CN107069682B - 一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，属于电力***继电保护技术领域。高压直流***中不同区域发生故障时直流控制侧会产生不同的响应，利用故障期间换流器触发角ɑ、逆变器关断角γ、两端阀侧到直流出线区域的差流ΔI_re和ΔI_inv的变化特征可以准确区分出区内外故障，换流器触发角ɑ响应可以识别出整流侧交流***故障和对极线路故障，逆变侧关断角γ可以识别出逆变侧交流***故障，而引入阀侧到直流出线区域的差流信号ΔI_re和ΔI_inv来识别阀侧到出线区域内故障。本发明动作可靠性高，动作速度快，抗过渡电阻能力强，可以满足远端故障。对于实际高压直流输电工程线路后备保护的配置具有重要参考意义。

Description

一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法

技术领域

本发明涉及一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，属于电力***继电保护技术领域。

背景技术

目前，我国电力***已经实现了全国联网、远距离、大容量输电。预计到2020年，我国建设的直流输电工程将达50余项，其中特高压直流输电工程约占60％。由于直流输电线路电压等级高，沿线地理环境复杂，因而其发生故障的概率也很高，严重影响到了直流输电***的安全稳定性。

目前，直流输电线路主要保护方案包括行波保护、微分欠压保护、直流差动保护等^[5]，但其核心技术则主要掌握在少数国外生产厂家手中，保护构成原理、整定计算依据则仍未公开，导致我国直流输电***在保护配置及整定、保护装置升级等方面常常处于被动局面，从而对我国交直流混联电力***安全稳定性水平造成了很大程度的影响。

高压直流输电***一般采用微分欠压保护和纵连差动保护作为后备保护，但微分欠压保护欠压判据的动作特性与过渡电阻和直流控制***参数等因素密切相关；纵联差动保护受控制***影响较大并且为了躲避区外故障，其动作延时长达1.1s。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，高压直流***中不同区域发生故障时直流控制侧会产生不同的响应，利用故障期间换流器触发角、逆变器关断角和两端阀侧到直流出线区域的差流变化特征可以准确区分出区内外故障，从而准确快速的对区内故障进行动作。

本发明的技术方案是：

一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，具体步骤为：

(1)直流***中整流侧直流出线到逆变侧直流出线的区域为高压直流输电线路，发生在此区域内的故障为区内故障，保护动作，其余故障均为区外故障，保护不动作；

(2)实时监测整流侧和逆变侧的差流信号，整流侧的差流信号为整流阀处电流与整流侧直流出线处电流之差，记为ΔI_re；逆变侧的差流信号为逆变阀处电流与逆变侧直流出线处电流之差，记为ΔI_inv；用这两个差流信号来检测直流输电***中因故障而产生的电流自由分量，当ΔI_re或ΔI_inv大于差流保护动作电流门槛值I_set，则说明直流输电***中有故障产生，启动后备保护，在保护闭锁结束后启动触发角α判据以进一步判断故障发生的区域；

(3)经过闭锁时间t_s的闭锁以后，启动α判据，α判据的判别方法为：

由直流输电***的极控测量单位提取到整流侧触发角α的采样值，将采样值与设定的门槛值α_set进行比较，若α<α_set不成立，判断属于区外故障，保护复位；若成立，则启动γ判据以进一步判断故障发生的区域；

(4)γ判据的判别方法为：

由极控测量单位提取到逆变侧关断角γ的采样值，将采样值与设定的门槛值γ_set进行比较，若γ>γ_set不成立，则判断属区外故障，保护复位；若成立，启动差流判据以进一步判断故障发生的区域；

(5)差流判据判别方法为：

对差流信号ΔI_re和ΔI_inv进行采样，判断差流信号ΔI_re>I_set和ΔI_inv>I_set是否成立，任何一式成立，可判断故障为相应区域故障，属区外故障，保护复位；如两式都不成立，则判定为区内故障。

步骤(3)所述闭锁时间t_s判定具体为：

为躲开故障后非线性元件产生的衰减自由分量对各物理量的干扰，同时与***主保护配合，在保护启动后设置闭锁时间t_s，取自由分量衰减为零所用时间和躲过主保护所用时间中数值大的一个作为闭锁时间t_s。

步骤(3)所述α判据的动作整定值α_set的整定方案为：

基于直流输电***的实际参数搭建仿真模型，在仿真***的整流侧交流线路和对极线路上设置各种极端情况下的故障，仿真得到各种极端故障情况下***整流侧触发角出现的最大值α_max，整定α_set＝k₁α_max，k₁为可靠系数。

