CN112350286B - 基于直流电抗器的vsc-hvdc线路保护方法及*** - Google Patents

基于直流电抗器的vsc-hvdc线路保护方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于直流电抗器的VSC‑HVDC线路保护方法及***，该方法包括以下步骤：实时获取故障后的VSC‑HVDC***直流线路两端的直流电抗器的能量变化值；将所述能量变化值与整定门槛值进行比较；若任意一个所述能量变化值在整定时间tset内大于所述整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障；断开所述VSC‑HVDC***直流线路两端的断路器。本发明的目的在于提供基于直流电抗器能量的VSC‑HVDC***线路保护方法，解决现有VSC‑HVDC***线路保护方法可靠性不足的技术问题。

Description

基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法及***
技术领域
本发明涉及电力***及其自动化技术领域，尤其涉及基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法及***。
背景技术
VSC-HVDC(Voltage Source Converter HVDC，电压源换流器型直流输电)的出现极大提升了直流输电技术的发展和应用。与传统高压直流输电技术相比，VSC-HVDC可实现对有功功率和无功功率的独立控制，在灵活性、经济性和可靠性方面都具有显著优势。上述优势有助于解决大规模新能源并网和海岛供电等问题。随着直流断路器技术的成熟和应用，架空线将更为广泛的应用于柔性直流输电***，其应用场景将得到进一步丰富。随之而来的是输电线路短路故障发生概率也将增加，这对线路保护的可靠性提出了更高要求。直流***发生故障后，故障电流将迅速上升。由于VSC-HVDC的换流阀承受过电流的能力较弱，要求线路保护在故障发生后迅速区分故障位置并准确动作。
VSC-HVDC***的换流阀不能承受过大的短路电流，因此直流线路内部发生金属短路故障时对***安全稳定运行将带来严重威胁。这要求继电保护必须能够在最短的时间内识别故障并做出相应处理。目前VSC-HVDC***的线路保护主要借鉴与传统高压直流输电***。行波保护和直流欠压保护作为主保护，电流纵联差动保护为后备保护。行波保护在目前实际工程中使用最广，但其对采样频率要求较高，且整定门槛值的选取缺乏理论依据，依赖于大量仿真。直流欠压保护虽然在速动性方面具有优势，但其可靠性受过渡电阻影响大，且有可能因为区外故障而导致保护误动。电流纵联差动保护依赖于通信，保护性能会受到通信延时影响。
因此目前运用于VSC-HVDC***的直流线路保护方法无法完全满足保护性能要求。
发明内容
本发明的目的在于提供基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法及***，解决现有VSC-HVDC***线路保护方法可靠性不足的技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法，包括以下步骤：
S1：实时获取故障后的VSC-HVDC***直流线路两端的直流电抗器的能量变化值；
S2：将所述能量变化值与整定门槛值进行比较；若任意一个所述能量变化值在整定时间tset内大于所述整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障；
S3：断开所述VSC-HVDC***直流线路两端的断路器。
优选地，所述S1包括以下子步骤：
S11：实时获取故障后的所述直流电抗器上的电压值；
S12：根据所述直流电抗器上的电压值获取所述能量变化值。
优选地，所述能量变化值按下式获取：
Figure GDA0003958614900000021
其中，ELn为第n个直流电抗器上的能量变化值，uLn为第n个直流电抗器上的电压值，t0为故障发生时刻，t1为保护判断时刻，in为第n个直流电抗器上的电流值。
优选地，所述S2包括以下子步骤：
S31：判断t1-t0是否大于所述整定时间tset；
S32：若所述t1-t0大于所述整定时间tset，则判断所述能量变化值是否大于所述整定门槛值；
S33：若所述能量变化值大于所述整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障。
优选地，所述整定门槛值由下式获取：
thrE(Ln,tset)＝Krel×ELn(Rb,tset)
其中，thrE(Ln，tset)为第n个直流电抗器的整定门槛值，Krel为可靠系数，ELn(Rb，tset)为线路对侧直流母线处发生短路故障后，tset时刻第n个直流电抗器上的能量变化值。
基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，包括获取模块、判断模块以及控制模块；
所述获取模块，用于实时获取故障后的VSC-HVDC***直流线路两端的直流电抗器的能量变化值；
