CN112363013A - 一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，步骤1，当保护启动元件启动后，取时间数据窗并计算其中故障分量、线模电压故障分、线模电流故障分量、线模电压反行波；步骤2，计算采样点k_s及其之后两个点中反行波变化率的最小值并记为du_b/dt_{_m3}；步骤3，设置门槛值th1并与‑du_b/dt_{_m3}比较，判定是否为线路区外故障；步骤4，通过逐点比较找到故障首行波引起的反行波下降结束时刻对应的采样点，步骤5：计算故障首行波下降幅值A；步骤6：计算剩余数据窗内的反行波变化量S；步骤7：计算反行波变化量和故障首行波下降幅值的比值R；步骤8：设置门槛值th2并与R比较，判定是否为线路区内故障。本发明的灵敏度更高，能够区分高阻故障。

Description

一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法

技术领域

本发明属于电力***技术领域，涉及一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法。

背景技术

传统的基于电网换相换流器(LCC)的高压直流输电技术已成熟应用于远距离大容量输电和电力联网。但是，由于换流元件采用半控电力电子器件晶闸管，***完全依赖交流电网运行，逆变站易发生换相失败，尤其在多馈入直流***中，容易引发多个换流站级联换相失败，造成严重后果。以全控型器件为基础的电压源换流器(VSC)高压直流输电不依赖交流电网电压支撑运行，可以为无源网络供电，不存在换相失败问题，能够实现有功、无功功率独立调节，在多馈入直流输电***中，可作为独立电源向电网提供稳态和暂态支撑；但是存在投资成本高、运行损耗大等缺点。

将两种直流输电技术结合起来，形成整流侧采用LCC换流站、逆变侧采用VSC换流站的LCC-VSC混合直流输电***，可汲取二者的优点，具有广阔的应用前景。然而，由于在VSC侧不配置直流滤波器，且平波电抗器电感值较小，传统直流输电线路行波保护在混合直流输电***中难以区分VSC侧区内外故障，故不能直接使用。

传统直流输电线路主保护为基于电压或极波变化率的行波保护。线路两端的平波电抗器和直流滤波器组成了故障高频分量传播的天然线路边界，当线路区外发生故障时，电压行波经过线路边界后波头有明显衰减，而线路区内发生故障时，电压行波信号未经线路边界阻隔，变化率较大。因此利用电压或极波变化率可以实现线路区内外故障的判别。而对于LCC-VSC混合直流输电***，逆变侧采用VSC换流站，未配置直流滤波器，且平波电抗器电感值较小，线路边界对电压信号的衰减作用较弱。对于逆变侧区外故障与线路近逆变侧区内故障情况，整流侧保护检测到的电压或极波变化率无明显区分，无法进行线路区内外故障判别。同理，基于线路边界衰减原理的新型LCC-HVDC线路暂态量保护应用于混合直流输电***时会遇到同样问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，解决传统高压直流输电线路行波保护和暂态量保护应用到混合柔性直流输电***中存在的灵敏度不足问题。

本发明所采用的技术方案是：一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，针对整流侧采用电流源型换流器LCC、逆变侧采用电压源型换流器VSC的混合直流输电***直流输电线路，应用于整流侧，步骤包括：

步骤1，当保护启动元件启动后，取时间数据窗Δt内，计算Δt内的正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，正极电流故障分量Δi_p(t)，负极电流故障分量Δi_n(t)，从而进一步计算数据窗Δt内的线模电压故障分量Δu(t)、线模电流故障分量Δi(t)，根据线模电压故障分量Δu(t)、线模电流故障分量Δi(t)计算得到时间数据窗Δt内的线模电压反行波u_b(t)；

步骤2，计算保护启动时刻对应的采样点k_s及其之后两个点中反行波变化率的最小值并记为du_b/dt_{_m3}；

步骤3，设置保护辅助判据整定门槛值th1并与比较-du_b/dt_{_m3}比较，若满足式(5)：

-du_b/dt_{_m3}＞th1 (5)

则继续步骤4的判别；否则，直接判定为线路区外故障，结束故障判别；

步骤4，通过逐点比较找到故障首行波引起的反行波下降结束时刻对应的采样点，即保护启动后第一个满足反行波变化率大于0.01倍的du_b/dt_{_m3}的点，并将其记为k₊点，即k₊为满足下式的第一个k点：

du_b/dt(k)＞0.01×du_b/dt_{_m3}(k＝k_s+1,k_s+2,...) (6)

