CN106058828B - 一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法，包括测量直流电抗器两端直流电流和电压，并计算直流电流突变率di/dt和电压突变率du/dt，当di/dt或du/dt大于门槛值K_1‑set、K_2‑set时立即启动保护算法；测量保护所在端直流电抗器两侧故障电压，并提取相应的暂态分量U_{M_line}、U_{M_bus}(U_{N_line}、U_{N_bus})；计算r₁＝U_{M_line}/U_{M_bus}(r₂＝U_{N_line}/U_{N_bus})，判断故障方向：若r₁>1+ε(r₂>1+ε)，其中ε为可靠余量，则判断为正方向故障，令方向信号R_M＝1(R_N＝1)，否则判断为反方向故障，令方向信号R_M＝0(R_N＝0)；当R_M&R_N＝1判断为区内故障；当R_M&R_N＝0，判断为区外故障。该方法无需数据同步，对采样率要求较低；耐受过渡电阻能力较强，且不受线路分布电容影响；易于进行工程实现并降低硬件投资成本。

Description

一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护控制领域，特别是涉及一种基于暂态电压幅值比的多端柔性直流电网线路方向纵联保护方案。

背景技术

柔性直流技术作为一种非常具有应用前景的输电和配电解决方案，与交流输电相比，其具有输电容量大、送电距离远、功率调节灵活、线路走廊窄、电网之间互联更为方便等诸多优点，因此，非常适用于远距离电能传输、分布式能源接入、非同步电网之间互联、大城市中心区域电缆供电，以及海岛供电等领域。

柔性直流系统的直流线路保护是柔性直流发展的关键技术之一。该技术主要难点在于故障线路的快速、可靠识别。与传统直流输电系统类似，将行波保护、微分欠压保护应用于柔性直流输电系统直流线路保护将主要面临采样率要求高、耐受过渡电阻能力弱等问题；而电流差动保护由于没有考虑电容电流问题，在任何导致电压变化的过程中都有可能导致误动，为了防止误动，判据需要较长的延时，电流差动保护动作迅速的优点并没有在直流输电线路中发挥出来。因此，针对目前工程实际中常见的点对点式柔性直流系统，可以借鉴传统直流系统中的边界保护思想，利用换流器出口的边界元件构造单端量保护、双端量保护等保护原理。

但是，未来柔性直流电网将向直流电网方向发展，尤其是多端环状柔性直流电网，其在供电可靠性等方面的优势显著。针对多端柔性直流电网，传统的点对点式直流系统中应用的边界元件大多处于换流器出口，因此很难区分相邻直流线路；另外，直流线路直接在直流场经直流母线互联，换流器出口元件无法再作为线路边界元件。因此，有必要设计一种适用于多端柔性直流电网的线路保护方案。

对于多端柔性直流电网，由于直流线路直接在直流场经直流母线互联，换流器出口元件无法再作为线路边界元件。

理论上讲，纵联电流差动保护利用了双/多端电气量，从原理上就能够保证绝对的选择性，但由于直流输电线路差动保护利用两端电流简单加和构造差动判据，没有考虑输电线路分布电容的影响，需要等暂态过程消失后差动保护判据才能成立，因此，它在故障后投入的时间晚且需要长延时确认。按照设计，它仅负责切除高阻故障，是直流输电线路的后备保护。

现有差动保护由于没有考虑电容电流问题，任何导致电压变化的过程，如区外故障、启动过程都有可能导致误动，因此为了防止误动，判据需要较长的延时。本来电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点，在直流输电线路中远没有发挥出来，其性能亟待提升。

发明内容

针对多端柔性直流电网中的直流线路故障针，本发明提出了一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方案，基于一种直流平波电抗器的装设方法，在构造边界保护的直流电抗器安装方法的基础上，利用直流电抗器两端的暂态电压比构造直流线路纵联方向保护方案，实现了直流故障的快速、可靠识别。

本发明提出了一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法，该方法包括以下步骤：

步骤101，测量直流电抗器两端直流电流和电压，并计算直流电流突变率di/dt和电压突变率du/dt，其中，di为两端的直流电流差值，dt为测量时间间隔，du为两端的直流电压差值，dt为测量时间间隔，当di/dt或du/dt大于门槛值K_1-set、K_2-set时立即启动保护算法；