所述判断模块，用于将所述能量变化值与整定门槛值进行比较；若任意一个所述能量变化值在整定时间tset内大于所述整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障；
所述控制模块，用于当直流线路区内发生故障时，断开所述VSC-HVDC***直流线路两端的断路器。
优选地，所述获取模块包括获取子单元和计算子单元；
所述获取子单元，用于实时获取故障后的所述直流电抗器上的电压值；
所述计算子单元，用于根据所述直流电抗器上的电压值获取所述能量变化值。
优选地，所述能量变化值按下式获取：
Figure GDA0003958614900000022
其中，ELn为第n个直流电抗器上的能量变化值，uLn为第n个直流电抗器上的电压值，t0为故障发生时刻，t1为保护判断时刻，in为第n个直流电抗器上的电流值。
优选地，所述判断模块包括第一判断子单元、第二判断子单元以及第三判断子单元；
所述第一判断子单元，用于判断t1-t0是否大于所述整定时间tset；
所述第二判断子单元，用于当所述t1-t0大于所述整定时间tset时，判断所述能量变化值是否大于所述整定门槛值；
所述第三判断子单元，用于当所述能量变化值大于所述整定门槛值时，判定直流线路区内发生故障。
优选地，所述整定门槛值由下式获取：
thrE(Ln,tset)＝Krel×ELn(Rb,tset)
其中，thrE(Ln，tset)为第n个直流电抗器的整定门槛值，Krel为可靠系数，ELn(Rb，tset)为线路对侧直流母线处发生短路故障后，tset时刻时第n个直流电抗器上的能量变化值。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、不需装设额外的一二次设备，且需测量的电气量少，仅利用线路单侧的电流量即可实现；
2、整定门槛值的选取具有理论支撑，原则明确；
3、不依赖于通信，保护性能不会受到通信延时的影响；
4、对保护装置采样频率无特殊要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是典型的VSC-HVDC***结构图；
图2是本方面的线路保护逻辑流程图；
图3是直流线路正极故障后等效电路示意图；
图4是直流线路正极R侧直流母线故障后等效电路示意图；
图5是正极线路内部不同位置处发生故障后的直流电抗器能量变化情况；
图6是dm处发生故障后的直流电抗器能量变化情况。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，典型的VSC-HVDC***结构图如图1所示，S和R分别为整流侧和逆变侧的换流阀。TL1和TL2分别为正极和负极的输电线路，L1～L4分别为正负极线路两侧的直流电抗器，B1～B4分别为正负极线路两侧的直流断路器，C1～C4分别为正负极线路两侧的并联电容，TS、TR分别为整流侧和逆变侧的换流变压器，GS和GR分别为整流侧和逆变侧的等效交流***。f1～f4分别为4种典型的直流线路故障，其中：f1为单极接地短路故障，f2为极间短路故障，f3为整流侧直流母线故障，f4为逆变侧直流母线故障。I1～I4分别为正负极线路两侧的直流电流测量值。
以下，以正极S侧的直流电抗器L1为例，对本申请所提供的方案作进一步说明：
如图2所示，当VSC-HVDC***故障后，采用直流电流互感器实时获取直流电抗器L1的能量变化值EL1：
Figure GDA0003958614900000041
其中，uL1为直流电抗器L1上的电压值，t0为故障发生时刻，t1为保护判断时刻。
将直流电抗器L1的能量变化值与整定门槛值进行比较，以判定直流线路区内是否发生故障，具体地，包括以下步骤：
判断t1-t0是否大于时间系数tset；
若t1-t0大于时间系数tset，则判断能量变化值是否大于整定门槛值；
若能量变化值大于整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障。
其中，直流电抗器L1的整定门槛值thrE(L1，tset)由下式获取：
thrE(L1，tset)＝Krel×EL1(Rb，tset) (2)
thrE(L1，tset)为直流电抗器L1的整定门槛值，其中，tset为整定时间系数，根据目前柔性直流***对线路保护速动性的要求，tset在1ms～4ms范围内选取，Krel为可靠系数，其可根据实际工况中的具体要求在1.1～2.5之间取值。EL1(Rb，tset)为正极线路R侧直流母线处发生短路故障后，tset时刻时直流电抗器L1上的能量变化值。当直流电抗器L1的能量变化值EL1满足EL1＞thrE(L1，tset)，则判定直流线路内部发生短路故障。
实际工程中，为限制短路故障后的故障电流峰值同时启到滤波作用，VSC-HVDC***直流线路两端会分别装设直流电抗器。本发明利用直流电抗器上能量变化特性，创新的设置了一种直流线路保护方法，将故障发生后直流电抗器上的能量变化值作为监控目标，将能量变化值与设定的整定门槛值进行对比比较，从而识别电路的故障。该方法仅利用线路单侧测量的电流量，不依赖于通信，能够可靠实现直流线路内部故障的识别。
