补偿线路分布电容电流的柔性直流配电网电流差动保护方法_杨鹏.pdf

第 51 卷 第 1 期2023 年 2 月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol 51 No 1Feb 2023DOI:107631/issn1000224322040文章编号:10002243(2023)01004907补偿线路分布电容电流的柔性直流配电网电流差动保护方法杨鹏1，贾伯岩2，臧谦2，范辉1，李秉宇2，张鹏2，李晔3，刘晓明3(1 国网河北省电力有限公司，河北 石家庄050021;2 国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄050021;3 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，河北省现代电工装备可靠性与智能化国际联合研究中心，河北工业大学电气工程学院，天津300130)摘要:针对系统接线方式和线路分布电容影响导致柔性直流配电网故障辨识困难的问题，在对传统电流差动保护在柔性直流配电网中的适用性分析基础上，利用线路贝瑞隆模型推得故障点电流与直流线路两端差电流之间的关系 进一步地，提出具有线路分布电容电流补偿的新型电流差动保护方案，解决对称单极接线方式下故障特征微弱、分布电容电流影响大带来的故障辨识难题 最后，基于 PSCAD/EMTDC 仿真平台，建立柔性直流配电网模型，通过仿真分析验证所提出的电流差动保护方案的可行性和适用性关键词:直流配电网;直流线路保护;线路贝瑞隆模型;电流差动保护中图分类号:TM77文献标识码:ACurrent differential protection method of line distributedcapacitance current compensation in flexible DC distribution networkYANG Peng1，JIA Boyan2，ZANG Qian2，FAN Hui1，LI Bingyu2，ZHANG Peng2，LI Ye3，LIU Xiaoming3(1 State Grid Hebei Electric Power Co，Ltd，Shijiazhuang，Hebei 050021，China;2 State Grid Hebei Electric Power esearch Institute，Shijiazhuang，Hebei 050021，China;3 State Key Laboratory of eliability and Intelligence of Electrical Equipment，Hebei International Joint esearchCenter for eliability and Intelligence of Modern Electrical Equipment，School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)Abstract:In view of the difficulty of fault identification caused by the influence of system mode ofconnection and line distributed capacitance in the direct current(DC)distribution network，this paperanalyzes the applicability of traditional current differential protection in DC distribution network firstlyThen，the relationship between the fault point current and the differential current at both ends of theDC line is deduced by using the Bergeron model for the DC line Furthermore，a current differentialprotection scheme with line distributed capacitance current compensation is proposed，which cannotonly identify weak faults，but also automatically immune to the influence of distributed capacitanceFinally，based on PSCAD/EMTDC simulation platform，the flexible DC distribution network model isbuilt to verify the feasibility of the current differential protection scheme proposed in this paperKeywords:DC distribution network;DC line protection;Bergeron model for DC line;currentdifferential protection0引言发展清洁能源、实现能源结构优化配置与转型13，构建以新能源为主体的电力系统是实现“双碳”目标的有效途径 柔性直流配电网在新能源灵活接入、直流负荷灵活供电等方面具有显著优势4 然而，柔性直流配电网结构复杂多样，且为低惯量系统，故障阻尼小、故障发展速度快5 为确保柔性直流配电网安全可靠运行，对直流保护的快速性和可靠性均提出了更高要求6 收稿日期:20220124通信作者:刘晓明(1968)，教授，主要从事高压电器与智能电器研究，liuxiaoming