步骤102，测量保护所在端直流电抗器两侧故障电压，并提取相应的暂态分量U_{M_line}、U_{M_bus}、U_{N_line}、U_{N_bus}；其中，U_{M_line}、U_{M_bus}、U_{N_line}、U_{N_bus}分别代表线路Line1靠近母线M端(N端)的直流电抗器线路侧和母线侧的故障电压在某一频段内的暂态分量；

步骤103，计算r₁＝U_{M_line}/U_{M_bus}(r₂＝U_{N_line}/U_{N_bus})，判断故障方向：若r₁>1+ε(r₂>1+ε)，其中ε为可靠余量，则判断为正方向故障，令方向信号R_M＝1，R_N＝1，否则判断为反方向故障，令方向信号R_M＝0，R_N＝0；

步骤104，向对端保护发送故障方向信号，并接收线路对端保护判断出的故障方向信号，当R_M&R_N＝1判断为区内故障；

步骤105，向对端保护发送故障方向信号，并接收线路对端保护判断出的故障方向信号，当R_M&R_N＝0，判断为区外故障。

所述步骤103所述的正方向故障和反方向故障，具体的判断包括以下步骤：

故障发生后测量保护安装处直流电抗器两侧故障电压，利用相关的信号处理方法提取高频暂态电压分量；当直流电抗器线路侧电压暂态分量幅值大于母线侧电压暂态分量幅值时，判断为正方向故障；当直流电抗器线路侧电压暂态分量幅值小于母线侧电压暂态分量幅值时，判断为反方向故障。

与现有保护原理相比，该方法只传递方向信号，无需数据同步，对采样率要求较低，大大降低了硬件实现要求；而且通过大量的仿真试验表明，该方法不受分布电容影响，耐受过渡电阻能力较强，在考虑通信延时情况下能够在3～4个毫秒内快速动作，满足直流电网对线路保护动作速度的要求。

附图说明

图1为多端柔性直流输电系统示意图；

图2为直流线路区内故障时等效电路图；

图3为直流线路区外故障时等效电路图；

图4为保护动作方案流程图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

现有多端柔性直流系统一般将直流电抗器安装于换流站出口，因此无法作为线路边界元件构造边界差异。本发明将直流电抗器LP安装于直流线路两端，具体安装方法如图1所示。该种安装方法除了有利于构造边界保护，还能够有效提高故障限流能力、系统额定故障穿越能力等等。利用平波电抗器构成直流输电线路的边界元件，当直流输电线路区内、区外发生故障时，故障序等效电路分别如图2、3所示，故障支路产生较大的暂态电流会在平波电抗器上产生压降。以母线M端为例，当故障发生在M端保护正方向时，由图2可知，故障点电压最高，故障电压由故障点向两侧逐渐降低，此时平波电抗器右侧电压高于左侧(即U_{M_line}>U_{M_bus})；当故障发生在M端保护反方向时，平波电抗器左侧电压高于右侧(即U_{M_line}<U_{M_bus})。同理，对于N端保护，其故障方向判别方法与M端类似。于是，当M端和N端保护同时判断为正方向故障时，纵联保护判断为直流线路区内故障动作于跳闸，当任意一侧判定为反方向故障时，纵联保护判断为区外故障不予动作。

根据以上原理，提出一种方向纵联保护原理：设定r1＝U_{M_line}/U_{M_bus}、r2＝U_{N_line}/U_{N_bus}，其中U_{M_line}、U_{N_line}分别为直流线路M和N母线处平波电抗器线路侧电压，U_{M_bus}、U_{N_bus}分别为直流线路M和N母线处平波电抗器阀侧电压。

如图4所示，本发明的多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法的步骤描述如下：

步骤101，测量直流电抗器两端直流电流和电压，并计算直流电流突变率di/dt和电压突变率du/dt，当di/dt或du/dt大于门槛值K_1-set、K_2-set时立即启动保护算法；

步骤102，测量保护(以图1中线路Line₁为例)所在端直流电抗器两侧故障电压，并提取相应的暂态分量U_{M_line}、U_{M_bus}(U_{N_line}、U_{N_bus})。其中，U_{M_line}、U_{M_bus}(U_{N_line}、U_{N_bus})分别代表线路Line1靠近母线M端(N端)的直流电抗器线路侧和母线侧的故障电压在某一频段内的暂态分量；