基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，包括获取模块、判断模块以及控制模块；
获取模块，用于实时获取故障后的VSC-HVDC***直流线路两端的直流电抗器的能量变化值；
判断模块，用于将能量变化值与整定门槛值进行比较；若任意一个能量变化值在整定时间tset内大于整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障；
控制模块，用于当直流线路区内发生故障时，断开所述VSC-HVDC***直流线路两端的断路器。
其中，在本实施例中，获取模块包括获取子单元和计算子单元；
获取子单元，用于实时获取故障后的直流电抗器上的电压值；
计算子单元，用于根据直流电抗器上的电压值获取能量变化值；
在本实施例中，能量变化值由下式获取：
Figure GDA0003958614900000051
其中，ELn为第n个直流电抗器上的能量变化值，uLn为第n个直流电抗器上的电压值，t0为故障发生时刻，t1为保护判断时刻，in为第n个直流电抗器上的电流值。
判断模块包括第一判断子单元、第二判断子单元以及第三判断子单元；
第一判断子单元，用于判断t1-t0是否大于时间系数tset；
第二判断子单元，用于当t1-t0大于时间系数tset时，判断能量变化值是否大于整定门槛值；
第三判断子单元，用于当能量变化值大于整定门槛值，判定直流线路区内发生故障。
进一步地，在本实施例中，整定门槛值由下式获取：
thrE(Ln,tset)＝Krel×ELn(Rb,tset)
其中，thrE(Ln，tset)为第n个直流电抗器的整定门槛值，Krel为可靠系数，ELn(Rb，tset)为线路对侧直流母线处发生短路故障后，tset时刻时第n个直流电抗器上的能量变化值
以直流电抗器L1为例，正极线路内部故障后的等效暂态电路图如图3所示。
如图3所示，f1为故障点，RTS、LTS分别为故障点至正极线路整流侧的等效电阻和电感，RTR和LTR分别为故障点至正极线路逆变侧的等效电阻和电感，i1和i2分别为左右两个放电回路中的放电电流，uC1和uC3分别为故障前C1和C3上的电压。可列写方程如下
Figure GDA0003958614900000052
Figure GDA0003958614900000053
求解可得：
Figure GDA0003958614900000061
其中：
Figure GDA0003958614900000062
Figure GDA0003958614900000063
β＝arctan(ω/δ)。
故障前电容C1的初始电压为
Figure GDA0003958614900000064
整流侧正极电流i1的初始电流为/>
Figure GDA0003958614900000065
将式(5)带入式(1)即可得到直流电抗器能量表达式。
同样以直流电抗器L1为例，正极线路R侧直流母线发生故障后的等效暂态电路图如图4所示。直流故障后的等效放电回路与直流线路内部故障类似，根据式(1)，(3)～(5)可得到直流电抗器的能量变化情况。与线路内部故障相比，直流母线故障后的等效放电回路中包含两个直流电抗器且线路等效电阻、电感值增加，故电测直流电抗器的能量变化较内部故障时小。
因此式(2)中给出的整定门槛值实现直流线路内外部故障的准确区分
以如图1中所示的典型VSC-HVDC***模型为例，线路参数如表1中所示：
表1典型VSC-HVDC***主要参数
Figure GDA0003958614900000066
以正极线路为例，其内部不同位置发生短路故障后，线路两侧直流电抗器L1和直流电抗器L3的能量变化如图5所示。曲线1和曲线2分别表示直流电抗器L1和直流电抗器L3在不同故障位置时所对应的最大能量变化值。直线3和直线4分别表示逆变侧和整流侧直流母线故障后直流电抗器L1和直流电抗器L3的能量变化最大值。当故障点位于图中dm处时，曲线1和曲线2相交，线路两侧直流电抗器能量变化峰值最小，但仍明显大于直流母线故障后的最大值。若区内故障位于其他位置，则更有利于故障识别。
进一步，以整定时间系数tset＝2ms，可靠系数Krel＝1.2为例，dm处发生故障后的直流电抗器的能量变化值与整定门槛值的关系如图6所示。图6中的(a)～图6中的(c)分别为正极线路S侧出口处、dm处和R侧出口处故障后S侧和R侧直流电抗器能量变化情况。图6中的曲线1和曲线2分别为直流电抗器L1和直流电抗器L3上能量变化。根据上文中保护判据可知，线路两侧直流电抗器中，任意一个的能量变化在整定时间系数之内超过整定门槛值即可实现故障判别。由仿真结果可知，靠近线路出口处的区内故障均可在故障发生1ms之内实现识别。dm处故障为区内故障时最不利于保护识别的故障位置，此情况下也可在故障发生后约1ms时实现故障判别。
