Fault Current Limiters and Impacts on the System Protection Behavior

A deregulated power market is making short-circuit currents likely to exceed the thermal or mechanical permissible limits of switchgear. Consequently fault current limiters （FCL） become more necessary in power systems. The use of FCLs has an impact on the protection schemes and functions in power systems. Thus, before FCLs can be applied in the network, the impacts on existing protection system must be understood. Depending on the current limiting technique used, today＇s protection concepts may have to be adapted or revised to ensure proper network protection selectivity. A relationship between fault current limiters and protection schemes should be established by taking into account both protection and network specific issues, such as the impact of different FCL technologies, existing and new protection concepts, selectivity and innovative network. This paper is presenting a frame work for accomplishing this task.

Mitigation of Distributed Generation Impact on Protective Devices in a Distribution Network by Superconducting Fault Current Limiter

Protection of radial distribution networks is widely based on coordinated inverse time overcurrent relays (OCRs) ensuring both effectiveness and selectivity. However, the integration of distributed generation (DG) into an existing distribution network not only inevitably increases fault current levels to levels that may exceed the OCR ratings, but it may also disturb the original overcurrent relay coordination adversely effecting protection selectivity. To analyze the potentially adverse impact of DG on distribution system protective devices with respect to circuit breaker ratings and OCR coordination fault current studies are carried out for common reference test system under the influence of additional DG. The possible advantages of Superconducting Fault Current Limiter (SFCL) as a means to limit the adverse effect of DG on distribution system protection and their effectiveness will be demonstrated. Furthermore, minimum SFCL impedances required to avoid miss-operation of the primary and back-up OCRs are determined. The theoretical analysis will be validated using the IEEE 13-bus distribution test system is used. Both theoretical and simulation results indicate that the proposed application of SFCL is a viable option to effectively mitigate the DG impact on protective devices, thus enhancing the reliability of distribution network interfaced with DG.

基于钳位型断路器的柔直系统控保协同技术

柔性直流系统以其在输电领域的巨大优势而获得广泛应用.但在直流系统中,短路故障的强冲击性与电力电子器件的脆弱性之间的矛盾异常尖锐,现有保护策略难以同时满足高速动性与高可靠性的要求.本文从控保协同思想出发,基于一种电压钳位原理的直流断路器,提出一种新的故障处理模式,初步探究在柔直系统中控制与保护深度融合的可能性.当发生短路故障时,投入断路器和换流器相配合的限流功能,一方面限制电力电子器件的过流,解决其脆弱性问题;另一方面为保护提供边界,辅助实现故障的快速定位.在甄别出故障线路后,利用断路器的故障切除功能将故障隔离.此方案同时实现了故障限流、保护边界和故障切除3项功能,可有效缓减由于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)器件脆弱性所带来的一系列保护问题.在PSCAD/EMTDC中搭建四端双极柔性直流电网模型,仿真结果表明,本控保协同方案能在5 ms内准确识别并隔离故障线路,而且具有较强的耐受过渡电阻能力.

基于限流电抗器电压的直流配电网单端量保护

直流配电网故障特性复杂,故障电流上升速度快且峰值大,快速、灵敏的故障识别与线路保护是保障直流配电网安全运行的关键技术之一。为此,针对增设限流电抗器的直流配电网,提出一种利用限流电抗器电压实现高灵敏故障识别的直流配电网单端量保护方案。首先,通过分析含限流电抗器的直流配电网故障特性,明确区内、区外故障时限流电抗器电压的特征差异。其次,研究限流电抗器对故障特性及直流保护的影响机制,提出虚拟补偿策略以增强故障识别的灵敏性。在此基础上,根据线路电压变化率设计保护启动判据,提出基于虚拟补偿的故障识别判据和故障选极判据,并给出完整的保护方案流程。最后,基于PSCAD/EMTDC仿真平台进行大量的仿真测试,结果表明所提保护方案能够实现对直流故障的快速准确判断,无需通信支持,且对过渡电阻、噪声及负荷波动具有较强的耐受能力。

