CN106849029B - 并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法。包括：在并联系统各换流站进行数字采样并相模解耦，得到1、0模电压和电流。选取直流主干线路上一点为计算终点，从各换流站起始，逐段计算线路末端电压、电流直至计算终点，并在终点处叠加得到1、0模差流。1模差流大于故障门槛，则为区内故障，反之为区外故障。0模差流大于选型门槛，为正极接地故障；0模差流小于负选型门槛，为负极接地故障；0模差流介于正负选型门槛之间，为极间短路故障。本发明动作速度快，耐过渡电阻能力高，不受分布电容电流影响，并可以推广至任意端并联直流系统，原理上可识别故障类型，适应性强。本发明所需采样率低，易于实现，具备实用价值。

Description

并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法

【技术领域】

本发明涉及电力系统直流输电继电保护领域，尤其涉及超/特高压直流输电线路的电流纵联保护。

【背景技术】

双端直流输电系统在我国发展日趋成熟，但存在互联系统送受端系统位置单一，线路通道紧张等问题。多端直流输电系统具备了传统直流输电系统传输功率大，线路造价低，控制方式灵活等特点，并且克服了双端系统存在的问题，是未来直流输电技术的发展趋势。已建成的双端直流输电系统有意大利-科西嘉-撒丁岛三端直流系统和加拿大魁北克-新英格兰多端直流系统。双极多端直流输电的拓扑结构主要分为并联型和串联型。并联型相比串联型而言，具有造价更低，系统扩展方式灵活，电压稳定性更好等优势，将成为多端直流输电系统的主要建设形式。因此，提升多端直流输电线路的保护原理，使之能够更好地适应并联型双极多端直流输电系统的拓扑结构，能够为多端直流输电系统的安全可靠运行保驾护航。

电流差动保护是交流系统中的天然主保护，在传统直流输电系统中作为延时后备保护存在。传统差动保护受到分布电容电流的影响，速动性和可靠性不高。中国专利CN200910022923.6和CN201110349980.2分别针对双端和三端直流输电系统，提出了基于分布参数模型的直流线路差动保护方法，但这些方法并不适用于多端系统，并且方法本身无法区分单极故障和极间故障和进行故障选极。对于多端直流系统，由于涉及的送受端更多，因此需要保护能够快速可靠地区分故障类型，并识别故障极，使得故障切除及回复系统能够更快速地动作，以保障多端系统运行的安全性。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种适用于并联型多端直流输电系统的纵联差动保护，具备动作速度快，可靠性高，耐过渡电阻能力强等优势，并且能够直接进行故障类型区分和故障选极。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，实现方法包括以下步骤：

步骤一：对于N端并联直流输电系统，在每一端换流站的直流侧保护安装处，对正负极直流线路电压、电流以预定采样速率进行同步采样，并通过数模转换得到正负极直流电压、电流；

步骤二：每一端换流站将采样得到的正负极直流电压、电流利用解耦矩阵解耦为1模和0模电压、电流；

步骤三：直流输电系统模量纵差保护的故障识别判据为：

I_cd1>I_set1 (1)

式中，I_cd1为N端并联直流输电系统的1模差动电流，由各端换流站的1模直流电压和电流得到；I_set1为故障识别门槛。若判据(1)成立，则为直流线路区内故障，反之，则为区外故障。

步骤四：若步骤三的判据(1)成立，进行区内故障选型。模量纵差保护的故障选型判据为：

I_cd0>I_set2 (2)

I_cd0<-I_set2 (3)

式中，I_cd0为N端并联直流输电系统的0模差动电流，由各端换流站的0模直流电压和电流得到；I_set2为故障选型门槛。若判据(2)成立，则为正极直流线路接地故障；若判据(3)成立，则为负极直流线路接地故障；若两判据均不成立，即-I_set2<I_cd0<I_set2，则为极间短路故障。

所述步骤一中的直流输电系统，为双极两端直流输电系统或并联双极多端直流输电系统。

所述步骤一中的直流电压、电流，通过换流站直流线路侧的分压器和分流器进行采集。

所述步骤一中的预定采样速率不小于1Hz。

所述步骤二中的解耦矩阵为如下形式：

式中，a为幅值系数，可以任意确定。

所述步骤三中的N端并联直流输电系统1模差动电流I_cd1和步骤四中的N端并联直流输电系统0模差动电流I_cd0，利用直流电流全量按式(5)构造，或利用直流电流故障分量按式(6)构造：

式中，n为换流站标号，i_1,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的1模直流电流全量，i_0,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的0模直流电流全量；Δi_1,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的1模直流电流故障分量，Δi_0,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的0模直流电流故障分量。

上述的第n端换流站直流电流故障分量Δi_1,n和Δi_0,n，其获取方式为第n端换流站直流电流全量i_1,n和i_0,n分别与第n端换流站稳态正常运行时的模电流i_1sn和i_0sn之差。

