一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法，包括測量直流電抗器兩端直流電流和電壓，并計算直流電流突變率di/dt和電壓突變率du/dt，當di/dt或du/dt大于門檻值K1?set、K2?set時立即啟動保護算法；測量保護所在端直流電抗器兩側(cè)故障電壓，并提取相應(yīng)的暫態(tài)分量UM_line、UM_bus(UN_line、UN_bus)；計算r1＝UM_line/UM_bus(r2＝UN_line/UN_bus)，判斷故障方向：若r1>1+ε(r2>1+ε)，其中ε為可靠余量，則判斷為正方向故障，令方向信號RM＝1(RN＝1)，否則判斷為反方向故障，令方向信號RM＝0(RN＝0)；當RM&RN＝1判斷為區(qū)內(nèi)故障；當RM&RN＝0，判斷為區(qū)外故障。該方法無需數(shù)據(jù)同步，對采樣率要求較低；耐受過渡電阻能力較強，且不受線路分布電容影響；易于進行工程實現(xiàn)并降低硬件投資成本。
【專利說明】
一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)保護控制領(lǐng)域，特別是涉及一種基于暫態(tài)電壓幅值比的多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方案。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性直流技術(shù)作為一種非常具有應(yīng)用前景的輸電和配電解決方案，與交流輸電相比，其具有輸電容量大、送電距離遠、功率調(diào)節(jié)靈活、線路走廊窄、電網(wǎng)之間互聯(lián)更為方便等諸多優(yōu)點，因此，非常適用于遠距離電能傳輸、分布式能源接入、非同步電網(wǎng)之間互聯(lián)、大城市中心區(qū)域電纜供電，以及海島供電等領(lǐng)域。
[0003]柔性直流系統(tǒng)的直流線路保護是柔性直流發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)主要難點在于故障線路的快速、可靠識別。與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)類似，將行波保護、微分欠壓保護應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)直流線路保護將主要面臨采樣率要求高、耐受過渡電阻能力弱等問題;而電流差動保護由于沒有考慮電容電流問題，在任何導致電壓變化的過程中都有可能導致誤動，為了防止誤動，判據(jù)需要較長的延時，電流差動保護動作迅速的優(yōu)點并沒有在直流輸電線路中發(fā)揮出來。因此，針對目前工程實際中常見的點對點式柔性直流系統(tǒng)，可以借鑒傳統(tǒng)直流系統(tǒng)中的邊界保護思想，利用換流器出口的邊界元件構(gòu)造單端量保護、雙端量保護等保護原理。
[0004]但是，未來柔性直流電網(wǎng)將向直流電網(wǎng)方向發(fā)展，尤其是多端環(huán)狀柔性直流電網(wǎng)，其在供電可靠性等方面的優(yōu)勢顯著。針對多端柔性直流電網(wǎng)，傳統(tǒng)的點對點式直流系統(tǒng)中應(yīng)用的邊界元件大多處于換流器出口，因此很難區(qū)分相鄰直流線路;另外，直流線路直接在直流場經(jīng)直流母線互聯(lián)，換流器出口元件無法再作為線路邊界元件。因此，有必要設(shè)計一種適用于多端柔性直流電網(wǎng)的線路保護方案。
[0005]對于多端柔性直流電網(wǎng)，由于直流線路直接在直流場經(jīng)直流母線互聯(lián)，換流器出口元件無法再作為線路邊界元件。
[0006]理論上講，縱聯(lián)電流差動保護利用了雙/多端電氣量，從原理上就能夠保證絕對的選擇性，但由于直流輸電線路差動保護利用兩端電流簡單加和構(gòu)造差動判據(jù)，沒有考慮輸電線路分布電容的影響，需要等暫態(tài)過程消失后差動保護判據(jù)才能成立，因此，它在故障后投入的時間晚且需要長延時確認。按照設(shè)計，它僅負責切除高阻故障，是直流輸電線路的后備保護。
[0007]現(xiàn)有差動保護由于沒有考慮電容電流問題，任何導致電壓變化的過程，如區(qū)外故障、啟動過程都有可能導致誤動，因此為了防止誤動，判據(jù)需要較長的延時。本來電流差動保護應(yīng)該具有的靈敏度高、動作速度快的優(yōu)點，在直流輸電線路中遠沒有發(fā)揮出來，其性能亟待提升。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]針對多端柔性直流電網(wǎng)中的直流線路故障針，本發(fā)明提出了一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方案，基于一種直流平波電抗器的裝設(shè)方法，在構(gòu)造邊界保護的直流電抗器安裝方法的基礎(chǔ)上，利用直流電抗器兩端的暫態(tài)電壓比構(gòu)造直流線路縱聯(lián)方向保護方案，實現(xiàn)了直流故障的快速、可靠識別。
[0009]本發(fā)明提出了一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法，該方法包括以下步驟:
