CN105375451A - 基于电流波形识别的mmc-hvdc直流线路单极接地故障保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电流波形识别的MMC-HVDC直流线路单极接地故障保护方法，利用了MMC-HVDC直流线路单极接地故障时直流线路暂态电流独特的高频衰减振荡特征，通过识别单端电流量波形识别、提取电流暂态量的振荡幅值和振荡周期，当振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据时，判定系统发生单极接地故障。

Description

基于电流波形识别的MMC-HVDC直流线路单极接地故障保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种电力检测领域的技术，具体是一种基于电流波形识别的MMC(模块化多电平换流器，modularmultilevelconverter)-HVDC(高压直流)直流线路单极接地故障保护方案。

背景技术

柔性直流输电以其明显的技术优势，广泛应用于海上风力发电、钻井平台供电、远方负荷供电、系统互连及电力交易等领域，用于构建城市直流输配电网及扩大城市供电容量、将分布式发电的电源与电网相连，具有广阔的应用前景。相比于两电平和三电平电压源换流器(voltagesourceconverter,VSC)，模块化多电平换流器的直流输出侧没有直流储能电容，直流电容分布在各个子模块中，其拓扑结构与两电平和三电平电压源换流器也不相同。因换流器拓扑结构不同，MMC高压直流(MMC-highvoltagedirectcurrent,MMC-HVDC)线路故障特性与传统两电平和三电平VSC高压直流(VSC-HVDC)线路故障特性存在差异。直流线路是MMC-HVDC的重要组成部分，对MMC-HVDC直流线路故障时的故障特征和继电保护进行研究分析具有重要意义。

目前，国内外有关传统两电平或三电平VSC-HVDC直流侧故障特性、继电保护原理和故障后控制保护策略的研究已较为深入。MMC-HVDC系统在直流线路断线与直流线路极间短路故障时，故障特性与传统两电平或三电平VSC-HVDC相类似，这两种故障的识别方法可借鉴传统两电平或三电平VSC-HVDC。相比于直流线路断线和极间短路故障，直流线路单极接地故障更为普遍，其故障特征与传统两电平或三电平VSC-HVDC差别较大。但有关MMC-HVDC单极接地短路故障特征分析的文献较少，且多着重于故障的仿真分析，缺少理论依据；有关单极接地故障保护研究的文献大多侧重于故障后的控制保护策略，对故障识别方法少有提及。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102856881A，公开(公告)日2013.01.02，公开了一种全桥MMC-HVDC直流故障分类检测与保护方法。其技术方案是：1、在高压直流输电系统的直流侧设置故障监测点；2、确定直流输电直流系统故障分类检测判据；3、根据故障监测点监测到不同的故障，确定分类故障保护方案；4、根据确定的故障保护方案，对高压直流输电系统进行在线监测保护。但该技术的缺陷在于：1.单极接地故障时，正负极电压振荡，该现有技术依据电压振荡后故障极电压约为0、非故障极电压约为其初值的2倍电压进行故障判别，速动性不足。2.该技术依据电流量对直流断线故障进行判别，依据电压量对单极接地故障和两极短路故障进行判别，保护需要对电流量和电压量进行检测。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于电流波形识别的MMC-HVDC线路单极接地故障保护方法，利用了MMC-HVDC直流线路单极接地故障时直流线路暂态电流独特的高频衰减振荡特征，通过识别单端电流量波形识别、提取电流暂态量的振荡幅值和振荡周期，当振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据时，判定系统发生单极接地故障。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将输电线路采用π型等值电路等效、将MMC采用恒直流电压源和等效电感串联等效，由此得到单极接地时直流侧在拉普拉斯域下的故障叠加网络，进而求得系统的特征方程和直流线路电流故障分量在拉普拉斯域下的表达；然后通过对特征方程的求解可得电流故障分量的频率成分，通过拉式反变换可得到电流故障分量的时域表达式；提取电流暂态量的振荡幅值和振荡周期，当振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据时判定系统发生单极接地故障，并在发生单极接地故障时：对于正极线路保护，以正极电流正向突变作为进入故障判别的启动判据，对于负极线路保护，以负极电流负向突变作为进入故障判别的启动判据。

所述的振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据是指：保护最新采样电流值和直流线路电流稳态值之差大于电流突变门槛值，即Δi(k)＞I_set电流发生正向突变，Δi(k)＜-I_set电流发生负向突变。

所述的振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据是指：根据 $\left\{\begin{array}{c}{T}_k<T_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k}>I_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k}<-I_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k}>{\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k+1}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k+1}\end{array}\right.$ 判断是否发生高频衰减振荡，当直流线路电流故障分量Δi存在两相邻周期满足上式时判定电流为高频衰减振荡，其中：T_set为整定值，Δi_maxk、Δi_mink、T_k，k＝1，2，3,…，分别是在振荡周期k中直流线路电流故障分量的最大值、最小值、振荡周期值。

技术效果

与现有技术相比，本发明的故障判别是在电气量振荡时完成的，速动性更好，此外本发明仅采用单端电流量进行故障判别，无需电压量测量和两端保护通讯，成本低。

附图说明

图1为实施例MMC-HVDC系统示意图；

图中：a)MMC-HVDC拓扑结构图，b)半桥子模块(Sub-Module,SM)示意图；

图2为实施例中输电线路π型等值电路示意图；

图3为实施例中拉式域下MMC-HVDC单极接地直流侧故障叠加网络示意图；

图4为实施例中高频衰减振荡波形示意图。

具体实施方式

通过对不同类型故障暂态电流特性的分析，对比可知：仅单极接地短路时直流线路电流在稳态值附近高频衰减振荡，理论上其它类型故障时暂态电流均无高频分量。

基于此特征差异，提出基于波形识别的保护方案，通过对直流线路电流波形实时检测和识别进行故障判别：仅当识别到在稳态值附近高频衰减振荡的电流波形时，判定系统发生单极接地故障。

