基于聚类中心距离度量的柔性直流配电线路保护原理

针对现有柔性直流配电网单端量保护选择性差、双端量保护速动性差、数据同步性要求高等问题,提出一种基于聚类中心距离度量的柔性直流配电线路保护原理。该原理仅用单侧电流作为特征量,通过模拟线路不同位置发生不同类型短路故障,并结合实际发生的故障,采集故障后线路上的电流数据经处理后组成历史数据样本;利用K-means聚类算法得到不同类型故障下的最佳聚类中心,再通过比较实时数据与各聚类中心的距离实现故障识别与选极。该原理无需复杂的特征量提取和计算过程,避免了常规电流保护复杂的定值整定。最后,在PSCAD/EMTDC中进行了仿真验证,结果表明,所提保护原理具有良好的选择性和速动性,且与常规基于本地信息的电流保护相比耐过渡电阻能力有所提升。     

双端直流配电网反时限电流方差保护方案

电力电子技术的进步推动了直流配电技术的发展,但相较于交流配电网成熟的继电保护技术,直流配电网保护面临着速动性不足,传统保护方案不适用等一系列的挑战。因此,该文提出适用于双端直流配电网的反时限电流方差保护,以电流方差代替电流值作为故障判据,并利用电压加速因子加快故障切除,针对两侧保护装置整定值不一致可能导致保护误动的问题,引入电流微分方向判据,实现保护动作的选择性。该方法基于本地测量量,无需通信,动作速度快。     

一种基于电流微分初始值的直流配电网故障定位方法

直流配电网故障定位是排查故障、确保线路安全的关键手段。基于此提出了一种基于电流微分初始值的直流配电网故障定位方法。首先推导了基于电压源型变换器的直流配电网线路发生双极短路故障和单极接地故障时故障电流的微分方程,并利用双极短路故障和单极接地故障中正负极线路的电压和电流突变量差异来判定故障的类型。其次通过电压源型变换器直流侧电容的放电过程提取故障电流信息,且根据限流电抗器上的电压降得到故障电流的微分等量表达式,并联立所推导的故障电流微分初始值方程获得故障定位的数学模型,从而实现故障距离的准确定位。最后利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建仿真模型,验证了所提故障定位方法的有效性。     

利用时域波形比对的高压直流输电线路电流差动保护

高压直流输电线路电流差动保护受电容电流和数据不同步影响,选择性和速动性不高。通过对高压直流输电线路的故障特征分析发现,在时域平移一端数据,并对比差动电流的大小,可以进行区外故障数据同步的识别。对于区外故障,由于没有故障点注入电流的影响,差流在数据同步时最小,数据不同步时明显增大;对于区内故障,受故障点注入电流的影响,无论数据同步与否,差流的值总是很大。在分布参数模型下构造时域电流差动保护,利用上述差流特征可以获得区外故障实时的数据不同步时间信息,并在时域中实时调节差流和整定门槛,保证了差动保护不因区外故障数据不同步而误动。仿真验证表明所述方法能够可靠快速灵敏地识别高阻故障,不受分布电容影响,并且不需要两端数据严格同步。     

直流配电网中的线路保护方案研究

故障区段的可靠识别是直流配电网线路保护的难点之一,由此产生相邻线路保护的配合问题,并需防止交流故障后直流保护误动。基于平波电抗器和滤波电抗构成的物理边界的故障区域识别方法,不适用于采用模块化多电平换流器(Modular multilevel converter, MMC)的直流电网。为此,在分析直流线路短路的电气特征后,综合考虑保护配合问题,划分了直流线路保护区域,设计了包含主保护、后备保护在内的直流线路保护方案。为满足选择性要求,直流线路保护采用两端电流方向判断故障位置。最后,搭建光伏直流汇集接入系统及多端直流配电网的仿真模型,验证了该直流线路保护方案的可靠性、选择性和速动性。     

