CN115425623A - 一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法 - Google Patents

一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法 Download PDF

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CN115425623A CN202210932453.2A CN202210932453A CN115425623A CN 115425623 A CN115425623 A CN 115425623A CN 202210932453 A CN202210932453 A CN 202210932453A CN 115425623 A CN115425623 A CN 115425623A
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Abstract

本发明涉及一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法，包括S1：确定区内外故障识别判据；S2：确定故障启动判据；S3：确定故障选极判据；S4：确定保护方案。线路两侧持续采集电流、电压数据，若某端直流线路保护安装处的电压满足保护启动判据时，判断直流输电线路可能发生故障，该端保护启动元件启动。保护采集保护安装处暂态电流与本侧MMC直流侧出口处暂态电流并计算比值并判断区内外故障，采集正、负极线路暂态电压并计算暂态电压能量比并判断故障类型选出故障类型的故障极。本发明能够快速可靠识别直流线路区内、外故障，可靠保护线路全长，耐过渡电阻能力强，不需要线路两端数据的实时同步，且动作速度较传统电流差动保护快。

Description

一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护 方法
技术领域
本发明属于电力***保护与控制技术领域技术领域，具体涉及一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电技术可提高新能源发电的并网效率，并且具有有功和无功快速独立可控、不存在换相失败、波形质量高等诸多优势，故柔性直流输电技术成为当前的热门研究。为充分利用张家口地区的可再生能源，国家电网在北京、河北建设了基于MMC的张北四端柔性直流电网示范工程，多端口柔性直流电网(multi terminal DC，MTDC)的出现对现有的直流线路保护技术带来了新的挑战。相比于常规直流输电***，柔性直流输电***阻尼更小，发生直流线路故障后，电网将瞬间产生很大的故障分量，引起换流器电容快速放电，并将在几个毫秒内超过换流站电力电子器件的承受能力，故柔性直流电网要求保护动作时间更短。
现有高压直流线路保护分为双端量保护和单端量保护。目前，双端量线路保护的研究热点主要基于行波原理和突变量分析。
现有技术中，利用直流电抗器两端暂态电压能量比值识别区内、外故障，该方法具有良好的耐过渡电阻能力，然而提取高频分量，计算复杂且对采样设备要求较高；也有文献记载，以波阻抗大小和相位为动作依据的纵联保护方案，但两方案要求采样频率较高，缺少适用性；还有文献记载一种基于行波原理的直流电网故障识别方案，依据故障行波到达各换流站的时间差进行故障判别，同样需要较高的采样频率，而且需要站间的快速通信与信息同步。
直流输电线路两端均配置平波电抗器，限制故障后的故障分量快速上升，众多单端量保护将直流电抗器用作边界元件。有文献以直流电抗器电压为保护判据提出了单端量保护方案；有文献提出直流电抗器对区外故障的电压故障行波有很好的平滑作用，以直流线路电压变化率为依据选取故障线路；有文献基于电抗器对高频分量呈现较高阻抗的特征，利用小波变换提取电流高频分量的能量作为保护动作依据，但数据处理较为复杂。但单端量保护方法很难保证保护线路全长，且存在无法识别高阻故障等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法，多端柔性直流电网发生直流线路故障后，MMC将快速产生故障电流，并沿直流线路流入故障点，由于直流电抗器的存在，MMC故障电流沿故障线路到故障点流经的阻抗远小于其他路径的阻抗，故大部分MMC故障电流直接经故障线路流入故障点；配合故障后行波过程分析，理论得出区内、外故障时其暂态特性差异，故障线路两端的暂态电流比值大于0.5，非故障线路必有一端暂态电流比值小于0.5，可以根据此特征构成纵联保护；该保护方案计算量小，能够快速识别区内、外故障，可靠保护线路全长，且耐过渡电阻能力强。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、确定区内外故障识别判据；