所述步骤三中的故障识别门槛I_set1和步骤四中的故障选型门槛I_set2，根据直流输电系统各换流站的稳态运行电流按下式进行确定：

I_set1＝ak_rk_ek_s max(I_1s1,…I_1sn,…,I_1sN) (7)

I_set2＝ak_rk_ek_s max(I_0s1,…I_0sn,…,I_0sN) (8)

式中，a为解耦矩阵的幅值系数，可以任意确定；k_r为可靠性系数；k_e为分流器测量误差系数，根据直流输电线路分流器的精度规程确定；k_s为稳态差流系数，根据直流输电系统的控制特性确定；I_1s1,…,I_1sn,…,I_1sN为N端并联直流输电系统每一端换流站的1模稳态电流；I_0s1,…,I_0sn,…,I_0sN为N端并联直流输电系统每一端换流站的0模稳态电流。

所述的第n端换流站直流电流全量i_1,n和i_0,n，其特征在于：i_1,n和i_0,n为经过分布参数模型计算得到的电气量。对于并联多端直流输电系统，计算方法如下：

1)在并联N端并联直流输电系统主干线路上选取一点作为计算终点。对于第n端换流站而言，换流站到计算终点之间存在若干个分支点，令这些分支点将直流线路分为K_n段，则各段直流线路的长度分别为l₁、l₂、…、l_Kn。

2)利用换流站处的测量得到的直流模电压、模电流，按式(9)和式(10)逐段计算各段直流线路末端的电压、电流，直至计算到计算终点的电流：

式中，l_Kn为第K_n段直流线路的长度，i(t)、u(t)分别为第K_n段直流线路始端的t时刻的直流模电压、模电流；i(l_Kn,t)、u(l_Kn,t)分别为第K_n段直流线路末端t时刻的直流模电流；R_Kn为第K_n段直流线路单位长度的电阻，Z_CKn为第K_n段直流线路单位长度的特征阻抗，由第K_n段直流输电线路的参数确定；τ为数据窗长度，τ＝l_Kn/v_Kn，v_Kn为第K_n段直流输电线路的波速。

3)对于第n端换流站而言，计算终点处的直流电流作为第n端换流站的直流模电流全量，用于进行权利要求6中差动电流的构造。

4)对于两端直流输电系统，K_n＝1，则以换流站为始端按式(9)直接计算直流线路上计算终点处的直流模电流，并作为直流模电流全量构造差动电流。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

1)本发明原理上基于基尔霍夫电流定律，性能上能够达到交流系统中差动保护的性能，耐过渡电阻能力强；

2)本发明基于分布参数模型，计算并联多端直流输电系统的直流电流，不受直流系统的规模和换流站数量的影响，相比现有的保护原理，适应性更强；

3)本发明无需辅助判据即能够区分单极接地故障和极间短路故障，并且能够实现故障选极，相比现有的直流线路纵差保护原理，选择性更强。

【附图说明】

图1为并联双极N端直流输电系统的示意图；

图2为并联双极四端直流输电系统的示意图；

图3为并联双极四端直流输电系统1模网络的示意图；

图4为实现本发明所介绍方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1所示，并联双极N端并联直流输电系统，直流线路位于各换流站之间，各换流站支路并联于高压直流主干线路。直流分流器位换流站直流侧平波电抗器外侧。u_Po1、u_Na1、i_Po1、i_Na1；u_Po2、u_Na2、i_Po2、i_Na2；u_Pon、u_Nan、i_Pon、i_Nan；u_PoN、u_NaN、i_PoN、i_NaN分别为第1端、第2端、第n端和第N端换流站保护装置采样得到的正负极直流电压、电流。采样频率不小于1Hz。

请参阅图2所示，以双极四端直流输电系统为例，介绍本发明方法。换流站1、2、3、4直流侧保护装置采样得到的正负极直流电流分别为i_Po1、i_Na1与i_Po2、i_Na2与i_Po3、i_Na3与i_Po4、i_Na4，正负极直流电压分别为u_Po1、u_Na1与u_Po2、u_Na2与u_Po3、u_Na3与u_Po4、u_Na4。

请参阅图4所示，本发明的流程图，介绍本发明的步骤。按照式(1)的解耦矩阵，将上述正负极直流电压、电流解耦的得到1、0模电压u_1,1、u_0,1与u_1,2、u_0,2与u_1,3、u_0,3与u_1,4、u_0,4以及1、0模电流i_1,1、i_0,1与i_1,2、i_0,2与i_1,3、i_0,3与i_1,4、i_0,4。考虑解耦前后电流总数值不变，模量幅值系数a取解耦矩阵如式(1)所示：