步骤(4)所述γ判据的动作整定值γ_set的整定方案为：

在仿真***的逆变侧交流线路上设置各种极端情况下的故障，仿真得到各种极端故障情况下逆变侧关断角出现的最大值γ_max，整定γ_set＝k₂γ_max，k₂为可靠系数。

步骤(5)所述差流判据的设定方案具体为：

闭锁时间t_s结束后，非线性元件释放的自由分量基本衰减至0，自由分量的干扰作用消失，如果此时差流信号ΔI_re或ΔI_inv仍然大于整定值，说明故障发生于差流信号保护的区域内，也就是整流阀或逆变阀到直流出线区域，此区域属于保护区外，故保护复位；如果差流信号小于整定值，则判定故障发生于高压直流输电线路内，保护动作。

本发明的原理是：

1、保护范围

本发明的保护范围是直流输电线路全长，而线路以外区域均为需要识别的区外故障，主要分为：对极线路故障、整流侧交流***故障、逆变侧交流***故障、整流侧出线故障、逆变侧出线故障5种。

2、保护启动

直流***发生故障，后备保护应该不受故障距离、过渡电阻和故障类型影响快速准确的启动。由于所有故障都会导致***电气量突变，从而进入电磁暂态过程导致各非线性元件释放自由分量，而ΔI_re和ΔI_inv差流判据的信号来自于平波电抗器两端电流，电磁暂态期间平波电抗器反复充放电将带来明显的呈衰减震荡的差流信号，并且差流信号对***各故障不易受故障距离和过渡电阻影响，故本方案采用差流信号作为后备保护的启动型号。判断两侧差流ΔI_re>I_set或ΔI_inv>I_set是否成立，如成立，则启动本后备保护，在保护闭锁结束后启动触发角α判据；如不成立，则继续检测电气量。

式中ΔI_re、ΔI_inv分别为整流阀侧到送端直流出线和逆变阀侧到受端直流出线的差流信号I_set为差流保护动作电流门槛值，I_set＝k₁I₀，k₁为可靠系数，I₀为区内故障闭锁结束后两侧差流信号中较大值。

3、保护闭锁

电磁暂态过程的自由分量使电气量剧烈震荡，震荡过程持续大概300ms，此震荡对此后备保护的整定带来很大的干扰，故此后备保护方案应设置相关闭锁信号回避自由分量。考虑到直流***发生换相失败后，应由直流***进行换相失败诊断并由相关的保护动作，因此后备保护方案应设置相关闭锁信号从而和换相失败保护进行配合。由于需要和换相失败保护相互配合，将导致后备保护延时动作，延时时间由换相失败诊断时间决定，一般为200ms左右。后备保护的闭锁时间应该取两者中较大的一个，故此后备保护方案的闭锁时间取ts＝300ms。

4、触发角α判据

整流侧交流***发生对称故障时，整流侧在定电流控制作用下迅速减小α角以抑制直流电流下降，整流侧最终运行于定α_min控制；整流侧交流***发生对称短路故障时的故障特性为：α＝α_min＝5°。

整流侧交流***发生不对称故障时，整流器出口直流电流将持续波动进而导致直流侧控制方式在定电流控制和定α_min控制间不断切换继而导致α角不断波动，其最小值为α＝α_min＝5°、最大值α_max由故障类型决定，整流侧交流***发生不对称短路故障时的故障特性为：α角在α＝α_min＝5°至α_max间持续波动。

直流线路发生短路故障瞬间，整流侧直流电流增大而逆变侧直流电流减小。整流侧在定电流控制的作用下迅速增加α角以抑制直流电流。不考虑过渡电阻影响时，低压限流环节开始作用，直流电流整定值跟随直流电压而减小，整流侧最终运行于定电流(最小电流限制)控制，直流线路短路故障稳态时的故障特性为：α>α_N。

对极线路故障，由于线路耦合效应，α角的变化趋势与本极线路故障时类似，但幅度相差甚大。

本方法采用触发角α来识别整流侧交流***故障和对极线路故障。由极控测量单位提取到整流侧触发角α的采样值，判断采样值α<α_set是否成立，如成立，可判断故障为整流侧交流***故障或对极直流线路故障，属于区外故障，保护复位；如不成立，则启动γ判据。