上述仿真计算结果表明，本申请所提供的基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法及***具有较好的速动性和选择性。实际中可根据不同需求对整定时间系数tset和可靠系数Krel的取值进行调整。整定时间系数tset和可靠系数Krel取值越小越有利于提升保护速动性，反之取值越大，越有利于选择性的提升。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：实时获取故障后的VSC-HVDC***直流线路两端的直流电抗器的能量变化值；
S2：将所述能量变化值与整定门槛值进行比较；若任意一个所述能量变化值在整定时间tset内大于所述整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障；
S3：断开所述VSC-HVDC***直流线路两端的断路器；
所述S1包括以下子步骤：
S11：实时获取故障后的所述直流电抗器上的电压值；
S12：根据所述直流电抗器上的电压值获取所述能量变化值；
所述能量变化值按下式获取：
Figure FDA0003958614890000011
其中，ELn为第n个直流电抗器上的能量变化值，uLn为第n个直流电抗器上的电压值，t0为故障发生时刻，t1为保护判断时刻，in为第n个直流电抗器上的电流值；
所述S2包括以下子步骤：
S21：判断t1-t0是否大于所述整定时间tset；
S22：若所述t1-t0大于所述整定时间tset，则判断所述能量变化值是否大于所述整定门槛值；
S23：若所述能量变化值大于所述整定门槛值，则判定所述直流线路区内发生故障。
2.根据权利要求1所述的基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护方法，其特征在于，所述整定门槛值由下式获取：
thrE(Ln，tset)＝Krel×ELn(Rb，tset)
其中，thrE(Ln，tset)为第n个直流电抗器的整定门槛值，Krel为可靠系数，ELn(Rb，tset)为线路对侧直流母线处发生短路故障后，tset时刻第n个直流电抗器上的能量变化值。
3.基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，其特征在于，实现如权利要求1或2中的保护方法，包括获取模块、判断模块以及控制模块；
所述获取模块，用于实时获取故障后的VSC-HVDC***直流线路两端的直流电抗器的能量变化值；
所述判断模块，用于将所述能量变化值与整定门槛值进行比较；若任意一个所述能量变化值在整定时间tset内大于所述整定门槛值，则判定直流线路区内发生故障；
所述控制模块，用于当直流线路区内发生故障时，断开所述VSC-HVDC***直流线路两端的断路器。
4.根据权利要求3所述的基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，其特征在于，所述获取模块包括获取子单元和计算子单元；
所述获取子单元，用于实时获取故障后的所述直流电抗器上的电压值；
所述计算子单元，用于根据所述直流电抗器上的电压值获取所述能量变化值。
5.根据权利要求4所述的基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，其特征在于，所述能量变化值按下式获取：
Figure FDA0003958614890000021
/>
其中，ELn为第n个直流电抗器上的能量变化值，uLn为第n个直流电抗器上的电压值，t0为故障发生时刻，t1为保护判断时刻，in为第n个直流电抗器上的电流值。
6.根据权利要求5所述的基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，其特征在于，所述判断模块包括第一判断子单元、第二判断子单元以及第三判断子单元；
所述第一判断子单元，用于判断t1-t0是否大于所述整定时间tset；
所述第二判断子单元，用于当所述t1-t0大于所述整定时间tset时，判断所述能量变化值是否大于所述整定门槛值；
所述第三判断子单元，用于当所述能量变化值大于所述整定门槛值时，判定直流线路区内发生故障。
7.根据权利要求3-6中任意一项所述的基于直流电抗器的VSC-HVDC线路保护***，其特征在于，所述整定门槛值由下式获取：
thrE(Ln，tset)＝Krel×ELn(Rb，tset)
其中，thrE(Ln，tset)为第n个直流电抗器的整定门槛值，Krel为可靠系数，ELn(Rb，tset)为线路对侧直流母线处发生短路故障后，tset时刻第n个直流电抗器上的能量变化值。
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CN108448549A (zh) * 2018-05-09 2018-08-24 华中科技大学 基于限流电抗器测量功率的柔性直流线路保护方法
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基于短时能量的多端柔性直流单极接地故障;毕天姝等;《电网技术》;20160331;第40卷(第3期);第689-695页 *

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