定义Kmn为保护Pmn安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口暂态电流iMMCm的比值，即
Figure BDA0003782185120000021
故障开始阶段，故障线路两端的Kmn>0.5，非故障线路必有一端Kmn<0.5，根据此特征构成纵联保护，设故障线路两端保护计算所得的Kmn分别为Ka和Kb，保护动作条件为在保护启动后的数据窗长TW2内，始终满足
Figure BDA0003782185120000022
当TW2取值较小时，采样点数较少，保护的可靠性较低；
当TW2取值较大时，保护动作所用时间较长，且保护原理受到故障行波在线路间的折射、反射等影响更大，保护可靠性反而降低；综合考虑保护的速动性和可靠性，取数据窗长TW2＝0.5ms；
S2、建立保护启动判据；
***正常运行时，直流线路电压在额定电压附近波动；发生短路故障时，线路电压显著降低，采用低电压启动方案，检测保护安装处的直流对地电压，当时间窗长TW1内的采样电压幅值|Ut|低于设定值Uset时，保护启动，取保护启动设定值为Uset＝0.8UN，其中UN为直流额定电压，取时间窗长TW1＝0.3ms，得到保护启动判据为：
|Ut|＜0.8UN
S3、建立故障选极判据；
发生单极接地故障后，非故障极因耦合作用产生的暂态电压分量幅值要小于故障极的暂态电压分量幅值；发生双极短路故障后，由于对称双极MMC换流器的结构对称性，两极的电压暂态分量幅值基本相同，定义暂态电压能量Emn为保护启动后时间窗长TW3内保护Pmn安装处电压暂态量u的平方的积分，即
Figure BDA0003782185120000031
定义βmn为保护Pmn安装处正、负极线路的暂态电压能量的比值，即
Figure BDA0003782185120000032
式中，Emnp和Emnn分别为保护Pmn安装处正极和负极直流线路暂态电压能量；
为增加故障选极的可靠性，取TW3＝0.5ms，以βmn的大小为选极依据，即
Figure BDA0003782185120000033
S4、确定保护方案；
当保护检测到线路电压幅值低于0.8UN时，判断直流输电线路可能发生故障，启动保护流程；保护采集保护安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口处暂态电流iMMCm并计算Kmn，采集正、负极线路暂态电压并计算暂态电压能量比βmn；
当Kmn>0.5时，保护向本端和对端发送允许跳闸信号；当保护收到线路两端发出的允许跳闸信号时，判断为区内故障；
当βmn>2时，判断为正极故障；
当βmn<0.5时，判断为负极故障；
当0.5≤βmn≤2时，判断为双极故障；选出故障线路并判断故障类型后，故障线路的故障极DCCB进行分闸操作。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明计算量小，能够可靠、快速判别直流线路区内、区外故障，保护线路全长。
2、本发明本发明提出的直流线路保护耐过渡电阻和抗噪声能力强、不受线路分布电容影响，可以适应运行方式变化。
3、本发明不需要线路两端数据同步，对通讯信道的可靠性要求较低。
附图说明
图1为四端柔性直流电网拓扑结构图；
图2为MMC故障电流流通路径图；
图3为四端柔性直流电网故障附加网络图；
图4为本发明的流程图；
图5为线路Lline23中点正极金属性接地仿真实验图；
图6为线路Lline23中点正极高阻接地仿真实验图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明提供一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法，利用检测到故障后的保护安装处与本侧MMC直流出口处的暂态电流比值构成识别判据，区内故障时，线路两端的暂态电流比值都大于0.5；区外故障时，至少有一端暂态电流比值小于0.5；该保护方案保护启动时间窗长为0.3ms，故障定位和故障选极同时进行，时间窗长为0.5ms；在故障发生后的3ms内完成故障识别。
