CN109473956B - 利用mmc型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，MMC型换流器子模块投切产生一种特征频率，利用该频率分量对故障的响应特征，构造一种利用换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，该保护原理判据利用保护安装处测得的电流提取该特征频率(频带)分量，通过一段数据绝对值的积分得到，在两端***中能够实现基于单端量的全线速动，在多端***中，辅以方向元件排除反向故障，正向故障采用欠范围整定约束。大量仿真计算表明，本发明提出的柔性直流线路保护原理，能够可靠判别区内外故障，为MMC型柔性直流线路保护动作提供有效支持。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，能够可靠判别MMC型柔性直流线路区内外故障，为保护动作可靠性提供有效支持。
【背景技术】
伴随电力电子器件的高速发展，直流输电技术不断革新。基于电压源型换流器和模块化多电平换流器的柔性直流输电***采用全控型器件绝缘栅双极型晶闸管，增加了控制维度，以其可向弱源(无源)负荷供电、电压极性不受潮流变化影响、有功无功控制灵活等优势得以广泛应用。针对柔性直流***，由于换流器件过流能力低、承受故障冲击能力差，表现出脆弱性。故障发生时，换流器的高可控性与脆弱性导致换流阀快速闭锁，短路电流受限，导致常规保护灵敏度不足。因此，研究适用于柔性直流线路保护方法具有重要意义。
目前针对柔性直流线路继电保护新原理的研究主要集中于VSC型柔性直流线路，对MMC型柔性直流线路的保护研究相对较少。根据是否基于通信可以分为单端量保护和双端量保护，利用单端量的柔性直流线路保护多致力于实现高速、可靠的主保护目标，其保护原理主要依赖于直流线路边界特征实现故障识别。但是现有保护原理判据整定过分依赖于仿真，在工程实践中工作量大，可靠性有待检验。同时，针对MMC型柔性直流线路的保护研究有待探讨。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法；
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，包括以下步骤：
步骤1：故障判别元件启动，采集数据窗tW1的电流数据，计算故障电流的特征频率分量幅值IC，若不满足式IC＞Iset1，则判定为区外故障；若满足式IC＞Iset1，则需进如下一步判别；其中，Iset1按照躲过对侧换流器出口金属性故障电流特征频率分量幅值进行欠范围的整定；
步骤2：方向元件启动，采集数据窗tW2内电流、电压数据，计算电流、电压故障分量，计算电流、电压故障分量的高频分量，计算高频暂态能量ΔWh；
步骤3：若满足式ΔWh＜k，则判为方向元件前方故障；若满足式ΔWh＞k，则判为方向元件后方故障；其中，k按照k＝0整定。
本发明进一步的改进在于：
步骤1中，提取数据窗tW1的电流数据的特征频带fC分量，求电流数据特征频率分量幅值IC，若满足：
IC＞Iset1 (1)
同时，所述方向元件判为前方故障，则判定为区内故障。
步骤1中，数据窗tW1的选取应满足以下条件：
网架与故障过渡电阻对暂态量的影响；
线路参数影响下的开关特征频率分量衰减时间；
当故障电流上升至2～3倍额定电流时实行闭锁，该保护需在闭锁前完成判别。
步骤1中，特征频带fC的选取应满足以下条件：
在一个20ms的工频周期内，记一条桥臂共会投切s次，s＝min(round(Uvref/Uc),N/2)；因此，一个周期内，一相桥臂的开关特征频率为fC＝1/(Ts/4s)；故障时，由于特征频率存在偏移，得到最低频率为三相桥臂所有子模块同时动作对外产生频率为fC1＝fC＝1/(Ts/4s)，最高频率为三相桥臂所有子模块均不同时动作对外产生频率为fC2＝3fC＝1/(Ts/3×4s)；即判据所使用特征频带fC∈[fC1,fC2]Hz。
步骤2与步骤3中，数据窗tW2的选取应满足以下条件：
网架与故障过渡电阻对暂态量的影响；