式中α_set为α判据的动作整定值，α_set＝k₂α_max，k₂为可靠系数，α_max为整流侧交流***各故障和对极***故障中触发角α出现的最大值。

5、关断角γ判据

逆变侧交流***发生对称故障时，逆变侧始终为定γ角控制，在逆变侧交流母线电压降低的作用下导致γ角减小，由于逆变侧交流电压跌落幅度过大，定关断角控制器已无法消除γ角整定值与实际值之间的误差，导致γ角小于其额定值。逆变侧交流***发生对称短路故障时的故障特性为：γ＜γ_N。

逆变侧交流***发生不对称故障时，逆变侧控制方式及γ角实际值变化趋势与逆变侧对称故障时相同。逆变侧交流母线发生不对称短路故障时的故障特性为：γ<γ_N。

直流线路发生短路故障时，逆变侧由定γ角控制转换为定电流控制，且在低压限流环节的作用下减小电流整定值，并最终使逆变侧运行于最小电流限制，此时，逆变侧定电流控制器整定值有所减小，输出的β角较正常运行时有所增大，逆变侧直流电流减小及β角增大都将导致关断角γ较正常运行时有所增大。直流线路发生不对称短路故障时的故障特性为：γ>γ_N。

本方法采用用关断角γ来区分逆变侧交流***故障。由极控测量单位提取到逆变侧关断角γ的采样值，判断采样值γ<γ_set是否成立，如成立，可判断故障为逆变侧交流***故障，属区外故障，保护复位；如不成立，启动差流判据。

式中γ_set为γ判据的动作整定值，γ_set＝k₃γ_max，k₃为可靠系数，γ_max为逆变侧交流***各故障中关断角γ出现的最大值。

6、差流判据

闭锁时间结束后，非线性元件释放的自由分量基本衰减至0，判断差流信号ΔI_re<I_set和ΔI_inv<I_set是否成立，如两者不全成立，则故障发生于两侧出线区域，如都成立则发生于区内，保护动作。

本发明的有益效果是：

1、本方法利用逆变侧关断角γ来识别逆变侧交流***故障，而没有利用暂态电气量，避免了故障后暂态电气量受控制***影响而使动作不可靠的问题；

2、本保护应能在300ms左右可靠动作。直流纵差保护主要用于检测远端高阻接地故障，但其动作延时最长达1.1s。因而与直流纵差保护相比，本保护动作时间大幅提升；

3、整流侧触发角α及关断角γ动作趋势几乎不受故障距离的影响；本保护采用整流侧触发角α和关断角γ作为判据降低了故障距离对保护可靠性的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中云广±800kV特高压输电***模型及故障分类图；图中f1～f6分别代表区内故障、对极线路故障、整流侧出线故障、逆变侧出线故障、整流侧交流***故障、逆变侧交流***故障；

图2是本发明不同过渡电阻时ɑ判据动作情况图；

图3是本发明不同过渡电阻时γ判据动作情况图；

图4是本发明不同过渡电阻时整流侧差流判据ΔI_re动作情况图；

图5是本发明不同过渡电阻时逆变侧差流判据ΔI_inv动作情况图；

图6是本发明不同故障距离时ɑ判据动作情况图；

图7是本发明不同故障距离时γ判据动作情况图；

图8是本发明不同故障距离时整流侧差流判据ΔI_re动作情况图；

图9是本发明不同故障距离时逆变侧差流判据ΔI_inv动作情况图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，具体步骤为：

(1)直流***中整流侧直流出线到逆变侧直流出线的区域为高压直流输电线路，发生在此区域内的故障为区内故障，保护动作，其余故障均为区外故障，保护不动作；

(2)实时监测整流侧和逆变侧的差流信号，整流侧的差流信号为整流阀处电流与整流侧直流出线处电流之差，记为ΔI_re；逆变侧的差流信号为逆变阀处电流与逆变侧直流出线处电流之差，记为ΔI_inv；用这两个差流信号来检测直流输电***中因故障而产生的电流自由分量，当ΔI_re或ΔI_inv大于差流保护动作电流门槛值I_set，则说明直流输电***中有故障产生，启动后备保护，在保护闭锁结束后启动触发角α判据以进一步判断故障发生的区域；

(3)经过闭锁时间t_s的闭锁以后，启动α判据，α判据的判别方法为：

由直流输电***的极控测量单位提取到整流侧触发角α的采样值，将采样值与设定的门槛值α_set进行比较，若α<α_set不成立，判断属于区外故障，保护复位；若成立，则启动γ判据以进一步判断故障发生的区域；

(4)γ判据的判别方法为：

由极控测量单位提取到逆变侧关断角γ的采样值，将采样值与设定的门槛值γ_set进行比较，若γ>γ_set不成立，则判断属区外故障，保护复位；若成立，启动差流判据以进一步判断故障发生的区域；