四端柔性直流电网结构如图1所示，其四个换流器均采用对称双极MMC结构，其中MMC子模块为半桥子模块，直流输电线路两端配置了直流断路器DCCB和直流电抗器。Llinemn为直流输电线路，Pmn为各线路首末端安装的保护装置，BUSm为直流母线(其中m,n＝1,2,3,4)。
半桥型MMC不具备直流故障自清除能力，当直流线路发生短路故障时，线路电压迅速下降，低于各相桥臂投入的子模块电容总电压，导致子模块电容迅速向故障点放电，流过MMC的故障电流迅速上升。MMC换流站闭锁之前，故障暂态电流以子模块电容放电电流为主，同时包含少量的交流***馈入短路电流。以直流线路正极接地故障为例，故障极MMC的故障电流通路如图2所示，其中实线电流通路为子模块电容放电路径，虚线电流通路为交流***馈入短路电流路径，BUS为直流母线，Zeq为MMC正极出口到故障点的等效阻抗，Larm为桥臂电感，C为子模块电容。故障发生后，子模块电容放电电流由换流器流向直流母线，交流***馈入短路电流随着交流侧电压周期性变化在桥臂间交替流通，且流通方向与子模块电容放电电流相同。MMC直流侧出口处检测到的暂态电流为子模块电容放电电流与交流***馈入短路电流的叠加，其方向始终由MMC流向直流母线，不再区分交流***馈入短路电流和子模块电容放电电流，将两者统称为MMC故障电流。
以线路Lline23正极F点发生金属性接地故障为例，将MMC换流器的故障输出模型等效为一个时变电流源，时变电流源大小与流过MMC的故障电流相同，故障点电压突变为0，等效为该点引入一个阶跃故障电压源，故障电压源大小为该点故障前一时刻的运行电压的相反值。根据叠加定理，可以得到四端柔性直流电网的故障附加网络如图3所示，图中iMMCm为MMCm直流侧出口故障电流；imn为保护Pmn安装处线路暂态电流；-E为故障电压源，E为故障点故障前的运行电压；ZL为直流电抗器阻抗；Z12、Z41、Z34、Z2F和Z3F为线路阻抗。规定电流由母线流向线路为线路电流正方向，由MMC流向母线为MMC直流侧出口电流正方向。定义Kmn为保护安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口暂态电流iMMCm的比值，即
Figure BDA0003782185120000051
图3线路上的故障电流、节点电压可以看作MMC等效电流源和故障点故障电压源各自单独作用的叠加，将故障电压源单独作用下产生的故障电压行波计作行波Wu和行波Vu。
行波Wu到达BUS2后，在电压行波Wu作用下BUS2电压下降，MMC2产生故障电流，记为iMMC2。iMMC2流入故障点有两条路径，如图3蓝色虚线所示，分别为BUS2-F和BUS2-BUS1-BUS4-BUS3-F，将流入两条路径的电流分量分别计i23MMC2和i21MMC2，第一条路径上的阻抗ZB1＝ZL+Z2F，第二条路径的阻抗ZB2＝7ZL+Z12+Z41+Z34+Z3F。第二条路径流经的线路和直流电抗器阻抗更大，显然有ZB1>ZB2，因此可得
Figure BDA0003782185120000061
故障行波Wu经折射后向BUS1传播时，线路Lline12上只存在故障前行波，电压行波幅值为负值，故电流行波幅值为负值。将故障电压源在保护P21安装处引起的电流故障分量计作i21W，可知i21W<0。根据叠加定理，保护P21检测到的暂态电流由故障电流行波与MMC2故障电流共同构成，即i21＝i21MMC2+i21W，由基尔霍夫定律可以得到i23＝iMMC2-i21＝i23MMC2-i21W。由于i21W<0，可得K23和K21满足如下不等式：
Figure BDA0003782185120000062
同理可以得到
Figure BDA0003782185120000063
将线路Lline41对地电容暂态电流之和记为∑iC，规定由线路流向大地为正方向，根据基尔霍夫电流定律，可以得到∑iC＝i14+i41。当故障电压行波到达线路Lline41时，由于电压行波为负值，线路电压开始下降，在线路电压下降过程中，对地电容放电，对地电容暂态电流之和∑iC小于0，故i14+i41<0，此时有i14或i41小于0，保护P14和保护P41必有一端测得Kmn<0.5。
可以得出结论，直流线路发生故障后，MMC产生的故障电流有两条路径流入故障点，对于故障线路两端的MMC而言，其故障电流的两条路径阻抗相差较大，故流向两条路径的故障电流分量相差较大，大部分故障电流直接经过故障线路流入故障点。故障开始阶段，故障线路两端的Kmn>0.5，非故障线路必有一端Kmn<0.5，可以根据此特征构成纵联保护。