基于单端电气量的多端柔性直流配电系统暂态保护

随着配电系统结构的发展与变化,传统交流配电系统、高压直流输电系统的保护原理无法适用于多端柔性直流配电系统。目前所提直流配电线路的保护方案有2种思路:基于线路两端信息和基于线路单端信息。前者需要通信通道,要求两端数据的同步,动作速度慢;后者需要构造保护边界,增加系统经济成本。基于此,提出了一种基于单端电气量、无需构造保护边界的多端柔性直流配电系统暂态保护方案。首先,分别计算线路一侧的正、负极暂态电压与其正常稳态电压的标准差系数识别故障极。然后,分析发生区内故障时各电气量的时域解析关系,分别推导出单、双极故障时的微分方程以计算故障距离,从而实现区内、外故障的快速、可靠识别。最后在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。仿真结果表明,所提保护方案在各种故障情况下仅基于本地信息即可有效识别故障极和区内、外故障,有较强的抗过渡电阻及抗干扰能力,满足直流配电网对保护速动性与选择性的需求。     

适用于柔直配电网的暂态高频阻抗纵联保护

为保障柔性直流配电网的安全可靠运行,本文提出一种基于暂态高频阻抗的纵联保护方法。通过建立直流线路的故障等效电路,分析直流线路极间故障后数个毫秒内暂态电气量的变化特征,采用小波变换提取电压、电流故障分量中特定频段的高频信号,并计算保护装置安装处的高频阻抗,利用保护区内、外故障时暂态高频阻抗较大的幅值差异构成保护。该方法对信号同步的要求不高,相邻线路间的主保护还可以通过配合构成新的区域后备保护。最后,本文在PSCAD/EMTDC平台搭建模型进行仿真,结果表明,本文所提方法能够快速准确地动作。     

基于故障相关区域自适应划分的分布式保护新原理

分布式发电(DG)条件下的配电网潮流流向发生了很大变化,传统的配电网保护原理已不再适用于DG系统。结合多DG接入下的配电网部分母线节点可以通过电流量来判断故障方向的特点,提出了一种具有较强自适应性的故障相关区域划分方法,而这种分布式的、缩小上传保护电流数据范围的算法减少了保护数据在信道上排队避让的时间,保护装置只需得到故障相关区域内的故障电流数据即可正确动作,实现了保护的选择性及速动性,降低了对通信系统的依赖性。将IEC61850应用在DG系统的继电保护中,可以解决DG的保护与控制系统中的异构性和保护数据异步传输的问题。最后通过实验验证了该算法的快速性。     

基于时域卷积功率差的多端混合高压直流线路快速纵联保护方法

针对现有直流线路差动保护速动性不足、双端数据需要严格同步的问题,以三端混合高压直流输电系统为对象,在S域上对不同故障情况下的功率特性进行数学解析,发现利用S域功率差特征可以有效识别区内外故障,并实现故障区域的准确定位;在此基础上,构造了一种时域故障特征量——卷积功率,实现对S域功率特征的有效提取;进而提出了一种基于时域卷积功率差的多端混合高压直流线路快速纵联保护方法。基于PSCAD/EMTDC的仿真验证表明,该方案能在4 ms/10 kHz的时间窗内正确识别区内故障和故障区域,并具有故障选极的特性,无需双端数据严格同步,且具有较高的可靠性、灵敏性及抗干扰能力。     

基于故障信息自同步的有源配电网纵联保护

随着分布式电源大量接入配电网,配电网结构变为多端电源网络,解决多端电源网络保护问题最行之有效的方法是纵联保护方案。但当前配电网硬件及通信水平无法满足纵联保护对线路两侧数据进行同步采样的要求。文中提出了故障信息自同步技术,故障时刻相对被保护线路两侧是同时的,以故障时刻为时间参考点,测量线路两侧基波电流故障时刻前后两相邻相同变化趋势峰值点的时间间隔变化,进而计算得到电流相位变化方向判定值,有效克服配电网难以同步采样的困难。基于故障信息自同步技术,文中提出了新型纵联保护方案,通过比较线路两侧电流相位变化方向判定值,即可判定故障位置。仿真验证了故障信息自同步技术的准确性,新型纵联保护方案具有良好的动作特性。     