(5)差流判据判别方法为：

对差流信号ΔI_re和ΔI_inv进行采样，判断差流信号ΔI_re>I_set和ΔI_inv>I_set是否成立，任何一式成立，可判断故障为相应区域故障，属区外故障，保护复位；如两式都不成立，则判定为区内故障。

步骤(3)所述闭锁时间t_s判定具体为：

为躲开故障后非线性元件产生的衰减自由分量对各物理量的干扰，同时与***主保护配合，在保护启动后设置闭锁时间t_s，取自由分量衰减为零所用时间和躲过主保护所用时间中数值大的一个作为闭锁时间t_s。

步骤(3)所述α判据的动作整定值α_set的整定方案为：

基于直流输电***的实际参数搭建仿真模型，在仿真***的整流侧交流线路和对极线路上设置各种极端情况下的故障，仿真得到各种极端故障情况下***整流侧触发角出现的最大值α_max，整定α_set＝k₁α_max，k₁为可靠系数。

步骤(4)所述γ判据的动作整定值γ_set的整定方案为：

在仿真***的逆变侧交流线路上设置各种极端情况下的故障，仿真得到各种极端故障情况下逆变侧关断角出现的最大值γ_max，整定γ_set＝k₂γ_max，k₂为可靠系数。

步骤(5)所述差流判据的设定方案具体为：

闭锁时间t_s结束后，非线性元件释放的自由分量基本衰减至0，自由分量的干扰作用消失，如果此时差流信号ΔI_re或ΔI_inv仍然大于整定值，说明故障发生于差流信号保护的区域内，也就是整流阀或逆变阀到直流出线区域，此区域属于保护区外，故保护复位；如果差流信号小于整定值，则判定故障发生于高压直流输电线路内，保护动作。

实施例2：如图1所示，±800kV特高压直流输电模型。该模型中，直流输送的额定功率为5000MW，额定电流为3125A，整流侧：交流***的电压为525kV，短路比SCR＝2.5/840，无功补偿容量为3000Mvar，直流滤波器为12/24/36三调谐滤波器，每极换流单元采用2个12脉动换流器串联连接组成，串联的电压按±(400+400)kV进行分配。逆变侧的无功补偿容量为3040Mvar，其他的参数与整流侧一致。直流输电线路全长为1500km(实际工程为1418km)，控制***是根据国际大电网会议组织(CIGRE)直流输电标准测试***建立的。

如图1所示，f1～f6区域发生各种故障后对各判据进行统计，结果见表1-表4。

表1 f1～f6区域各种故障下故障发生时刻差流信号统计

表2 f1、f3、f4区域故障下闭锁结束后差流信号统计

表3 f1、f2、f5区域各种故障下闭锁结束后α出现的最大值统计

表4 f1、f6区域各种故障下闭锁结束后γ出现的最大值统计

在对判据进行整定时，必须保证在区外发生任何故障本套保护方案都不会误动。所以在整定时应该以区外最不容易识别的故障为基准。对于启动判据，应该保证所有故障都能启动，对于α判据，应该保证能识别f2及f5区域内所有故障；对于γ判据，应该保证能识别f6区域内所有故障；对于差流判据，应该保证能识别f3、f4区域内所有故障；综上所述，α判据整定中α_max应取f2及f5区域内所有故障中控制***可能输出的α角最大值；γ判据其整定值应按照f6区域内所有故障中可能出现的γ角最大值γ_max进行整定；差流判据整定值计算应在考虑故障初期闭锁时间的基础上，按照f1短路故障时可能出现的差流最大值进行整定。整定结果见表5。

表5各判据整定值

以正极线路中点0.1s分别发生经20Ω、100Ω及200Ω短路故障为例进行说明，仿真结果见图7。

由图2-5可知，过渡电阻为20Ω、100Ω及200Ω时本保护均能正确动作。整流侧触发角α及关断角γ的动作程度随着过渡电阻的增大而呈下降趋势，并且其达到整定的时间有所增加，但在闭锁结束后，均大于整定值且保持稳定；过渡电阻在一定程度上限制了短路电流的自由分量，因而两侧差流振幅及衰减时间将随着过渡电阻的增加而减小，且在闭锁结束后，两侧差流判据均稳定与0附近。此外，本文通过大量仿真，得到了直流线路故障时本后备保护各判据正确动作的“临界”过渡电阻均大于300Ω。

