CN111262226A - 混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法 - Google Patents

混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法，采集保护启动元件判定故障发生时刻起一定时间窗内LCC侧正负极直流输电线路电压波形并求取相应的线模电压波形；求取数据窗内线模电压最小值，并求取线模电压最小点之后剩余数据窗内线模电压最大值；计算故障前线模电压与数据窗内线模电压最小值的差值记为电压跌落值，计算该线模电压最小值与其后线模电压最大值的差值的绝对值记为电压回升值，将电压回升值与电压跌落值的比值记为电压回升比；分别将电压回升比、电压跌落值与对应的整定门槛值进行比较，判定故障是否为线路区内故障；本发明方法耐受过渡电阻能力强，数据窗短，速度快，能够满足混合高压直流输电***对保护速动性的要求。

Description

混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法
技术领域
本发明属于电力***领域，涉及高压直流输电***直流输电线路保护技术领域，具体涉及一种混合高压直流输电***直流输电线路的电流源型换流器(LCC)侧单端量保护选区方法。
背景技术
在混合高压直流输电***中，其直流输电线路跨度长、所面临的地理环境十分复杂，易发生各种故障，进而导致直流输电***闭锁，威胁到整个电力***的安全稳定运行。因此，当混合高压直流输电***直流输电线路发生故障时，迅速并准确地判别故障十分重要。
目前，常用的高压直流输电线路保护原理主要包括基于电压变化率的行波保护及基于行波波形相似度的纵联保护等。行波保护采用线路电压变化率、电压变化量及电流变化量作为主要判别依据，当线路区内故障发生时，保护安装处检测到故障行波电压跌落迅速且幅度较大，电压变化量及电压变化率均较大；而当线路区外故障发生时，受线路边界的限流电抗器等元件的衰减作用影响，电压变化量和电压变化率较小，因而可区分线路区内外故障，但行波保护原理受过渡电阻影响很大，对高阻故障无法有效判别。基于波形相似度的纵联保护利用电力***通信技术实现直流输电线路两端故障行波波形的传输与对比，在线路区内故障下线路两端行波相似度较低，而在区外故障下线路两端行波相似度较高，据此可实现区内外故障判别，该保护原理可靠性高，但因通信时间的限制无法作为线路主保护。随着高压直流输电工程的增多，中国电力***日益呈现出大规模交直流混联电网的复杂格局。高压直流输电***因惯性小、结构复杂，一旦发生故障将迅速造成严重后果，因而复杂的电网格局对直流线路保护原理的速动性和可靠性提出了更高的要求。更高的判别速度和更强的耐受过渡电阻能力是高压直流输电线路保护所面临最大的需求和挑战。
发明内容
为了解决现有高压直流输电线路故障判别速度及耐受过渡电阻能力不足的问题，本发明的目的是提供一种混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法，适用于电流源型换流器(LCC)侧超高速单端量主保护选区，能够在数十微秒内实现区内外故障的有效判别，并具备强的耐受过渡电阻能力、算法简单。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法，针对整流侧采用电流源型换流器LCC、逆变侧采用多电平模块化换流器MMC的混合高压直流输电***直流输电线路的LCC侧故障选区，包括以下步骤：
步骤1：直流输电线路故障后，保护启动元件启动后，取一定时间数据窗ΔT内直流输电线路的电流源型换流器(LCC)侧正负极电压波形Up(t)、Un(t)(其中t∈[t0,t0+ΔT])，根据相模变换方法求取对应的线模电压波形U1(t)，公式如下：
Figure BDA0002369143700000021
步骤2：求取该数据窗内线模电压的最小值，记为Umin，对应时刻记为tmin，Umin＝min(U1(t))，t∈(t0，t0+ΔT]；
步骤3：求取当前数据窗内自tmin时刻之后的线模电压最大值，记为Umax，即Umax＝max(U1(t))，t∈(tmin，t0+ΔT]；
步骤4：求取故障前线模电压与故障后数据窗内线模电压最小值的差值，称其为电压跌落值，记为Udown，即Udown＝Uop-Umin，其中Uop为故障前线路线模电压；
步骤5：求取故障后数据窗内线模电压最小值与其后线模电压最大值的差值的绝对值，称其为电压回升值，记为Uup，即Uup＝Umax-Umin；
步骤6：求取电压回升值与电压跌落值的比值，称其为电压回升比，即为Kup，即有Kup＝Uup/Udown；
步骤7：将计算所得电压回升比Kup与保护整定门槛值Kup_ref比较、将电压跌落值Udown与保护整定门槛值Udown_ref比较，若Kup＞Kup_ref且Udown＞Udown_ref，则判定为线路区内故障；反之则判定为区外故障。
所述一定时间数据窗ΔT为数十微秒。
所述电压回升比整定值Kup_ref按照小于线路区内故障下可能出现的最小电压回升比并考虑一定裕度整定，电压跌落值整定值Udown_ref按照小于区内故障需要判别的最弱故障下可能出现的最小电压跌落值并考虑一定裕度整定。
本发明和现有技术相比较，具有如下优点：
本发明提出的一种混合高压直流输电***直流输电线路LCC侧故障选区方法，针对混合高压直流输电***中LCC侧保护相对薄弱的问题，给出了一种故障判别速度和耐受过渡电阻能力显著高于其他现有技术的判别方法，且数据窗通常仅为数十微秒，计算中只需要进行少量的加法运算和数次乘除法运算，算法十分简单，能够满足直流输电线路主保护速动性的要求。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是某±500kV LCC-MMC混合高压直流输电***仿真模型图。
图3a、图3b和图3c分别是正极直流线路末端金属接地故障、正极直流线路末中点经500Ω过渡电阻接地故障和对端正极直流出口金属接地故障下整流侧线模电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2所示为某±500kV LCC-MMC混合高压直流输电***仿真模型图。其整流侧采用十二脉动换流器LCC，逆变侧采用401电平的模块化多电平换流器MMC，真双极结构，线路长度1000km，额定电流3kA，额定输送功率3000MW，整流侧直流出口平波电抗器取0.29H，逆变侧直流出口限流电抗器取0.02H。当直流输电线路发生故障(f1：正极线路末端金属接地故障、f2：正极线路中点经500Ω过渡电阻接地故障)或发生其他区外故障(f3：对端直流出口金属接地故障)时，利用本发明所提供的方法可以快速正确判别故障分别发生在线路区内或区外。取保护整定值Kup_ref＝0.7，Udown_ref＝20kV，针对f1、f2、f3三种故障情况的判别，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1：当保护启动元件启动后，各故障下分别取ΔT＝80μs数据窗内直流线路LCC侧正负极电压波形Up_f1(t)、Un_f1(t)、Up_f2(t)、Un_f2(t)、Up_f3(t)、Un_f3(t)，求取对应的线模电压U1_f1(t)、U1_f2(t)、U1_f3(t)，波形分别如如图3a、图3b、图3c所示，其中虚线之间部分为所选数据窗。
步骤2：分别求取各故障数据窗内线模电压的最小值，为Umin_f1＝540.09kV、Umin_f2＝679.46kV、Umin_f3＝662.79kV。
步骤3：分别求取数据窗内自tmin时刻之后的线模电压最大值，记为Umax_f1＝701.62kV、Umax_f2＝735.27kV、Umax_f3＝686.39kV。
步骤4：求取故障前线模电压与故障后数据窗内线模电压最小值的差值即电压跌落值Udown，即Udown_f1＝Uop-Umin_f1＝209.44kV，Udown_f2＝Uop-Umin_f2＝70.07kV，Udown_f3＝Uop-Umin_f3＝86.74kV，其中
Figure BDA0002369143700000051
为故障前线路线模电压。
步骤5：求取故障后数据窗内线模电压最小值与其后线模电压最大值差值的绝对值即电压回升值Uup，Uup_f1＝Umax_f1-Umin_f1＝161.53kV，Uup_f2＝Umax_f2-Umin_f2＝55.81kV，Uup_f3＝Umax_f3-Umin_f3＝23.60kV。
步骤6：求取电压回升值与电压跌落值的比值即电压回升比Kup，即有
Figure BDA0002369143700000052
Figure BDA0002369143700000053
步骤7：将计算所得电压回升比Kup与电压回升比整定值Kup_ref＝0.7比较、将电压跌落值Udown与电压跌落值整定值Udown_ref＝20kV比较，当同时满足Kup＞Kup_ref，Udown＞Udown_ref时判定为线路区内故障，否则为区外故障。比较可知：Kup_f1＞Kup_ref，Udown_f1＞Udown_ref，故判定f1为区内故障；Kup_f2＞Kup_ref，Udown_f2＞Udown_ref，故判定f2为区内故障；Kup_f3＜Kup_ref，Udown_f3＞Udown_ref，故判定f3为区外故障。
对照故障f1、f2和f3可知，本发明方法所给出的故障判别结果与实际吻合，证明本发明方法有效。

