CN112290517A - 基于功率量的柔性控制器保护方法 - Google Patents

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马洲俊
张明
黄文焘
王杰
陈少宇
邰能灵
朱红
高聪哲
�田�浩
夏冰
马迪
杨斌
许洪华
王春宁
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Abstract

基于功率量的柔性控制器保护方法，检测整流侧和逆变侧正负极的电流，以及整流侧和逆变侧正负极线路的线路保护装置安装处的电压，记柔性控制器整流侧正极直流功率和逆变侧负极直流功率之和为PKM，整流侧负极直流功率和逆变侧正极直流功率之和为PMK，定义PKM和PMK为差分功率，如果差分功率幅值超出限值，则判定柔性控制器中的直流连接线路存在单极接地故障或双极短路故障；否则认为无单极接地故障或双极短路故障发生。本发明能够在故障切除及故障穿越过程中抑制故障带来的影响，减小故障影响的范围，从而提高***的故障稳定性；本发明提出的自适应整定门槛值的自适应功率纵联差动保护方法，可以更加清晰快速的确定故障类型，保证换流设备的安全。

Description

基于功率量的柔性控制器保护方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及柔性直流配电网***中的柔性控制器的保护，为一种基于功率量的柔性控制器保护方法。
背景技术
柔性直流配电网***中的关键设备是柔性控制器，其控制策略与故障特性是控制与保护方案的基础。针对柔性直流配电网故障，已有一些控制保护方法被提出。但是由于柔性控制器的工作状态复杂，控制与保护的复杂程度大大增加，其故障特性也不同于通常直流输电***现有元器件的故障特性。因此，柔性控制器的控制保护需要进行专门的研究与设计。在直流***保护与控制领域，国内的研究主要集中在电压源型直流输、配电***的故障识别与隔离技术，对于柔性控制器的保护方法并未成熟。
参考文献[1-2]提出了柔性直流输电***控制保护方案配置及直流***故障下相关的控制保护策略。其故障处理与隔离主要依靠直流***固定模式的调控，缺乏一定的灵活性。直流控制器规模，单一馈线及设备故障时，依靠闭锁或重启***的方式将严重降低***的可用率。而且所提出的保护方案基于直流输电线路，不完全适用于柔性控制器。
为实现配电电网故障的有效隔离，参考文献[3-4]提出了基于配电自动化技术的故障处理技术。配网保护与自动化技术的结合为直流***故障的控制保护技术的研究提供了一定的借鉴，将直流***保护与控制相结合是实现直流故障有效隔离的新思路。
参考文献[5-6]提出了几种柔性直流输电线路的故障控制与保护方法，在输电线路上能有效作用，但对硬件设备有着额外的要求。
上述方法均针对交流***或柔性直流输电线路展开分析，而柔性控制器的设备组成、故障类型等均与二者不同，上述方法并不能完全适用。
参考文献
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发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术主要针对柔性直流配电网的线路保护，而直流配电网的电气结构有别于柔性控制器，以往的线路保护方法不能直接应用于器件保护，现有技术缺乏对柔性直流配电网中柔性控制器器件的有效保护方法。
本发明的技术方案为：基于功率量的柔性控制器保护方法，检测整流侧和逆变侧正负极的电流，以及整流侧和逆变侧正负极线路的线路保护装置安装处的电压，记柔性控制器整流侧正极直流功率和逆变侧负极直流功率之和为PKM，柔性控制器整流侧负极直流功率和逆变侧正极直流功率之和为PMK，定义PKM和PMK为差分功率，如果差分功率幅值超出设定的门槛值，则判定柔性控制器中的直流连接线路存在单极接地故障或双极短路故障；否则认为无单极接地故障或双极短路故障发生；根据判定结果对柔性控制器进行保护动作。
进一步的，当判断柔性控制器中的直流连接线路存在故障，先通过滑动平均滤波处理，衰减高频分量，提取电气量的低频成分，滤波后的功率PKM和PMK在柔性控制器直流侧不同故障类型下具有不同的正、负组合，如果滤波后的PKM为负值，PMK为正值，且幅值均超过门槛值，则判定***直流线路发生正极接地故障；如果滤波后的PKM为正值，PMK为负值，且幅值均超过门槛值，则判定***直流线路发生负极接地故障；如果滤波后的PKM和PMK均为正值且幅值超过门槛值，则判定***直流线路发生双极短路故障。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明对柔性控制器的保护方法选择柔性控制器中的典型电气量，无需加入额外电气测量设备，同时拥有计算量小，计算效率高的优点，根据实际柔性控制器工作状态及输送的功率，能通过合理配置故障判据整定值与动作时间实现各级保护之间的功能配合，整定值即为门槛值Pset，动作时间指保护启动的延时。从而在故障切除及故障穿越过程中，抑制故障带来的影响，减小故障影响的范围，提高***的故障稳定性。
(2)本发明根据柔性控制器运行状态提出自适应整定门槛值的自适应功率纵联差动保护方法，可以更加清晰快速的确定故障类型，简化了维护人员检查电路的工作，能够快速鉴别并隔离故障，保证换流设备的安全。
附图说明
图1为柔性控制器示意图。
图2为本发明保护方法的原理示意图。
具体实施方式
本发明针对新型柔性控制器MMC，如图1所示，新型的柔性控制器是单个器件，内部的线路极短，线路行波可以忽略，而且MMC换流器的功率高频特性与传统两电平VSC不同，所以现有技术中的高频功率相关性纵联与行波方向纵连保护均不适用。同时在不同工况切换时刻，直流电流和电压的突变率也较大，不能作为故障判断依据。本发明考虑到柔性控制器运行的工况多变，常规的电流保护存在整定困难的问题，提出采用基于功率量的差动保护，同时由于柔性控制器体积小，差动保护信号传输距离短，能很好地满足保护的速动性。