线路参数影响下的高频暂态能量衰减时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，MMC型换流器子模块投切产生一种特征频率，利用该频率分量对故障的响应特征，构造一种利用换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，该保护原理判据利用保护安装处测得的电流提取该特征频率(频带)分量，通过一段数据绝对值的积分得到，在两端***中能够实现基于单端量的全线速动，在多端***中，辅以方向元件排除反向故障，正向故障采用欠范围整定约束。本发明通过对MMC换流器自身产生的频率特征的分析，能够方便、全面、可靠的判别区内外故障，对MMC型柔性直流线路保护具有重要意义。
【附图说明】
图1为本发明实施例MMC型柔性直流***模型简图；
图2为利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法判别逻辑图。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，本发明利用PSCAD/EMTDC对不同位置、不同类型故障进行仿真，以研究其暂态特征。图1为仿真时采用的±20kV四端柔性直流***简图，不同故障位置及类型的子模块投切频率特征如下：
a)模块化多电平换流器中子模块的投切过程相当于对直流输电线路施加一个频率确定的电压激励源，该频率主要表现为整个换流器内部所有子模块投切动作的频率，定义为开关特征频率。一个周期内，子模块的投切次数与子模块数量及调制方式有关，子模块数量越多，开关特征频率越高。只要MMC子模块能够投切，该频率将始终存在。
b)由于现有工程通常采用最近电平逼近方法进行调制，故障发生时，可能会出现子模块漏投或错投等情况，导致开关特征频率会出现一定偏移。因此，在故障时，换流器开关特征表现为一段特征频带。
c)模块化多电平换流器的开关特征频率分量一般为几kHz及以上，属于高频分量。MMC中具有大量储能元件，换流器六条桥臂上电感元件对电流高频分量具有吸收、阻滞作用，使得MMC型直流线路具备边界特性，可以区分线路区内、外故障。
d)直流线路故障发生时，保护测得电气量变化剧烈。因此，回路的选频网络中，故障的特征频率分量信号远高于正常运行时，即直流线路区内故障与正常状态的特征频率分量电流幅值有较大差异。
e)交流侧故障发生时，由于子模块桥臂电抗器在特征频率表现出较大的阻抗值，对故障特征频率信号有一定的阻滞作用，相当于给线路增加了一个特征频率阻滞边界，使得保护测量处测得的故障电流特征频率分量幅值低于区内故障电流特征频率分量幅值。
f)在应用于两端***时，仅基于特征频率的保护原理即可实现基于单端量的全线速动；应用于多端***时，由于换流器不是线路边界，仅利用该原理无法区别网络内部相邻线路故障与换流器出口故障，因此增加基于高频暂态能量的方向元件排除反向故障，且对于正向故障，需对该保护原理采用欠范围整定约束。
利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，包括以下步骤：
步骤1：故障判据(特征频率判据)。记录故障发生后一段时间数据窗tW1的电流数据，提取该段电流的特征频带fC分量，求电流数据特征频率分量幅值IC，若满足
IC＞Iset1 (1)
同时，步骤2中方向元件判别结果为前方故障，则判定为区内故障。考虑到在没有平波电抗器作为线路边界的多端***中，对侧换流器出口金属性故障为最严重区外故障，因此，Iset1按照躲过对侧换流器出口金属性故障电流特征频率分量幅值进行欠范围的整定。数据窗tW1的选取应当考虑到：①网架与故障过渡电阻对暂态量的影响；②线路参数影响下的开关特征频率分量衰减时间；③当故障电流上升至2～3倍额定电流时实行闭锁，该保护需在闭锁前完成判别。
特征频带fC的选取应考虑到：对于一个一条桥臂上含有N个子模块的MMC换流器来说，整个换流器对外表现的开关特征频率(频带)由六条桥臂共同作用形成。正常情况下，在一个工频周期(20ms)内，记一条桥臂共会投切s次，s＝min(round(Uvref/Uc),N/2)。因此，一个周期内，一相桥臂的开关特征频率为fC＝1/(Ts/4s)。故障时，由于特征频率存在偏移，考虑两种极端情况，得到最低频率为三相桥臂所有子模块同时动作对外产生频率为fC1＝fC＝1/(Ts/4s)，最高频率为三相桥臂所有子模块均不同时动作对外产生频率为fC2＝3fC＝1/(Ts/3×4s)。即判据所采用特征频带fC∈[fC1,fC2]Hz。
步骤2：方向判据(高频暂态能量判据)。记录故障发生前一段时间数据窗tW2的电气量数据，取故障后数据窗tW2时间的电流、电压数据，求故障分量，提取故障分量的高频分量(500Hz以上)，求取tW2时间窗内积分得到的高频暂态能量ΔWh，若满足