Claims (3)

1.混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法，其特征在于，针对整流侧采用电流源型换流器LCC、逆变侧采用多电平模块化换流器MMC的混合高压直流输电***直流输电线路的LCC侧故障选区，包括以下步骤：
步骤1：直流输电线路故障后，保护启动元件启动后，取一定时间数据窗ΔT内直流输电线路的电流源型换流器LCC侧正负极电压波形Up(t)、Un(t)，其中t∈[t0,t0+ΔT]，根据相模变换方法求取对应的线模电压波形U1(t)，公式如下：
Figure FDA0002369143690000011
步骤2：求取该数据窗内线模电压的最小值，记为Umin，对应时刻记为tmin，Umin＝min(U1(t)),t∈(t0,t0+ΔT]；
步骤3：求取当前数据窗内自tmin时刻之后的线模电压最大值，记为Umax，即Umax＝max(U1(t)),t∈(tmin,t0+ΔT]；
步骤4：求取故障前线模电压与故障后数据窗内线模电压最小值的差值，称其为电压跌落值，记为Udown，即Udown＝Uop-Umin，其中Uop为故障前线路线模电压；
步骤5：求取故障后数据窗内线模电压最小值与其后线模电压最大值的差值的绝对值，称其为电压回升值，记为Uup，即Uup＝Umax-Umin；
步骤6：求取电压回升值与电压跌落值的比值，称其为电压回升比，即为Kup，即有Kup＝Uup/Udown；
步骤7：将计算所得电压回升比Kup与电压回升比整定值Kup_ref比较、将电压跌落值Udown与电压跌落值整定值Udown_ref比较，若Kup＞Kup_ref且Udown＞Udown_ref，则判定为线路区内故障；反之则判定为区外故障。
2.根据权利要求1所述的混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法，其特征在于，所述一定时间数据窗ΔT为数十微秒。
3.根据权利要求1所述的混合高压直流输电***直流输电线路故障选区方法，其特征在于，所述电压回升比整定值Kup_ref按照小于线路区内故障下可能出现的最小电压回升比并考虑一定裕度整定，电压跌落值整定值Udown_ref按照小于区内故障需要判别的最弱故障下可能出现的最小电压跌落值并考虑一定裕度整定。
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