以下对本发明基于功率量的柔性控制器纵联保护方案原理进行阐述。
首先对直流线路电流和直流线路电压特性进行分析。如图1所示，为柔性控制器示意图，柔性控制器的直流侧故障分为单极接地故障与双极短路故障两类，本发明构建基于纵联差动保护的***控制保护方法，对***故障造成的故障特征电气量进行分析，选择差分功率量作为保护判据。图1中，iKp和iMp为流过整流侧正极线路和逆变侧正极线路保护装置安装处的电流，iKn和iMn为流过对应的负极线路保护装置安装处的电流，uKp和uMp为整流侧与逆变侧正极线路保护装置安装处的电压，uKn和uMn为整流侧与逆变侧负极线路保护装置安装处的电压。电压和电流参考反向如图中箭头所示。为作简化，本发明实施例在处理电压、电流量时，统一采用标幺值折算后的值进行计算。电力***学科中常说的保护方法在广义上包括故障的判断、选择与切除方法。本发明中的保护方法包括了电气一次测检测量的选择、保护判据的构建、保护整定值的设置原理以及故障判断方法，保护动作为开关跳开。
基于对柔性控制器的分析，本发明综合直流线路电压量和电流量，设柔性控制器的保护安装处功率为P＝ui，其中u和i分别是直流线路保护安装处电压和电流。可得直流功率量P在多种故障状态下的值，如表1所示，其中Udc、Idc表示直流线路额定电压电流值。
表1直流功率量取值表
Figure BDA0002730963960000031
Figure BDA0002730963960000041
由表1可得，两端换流器不同极线路直流功率之和，即柔性控制器整流侧正极直流功率和逆变侧负极直流功率之和、柔性控制器整流侧负极直流功率和逆变站正极直流功率之和，在柔性控制器正常稳态运行和交流侧故障时为零，在单极接地故障和双极短路故障时不为零。记柔性控制器正极直流功率和逆变侧负极直流功率之和为PKM，柔性控制器负极直流功率和逆变侧正极直流功率之和为PMK，定义PKM和PMK为差分功率，定义式为：
Figure BDA0002730963960000042
如果差分功率幅值不为零，则判定柔性控制器中的直流连接线路存在单极接地故障或双极短路故障；否则认为无单极接地故障或双极短路故障发生；根据判定结果对柔性控制器进行保护动作。考虑到直流线路分布电容在***故障时对电气量特性有一定影响，且主要影响电气量的高频成分，本发明保护中采用滑动平均滤波衰减高频分量，提取电气量的低频成分，用于修正忽略直流线路分布电容而得到的分析结果。
差分功率PKM和PMK通过滑动平均滤波处理后的输出为
Figure BDA0002730963960000043
PKM和PMK为时变量，PKM_f(k)和PMK_f(k)表示滤波后的PKM和PMK，根据当前时刻k的过往时段T内的数据生成，时段T即为采样周期，N为采样周期的采样点数。为快速有效地滤除高频分量，本发明优选T为3ms，也就是对每个采样时刻k，以时刻k之前3ms内的N个采样点来计算对应的PKM_f(k)和PMK_f(k)，采样周期中，每一个采样点对应一个时刻。
基于滑动平均滤波处理后的差分功率，直流侧故障判据可表示为
|PKM_f|＞Pset&|PMK_f|＞Pset
式中：Pset为设定门槛值，取值与柔性控制器前一时段的输出功率有关，根据柔性控制器的工作状态决定，设置为0.05～0.1P额定。
功率PKM和PMK在柔性控制器直流侧不同故障类型下具有明显不同的正、负组合。如果滤波后的PKM为负值，PMK为正值，则可判定***直流线路发生正极接地故障；如果滤波后的PKM为正值，PMK为负值，则可判定***直流线路发生负极接地故障；如果滤波后的PKM和PMK均为正值，则可判定***直流线路发生双极短路故障。因此，故障类型识别判据可表示为
Figure BDA0002730963960000051
柔性控制器正常稳态运行和交流侧故障时，得
Figure BDA0002730963960000052
柔性控制器正极接地故障时，得
Figure BDA0002730963960000053
柔性控制器负极接地故障时，得
Figure BDA0002730963960000054
柔性控制器双极短路故障时，得
Figure BDA0002730963960000055
若判断故障类型为所述三种故障，保护单元则在设定的延时时间后执行保护动作。柔性直流配电网中的各级保护之间存在配合关系，通过不同级别保护的延时实现。
本发明保护方法是对柔性控制器的器件内部保护。功率突变是功率量在单位时间内的变化率，在柔性控制器工况切换与故障发生时都会有很大的功率突变，所以现有技术中直接依据功率变化的方案无法适用本发明的场合。本发明的功率差是双端量，两端电气量作差，可以避免正常功率变动引起保护误动。另外，现有技术也有利用电流电压保护整定值来进行保护的方案，但都是针对某个固定工况，如果工况多变需要重新整定，而在本发明柔性控制器的使用场合，现场一般不具备实时整定的条件。本发明根据柔性控制器自身功率量构建的功率纵联差动保护方法无需额外电器测量整定设备，计算量小，适应性高，能够准确及时判定柔性控制器状态，从而实现对柔性控制器的保护。
综上分析，本发明利用差分功率构造出柔性控制器中直流连接线保护原理，交流侧故障时，直流侧故障判据不满足，保护不动作；直流侧故障时，直流侧故障判据成立，而后通过故障类型识别判据进行故障类型识别，使得保护正确动作。本发明在功率量的基础上，通过的Pset及保护动作延时的设计实现对柔性控制器的自适应保护，自适应功率纵联差动保护的逻辑框图如图2所示。

