CN106684837A - 柔性直流线路测距式保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流线路测距式保护方法，包括：在柔性直流线路需保护端安装第一电压互感器和电流互感器来测量线路的电压和电流，并在需保护端的限流电抗器处增设了第二电压互感器来测量限流电抗器两端的压降；当发生故障时，根据限流电抗器两端的压降来计算故障电流的导数，并结合第一电压互感器和电流互感器测量到的电压和电流，来计算故障距离；判断故障距离是否收敛，若是，则确定最终的故障距离，并与预设的定值比较，再根据比较结果，判断是否进行保护。该方法提高了保护的精度和抗噪能力，增强了保护的可靠性。

Description

柔性直流线路测距式保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，尤其涉及一种柔性直流线路测距式保护方法。

背景技术

随着电压源换流器(voltage sourced converter，VSC)的发展以及电源和负荷中电流变换中直流环节的增加，柔性直流系统由于其具有控制灵活、便于接纳分布式电源与直流负荷、供电容量大、电能质量好等优点已引起国内外广泛关注。然而缺乏成熟的直流线路保护技术是柔性直流系统面临的主要挑战之一。柔性直流系统线路保护的难点在于既要在短时间内快速识别直流故障以防止设备损坏，又要准确选择故障线路以减少停电范围。

电流差动保护和方向纵联保护可较好的满足选择性，但依赖于通信，当通信故障时将无法实现保护功能。一些研究利用R-L模型算法构成柔性直流线路保护，但将R-L模型算法用于柔性直流系统存在一定的局限性：传统变量获取方法存在较大误差并无法补偿。这一局限性有时可能导致基于R-L模型算法的柔性直流线路保护误动。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流线路测距式保护方法，增强了保护的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种柔性直流线路测距式保护方法，包括：

在柔性直流线路需保护端安装第一电压互感器和电流互感器来测量线路的电压和电流，并在需保护端的限流电抗器处增设了第二电压互感器来测量限流电抗器两端的压降；

当发生故障时，根据限流电抗器两端的压降来计算故障电流的导数，并结合第一电压互感器和电流互感器测量到的电压和电流，来计算故障距离；

判断故障距离是否收敛，若是，则确定最终的故障距离，并与预设的定值比较，再根据比较结果，判断是否进行保护。

根据限流电抗器的压降来计算故障电流导数的公式为：

其中，u_L(t)为限流电抗器两端的压降，L_limit为限流电抗器的电感值。

结合第一电压互感器和电流互感器测量到的电压和电流，来计算故障距离的公式为：

其中，x为需保护端至故障点的故障距离，R和L分别为柔性直流线路中单位长度的电阻和电感；u(t)、i(t)分别为第一电压互感器和电流互感器测量到的电压、电流的瞬时值。

所述判断故障距离是否收敛，若是，则确定最终的故障距离包括：

判断N毫秒数据短窗内测距结果之间的相对误差连续小于S％，若是则认为收敛，用N毫秒数据短窗内测距结果的平均值作为最终的故障距离。

所述与预设的定值比较，再根据比较结果，判断是否进行保护包括：

将最终的故障距离x_out与预设的定值x_set比较，若满足下式，则保护出口跳闸：

x_out≤x_set。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用新型电流微分项获取方法和算式结构，提高了保护的精度和抗噪能力，增强了保护的可靠性；大量仿真结果表明，本发明效果良好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的柔性直流线路测距式保护方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的实施柔性直流线路测距式保护的系统简化示意图；

图3为本发明实施例提供的柔性直流线路测距式保护方法与传统R-L模型方法的测距误差的对比示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种柔性直流线路测距式保护方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤11、在柔性直流线路需保护端安装第一电压互感器和电流互感器来测量线路的电压和电流，并在需保护端的限流电抗器处增设了第二电压互感器来测量限流电抗器两端的压降。

如图2所示，一个双端柔性直流系统，直流线路分为两段。假设左侧的M端为需保护端，则安装第一电压互感器TV1和电流互感器TA测量线路电压和线路电流，另外还在限流电抗器上并联第二电压互感器TV2，以测量限流电抗器上的压降。

步骤12、当发生故障时，根据限流电抗器两端的压降来计算故障电流的导数，并结合第一电压互感器和电流互感器测量到的电压和电流，来计算故障距离；

在金属性故障时，对于一个时刻列写线路微分方程，利用TV2测量的限流电抗器压降表示故障电流的导数，可将微分方程变为代数方程，消除了传统的电流微分获取方法所引起的误差，表达式如下：

其中，u_L(t)为限流电抗器两端的压降，L_limit为限流电抗器的电感值。

每个采样时刻都可计算获得一个故障距离值；

其中，x为需保护端至故障点的故障距离，R和L分别为柔性直流线路中单位长度的电阻和电感；u(t)、i(t)分别为第一电压互感器和电流互感器测量到的电压、电流的瞬时值。

本发明实施例中，提出的上述获取电流微分项的方法，可提高保护的精度。传统的电流微分获取方法是用两点采样值的差分代替中点时刻的微分，平均值代替中点时刻的瞬时值。传统方法会造成误差，对于纯正弦信号，这一误差可通过乘以一个常系数进行无差修正。但柔性直流系统的故障电流并非只含有正弦量，而是包含衰减振荡分量、衰减直流分量、直流分量以及谐波分量，且在不同阶段含有不同分量，各分量所占比例与故障情况有关，因此很难对替代误差进行修正。