步骤5：计算故障首行波下降幅值A，即：

其中ΔT为保护***采样步长，其与保护***采样率f_s存在倒数关系：

步骤6：计算故障首行波到达后剩余数据窗内的反行波变化量S，计算公式如式(9)所示：

其中N为数据窗结束时刻对应的采样点，

步骤7：计算反行波变化量和故障首行波下降幅值的比值R，计算公式如式(10)所示：

步骤8：将计算所得比值R与保护整定门槛值th2比较，若R>th2则判定为线路区内故障；反之则判定为区外故障。

其中步骤1的步骤包括：

步骤1.1，当保护启动元件启动后，取时间数据窗Δt内直流输电线路本端正极电压u_p(t)、负极电压u_n(t)、正极电流i_p(t)、负极电流i_n(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，与10ms前的正极电压值u_p0，正极电流值u_n0，正极电流i_p0，负极电流i_n0，即未发生故障时的正常运行电压电流值相减，得到正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，正极电流故障分量Δi_p(t)，负极电流故障分量Δi_n(t)，计算公式如式(1)所示：

步骤1.2，计算数据窗Δt内的线模电压、电流故障分量Δu(t)，Δi(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，计算公式如式(2)所示：

步骤1.3，计算数据窗Δt内的线模电压反行波u_b(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，计算公式如式(3)所示：

数据窗长Δt取为Δt＝0.9×2×l/c，其中l为直流输电线路长度，c为光速。

其中步骤2中du_b/dt_{_m3}的计算公式为：

du_b/dt_{_m3}＝min(du_b/dt(k_s),du_b/dt(k_s+1),du_b/dt(k_s+2)) (4)

其中整定门槛值th1按照线路所考虑高阻故障情况下的可能出现-du_b/dt_{_m3}的最小值乘以0.8的可靠***进行整定；

保护整定门槛值th2按照大于逆变侧区外故障情况下R的最大值并考虑1.2倍以上的裕度整定。

本发明的有益效果是：

本发明提出的混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，依据线路单端量线模反行波波形特征进行故障判别。本方法能够准确识别混合直流输电***线路区内外故障，对于线路高阻故障和近端故障情况，保护亦能做出正确判断。本方法原理清晰，计算量小，保护采样率为10kHz，符合工程实际要求，且保护数据窗短，动作速度快，具有很强的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法的流程图。

图2是某LCC-VSC混合直流输电***仿真模型图。

图3是本发明一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的整流站正极平波电抗器阀侧金属接地故障的测试结果；

图4是本发明一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的逆变侧正极换流器交流出口三相短路故障的测试结果；

图5是本发明一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的正极线路受端金属接地故障的测试结果；

图6是本发明一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的正极线路距整流侧900km处经500Ω过渡电阻接地故障的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，本发明一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，针对整流侧采用电流源型换流器LCC、逆变侧采用电压源型换流器VSC的混合直流输电***直流输电线路，应用于整流侧，包括以下步骤：

步骤1：当保护启动元件启动后，取时间数据窗Δt内，计算Δt内的正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，正极电流故障分量Δi_p(t)，负极电流故障分量Δi_n(t)，从而进一步计算数据窗Δt内的线模电压故障分量Δu(t)、线模电流故障分量Δi(t)，根据线模电压故障分量Δu(t)、线模电流故障分量Δi(t)计算得到时间数据窗Δt内的线模电压反行波u_b(t)；具体步骤为：

步骤1.1，当保护启动元件启动后，取时间数据窗Δt内直流输电线路本端正极电压u_p(t)、负极电压u_n(t)、正极电流i_p(t)、负极电流i_n(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，与10ms前的正极电压值u_p0，正极电流值u_n0，正极电流i_p0，负极电流i_n0，即未发生故障时的正常运行电压电流值相减，得到正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，正极电流故障分量Δi_p(t)，负极电流故障分量Δi_n(t)，计算公式如式(1)所示：

步骤1.2，计算数据窗Δt内的线模电压、电流故障分量Δu(t)，Δi(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，计算公式如式(2)所示：

步骤1.3，计算数据窗Δt内的线模电压反行波u_b(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，计算公式如式(3)所示：

数据窗长Δt取为Δt＝0.9×2×l/c，其中l为直流输电线路长度，c为光速。

步骤2：计算保护启动时刻对应的采样点k_s及其之后两个点中反行波变化率的最小值并将其记为du_b/dt_{_m3}，即有：

du_b/dt_{_m3}＝min(du_b/dt(k_s),du_b/dt(k_s+1),du_b/dt(k_s+2)) (4)