[0010]步驟101，測量直流電抗器兩端直流電流和電壓，并計算直流電流突變率di/dt和電壓突變率du/dt，其中，di為兩端的直流電流差值，dt為測量時間間隔，du為兩端的直流電壓差值，dt為測量時間間隔，當di/dt或du/dt大于門檻值K1-SehK2-Set時立即啟動保護算法；
[0011]步驟102，測量保護所在端直流電抗器兩側(cè)故障電壓，并提取相應(yīng)的暫態(tài)分量
Um—line、Um—bus、Un—line、Un—bus ;其中，Um—line、Um—bus、Un—line、Un—bus分力丨」代表線路Line I 罪近母線
(N端)的直流電抗器線路側(cè)和母線側(cè)的故障電壓在某一頻段內(nèi)的暫態(tài)分量；
[0012]步驟103，計算 ri = UM—line/UM—bus (r2 = UN—line/UN—bus)，判斷故障方向:若 ri> l + ε ( Γ2> 1 +ε)，其中ε為可靠余量，則判斷為正方向故障，令方向信號Rm=I，Rn= I，否則判斷為反方向故障，令方向信號Rm=0，Rn = 0;
[0013]步驟104，向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送故障方向信號，并接收線路對端保護判斷出的故障方向信號，當Rm&Rn= I判斷為區(qū)內(nèi)故障；
[0014]步驟105，向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送故障方向信號，并接收線路對端保護判斷出的故障方向信號，當Rm&Rn = 0，判斷為區(qū)外故障。
[0015]所述步驟103所述的正方向故障和反方向故障，具體的判斷包括以下步驟:
[0016]故障發(fā)生后測量保護安裝處直流電抗器兩側(cè)故障電壓，利用相關(guān)的信號處理方法提取高頻暫態(tài)電壓分量;當直流電抗器線路側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值大于母線側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值時，判斷為正方向故障；當直流電抗器線路側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值小于母線側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值時，判斷為反方向故障。
[0017]與現(xiàn)有保護原理相比，該方法只傳遞方向信號，無需數(shù)據(jù)同步，對采樣率要求較低，大大降低了硬件實現(xiàn)要求;而且通過大量的仿真試驗表明，該方法不受分布電容影響，耐受過渡電阻能力較強，在考慮通信延時情況下能夠在3?4個毫秒內(nèi)快速動作，滿足直流電網(wǎng)對線路保護動作速度的要求。
【附圖說明】
[0018]圖1為多端柔性直流輸電系統(tǒng)示意圖；
[0019]圖2為直流線路區(qū)內(nèi)故障時等效電路圖；
[0020]圖3為直流線路區(qū)外故障時等效電路圖；
[0021 ]圖4為保護動作方案流程圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0023]現(xiàn)有多端柔性直流系統(tǒng)一般將直流電抗器安裝于換流站出口，因此無法作為線路邊界元件構(gòu)造邊界差異。本發(fā)明將直流電抗器LP安裝于直流線路兩端，具體安裝方法如圖1所示。該種安裝方法除了有利于構(gòu)造邊界保護，還能夠有效提高故障限流能力、系統(tǒng)額定故障穿越能力等等。利用平波電抗器構(gòu)成直流輸電線路的邊界元件，當直流輸電線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外發(fā)生故障時，故障序等效電路分別如圖2、3所示，故障支路產(chǎn)生較大的暫態(tài)電流會在平波電抗器上產(chǎn)生壓降。以母線M端為例，當故障發(fā)生在M端保護正方向時，由圖2可知，故障點電壓最高，故障電壓由故障點向兩側(cè)逐漸降低，此時平波電抗器右側(cè)電壓高于左側(cè)(即UM—line>Um—bus);當故障發(fā)生在M端保護反方向時，平波電抗器左側(cè)電壓高于右側(cè)(即Um—line〈UM—bus)。同理，對于N端保護，其故障方向判別方法與M端類似。于是，當M端和N端保護同時判斷為正方向故障時，縱聯(lián)保護判斷為直流線路區(qū)內(nèi)故障動作于跳閘，當任意一側(cè)判定為反方向故障時，縱聯(lián)保護判斷為區(qū)外故障不予動作。
[0024]根據(jù)以上原理，提出一種方向縱聯(lián)保護原理:設(shè)定:Tl =UM—line/UM—bus、r2 = UN—line/UN_bus，其中Um—line、Un—Iine3分別為直流線路M和N母線處平波電抗器線路側(cè)電壓，Um—bus、UN—―分別為直流線路M和N母線處平波電抗器閥側(cè)電壓。
[0025]如圖4所示，本發(fā)明的多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法的步驟描述如下:
[0026]步驟101，測量直流電抗器兩端直流電流和電壓，并計算直流電流突變率di/dt和電壓突變率du/dt，當di/dt或du/dt大于門濫值Ki—set、K2-set時立即啟動保護算法；