步骤13、判断故障距离是否收敛，若是，则确定最终的故障距离，并与预设的定值比较，再根据比较结果，判断是否进行保护。

由于线路分布式电容的存在，故障初期暂态过程明显，测距值可能与真实值存在一定偏差。随着分布电容暂态影响的减弱，这一偏差逐步收敛。因此有必要设置测距值收敛判据。

本发明实施例中，判断N毫秒数据短窗内测距结果之间的相对误差连续小于S％，若是则认为收敛，用N毫秒数据短窗内测距结果的平均值作为最终的故障距离。

再将最终的故障距离x_out与预设的定值x_set比较，若满足下式，则保护出口跳闸：

x_out≤x_set。

示例性的，可以设置一个3ms的数据短窗判断测距值是否收敛。当短窗内测距结果之间的相对误差连续小于1％，则认为测距结果已经收敛，用短窗内测距结果的平均值作为最终测距结果。如最终测距结果小于等于所保护线路全长的95％，则保护出口。

本发明实施例上述方案，采用新型电流微分项获取方法和算式结构，提高了保护的精度和抗噪能力，增强了保护的可靠性；大量仿真结果表明，本发明效果良好。

下面给出本发明在PSCAD/EMTDC上的测试结果。搭建如图2所示的柔性直流系统，交流侧额定电压10kV，短路容量350MVA，换流电抗器等值电感10mH，换流器容量7MVA，额定电流350A；直流系统额定电压±10kV，直流电容器等值电容100μF，接地电阻500Ω，直流限流电抗器等值电感5mH。负荷等值电阻57Ω。两段直流电缆长度都为10km，为模拟实际的暂态过程，直流电缆每0.5km采用一个π型等值，直流电缆参数为：自电阻0.125Ω/km，自感0.586mH/km，互感0.256mH/km，单极对地电容0.350μF/km，极间电容0.039μF/km。

为说明本发明与现有技术相比的优越性，将所提保护方法与传统R-L模型方法比较。传统R-L模型方法是利用2个不同时刻列写的微分方程组联立求解故障距离，其电流微分项获取方法为用两点采样值的差分代替中点时刻的微分，平均值代替中点时刻的瞬时值。图3显示了在线路末端故障时，所提保护方法与传统R-L模型方法的测距误差的对比。传统R-L模型算法的测距误差可达20％以上，而且其数值稳定性较差，不时出现误差超过50％的情况。所提保护方法的测距误差很快收敛到1％以内，数值稳定性较好。

表1列出了在不同故障位置和噪声情况下，本发明的保护方法的测试结果。所提保护在各种故障场景下均动作正确，动作时间在20ms以内；对于近端故障，保护动作时间为8ms；在40dB白噪声情况下保护的测距误差仍可保持在1％以内。

表1不同故障条件下所提保护方法测试结果

注：Top代表保护动作时间；Err代表测距相对误差；“—”表示不满足跳闸判据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种柔性直流线路测距式保护方法，其特征在于，包括：

在柔性直流线路需保护端安装第一电压互感器和电流互感器来测量线路的电压和电流，并在需保护端的限流电抗器处增设了第二电压互感器来测量限流电抗器两端的压降；

当发生故障时，根据限流电抗器两端的压降来计算故障电流的导数，并结合第一电压互感器和电流互感器测量到的电压和电流，来计算故障距离；

判断故障距离是否收敛，若是，则确定最终的故障距离，并与预设的定值比较，再根据比较结果，判断是否进行保护。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流线路测距式保护方法，其特征在于，根据限流电抗器的压降来计算故障电流导数的公式为：

$\frac{di\left(t\right)}{dt}=u_L\left(t\right)/L_{\lim it};$

其中，u_L(t)为限流电抗器两端的压降，L_limit为限流电抗器的电感值。

3.根据权利要求2所述的一种柔性直流线路测距式保护方法，其特征在于，结合第一电压互感器和电流互感器测量到的电压和电流，来计算故障距离的公式为：

$x=\frac{u\left(t\right)}{{\mathrm{Lu}}_L\left(t\right)/L_{\lim it}+Ri\left(t\right)};$

其中，x为需保护端至故障点的故障距离，R和L分别为柔性直流线路中单位长度的电阻和电感；u(t)、i(t)分别为第一电压互感器和电流互感器测量到的电压、电流的瞬时值。

4.根据权利要求2所述的一种柔性直流线路测距式保护方法，其特征在于，所述判断故障距离是否收敛，若是，则确定最终的故障距离包括：

判断N毫秒数据短窗内测距结果之间的相对误差连续小于S％，若是则认为收敛，用N毫秒数据短窗内测距结果的平均值作为最终的故障距离。

5.根据权利要求1或4所述的一种柔性直流线路测距式保护方法，其特征在于，所述与预设的定值比较，再根据比较结果，判断是否进行保护包括：

将最终的故障距离x_out与预设的定值x_set比较，若满足下式，则保护出口跳闸：

x_out≤x_set。