步骤3：将-du_b/dt_{_m3}与保护辅助判据整定门槛值th1比较，若满足式(5)：

-du_b/dt_{_m3}＞th1 (5)

其中整定门槛值th1按照线路所考虑高阻故障情况下的可能出现-du_b/dt_{_m3}的最小值乘以0.8的可靠***进行整定；

则继续步骤4的判别；否则，直接判定为线路区外故障，结束故障判别。

步骤4：通过逐点比较找到故障首行波引起的反行波下降结束时刻对应的采样点，即保护启动后第一个满足反行波变化率大于0.01倍的du_b/dt_{_m3}的点，并将其记为k₊点。即k₊为满足下式的第一个k点：

du_b/dt(k)＞0.01×du_b/dt_{_m3}(k＝k_s+1,k_s+2,...) (6)

步骤5：计算故障首行波下降幅值A，即：

其中ΔT为保护***采样步长，其与保护***采样率f_s存在倒数关系：

步骤6：计算故障首行波到达后剩余数据窗内的反行波变化量S，计算公式如式(9)所示：

其中N为数据窗结束时刻对应的采样点。

步骤7：计算反行波变化量和故障首行波下降幅值的比值R，计算公式如式(10)所示：

步骤8：将计算所得比值R与保护整定门槛值th2比较，若R>th2则判定为线路区内故障；反之则判定为区外故障，保护整定门槛值th2按照大于逆变侧区外故障情况下R的最大值并考虑1.2倍以上的裕度整定。

实施例1

如图2所示为某LCC-VSC混合直流输电***仿真模型图。***额定直流电压±500kV，额定传输功率1200MW。LCC换流站平波电抗器电感值为300mH，直流滤波器采用12/24和24/36双调谐滤波器组。VSC换流站平波电抗器电感值为20mH，直流电容值为200μF。直流线路长1000km，接地极引线长38km，均采用频变参数架空线模型进行模拟，极址电阻取为0.2Ω。

当***发生线路故障时，利用本发明所提供的方法可以快速正确判别故障为区内故障还是区外故障。下面针对四种典型故障进行说明，包括区外故障F1，整流站正极平波电抗器阀侧金属接地故障，区外故障F2，逆变侧正极换流器交流出口三相短路故障，区内故障F3，正极线路受端金属接地故障，区内故障F4，正极线路距整流侧900km处经500Ω过渡电阻接地故障。故障位置如图2所示。取保护采样率f_s＝10kHz，保护数据窗长Δt＝6ms，保护整定门槛值th1＝0.25p.u./s，th2＝0.25。具体包括如下步骤：

步骤1：直流输电线路故障且保护启动元件启动后，取数据窗内电压电流测量值，计算直流输电线路本端电压、电流故障分量Δu_p(t)，Δu_n(t)，Δi_p(t)，Δi_n(t)，并计算线模电压、电流故障分量，Δu(t)，Δi(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，求取对应的反行波波形u_b(t)，波形如图3～图6所示。图3～图6每幅图中的第一幅小图是计算得到的电流梯度绝对值随时间的变化，用于判断保护是否启动，不在本专利范围内；第二幅小图为计算得到的反行波波形图；第三幅小图为线模反行波的变化率；对于满足保护辅助判据的故障情况，还有第四幅小图，是线模反行波的变化量；

步骤2：计算保护启动时刻对应的采样点k_s及其之后两个点中反行波变化率的最小值并将其记为du_b/dt_{_m3}，取其相反数，故障F1-F4下求得结果分别为：-du_b/dt_{_m3}|_F1＝0.0015p.u./s，-du_b/dt_{_m3}|_F2＝3.27p.u./s，-du_b/dt_{_m3}|_F3＝4.64p.u./s，-du_b/dt_{_m3}|_F4＝1.28p.u./s；

步骤3：将-du_b/dt_{_m3}与保护辅助判据整定门槛值th1比较。比较可得，除故障F1外其他三种故障情况-du_b/dt_{_m3}均大于门槛值th1，满足辅助判据门槛值要求，因而判定F1为区外故障，不再对其进行主判据判别，对F2-F4进行进一步的故障判别；

步骤4：对F2-F4，通过逐点比较找到故障首行波引起的反行波下降结束时刻对应的采样点，即保护启动后第一个满足反行波变化率大于0.01倍的du_b/dt_{_m3}的点，并将其记为k₊点。假定保护启动时刻为采样点0，即k_s＝0，则计算得F2-F4故障情况下k₊点分别为k₊|_F2＝6，k₊|_F3＝2，k₊|_F4＝2。