一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法，包括如下步骤：
1、建立保护启动判据：
***正常运行时，直流线路电压在额定电压附近波动；发生短路故障时，线路电压显著降低。方法采用低电压启动方案，检测保护安装处的直流对地电压，当时间窗长TW1内的采样电压幅值|Ut|低于设定值Uset时，保护启动。低电压整定值需要避开正常运行时的电压，考虑到保护启动不能过于频繁，且经过渡电阻故障时仍能可靠启动，取保护启动设定值为Uset＝0.8UN，其中UN为直流额定电压，取时间窗长TW1＝0.3ms。得到保护启动判据为：
|Ut|＜0.8UN (5)
2、建立故障定位判据：
保护启动后，测量保护安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口暂态电流iMMCm并计算Kmn。故障开始阶段，故障线路两端的Kmn>0.5，非故障线路必有一端Kmn<0.5，可以根据此特征构成纵联保护。设线路两端保护计算所得的Kmn分别为Ka和Kb，保护动作条件为在保护启动后的数据窗长TW2内，始终满足
Figure BDA0003782185120000071
当TW2取值较小时，采样点数较少，保护的可靠性较低；当TW2取值较大时，保护动作所用时间较长，且保护原理受到故障行波在线路间的折射、反射等影响更大，保护可靠性反而降低。综合考虑保护的速动性和可靠性，取数据窗长TW2＝0.5ms。
3、建立故障选极判据：
发生单极接地故障后，非故障极因耦合作用产生的暂态电压分量幅值要小于故障极的暂态电压分量幅值；发生双极短路故障后，由于对称双极MMC换流器的结构对称性，两极的电压暂态分量幅值基本相同。定义暂态电压能量Emn为保护启动后时间窗长TW3内保护Pmn安装处电压暂态量u的平方的积分，即
Figure BDA0003782185120000072
定义βmn为保护Pmn安装处正、负极线路的暂态电压能量的比值，即
Figure BDA0003782185120000081
式中，Emnp和Emnn分别为保护Pmn安装处正极和负极直流线路暂态电压能量。为增加故障选极的可靠性，取TW3＝0.5ms，以βmn的大小为选极依据，即
Figure BDA0003782185120000082
4、保护流程：
本发明的保护方法流程如图4所示，当保护检测到线路电压幅值低于0.8UN时，判断直流输电线路可能发生故障，启动保护流程。保护采集保护安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口处暂态电流iMMCm并计算Kmn，采集正、负极线路暂态电压并计算暂态电压能量比βmn。当Kmn>0.5时，保护向本端和对端发送允许跳闸信号，当保护收到线路两端发出的允许跳闸信号时，判断为区内故障。
当βmn>2时，判断为正极故障；
当βmn<0.5时，判断为负极故障；
当0.5≤βmn≤2时，判断为双极故障。选出故障线路并判断故障类型后，故障线路的故障极DCCB进行分闸操作。
仿真验证
在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建张北四端柔性直流电网模型进行仿真验证，其拓扑结构如图1所示，其中MMC1-MMC4换流站分别为丰宁、北京、张北和康保换流站。张北、北京、康保站采用定有功功率控制和定无功功率控制，丰宁站采用定无功功率控制和定直流电压控制，直流电网的额定直流电压为±500KV。各换流站间架空线路采用正、负极同塔架设的依频线路模型，其长度如图1所示，采样频率为20kHz。
金属性接地故障仿真
直流线路Lline23中点发生金属性正极接地故障仿真结果如图5所示。图5a所示为故障线路两端的正负极电压，故障发生后0.35ms，故障行波传输到线路两端保护安装位置，正极电压迅速下降并达到保护启动设定值，经过0.3ms后保护启动。负极线路电压因耦合作用发生较小波动，其电压变化量远小于正极电压变化量，保护启动后计算两极线路的暂态电压能量比值βmn，得到β23＝33，β32＝69，故可以判定为正极故障。尽管负极线路电压接近保护启动门槛值，由于故障选极元件的存在，可以使负极保护可靠闭锁，不会误动作。
计算正极线路上保护安装处暂态电流imn与本侧MMC出口处暂态电流iMMCm的比值Kmn，将同一线路两端保护测得的Kmn绘制在同一坐标系，得到波形如图5b所示，横坐标虚线对应的时间为数据窗TW2，不再对保护启动之前的Kmn进行分析，将其绘制为0。分析图5b可知，故障线路两端的保护最先感受到故障分量并启动，因此保护P23和P32最先进入数据窗TW2采样并计算Kmn；保护距离故障点越远，保护启动越晚。在故障发生后的2.5ms内，故障线路两端Kmn都大于0.5，非故障线路必有一端Kmn<0.5。