柔性直流配电网保护方案及设备研制

针对典型柔性直流配电网开展了保护分区及保护配置策略研究;根据直流线路的故障特性,分析了直流极间短路故障、单极接地故障以及断线故障的保护方案。对于直流电网快速故障定位和隔离的要求,提出一种基于差动保护和多点方向信息的综合故障定位方法。基于所提出的保护和故障定位方案,研制了高采样率且具备多类型模拟量接口的直流配电网保护设备。经实时数字仿真(RTDS)系统仿真和动模试验,验证了保护方案的可行性和故障定位方法的正确性,所研制的保护设备动作行为、性能指标满足直流配电网安全运行需求。     

有源配电网差动保护自同步原理及误差分析

分布式电源的接入使得电流差动保护被引入配电网,需要解决的关键技术之一即是两端故障数据的同步问题。基于保护启动时刻的故障数据自同步算法可以在不增加额外设备的情况下实现数据同步,在配电网中获得了一定的应用,但对该算法的同步精度尚缺乏必要的理论分析和验证。文中在分析计算相电流突变量保护启动算法的基础上,从直流分量的衰减速度着手,导出了不同衰减速度下保护启动延时的计算表达式;并进一步分析了最大保护启动延时随故障初始相角、衰减速度的变化规律,得出不同故障条件下可能出现的最大自同步误差。分析结果表明,该算法的同步精度受故障时刻、线路参数、故障启动门槛、电流互感器测量误差等因素的影响,某些情况下会出现两端数据同步误差大于保护允许同步误差裕度的情况。最后利用继电保护测试仪验证了上述理论分析的正确性。     

基于单端暂态电压的含限流电抗器直流配电网保护方法

直流配电网故障特性复杂,故障的可靠识别和快速切除是保护面临的主要难点之一.针对含限流电抗器的多端柔性直流配电网,文中利用限流电抗器的故障暂态电压特性,提出一种单端暂态电压的直流线路保护方法.根据限流电抗器故障暂态初始电压的差异识别区内外故障,利用正、负极限流电抗器故障电压构成的电压比值系数区分故障类型,并据此提出故障识别判据和故障选极判据.在Simulink中建立多端柔性直流配电网仿真模型,结果表明所提保护方法可在0.5 ms内快速判别故障位置和故障类型,仅利用单端数据即可实现全线速动,具有良好的区内外故障识别区分能力,且无须考虑通信和双端数据同步问题,具有良好的抗过渡电阻和抗噪声干扰能力.     

基于特性参数自适应修正的花瓣式配电网反时限过电流保护方法

闭环运行的花瓣式配电网具有更为复杂的故障特性,导致传统保护方法难以满足选择性和速动性要求。针对这一难题,分析了花瓣式配电网的短路故障电流特性,揭示了故障点上、下游故障电流随故障位置移动的变化规律,并指出定时限过电流保护与标准反时限过电流保护应用于花瓣式配电网时存在的问题;结合花瓣式配电网的故障电流特性,提出一种基于特性参数自适应修正的反时限过电流保护方法,仅利用本地电流信息对反时限特性参数进行自适应修正,能够在保障保护选择性的同时显著提升保护速动性;基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建10 kV花瓣式配电网模型对所提保护方法进行验证,仿真结果表明该保护方法能在提升保护选择性和速动性的同时,克服传统保护方法应用于花瓣式配电网时的局限性。     

基于暂态电压比初始值和时域迭代的直流配电网单端测距方法

针对直流配电网线路单端故障测距精度不高的问题，提出了一种基于暂态电压比的单端故障测距方法。该方法通过分析故障发生后限流电抗器两端故障电气量的特征和数学表达式，构建了时域内基于限流电抗器两端暂态电压比的故障测距方案，并利用迭代的方法削弱过渡电阻对故障测距精度的影响。该方法利用单端电气量，耐过渡电阻能力强，对通信无严格要求，无需安装同步装置，提高了直流配电网线路单端故障测距的精度。在PSCAD/EMTDC平台搭建多端直流配电网模型，对所提测距方法进行仿真分析，结果证明所提方法可以实现基于单端电气量的精确故障测距。     