以换流站1为例，电压、电流的解耦如下式所示：

请参阅图3所示，以四端直流输电系统1模网络为例，说明分布的参数模型的计算过程。选取四端直流输电系统主干线路上的一点O为计算终点。

由四端直流输电系统的拓扑结构可以看出，换流站1、2的支路在分支点O₁₂处相交，换流站3、4的支路在分支点O₃₄处相交。因此，首先利用换流站1、2处的电压、电流u_1,1、i_1,1、u_1,2、i_1,2和式(3)、(4)计算分支点O₁₂处的电压、电流u_1,12、i_1,12。

式中，l_Kn为第K_n段直流线路的长度，i(t)、u(t)分别为第K_n段直流线路始端的t时刻的直流模电压、模电流；i(l_Kn,t)、u(l_Kn,t)分别为第K_n段直流线路末端t时刻的直流模电流；R_Kn为第K_n段直流线路单位长度的电阻，Z_CKn为第K_n段直流线路单位长度的特征阻抗，由第K_n段直流输电线路的参数确定；τ为数据窗长度，τ＝l_Kn/v_Kn，v_Kn为第K_n段直流输电线路的波速。

根据上式，令利用换流站1处u_1,1、i_1,1计算得到的O₁₂处电压、电流为u(l₁₁,t)_1,1、i(l₁₁,t)_1,1，利用换流站2处u_1,2、i_1,2计算得到的O₁₂处电压、电流为u(l₁₂,t)_1,2、i(l₁₂,t)_1,2，则在O₁₂处有：

同理，在O₃₄处有：

下一步，令利用O₁₂处电压、电流u_1,12、i_1,12和O₃₄处电压、电流u_1,34、i_1,34和式(3)分别计算得到的O点处的电流i(l₂₁,t)_1,12、i(l₂₃,t)_1,34，在O点处有：

则O点处的1模差动电流为：

I_cd1＝i_1,O12+i_1,O34 (8)

根据图4各支路的路径长度，有：

结合式(5)(6)(7)(8)(9)可以得出：

式(10)中，i(l₂₁,t,i(l₁₁,t)_1,1)_1,12为利用换流站1处的电压和电流，延路径l₁₁->l₂₁计算得到的O点处电流。同理，式(10)中其它三项分别为利用换流站2处的电压和电流，延路径l₁₂->l₂₂计算得到的O点处电流、利用换流站3处的电压和电流，延路径l₁₃->l₂₃计算得到的O点处电流和利用换流站4处的电压和电流，延路径l₁₄->l₂₄计算得到的O点处电流。

由式(10)可以看出，计算终点O处的差动电流相当于利用并联系统每个换流站的电压、电流，逐段计算各换流站至O点之间各段直流线路末端的直流电压、电流，直至计算到O点的直流电流，并叠加。将式(10)推广至N端并联系统，差动电流可以写成下式的形式：

式中，i_1,n为N端直流系统第n端换流站经过分布参数模型计算得到的直流侧1模直流电流全量。同理，对于0模网络，计算终点O处的差动电流为：

若利用故障分量构造差动电流，则利用下式：

上式中，i_1sn、i_0sn分别为第n端换流站稳态正常运行时的模电流，其余变量同上。本实例采用直流电流全量构造差动电流。

下一步，根据各换流站的稳态运行电流进行整定。1、0模的整定方法如下式：

I_set1＝ak_rk_ek_s max(I_1s1,…I_1sn,…,I_1sN) (15)

I_set2＝ak_rk_ek_s max(I_0s1,…I_0sn,…,I_0sN) (16)

式中，a为解耦矩阵的幅值系数，本实例取k_r为可靠性系数，一般取1.1～1.2；k_e为分流器测量误差系数，根据直流输电系统的分压器、分流器测量精度，可以取0.005～0.01；k_s为稳态差流系数，根据直流输电系统的控制特性参数，不大于电流裕度，可以取0.03～0.1；I_1s1,…,I_1sn,…,I_1sN为N端并联直流输电系统每一端换流站的1模稳态电流；I_0s1,…,I_0sn,…,I_0sN为N端并联直流输电系统每一端换流站的0模稳态电流。

整定计算完成后，首先进行故障识别，识别门槛如下：

I_cd1>I_set1 (17)

若式(17)成立则为区内故障，反之为区外故障。当保护判定为区内故障后，进行故障选型，选型门槛如下：

I_cd0>I_set2 (18)

I_cd0<-I_set2 (19)

若式(18)成立，则为正极直流线路接地故障；若式(19)成立，则为负极直流线路接地故障；若两判据均不成立，即-I_set2<I_cd0<I_set2，则为极间短路故障。

Claims (7)

1.一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对于N端并联直流输电系统，在每一端换流站的直流侧保护安装处，对正负极直流线路电压、电流以预定采样速率进行同步采样，并通过数模转换得到正负极直流电压、电流；

