器和直流母線對(duì)雙端直流配電網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分。
圖1為典型的雙端直流配電網(wǎng),具體地,圖中示出了編號(hào)為#1到#6的直流母線,以及編號(hào)為1到7的直流饋線(圖1中用直線——表示),每個(gè)直流母線兩端各配備有直流斷路器,圖中,直流斷路器用圖標(biāo)表示,兩個(gè)直流斷路器之間設(shè)置有用較粗的直線表示的直流母線(如圖1中的),直流斷路器兩兩為一組,以直流母線作為分界將直流配電網(wǎng)劃分為多個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域中設(shè)置有兩個(gè)直流斷路器,每個(gè)區(qū)域兩端為直流母線。#1’和#2’為交流母線。
圖2為一個(gè)區(qū)域中的直流斷路器配置圖,規(guī)定直流斷路器兩端為A、B點(diǎn),每個(gè)直流斷路器的A點(diǎn)為相對(duì)靠近與該直流斷路器相鄰的直流母線的點(diǎn),B點(diǎn)為相對(duì)遠(yuǎn)離與該直流斷路器相鄰的直流母線的點(diǎn)。另外,規(guī)定電流從直流母線流向直流饋線為正方向,反之為負(fù),即,流經(jīng)每個(gè)直流斷路器的電流,從A點(diǎn)流向B點(diǎn)為正方向,從B點(diǎn)流向A點(diǎn)為負(fù)方向。
用直流斷路器以及直流母線位置實(shí)現(xiàn)雙端直流配電網(wǎng)區(qū)域劃分結(jié)果如圖3所示。在圖3所示的示例中,直流配電網(wǎng)被劃分為4個(gè)區(qū)域(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4),第一區(qū)域(Zone1)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B1、B2,以及直流饋線1;第二區(qū)域(Zone2)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B3、B4,以及直流饋線2;第三區(qū)域(Zone3)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B5、B6,以及直流饋線3;第四區(qū)域(Zone4)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B7、B8,以及直流饋線4。直流斷路器B1與標(biāo)號(hào)為#1的直流母線相連,直流斷路器B2、B3與標(biāo)號(hào)為#3的直流母線相連,直流斷路器B4、B5與標(biāo)號(hào)為#4的直流母線相連,直流斷路器B6、B7與標(biāo)號(hào)為#5的直流母線相連,直流斷路器B8與標(biāo)號(hào)為#2的直流母線相連。F1表示直流饋線故障,F(xiàn)2表示直流母線故障。
(2)當(dāng)直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地或雙極短路故障時(shí),判斷各區(qū)域中故障電流方向。
(3)對(duì)各區(qū)域中故障電流方向進(jìn)行信息交互,從而區(qū)分故障類型。
I、根據(jù)故障電流方向判斷故障類型的原理。
雙端直流配電網(wǎng)直流饋線上發(fā)生雙極短路時(shí)兩端故障電流表達(dá)式為:
其中,E1和E2分別代表雙端直流配電網(wǎng)等效電源,包括直流側(cè)電容以及直流側(cè)電源。Z1p和Z2p分別代表正極線路到故障點(diǎn)的等效阻抗,Z1n、Z2n分別代表負(fù)極線路到故障點(diǎn)的等效阻抗,I1p、I2p分別代表雙端直流配電網(wǎng)兩側(cè)故障電流??梢?,對(duì)于金屬性的雙極短路故障,直流配電網(wǎng)兩側(cè)故障電流方向均為正。故障電流方向示意圖如圖4所示,當(dāng)發(fā)生雙極短路故障時(shí),兩側(cè)電源電流均流向故障點(diǎn)。
對(duì)于雙端直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地故障,兩端故障電流表達(dá)式為:
ZF為發(fā)生單極接地故障時(shí)過渡電阻。
若滿足E1=E2,式(3)和(4)可表示為
可見,若兩側(cè)電源相等,發(fā)生單極接地故障時(shí)直流配電網(wǎng)兩側(cè)故障電流方向均為正。
若不滿足E1=E2,則只有滿足以及時(shí),才滿足兩端故障電流為負(fù)。即在低阻的單極接地故障時(shí),仍滿足兩側(cè)故障電流方向均為正。與雙極短路故障類似,當(dāng)發(fā)生單極接地故障且過渡電阻較低時(shí),兩側(cè)電源電流均流向故障點(diǎn),如圖5所示。