hebuteducn基金项目:国家电网有限公司科技资助项目(kj2020078);国家自然科学基金(面上)资助项目(52177139)福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn直流故障信号呈宽频带分布，且快速衰减，传统基于工频稳态量的交流保护原理难以适用 常规直流输电系统和柔性直流输电系统线路保护主要依赖于线路平波电抗器、滤波器等一次设备构成的线路边界，实现故障区段辨识710 然而，柔性直流配电网的拓扑结构、一次设备构成及接线方式等均有别于直流输电网，导致其故障特性也迥异于直流输电网 因此，基于线路边界特性的直流保护原理，将因直流配电线路不存在边界元件，而无法适用于柔性直流配电网与直流输电网相比，直流配电线路相对较短，双端量保护所需要通讯延时需求较低，适用于直流配电网线路保护 文献 1112 提出电流差动保护方法，利用被保护直流线路两端电流的时域采样值计算故障差电流，实现故障辨识 电流差动保护原理简单且具有选择性，被广泛应用于牵引保护、直流铁路保护中，但该保护原理对保护装置的采样率要求严苛，且受线路分布电容电流影响较大 文献 13 提出基于电流变化量和电流变化率的方向纵联保护方案，当保护正方向故障时，电流变化量和变化率均为正值;而当保护反方向故障时，电流变化量和变化率均为负值 文献 14 利用故障线路两端的电流微分符号相反的特征，提出基于电流微分乘积的双端量保护方案 文献 15 提出基于直流电流微分状态量的故障区段辨识方法，实现故障的快速与可靠辨识 然而，对于中压电压等级直流配电网而言，直流线路一般为几公里至十几公里，线路分布电容影响不可忽略，严重影响直流线路保护的动作可靠性和灵敏性 此外，当中压直流配电网采用对称单极接线方式时，单极接地故障特征极为微弱 这种情况下，基于时域电流变化量和变化率的保护方案亦将无法适用 针对柔性直流配电网，研究设计能够自动免疫线路分布电容的直流线路保护方案具有理论和工程意义综上，本研究利用贝瑞隆线路模型，推导故障后故障点与线路两端的电气量特征关系，以及直流线路差电流与故障点电流的函数关系 提出电流差动快速保护方案，探究电流差动保护应用于柔性直流配电网的适用性，并在 PSCAD/EMTDC 仿真平台上搭建了柔性直流配电网模型 通过仿真结果，验证所提出的电流差动保护方案的动作性能1传统电流差动保护适用性分析图 1直流配电网区内外故障仿真结果Fig1Simulation results of internal and externalfaults in DC distribution grid传统电流差动保护直接利用线路两端电流采样值，计算故障差电流，进而实现故障辨识，保护原理简单，一般可作为直流输电线路的后备保护图 1 为对称单极直流配电网发生区内外故障时故障电流及其差点电流的情况 当保护区内末端发生经20 过渡电阻接地故障时，直流线路两端电流瞬时值如图 1(a)所示;当保护区外近端出口发生金属性故障时，直流线路两端的电流瞬时值如图 1(b)所示;区内外故障时直流线路两端的差电流如图 1(c)所示 分析发现:故障初期，区外故障时的线路两端差电流远大于区内故障时的差电流，可能导致保护误动作;经过一定延时后，差动电流将变小，区内外故障辨识难 其主要原因为:对称单极直流配电网发生接地故障时，故障电流主要由电缆分布电容电流产生 对于保护区内发生故障的情况，差动电流主要为背侧线路供给的电容电流;而对于保护区外发生故障的情况，直流线路差动电流则为被保护线路的电容电流 当被保护线路与背侧线路长度相差不大时，区内外故障(相同过渡电阻)的差动电流非常接近，而区内过渡电阻故障的差动电流则将远小于区外严重故障 上述研究表明，电流差动保护无法用于对称单极直流配网的单极接地故障可靠保护05第 1 期杨鹏，等:补偿线路分布电容电流的柔性直流配电网电流差动保护方法http:/xbzrbfzueducn以基于瞬时值的电流差动保护为对象，分析传统电流差动保护在柔性直流配电网中的适用性，瞬时电流差动保护判据为:Id1+Id2 kset，diffIe，s;Id1+Id2 Iset，diff(1)式中:Id1、Id2分别代表 极线路两端的瞬时电流采样值，当 取 p 时代表为正极线路，当 取 n 时代表为负极线路;kset，diff为制动系数;Ie，s为每一极的制动电流，取值为max Id1，Id2;Iset，diff为差动电流门槛值与直流输电线路相比，直流配电线路相对较短，线路通信所需延时少，在一定程度上能满足直流配网(配置故障限流措施前提下)对速动保护的要求 利用具有绝对选择性的电流差动保护作为线路主保护是直流配电网保护配置的方案选择之一 与交流配电相比，直流配电有供电半径大的优势，尤其对于中压直流配电网，线路长度可达到几公里至十几公里，此时分布电容的影响不可忽略 换言之，对于直流配电网而言，直流线路单极故障时保护位置的故障电流主要由线路分布电容电流构成，从而线路分布电容对保护适用性的原理不可忽略 通常，可采用延时措施躲避线路分布电容所造成的不平衡电流影响，但因躲避所需的延时将不可避免影响保护的速动性2直流配电网电流差动快速保护方法与实现电流差动保护具有绝对的选择性，但需要一定时间的动作延时，以消除区外故障时产生的不平衡电流影响 对于保护动作速度要求较高的直流输电网，电流差动保护可作为后备保护 而对于线路较短、保护动作速度要求不严苛的直流配电网，电流差动保护原理简单，可作为线路主保护 为提高电流差动保护的快速性和可靠性，提出能够补偿线路分布电容电流的直流配电网电流差动保护新原理21故障后电气量关系对于中压直流配电网而言，直流线路可达几公里至十几公里，不能将直流线路简单等效为集总参数，有必要考虑线路的分布特性，如图 2 所示 其中，直流线路电压与电流随时间和距离的变化可表示为:ux+Lit+i=0;ix+Cut+Gu=0(2)式中:L 为串联电感;为串联电阻;C、G 分别为对地