[0027]步驟102，測量保護(以圖1中線路Line1為例)所在端直流電抗器兩側(cè)故障電壓，并提取相應(yīng)的暫態(tài)分量UM—line、UM—bus(UN—line、Un—bus)。其中，Um—line、Um—bus ( Un—line、Un—bus )分別代表線路Linel靠近母線M端(N端)的直流電抗器線路側(cè)和母線側(cè)的故障電壓在某一頻段內(nèi)的暫態(tài)分量；
[0028]步驟103，計算 ri = UM—line/UM—bus (r2 = UN—line/UN—bus)，判斷故障方向:若 ri> l + ε ( Γ2> 1 +ε)，其中ε為可靠余量，則判斷為正方向故障，令方向信號Rm=1(RN=1)，否則判斷為反方向故障，令方向信號Rm=O(Rn = O);
[0029]步驟104，向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送故障方向信號，并接收線路對端保護判斷出的故障方向信號，當Rm&Rn= I判斷為區(qū)內(nèi)故障；
[0030]步驟105，向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送故障方向信號，并接收線路對端保護判斷出的故障方向信號，當Rm&Rn = 0，判斷為區(qū)外故障。
[0031]理論上講，縱聯(lián)電流差動保護利用了雙/多端電氣量，從原理上就能夠保證絕對的選擇性，但由于直流輸電線路差動保護利用兩端電流簡單加和構(gòu)造差動判據(jù)，沒有考慮輸電線路分布電容的影響，需要等暫態(tài)過程消失后差動保護判據(jù)才能成立，因此，它在故障后投入的時間晚且需要長延時確認。按照設(shè)計，它僅負責切除高阻故障，是直流輸電線路的后備保護。
[0032]現(xiàn)有差動保護由于沒有考慮電容電流問題，任何導致電壓變化的過程，如區(qū)外故障、啟動過程都有可能導致誤動，因此為了防止誤動，判據(jù)需要較長的延時。本來電流差動保護應(yīng)該具有的靈敏度高、動作速度快的優(yōu)點，在直流輸電線路中遠沒有發(fā)揮出來，其性能亟待提升。
[0033]本發(fā)明提出了一種有利于提高直流電網(wǎng)故障穿越能力、限流能力，并利于構(gòu)造邊界保護的直流電抗器安裝方法。在此基礎(chǔ)上，利用直流電抗器兩端的暫態(tài)電壓比構(gòu)造直流線路縱聯(lián)方向保護方案，實現(xiàn)了直流故障的快速、可靠識別。與電流差動保護相比，該保護方法不受電容電流影響，動作速度快，而且不需要數(shù)據(jù)的同步對時；與行波保護相比，該方法的采樣率可以大幅降低，易于硬件實現(xiàn)。
【主權(quán)項】
1.一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟(I OI )，測量直流電抗器兩端直流電流和電壓，并計算直流電流突變率d i /d t和電壓突變率du/dt，其中，di為兩端的直流電流差值，dt為測量時間間隔，du為兩端的直流電壓差值，dt為測量時間間隔，當di/dt或du/dt大于門檻值K1-S^K2-Set時立即啟動保護算法；步驟(102)，測量保護所在端直流電抗器兩側(cè)故障電壓，并提取相應(yīng)的暫態(tài)分量UM—line、Um—bus、Un—line、Un—bus ;其中，Um—line、Um—bus、Un—line、Un—bus 分別代表線路 Line I 靠近母線 M端(N端)的直流電抗器線路側(cè)和母線側(cè)的故障電壓在某一頻段內(nèi)的暫態(tài)分量； 步驟(103)，計算 ri = UM—line/UM—bus、r2 = UN—line/UN—bus，判斷故障方向:若 Π>1 + ε、Γ2>1 + ε，其中ε為可靠余量，則判斷為正方向故障，令方向信號Rm=I，Rn=1，否則判斷為反方向故障，令方向信號Rm=0，Rn = 0; 步驟(104)，向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送故障方向信號，并接收線路對端保護判斷出的故障方向信號，當Rm&Rn= I判斷為區(qū)內(nèi)故障； 步驟(105)，向?qū)Χ吮Ｗo發(fā)送故障方向信號，并接收線路對端保護判斷出的故障方向信號，當Rm&Rn = O，判斷為區(qū)外故障。2.如權(quán)利要求1所述的一種多端柔性直流電網(wǎng)線路方向縱聯(lián)保護方法，其特征在于，所述步驟(103)所述的正方向故障和反方向故障，具體的判斷包括以下步驟: 故障發(fā)生后測量保護安裝處直流電抗器兩側(cè)故障電壓，利用相關(guān)的信號處理方法提取高頻暫態(tài)電壓分量;當直流電抗器線路側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值大于母線側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值時，判斷為正方向故障；當直流電抗器線路側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值小于母線側(cè)電壓暫態(tài)分量幅值時，判斷為反方向故障。
【文檔編號】H02H7/26GK106058828SQ201610574109
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】李斌, 戴冬康, 何佳偉
【申請人】天津大學