基于MMC闭锁与负直流电压无闭锁的综合直流故障限流策略

基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流电网存在抗直流故障扰动能力弱的问题。为此,在无闭锁和闭锁限流的基础上,提出了一种适用于柔性直流电网的无闭锁与闭锁的综合直流故障限流策略。故障发生后,各换流站首先根据直流侧出口电流进行基于负直流电压控制的无闭锁限流,若某换流站由于无闭锁降压限流失效而发生过流,则主动将该换流站闭锁。故障消失或隔离后,无闭锁换流站第一时间恢复正常工作模式,而无须等待重启过程较长的闭锁换流站,以尽量减小系统功率损失。基于MATLAB/Simulink的仿真结果表明,所提综合直流故障限流策略可快速阻断故障电流,并兼顾限流过程的安全性和快速性,最大限度保证系统功率传输,提高了直流电网的抗故障扰动能力。

低压直流微电网新型主动限流器及控制策略

低压直流微电网中直流母线发生短路故障后,现有的被动式保护措施难以有效保护电力电子装置,并且当计及直流线路电感与变流器直流母线侧电容时,常规主动限流器会出现限流电感电流振荡的特性。详细分析了该电流振荡特性产生的机理,探究了系统参数变化对限流电感电流振荡峰值的影响。并提出了一种新型主动限流器拓扑结构及控制策略,该拓扑结构通过增加能量耗散支路,在限流器直流母线侧电容电压产生负压时导通,以此耗散能量,解决了电感电流振荡的问题。通过仿真与实验,验证了所提新型主动限流器对电感电流振荡特性抑制的有效性,且在不同工况下具有良好的鲁棒性。

基于限流电抗器电压的柔性直流配电线路单端量保护新方法

柔性直流配电技术的理论研究已经步入成熟阶段,其线路保护方法的不完备成为制约该技术发展的重要因素,尤其是以快速动作为优势的单端量保护,耐高阻能力弱、所需采样率高等问题仍待解决。为解决上述问题,文中通过分析单极对称接线系统发生金属性双极短路故障和经过渡电阻故障时限流电抗器电压特征,利用限流电抗器电压及其负变化率积聚和构造保护判据,据此提出了一种基于限流电抗器电压的柔性直流配电线路单端量保护新方法。仿真结果表明,该方法能在0.5 ms内可靠识别区内故障,且耐受过渡电阻(20Ω)和噪声影响,所需采样率要求低,具有工程实用意义。

基于MMC主动限流的VSC-HVDC双极短路故障控保协同策略

直流故障保护是柔性直流输电系统发展面临的主要挑战之一,利用模块化多电平换流器(MMC)的灵活控制实现限流已成为当前研究的热点。MMC的主动限流降低了故障电流变化率和故障电流幅值,易引起故障判断以及保护选择困难。文中以对称单极接线的柔性直流系统为研究对象,采用控保协同思想,将主动限流控制与故障识别相结合,提出了基于主动限流因子的故障区域识别与区分方法实现双极短路故障的区域识别与切除。首先,通过在MMC电流内环控制器中附加故障电流目标预设控制器,在故障发生后可快速跟踪故障电流的变化,自适应地调整MMC输出的直流电压将故障电流控制在预设目标参考值附近;其次,根据不同故障位置时故障电流目标预设控制器输出的限流因子快速确定故障区域。最后,在PSCAD/EMTDC中对四端柔性直流输电系统的不同故障场景进行了仿真分析,验证了所提控保协同策略的可行性和有效性。