步骤5：计算故障首行波下降幅值A，得A|_F2＝0.68，A|_F3＝0.47，A|_F4＝0.13。

步骤6：计算故障首行波到达后剩余数据窗内的反行波变化量S，得S|_F2＝0.028，S|_F3＝0.97，S|_F4＝0.24。

步骤7：计算反行波变化量和故障首行波下降幅值的比值R，得R|_F2＝0.04，R|_F3＝2.06，R|_F4＝1.85。

步骤8：将计算所得比值R与保护整定门槛值th2＝0.25比较。比较可得：R|_F2<th2，R|_F3>th2，R|_F4>th2，故判定故障F2为直流线路区外故障，F3和F4为直流线路区内故障。

对照故障F1、F2、F3和F4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 (5)

1.一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，针对整流侧采用电流源型换流器LCC、逆变侧采用电压源型换流器VSC的混合直流输电***直流输电线路，应用于整流侧，其特征在于，步骤包括：

步骤1，当保护启动元件启动后，取时间数据窗Δt内，计算Δt内的正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，正极电流故障分量Δi_p(t)，负极电流故障分量Δi_n(t)，从而进一步计算数据窗Δt内的线模电压故障分量Δu(t)、线模电流故障分量Δi(t)，根据线模电压故障分量Δu(t)、线模电流故障分量Δi(t)计算得到时间数据窗Δt内的线模电压反行波u_b(t)；

步骤2，计算保护启动时刻对应的采样点k_s及其之后两个点中反行波变化率的最小值并记为du_b/dt_{_m3}；

步骤3，设置保护辅助判据整定门槛值th1并与比较-du_b/dt_{_m3}比较，若满足式(5)：

-du_b/dt_{_m3}＞th1 (5)

则继续步骤4的判别；否则，直接判定为线路区外故障，结束故障判别；

步骤4，通过逐点比较找到故障首行波引起的反行波下降结束时刻对应的采样点，即保护启动后第一个满足反行波变化率大于0.01倍的du_b/dt_{_m3}的点，并将其记为k₊点，即k₊为满足下式的第一个k点：

du_b/dt(k)＞0.01×du_b/dt_{_m3}(k＝k_s+1,k_s+2,...) (6)

步骤5：计算故障首行波下降幅值A，即：

其中ΔT为保护***采样步长，其与保护***采样率f_s存在倒数关系：

步骤6：计算故障首行波到达后剩余数据窗内的反行波变化量S，计算公式如式(9)所示：

其中N为数据窗结束时刻对应的采样点，

步骤7：计算反行波变化量和故障首行波下降幅值的比值R，计算公式如式(10)所示：

步骤8：将计算所得比值R与保护整定门槛值th2比较，若R>th2则判定为线路区内故障；反之则判定为区外故障。

2.如权利要求1所述的一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，其特征在于，所述步骤1的步骤包括：

步骤1.1，当保护启动元件启动后，取时间数据窗Δt内直流输电线路本端正极电压u_p(t)、负极电压u_n(t)、正极电流i_p(t)、负极电流i_n(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，与10ms前的正极电压值u_p0，正极电流值u_n0，正极电流i_p0，负极电流i_n0，即未发生故障时的正常运行电压电流值相减，得到正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，正极电流故障分量Δi_p(t)，负极电流故障分量Δi_n(t)，计算公式如式(1)所示：

步骤1.2，计算数据窗Δt内的线模电压、电流故障分量Δu(t)，Δi(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，计算公式如式(2)所示：

步骤1.3，计算数据窗Δt内的线模电压反行波u_b(t)，其中t∈[t₀,t₀+Δt]，计算公式如式(3)所示：

数据窗长Δt取为Δt＝0.9×2×l/c，其中l为直流输电线路长度，c为光速。

3.如权利要求1所述的一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，其特征在于，所述步骤2中du_b/dt_{_m3}的计算公式为：

du_b/dt_{_m3}＝min(du_b/dt(k_s),du_b/dt(k_s+1),du_b/dt(k_s+2)) (4) 。

4.如权利要求1所述的一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，其特征在于，所述整定门槛值th1按照线路所考虑高阻故障情况下的-du_b/dt_{_m3}可能出现的最小值乘以0.8的可靠***进行整定。

5.如权利要求1所述的一种混合直流输电***直流线路区内外故障判别方法，其特征在于，所述保护整定门槛值th2按照大于逆变侧区外故障情况下R的最大值并考虑1.2倍以上的裕度整定。

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