II、根據(jù)故障電流方向判斷故障類型的方法。
基于區(qū)域電流方向的區(qū)別,利用基于通信功能的智能電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)故障時(shí)各區(qū)域故障信息的交互。將具有通訊功能的電子式互感器型智能電子設(shè)備整合于直流直流斷路器構(gòu)成集成式智能隔離直流斷路器,電子式互感器型智能電子設(shè)備由多個(gè)處理器組成,處理器能夠持續(xù)地對(duì)電壓、電流等測(cè)量值進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,并將測(cè)量或計(jì)算出的數(shù)據(jù)通過基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信系統(tǒng)傳送給外部或者用戶。若流過智能電子設(shè)備的電流方向?yàn)檎?,則智能電子設(shè)備將電流方向信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)為1,若流過智能電子設(shè)備的電流方向?yàn)樨?fù),則智能電子設(shè)備將電流方向信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)為0。
區(qū)域劃分與故障電流方向如圖6所示。在圖6所示的示例中,直流配電網(wǎng)被劃分為4個(gè)區(qū)域(Zone1、Zone2、Zone3、Zone4),第一區(qū)域(Zone1)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B1、B2,以及直流饋線1;第二區(qū)域(Zone2)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B3、B4,以及直流饋線2;第三區(qū)域(Zone3)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B5、B6,以及直流饋線3;第四區(qū)域(Zone4)中設(shè)有兩個(gè)直流斷路器B7、B8,以及直流饋線4。直流斷路器B1與標(biāo)號(hào)為#1的直流母線相連,直流斷路器B2、B3與標(biāo)號(hào)為#3的直流母線相連,直流斷路器B4、B5與標(biāo)號(hào)為#4的直流母線相連,直流斷路器B6、B7與標(biāo)號(hào)為#5的直流母線相連,直流斷路器B8與標(biāo)號(hào)為#2的直流母線相連。F1表示直流饋線故障,F(xiàn)2表示直流母線故障。
當(dāng)發(fā)生直流饋線故障時(shí),兩側(cè)電流方向均為正,因此,相鄰區(qū)域的智能電子設(shè)備進(jìn)行信息交互,若整合于某一區(qū)域中兩個(gè)直流斷路器的智能電子設(shè)備輸出信號(hào)滿足“11”,則判斷為該區(qū)域發(fā)生直流饋線故障。若為直流母線故障,則該流入直流母線兩側(cè)的電流方向均為負(fù),因此,若智能電子設(shè)備與相鄰區(qū)域進(jìn)行信息交互結(jié)果為相鄰區(qū)域出現(xiàn)連續(xù)“00”,則判斷為該相鄰區(qū)域中間的直流母線故障。
(4)根據(jù)故障類型,進(jìn)行故障排除。
當(dāng)滿足步驟(3)所述的動(dòng)作判據(jù)時(shí),直流斷路器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)直流饋線與直流母線故障的切除。即,當(dāng)整合于某一區(qū)域中兩個(gè)直流斷路器的智能電子設(shè)備輸出信號(hào)滿足“11”時(shí),判斷該區(qū)域發(fā)生直流饋線故障,此時(shí)斷開該區(qū)域內(nèi)直流斷路器以隔離直流饋線故障;當(dāng)相鄰兩個(gè)區(qū)域中的智能電子設(shè)備連續(xù)出現(xiàn)“00”,則斷開該相鄰兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)“0”的直流斷路器,從而隔離直流母線故障。
本發(fā)明的方法通過智能電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)區(qū)域電流方向的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換,并利用不同信號(hào)判據(jù)實(shí)現(xiàn)直流饋線與直流母線故障區(qū)分與識(shí)別,可快速排除雙端直流配電網(wǎng)中的故障,并可普遍適用。