面向环保接地施工的杆塔分支式外延接地网接地特性研究

低碳环保已成为国家的战略和政策导向,输电杆塔在降阻施工时,常采用敷设长距离外延接地极方式接地,造成资源浪费、环境破坏等问题。针对杆塔接地施工环境的复杂性与施工面积的有限性,文中提出输电线路杆塔分支式外延接地网散流降阻结构,实现了接地降阻施工的低碳环保。首先,仿真计算单根外延接地极的有效降阻长度;然后,研究了土壤电阻率、入地电流频率对单分支式和多分支式外延接地网降阻特性的影响规律;最后,分析了不平衡分支式外延接地网的散流特性。结果表明:相比于传统方框带射线型接地网,分支接地极结构比例为1/3的单分支式外延接地网具备更好的降阻特性,并且三分支式外延接地网的接地施工面积更小,不平衡分支式外延接地网有助于进一步降低主接地网的散流密度。

考虑注意力机制的CNN-LSTM高渗透风电并网暂态电压稳定性研究

为了能够快速且精确地判断出风电场接入电网后系统暂态电压稳定性,文章基于注意力机制提出一种卷积-长短时记忆网络(Convolutional Neural Networks-Long Short-Term Memory,CNN-LSTM)暂态稳定评估指标。为了更好地捕捉输入数据中空间和时间的相关性,基于核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)进行特征降维;针对高比例的新能源电网中,整个系统的短路容量下降、短路电流水平攀升问题,提出了安装超导故障限流器的主动支撑措施,限制故障过程短路电流水平,维持并网点电压稳定。最后,在PSD-BPA中搭建含风电的IEEE39节点系统进行仿真计算和数据采集。结果表明,KPCA方案能有效筛选电力系统暂态稳定评估中重要度高的特征,所提评估指标具有更高的辨识能力,所提改进措施对高比例风电并网系统暂态电压稳定具有积极作用。

Control-based Fault Current Limiter for Minimizing Impact of Distributed Generation Units on Protection Systems

Distributed generation units(DGUs)bring some problems to the existing protection system,such as those associated with protection blinding and sympathetic tripping.It is known that fault current limiters(FCLs)help minimize the negative impact of DGUs on the protection system.In this paper,a control-based FCL is proposed,i.e.,the FCL is integrated into the DGU control law.To this end,a predictive control strategy with fault current limitation is suggested.In this way,a DGU is controlled,not only for power exchange with the power grid but also to limit its fault current contribution.The proposal is posed as a constrained optimization problem allowing taking into account the current limit explicitly in the design process as a closed-loop solution.A linear approximation is proposed to cope with the inherent nonlinear constraints.The proposal does not require incorporating extra equipment or mechanisms in the control loop,making the design process simple.To evaluate the proposed control-based FCL,both protection blinding and sympathetic tripping scenarios are considered.The control confines the DGU currents within the constraints quickly,avoiding large transient peaks.Therefore,the impact on the protection system is reduced without the necessity that the DGU goes out of service.

A Similarity Comparison Based Pilot Protection Scheme for VSC-HVDC Grids Considering Fault Current Limiting Strategy

In the voltage source converter based high-voltage direct current(VSC-HVDC)grids,fast and reliable protections are the key technologies.The traditional protection schemes are easily affected by fault resistance,line distributed capacitance,etc.Meanwhile,the influence of fault current limiting strategy(FCLS)has not been fully considered.In this paper,the fault characteristics under FCLS and the feasibility of traditional travelling wave protections are analyzed.To improve the reliability and sensibility,a similarity comparison based pilot protection scheme is proposed,which focuses on the relationship between the fault characteristics and the state of the protected transmission line,with the establishment of a precise frequencydependent transmission line model.The criteria based on the similarity comparison calculated by cross-wavelet can identify the fault effectively.Meanwhile,the protection scheme can also endure the influence of error synchronization.Finally,the protection performance is verified in the PSCAD/EMTDC under different fault conditions.