步骤103，计算r₁＝U_{M_line}/U_{M_bus}(r₂＝U_{N_line}/U_{N_bus})，判断故障方向：若r₁>1+ε(r₂>1+ε)，其中ε为可靠余量，则判断为正方向故障，令方向信号R_M＝1(R_N＝1)，否则判断为反方向故障，令方向信号R_M＝0(R_N＝0)；

步骤104，向对端保护发送故障方向信号，并接收线路对端保护判断出的故障方向信号，当R_M&R_N＝1判断为区内故障；

步骤105，向对端保护发送故障方向信号，并接收线路对端保护判断出的故障方向信号，当R_M&R_N＝0，判断为区外故障。

理论上讲，纵联电流差动保护利用了双/多端电气量，从原理上就能够保证绝对的选择性，但由于直流输电线路差动保护利用两端电流简单加和构造差动判据，没有考虑输电线路分布电容的影响，需要等暂态过程消失后差动保护判据才能成立，因此，它在故障后投入的时间晚且需要长延时确认。按照设计，它仅负责切除高阻故障，是直流输电线路的后备保护。

现有差动保护由于没有考虑电容电流问题，任何导致电压变化的过程，如区外故障、启动过程都有可能导致误动，因此为了防止误动，判据需要较长的延时。本来电流差动保护应该具有的灵敏度高、动作速度快的优点，在直流输电线路中远没有发挥出来，其性能亟待提升。

本发明提出了一种有利于提高直流电网故障穿越能力、限流能力，并利于构造边界保护的直流电抗器安装方法。在此基础上，利用直流电抗器两端的暂态电压比构造直流线路纵联方向保护方案，实现了直流故障的快速、可靠识别。与电流差动保护相比，该保护方法不受电容电流影响，动作速度快，而且不需要数据的同步对时；与行波保护相比，该方法的采样率可以大幅降低，易于硬件实现。

Claims (2)

1.一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(101)，测量直流电抗器两端直流电流和电压，并计算直流电流突变率di/dt和电压突变率du/dt，其中，di为两端的直流电流差值，dt为测量时间间隔，du为两端的直流电压差值，当di/dt或du/dt大于门槛值K_1-set、K_2-set时立即启动保护算法；

步骤(102)，测量保护所在端直流电抗器两侧故障电压，并提取相应的暂态分量U_{M_line}、U_{M_bus}、U_{N_line}、U_{N_bus}；其中，U_{M_line}、U_{M_bus}分别代表线路Line1靠近母线M端的直流电抗器线路侧和母线侧的故障电压在某一频段内的暂态分量，U_{N_line}、U_{N_bus}分别代表线路Line1靠近母线N端的直流电抗器线路侧和母线侧的故障电压在某一频段内的暂态分量；

步骤(103)，计算r₁＝U_{M_line}/U_{M_bus}、r₂＝U_{N_line}/U_{N_bus}，判断故障方向：若r₁>1+ε、r₂>1+ε，其中ε为可靠余量，则判断为正方向故障，令方向信号R_M＝1，R_N＝1，否则判断为反方向故障，令方向信号R_M＝0，R_N＝0；

步骤(104)，向对端保护发送故障方向信号，并接收线路对端保护判断出的故障方向信号，当R_M&R_N＝1判断为区内故障；

步骤(105)，向对端保护发送故障方向信号，并接收线路对端保护判断出的故障方向信号，当R_M&R_N＝0，判断为区外故障。

2.如权利要求1所述的一种多端柔性直流电网线路方向纵联保护方法，其特征在于，所述步骤(103)所述的正方向故障和反方向故障，具体的判断包括以下步骤：

故障发生后测量保护安装处直流电抗器两侧故障电压，利用相关的信号处理方法提取高频暂态电压分量；当直流电抗器线路侧电压暂态分量幅值大于母线侧电压暂态分量幅值时，判断为正方向故障；当直流电抗器线路侧电压暂态分量幅值小于母线侧电压暂态分量幅值时，判断为反方向故障。