高阻接地故障仿真
本方法对金属性故障的理论分析中同时考虑了MMC故障电流与故障电压源产生的故障电流行波，理论上过渡电阻的引入只会改变流过线路暂态电流大小，不会改变暂态电流的分布特征。本方法利用故障后的暂态电流比值作为动作判据，受暂态电流大小变化的影响较小，故理论上保护动作判据仍适用于高阻故障。设线路Lline23中点发生正极接地故障，过渡电阻为300Ω，得到的Kmn波形如图6所示。加入过渡电阻后，K23和K32波形与发生金属性故障时的波形相近，故障线路两端保护可以可靠动作，非故障线路保护不会误动作，说明过渡电阻对保护原理影响较小。
通过分析直流线路故障时线路上暂态电流的分布特征，本发明基于直流线路暂态电流与MMC故障电流比值的实现故障定位，配合故障启动判据与选极判据，考虑故障行波传输速度与站间通信时间，可以在直流线路故障后3ms内快速定位出故障线路的故障极。该保护方案只需传输允许跳闸信号，无需数据同步，对通信的可靠性要求较低，并且有较强的抗过渡电阻能力和抗噪声能力，不受线路分布电容影响。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于暂态电流比值的多端柔性直流输电线路纵联保护方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
S1、确定区内外故障识别判据；
定义Kmn为保护Pmn安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口暂态电流iMMCm的比值，即
Figure FDA0003782185110000011
故障开始阶段，故障线路两端的Kmn>0.5，非故障线路必有一端Kmn<0.5，根据此特征构成纵联保护，设故障线路两端保护计算所得的Kmn分别为Ka和Kb，保护动作条件为在保护启动后的数据窗长TW2内，始终满足
Figure FDA0003782185110000012
当TW2取值较小时，采样点数较少，保护的可靠性较低；
当TW2取值较大时，保护动作所用时间较长，且保护原理受到故障行波在线路间的折射、反射等影响更大，保护可靠性反而降低；综合考虑保护的速动性和可靠性，取数据窗长TW2＝0.5ms；
S2、建立保护启动判据；
***正常运行时，直流线路电压在额定电压附近波动；发生短路故障时，线路电压显著降低，采用低电压启动方案，检测保护安装处的直流对地电压，当时间窗长TW1内的采样电压幅值|Ut|低于设定值Uset时，保护启动，取保护启动设定值为Uset＝0.8UN，其中UN为直流额定电压，取时间窗长TW1＝0.3ms，得到保护启动判据为：
|Ut|＜0.8UN
步骤3：建立故障选极判据；
发生单极接地故障后，非故障极因耦合作用产生的暂态电压分量幅值要小于故障极的暂态电压分量幅值；发生双极短路故障后，由于对称双极MMC换流器的结构对称性，两极的电压暂态分量幅值基本相同，定义暂态电压能量Emn为保护启动后时间窗长TW3内保护Pmn安装处电压暂态量u的平方的积分，即
Figure FDA0003782185110000021
定义βmn为保护Pmn安装处正、负极线路的暂态电压能量的比值，即
Figure FDA0003782185110000022
式中，Emnp和Emnn分别为保护Pmn安装处正极和负极直流线路暂态电压能量；
为增加故障选极的可靠性，取TW3＝0.5ms，以βmn的大小为选极依据，即
Figure FDA0003782185110000023
步骤4：确定保护方案；
当保护检测到线路电压幅值低于0.8UN时，判断直流输电线路可能发生故障，启动保护流程；保护采集保护安装处暂态电流imn与本侧MMC直流侧出口处暂态电流iMMCm并计算Kmn，采集正、负极线路暂态电压并计算暂态电压能量比βmn；
当Kmn>0.5时，保护向本端和对端发送允许跳闸信号；当保护收到线路两端发出的允许跳闸信号时，判断为区内故障；
当βmn>2时，判断为正极故障；
当βmn<0.5时，判断为负极故障；
当0.5≤βmn≤2时，判断为双极故障；选出故障线路并判断故障类型后，故障线路的故障极DCCB进行分闸操作。
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