断路器后备保护和大短路电流下的上下级选择性研究

引入电流三区段概念,主要分析在选择性极限电流I_(s)超过上级断路器短路保护阈值时的上下级选择性问题,并就实际工程应用给出相关建议。

配电变压器过电流保护设置探讨

针对配电变压器的三阶段过电流保护提出设置建议;针对中压保护装置具备最小动作时间设置功能和不具备最小动作时间设置功能两种情况,提出反时限过电流保护设置方案。

电气火灾监控探测器与保护电器的探讨

梳理国家规范、标准对电气火灾监控系统的设计要求,简述电气火灾监控系统设备组成中各类探测器与电气防火保护电器的功能特性,并提出其各设备组成技术参数的选择方案。

智能变电站中的继电保护技术分析

阐述继电保护关键技术在智能变电站中的应用,包括负荷保护、接地故障保护、变压器故障保护、纵联差动保护、测控与保护一体化技术、限定电流输出保护技术、微分欠压保护技术的应用。

用于光伏电力传输的CMOS集成电路的优化设计

作为一种重要的可再生能源技术,光伏电力传输对于解决能源需求和降低环境污染具有重要意义。该技术的关键在于利用限流NMOS晶体管和额外的偏置电压来控制电路中的工作电流。优化设计光伏电力传输中的CMOS集成电路,通过调节偏置电压,灵活调节光伏电力传输系统的开关电压和电流,以满足电力传输的需求,降低功耗,提高能量转换效率,降低设备故障和损坏的风险,从而确保系统的稳定运行。

适用于半桥型MMC附加限流控制的直流线路纵联保护方案

半桥型模块化多电平换流器的附加限流控制能有效降低对线路保护速动性的要求、增强实体限流装置的限流效果,降低了故障暂态电流的上升梯度及其幅值,因此,基于故障暂态电流信息的直流线路保护会受到限流控制器影响。提出了计及附加限流控制器影响的直流线路自适应纵联保护方案:利用极线电压及其零模电压变化率构成或逻辑来启动限流控制器;推导了限流控制器作用下的直流侧故障电流解析关系,并根据限流控制器对故障电流抑制程度和换流阀两侧的故障电流信息,建立了一种基于换流阀两侧差流的纵联保护方案。该方案仅用到各站端的本地量,通过与其对端换流站交换判别结果,其不受线路分布电容影响、无需多端数据同步,具有自适应性。大量仿真实验验证了利用限流控策略的有效性和保护方案的可靠性。

分布式能源脱网和其本身特性改变对线路限时电流速断保护的影响及对策

为解决分布式能源脱网及其本身特性改变对线路电流保护性能带来的影响,提出实时修正的保护门槛值优化方案。首先,分析分布式能源在脱网及其本身特性改变工况下线路电流的分布特征,利用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件搭建仿真模型来研究对下级线路限时电流速断保护灵敏度的影响;然后,根据上述工况下电流与功率的分布特征,通过分布式能源支路的实时测量电流对限时电流速断保护的门槛值进行修正,构造一种实时修正的保护门槛值优化方案,以适应分布式能源的不同运行工况;最后,通过仿真实验验证了所提优化方案的有效性。

基于电流波形畸变特征的高比例光伏配电网故障方向判别原理

随着配电网中分布式光伏渗透率的提高,原有单向故障潮流网络变为多向潮流网络,现有三段式过流保护面临误动风险。该文提出基于电流畸变特征的故障方向判别原理。首先,挖掘了光伏与同步发电机的故障电流特征差异,考虑光伏控制特性探究了光伏故障电流畸变特征和谐波分量产生机理。其次,对故障电流求导以放大故障波形特征差异,在此基础上提出了基于故障电流波形畸变特征的方向闭锁判据。最后,仿真表明所提故障方向判别原理在不同逆变器控制策略和电网不同运行状态下均能可靠判别正、反向故障,并具备一定的耐受过渡电阻和抗噪能力。该思想将分布式电源非线性特征对保护的干扰转化为故障方向判据,无需电压信息和双端通信设备,能有效降低现场施工难度。