ΔWh＜k (2)
则判定为方向元件前方发生故障。k按照k＝0整定。
若满足
ΔWh＞k (3)
则判定为方向元件后方发生故障。
若ΔWh不满足式(2)(3)，则为正常运行或无法判断。
数据窗tW2的选取应当考虑到：①网架与故障过渡电阻对暂态量的影响；②线路参数影响下的高频暂态能量衰减时间。
区内、外故障判别的具体方法为：
第一步：故障判别元件启动，采集tW1的电流数据，计算故障电流的特征频率分量幅值IC，若不满足式(1)，则判定为区外故障；若满足式(1)，则需进如下一步判别。
第二步：方向元件启动，采集一段时间tW2内电流、电压数据，计算电流、电压故障分量，计算电流、电压故障分量的高频分量，计算高频暂态能量ΔWh；
第三步：若满足式(2)，则判为区内故障；若满足式(3)，则判为区外故障。
本发明的原理：
本发明首先在PSCAD软件下搭建了MMC型柔性直流***模型作为实施例；通过仿真不同位置、不同过渡电阻的线路故障，获得单端电流、电压故障数据；在分析换流器固有频率特征的基础上，对仿真数据进行特定频带滤波处理，通过一段时间的数据绝对值积分，判别区内、外故障。本发明通过对MMC型换流器特征频率的分析，能够方便、全面、可靠的识别故障方向，对MMC型柔性直流线路保护具有重要意义。
仿真验证：
以图1所示某实施例***进行电磁暂态仿真计算，设置被保护线路为线路MN，利用图1中MN段线路极间故障结果，验证本发明提出的单端量保护性能。在仿真验证中，根据线路参数及实际情况，取时间窗tW1＝3ms，取特征频带为fC∈[1000,3000]Hz，综合考虑了不同故障位置、不同过渡电阻情况，其中，故障不同位置点如图1所示。表1为不同位置区内、外故障的判别结果，表2为区内中点发生不同过渡电阻极间故障的判别结果。
仿真结果表明，本发明提出的保护方法判别方案有效、可靠，具有一定的耐过渡电阻能力，正方向保护需采用欠范围约束。
表1不同位置区内、外故障的判别结果
表2区内中点发生不同过渡电阻极间故障的判别结果
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：故障判别元件启动，采集数据窗tW1的电流数据，计算故障电流的特征频率分量幅值IC，若不满足式IC＞Iset1，则判定为区外故障；提取数据窗tW1的电流数据的特征频带fC分量，求电流数据特征频率分量幅值IC，若满足式IC＞Iset1，同时，方向元件判为前方故障，则判定为区内故障，进入下一步判别；其中，Iset1按照躲过对侧换流器出口金属性故障电流特征频率分量幅值进行欠范围的整定；
步骤2：方向元件启动，采集数据窗tW2内电流、电压数据，计算电流、电压故障分量，计算电流、电压故障分量的高频分量，计算高频暂态能量ΔWh；
步骤3：若满足式ΔWh＜k，则判为方向元件前方故障；若满足式ΔWh＞k，则判为方向元件后方故障；其中，k按照k＝0整定。
2.根据权利要求1所述的利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，其特征在于，步骤1中，数据窗tW1的选取应满足以下条件：
网架与故障过渡电阻对暂态量的影响；
线路参数影响下的开关特征频率分量衰减时间；
当故障电流上升至2～3倍额定电流时实行闭锁，该保护需在闭锁前完成判别。
3.根据权利要求1所述的利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，其特征在于，步骤2中，特征频带fC的选取应满足以下条件：
在一个20ms的工频周期内，记一条桥臂共会投切s次，s＝min(round(Uvref/Uc),N/2)；因此，一个周期内，一相桥臂的开关特征频率为fC＝1/(Ts/4s)；故障时，由于特征频率存在偏移，得到最低频率为三相桥臂所有子模块同时动作对外产生频率为fC1＝fC＝1/(Ts/4s)，最高频率为三相桥臂所有子模块均不同时动作对外产生频率为fC2＝3fC＝1/(Ts/3×4s)；即判据所使用特征频带fC∈[fC1,fC2]Hz。
4.根据权利要求1所述的利用MMC型换流器特征频率的柔性直流线路单端量保护方法，其特征在于，步骤2与步骤3中，数据窗tW2的选取应满足以下条件：
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