以0.1s时距M端100km、600km、1400km正极线路金属性接地故障为例进行说明，仿真结果如图8所示。

由图6-9可知，距离M端100km、600km、1400km正极线路金属性短路故障时，本保护均能正确动作。但随着故障距离的增加，故障初期直流电压2次谐波分量持续时间逐渐增大，但故障初期闭锁结束后均降低至0附近；整流侧触发角α及关断角γ动作趋势几乎不受故障距离的影响；故障距离越远，整流侧差流判据降至0附近所需的时间越长，而逆变侧差流判据降至0附近所需时间则随着故障距离的增加先增大后减小。

表4给出了图1中f2～f6在不同过渡电阻及故障位置条件下，本保护动作情况。由表4可知，本文所提直流线路后备保护在远端高阻接地故障时仍能可靠动作，同时考虑保护闭锁时间、数据传输时间及保护判据计算时间，本保护应能在300ms左右可靠动作。直流纵差保护主要用于检测远端高阻接地故障，但其动作延时最长达1.1s。因而与直流纵差保护相比，本保护动作时间大幅提升。

表6不同过渡电阻时保护动作情况

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，其特征在于：所述方法具体步骤为：

(1)直流***中整流侧直流出线到逆变侧直流出线的区域为高压直流输电线路，发生在此区域内的故障为区内故障，保护动作，其余故障均为区外故障，保护不动作；

(2)实时监测整流侧和逆变侧的差流信号，整流侧的差流信号为整流阀处电流与整流侧直流出线处电流之差，记为ΔI_re；逆变侧的差流信号为逆变阀处电流与逆变侧直流出线处电流之差，记为ΔI_inv；用这两个差流信号来检测直流输电***中因故障而产生的电流自由分量，当ΔI_re或ΔI_inv大于差流保护动作电流门槛值I_set，则说明直流输电***中有故障产生，启动后备保护，在保护闭锁结束后启动触发角α判据以进一步判断故障发生的区域；

(3)经过闭锁时间t_s的闭锁以后，启动α判据，α判据的判别方法为：

由直流输电***的极控测量单位提取到整流侧触发角α的采样值，将采样值与设定的门槛值α_set进行比较，若α<α_set不成立，判断属于区外故障，保护复位；若成立，则启动γ判据以进一步判断故障发生的区域；

(4)γ判据的判别方法为：

由极控测量单位提取到逆变侧关断角γ的采样值，将采样值与设定的门槛值γ_set进行比较，若γ>γ_set不成立，则判断属区外故障，保护复位；若成立，启动差流判据以进一步判断故障发生的区域；

(5)差流判据判别方法为：

对差流信号ΔI_re和ΔI_inv进行采样，判断差流信号ΔI_re>I_set和ΔI_inv>I_set是否成立，任何一式成立，可判断故障为相应区域故障，属区外故障，保护复位；如两式都不成立，则判定为区内故障。

2.根据权利要求1所述的基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，其特征在于：

步骤(3)所述闭锁时间t_s判定具体为：

为躲开故障后非线性元件产生的衰减自由分量对各物理量的干扰，同时与***主保护配合，在保护启动后设置闭锁时间t_s，取自由分量衰减为零所用时间和躲过主保护所用时间中数值大的一个作为闭锁时间t_s。

3.根据权利要求1所述的基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，其特征在于：

步骤(3)所述α判据的动作整定值α_set的整定方案为：

基于直流输电***的实际参数搭建仿真模型，在仿真***的整流侧交流线路和对极线路上设置各种极端情况下的故障，仿真得到各种极端故障情况下***整流侧触发角出现的最大值α_max，整定α_set＝k₁α_max，k₁为可靠系数。

4.根据权利要求1所述的基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，其特征在于：

步骤(4)所述γ判据的动作整定值γ_set的整定方案为：

在仿真***的逆变侧交流线路上设置各种极端情况下的故障，仿真得到各种极端故障情况下逆变侧关断角出现的最大值γ_max，整定γ_set＝k₂γ_max，k₂为可靠系数。

5.根据权利要求1所述的基于直流控制***的高压直流输电线路后备保护方法，其特征在于：

步骤(5)所述差流判据的设定方案具体为：

闭锁时间t_s结束后，非线性元件释放的自由分量基本衰减至0，自由分量的干扰作用消失，如果此时差流信号ΔI_re或ΔI_inv仍然大于整定值，说明故障发生于差流信号保护的区域内，也就是整流阀或逆变阀到直流出线区域，此区域属于保护区外，故保护复位；如果差流信号小于整定值，则判定故障发生于高压直流输电线路内，保护动作。