如图1所示，为MMC-HVDC系统示意图，本实施例通过将输电线路采用如图2所示的π型等值电路等效、将MMC采用恒直流电压源和等效电感串联等效，由此得到如图3所示的单极接地时直流侧在拉普拉斯域下的故障叠加网络，进而求得系统的特征方程和直流线路电流故障分量在拉普拉斯域下的表达；然后通过对特征方程的求解可得电流故障分量的频率成分，通过拉式反变换可得到电流故障分量的时域表达式；提取电流暂态量的振荡幅值和振荡周期，当振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据时判定系统发生单极接地故障，并在发生单极接地故障时：对于正极线路保护，以正极电流正向突变作为进入故障判别的启动判据，对于负极线路保护，以负极电流负向突变作为进入故障判别的启动判据。

a.保护启动判据：当满足 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{max}-I_{\min }\&le;I_{set}\\ I_{\max }=\max \{i\left(k\right),i(k-1),\mathrm{...},i(k-(N-1)\}\\ I_{\min }=\min \{i\left(k\right),i(k-1),\mathrm{...},i(k-(N-1)\}\end{array}\right.$ 则直流线路电流稳态值I_dc的值更新为否则I_dc的值不做改变，定义Δi为电流故障分量，即保护最新采样电流值和直流线路电流稳态值之差Δi(k)＝i(k)-I_dc，则当Δi(k)＞I_set时称电流发生正向突变，Δi(k)＜-I_set时称电流发生负向突变，其中：i(k)为直流线路电流第k个采样值，正整数N为保护数据窗长度、I_set为电流突变门槛值，I_dc为直流线路电流稳态值。

单极接地故障时，正负极线路分布电容均通过短路点进行放电，保护安装处叠加电流分量方向与接地极无关，整流侧和逆变侧正极电流正向突变、负极电流负向突变。因此，对于正极线路保护，以正极电流正向突变作为进入故障判别的启动判据，对于负极线路保护，以负极电流负向突变作为进入故障判别的启动判据。

b.高频衰减振荡判据

如图4所示，为高频衰减振荡波形示意图，根据 $\left\{\begin{array}{c}{T}_k<T_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k}>I_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k}<-I_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k}>{\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k+1}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k+1}\end{array}\right.$ 判断是否发生高频衰减振荡，当直流线路电流故障分量Δi存在两相邻周期满足上式时判定电流为高频衰减振荡，其中：T_set为整定值，Δi_maxk、Δi_mink、T_k，k＝1，2，3,…，分别是在振荡周期k中直流线路电流故障分量的最大值、最小值、振荡周期值。

c.定值的整定：I_set的整定值与MMC电平数密切相关，当电平数目达到一定程度后，例如N>20，直流等效干扰电流非常小，考虑一定裕量条件下，在N>20时取I_set值为0.01p.u.。电网侧故障时直流线路电流含有少量2倍工频成分，T_set取值应小于1/(2f)，其中：f为电网基波频率，考虑一定裕量条件下，取T_set＝1/(3f)，数据窗长度N的取值为5f_s/f，其中：f_s为电流采样频率。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于电流波形识别的MMC-HVDC直流线路单极接地故障保护方法，其特征在于，通过将输电线路采用π型等值电路等效、将MMC采用恒直流电压源和等效电感串联等效，由此得到单极接地时直流侧在拉普拉斯域下的故障叠加网络，进而求得系统的特征方程和直流线路电流故障分量在拉普拉斯域下的表达；然后通过对特征方程的求解可得电流故障分量的频率成分，通过拉式反变换可得到电流故障分量的时域表达式；提取电流暂态量的振荡幅值和振荡周期，当振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据时判定系统发生单极接地故障，并在发生单极接地故障时：对于正极线路保护，以正极电流正向突变作为进入故障判别的启动判据，对于负极线路保护，以负极电流负向突变作为进入故障判别的启动判据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据是指：保护最新采样电流值和直流线路电流稳态值之差大于电流突变门槛值，即Δi(k)＞I_set电流发生正向突变，Δi(k)＜-I_set电流发生负向突变。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的振荡幅值和振荡周期满足高频衰减振荡判据是指：根据 $\left\{\begin{array}{c}{T}_k<T_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k}>I_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k}<-I_{set}\\ {\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k}>{\mathrm{\&Delta;i}}_{\max k+1}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{\min k+1}\end{array}\right.$ 判断是否发生高频衰减振荡，当直流线路电流故障分量Δi存在两相邻周期满足上式时判定电流为高频衰减振荡，其中：T_set为整定值，Δi_maxk、Δi_mink、T_k，k＝1，2，3,…，分别是在振荡周期k中直流线路电流故障分量的最大值、最小值、振荡周期值。

4.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征是，当满足 $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\max }-I_{\min }\&le;I_{set}\\ I_{\max }=\max \{i\left(k\right),i\left(k-1\right),...,i(k-\left(N-1\right)\}\\ I_{\min }=\min \{i\left(k\right),i\left(k-1\right),...,i(k-\left(N-1\right)\}\end{array}\right.,$ 则直流线路电流稳态值I_dc的值更新为否则I_dc的值不做改变，其中：i(k)为直流线路电流第k个采样值，正整数N为保护数据窗长度、Iset为电流突变门槛值，Idc为直流线路电流稳态值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的保护数据窗长度N>20，电流突变门槛值I_set为0.01p.u.，整定值T_set小于1/(2f)，其中：f为电网基波频率。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是，所述的整定值T_set＝1/(3f)，数据窗长度N的取值为5f_s/f，其中：f_s为电流采样频率。