Claims (7)

1.基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是检测整流侧和逆变侧正负极的电流，以及整流侧和逆变侧正负极线路的线路保护装置安装处的电压，记柔性控制器整流侧正极直流功率和逆变侧负极直流功率之和为PKM，柔性控制器整流侧负极直流功率和逆变侧正极直流功率之和为PMK，定义PKM和PMK为差分功率，如果差分功率幅值超出设定的门槛值，则判定柔性控制器中的直流连接线路存在单极接地故障或双极短路故障；否则认为无单极接地故障或双极短路故障发生；根据判定结果对柔性控制器进行保护动作。
2.根据权利要求1所述的基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是设iKp和iMp为流过整流侧和逆变侧正极线路保护装置安装处的电流，iKn和iMn为流过对应的负极线路保护装置安装处的电流，uKp和uMp为整流侧与逆变侧正极线路保护装置安装处的电压，uKn和uMn为整流侧与逆变侧负极线路保护装置安装处的电压，差分功率定义式为
Figure FDA0002730963950000011
3.根据权利要求1或2所述的基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是当判断柔性控制器中的直流连接线路存在故障，先通过滑动平均滤波处理，衰减高频分量，提取电气量的低频成分，滤波后的功率PKM和PMK在柔性控制器直流侧不同故障类型下具有不同的正、负组合，如果滤波后的PKM为负值，PMK为正值，且幅值均超过门槛值，则判定***直流线路发生正极接地故障；如果滤波后的PKM为正值，PMK为负值，且幅值均超过门槛值，则判定***直流线路发生负极接地故障；如果滤波后的PKM和PMK均为正值且幅值超过门槛值，则判定***直流线路发生双极短路故障。
4.根据权利要求3所述的基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是差分功率PKM和PMK通过滑动平均滤波处理，滤波后的输出为：
Figure FDA0002730963950000012
PKM和PMK为时变量，PKM_f(k)和PMK_f(k)表示滤波后的PKM和PMK，根据当前时刻k的过往时段T内的数据生成，时段T即为采样周期，N为采样周期的采样点数；
则直流侧故障判据表示为
|PKM_f|＞Pset&|PMK_f|＞Pset
Pset为设定的门槛值，根据柔性控制器的工作状态决定，设置为0.05～0.1P额定。
5.根据权利要求4所述的基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是时段T为3ms。
6.根据权利要求4所述的基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是根据滤波后输出对故障类型的识别判据表示为：
Figure FDA0002730963950000021
7.根据权利要求1所述的基于功率量的柔性控制器保护方法，其特征是柔性控制器中的直流连接线路与差分功率的对应关系为：
柔性控制器正常稳态运行和交流侧故障时，
Figure FDA0002730963950000022
柔性控制器正极接地故障时，
Figure FDA0002730963950000023
Udc、Idc表示直流线路额定电压电流值，
柔性控制器负极接地故障时，
Figure FDA0002730963950000024
柔性控制器双极短路故障时，
Figure FDA0002730963950000025
若判断故障类型为所述三种故障，保护单元则在设定的延时时间后执行保护动作。
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