基于幅相关系的有源配电网多端差动保护方案

分布电源的大量接入使配电网从传统单向潮流的辐射状网络逐步转变为双向潮流的多端电源供电的配电网,出现了以T型接线为代表的多段线路.文章从多种类型分布式电源的故障特性入手,分析短路故障下有源配电网的多端电流的幅相关系,提出基于多端电流幅相关系的差动保护方案.保护方案包括启动判据和复合动作判据,启动判据兼具区分部分区外故障的作用,动作判据为两个独立判据的逻辑与,以保证可靠动作和避免误动.此外,文章讨论基于光纤通道通信的配电网多端信息同步技术,用以实现多端信息同步传输.PSCAD/EMTDC的仿真结果表明所提方案的可靠性和速动性.     

基于故障高频电压稀疏量测的直流配电网双极短路故障定位

直流配电网分支密集,支持数据高速通信的测点相对较少,同时故障特性受配电网中电力电子设备控制策略的影响较大,导致传统配电网的故障定位方法难以适用于直流配电网。基于此,文中提出一种适用于直流配电网的双极短路故障定位新算法。基于暂态高频电流回路构建了不受控制策略影响的模块化多电平换流器和DC/DC换流器高频阻抗等值模型,然后,利用小波变换提取稀疏测点处的暂态高频电压形成节点高频电压方程。最后,将节点高频电压方程与基于贝叶斯算法的压缩感知理论相结合,求解节点高频电流稀疏向量,实现基于稀疏量测的准确故障定位。所提算法对测点数量要求低,同时不受换流器控制策略的影响,无需数据严格同步测量,理论上不受过渡电阻和负荷变化的影响。在PSCAD中搭建32节点直流配电网的仿真模型,测试数据验证了所提算法的定位效果。     

采用故障阻断型换流器的直流配电网故障处理技术综述

故障的快速隔离与恢复是保障直流配电网供电可靠性的关键问题,利用具有故障自清除能力的换流器和隔离开关配合实现故障电流的阻断与隔离是直流配电网的重要发展方向之一。文中从继电保护与故障定位、故障隔离及故障恢复3个方面,针对采用阻断型换流器的直流配电网故障处理技术的研究现状进行了归纳和总结,梳理了采用阻断型换流器的直流配电网故障处理技术存在的问题和难点,并对该研究方向的关键技术发展趋势进行了展望。     

基于自适应制动补偿系数的有源配电网电流纵联差动保护

为了解决传统的三段式电流保护难以适用于有源配电网的问题,通过分析含不同类型分布式电源的配电网正序电流故障分量在区内外故障时的幅相特征差异,提出一种基于自适应制动补偿系数的电流纵联差动保护新方法。该方法采用改造后的e指数函数构建制动补偿系数,根据线路两侧正序电流故障分量的相位差和幅值比自适应决定补偿制动电流的程度。为有效应对不可测负荷分支给保护可靠性带来的消极影响,利用比幅式方向阻抗继电器的动作方程构造辅助判据。仿真结果表明,与传统电流纵联差动保护相比,该方法能够满足各种故障场景下有源配电网的保护需求,且灵敏度高,可靠性、耐受过渡电阻能力和抗时间同步误差能力强。     

基于二极管的直流配电系统故障分区方案及保护策略

直流故障处理技术包括故障电流清除、故障分区和故障定位等,是直流配电系统广泛工程应用的关键问题。针对采用故障自清除换流器消除故障电流的直流配电系统,为解决健全区失电问题,提出基于二极管的自动故障分区方法和故障定位方法,以及适用于直流配电系统的集成保护方案。首先,介绍了基于二极管故障分区方法的基本原理及其附加硬件要求。其次,针对二极管故障分区的故障特征,提出相应的集成保护方案和故障定位方法。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建五端直流配电系统,通过仿真验证所提方案的有效性。