步骤二：每一端换流站将采样得到的正负极直流电压、电流利用解耦矩阵解耦为1模和0模电压、电流；

步骤三：直流输电系统模量纵差保护的故障识别判据为：

I_cd1>I_set1 (1)

式中，I_cd1为N端并联直流输电系统的1模差动电流，由各端换流站的1模直流电压和电流得到；I_set1为故障识别门槛，若判据(1)成立，则为直流线路区内故障，反之，则为区外故障；

所述步骤三中的故障识别门槛I_set1和步骤四中的故障选型门槛I_set2，根据直流输电系统各换流站的稳态运行电流按下式进行确定：

I_set1＝ak_rk_ek_s max(I_1s1,…I_1sn,…,I_1sN) (7)

I_set2＝ak_rk_ek_s max(I_0s1,…I_0sn,…,I_0sN) (8)

式中，a为解耦矩阵的幅值系数，可以任意确定；k_r为可靠性系数；k_e为分流器测量误差系数，根据直流输电线路分流器的精度规程确定；k_s为稳态差流系数，根据直流输电系统的控制特性确定；I_1s1,…,I_1sn,…,I_1sN为N端并联直流输电系统每一端换流站的1模稳态电流；I_0s1,…,I_0sn,…,I_0sN为N端并联直流输电系统每一端换流站的0模稳态电流；

步骤四：若步骤三的判据(1)成立，进行区内故障选型，模量纵差保护的故障选型判据为：

I_cd0>I_set2 (2)

I_cd0<-I_set2 (3)

式中，I_cd0为N端并联直流输电系统的0模差动电流，由各端换流站的0模直流电压和电流得到；I_set2为故障选型门槛，若判据(2)成立，则为正极直流线路接地故障；若判据(3)成立，则为负极直流线路接地故障；若两判据均不成立，即-I_set2<I_cd0<I_set2，则为极间短路故障。

2.如权利要求1所述的一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于：所述步骤一中的直流输电系统，为双极两端直流输电系统或并联双极多端直流输电系统。

3.如权利要求1所述的一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于：所述步骤一中的直流电压、电流，通过换流站直流线路侧的分压器和分流器进行采集。

4.如权利要求1所述的一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于：所述步骤一中的预定采样速率不小于1Hz。

5.如权利要求1所述的一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于：所述步骤二中的解耦矩阵为如下形式：

式中，a为幅值系数，可以任意确定。

6.如权利要求1所述的一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于：所述步骤三中的N端并联直流输电系统1模差动电流I_cd1和步骤四中的N端并联直流输电系统0模差动电流I_cd0，利用直流电流全量按式(5)构造，或利用直流电流故障分量按式(6)构造：

式中，n为换流站标号，i_1,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的1模直流电流全量，i_0,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的0模直流电流全量；Δi_1,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的1模直流电流故障分量，Δi_0,n为N端直流系统第n端换流站直流侧的0模直流电流故障分量；

上述的第n端换流站直流电流故障分量Δi_1,n和Δi_0,n，其获取方式为第n端换流站直流电流全量i_1,n和i_0,n分别与第n端换流站稳态正常运行时的模电流i_1sn和i_0sn之差。

7.如权利要求6所述的一种并联型双极多端直流输电系统电流模量纵差保护方法，其特征在于：第n端换流站直流电流全量i_1,n和i_0,n，i_1,n和i_0,n为经过分布参数模型计算得到的电气量，对于并联多端直流输电系统，计算方法如下：

1)在并联N端并联直流输电系统主干线路上选取一点作为计算终点，对于第n端换流站而言，换流站到计算终点之间存在若干个分支点，令这些分支点将直流线路分为K_n段，则各段直流线路的长度分别为l₁、l₂、…、l_Kn；

2)利用换流站处的测量得到的直流模电压、模电流，按式(9)和式(10)逐段计算各段直流线路末端的电压、电流，直至计算到计算终点的电流：

式中，l_Kn为第K_n段直流线路的长度，i(t)、u(t)分别为第K_n段直流线路始端的t时刻的直流模电压、模电流；i(l_Kn,t)、u(l_Kn,t)分别为第K_n段直流线路末端t时刻的直流模电流；R_Kn为第K_n段直流线路单位长度的电阻，Z_CKn为第K_n段直流线路单位长度的特征阻抗，由第K_n段直流输电线路的参数确定；τ为数据窗长度，τ＝l_Kn/v_Kn，v_Kn为第K_n段直流输电线路的波速；

3)对于第n端换流站而言，计算终点处的直流电流作为第n端换流站的直流模电流全量，用于进行权利要求6中差动电流的构造；

4)对于两端直流输电系统，K_n＝1，则以换流站为始端按式(9)直接计算直流线路上计算终点处的直流模电流，并作为直流模电流全量构造差动电流。