CN107543998B - 多端柔性直流输电系统直流侧故障定位系统及方法 - Google Patents

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CN107543998B CN201710585936.9A CN201710585936A CN107543998B CN 107543998 B CN107543998 B CN 107543998B CN 201710585936 A CN201710585936 A CN 201710585936A CN 107543998 B CN107543998 B CN 107543998B
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Abstract

本发明公开了属于电力系统继电保护领域中一种多端柔性直流输电系统直流侧故障定位系统及方法。所述系统包括数据采集模块，故障定位模块，直流侧故障保护模块，结果输出模块。所述保护方法包括以下步骤：当直流侧线路故障发生后，换流站的低电压过电流保护启动，发出换流站闭锁信号；然后利用双曲正切函数相位突变特性进行故障定位；根各桥臂子模块闭锁，据故障电流是否衰减完毕的判据清除直流故障电流；故障线路被切除后，非故障线路上的开关重合。本发明利用故障点与参考点相匹配时函数相位突变的特征进行故障定位，解决了传统方法无法通过判断相应直流线路是否带电以启动重合闸的问题，且能够快速切除故障线路，保障非故障线路正常运行。

Description

多端柔性直流输电系统直流侧故障定位系统及方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种多端柔性直流输电系统(MMC-HVDC)直流侧故障定位系统及方法。
背景技术
随着可控关断电力电子器件技术的发展，以电压源型换流器(Voltage SourceConverter，VSC)为核心元件的柔性直流技术在直流输配电领域中逐渐占据重要地位。相对于传统点对点式直流线路，多端柔性直流输电系统更有利于降低成本、系统运行费用以及节约线路走廊，以该技术为基础的直流输电网络被认为是未来电力系统的重要发展方向。
然而，以柔性直流输电技术为基础的电力系统面临若干技术难题。其中，直流侧故障发生后如何准确判断故障位置以及识别故障区间，并保证非故障网络的快速恢复运行是提高柔性直流输电系统可靠性的关键。传统的故障距离评估和延时动作识别辐射型多端直流输电故障线路，但在保护速动性方面很难满足要求；行波信号和小波能量可快速识别多端柔性直流系统中的故障线路，但这种方式要求较高的采样率，且小波能量判据门槛值确定方式有较大的局限性；握手法采样率低，可适用于环型和辐射型多端柔性直流输配电系统，但该方法基于交流断路器跳闸以清除直流故障，动作速度慢，且在应用于星型多端柔性直流输电系统时，无法通过判断相应直流线路是否带电以启动重合闸措施。因此，有必要对多端MMC-HVDC直流侧故障的保护系统及其方法进行研究。
发明内容
本发明目的是提出一种多端柔性直流输电系统直流侧故障定位系统及方法其特征在于，所述系统由数据采集模块，故障定位模块，直流侧故障保护模块，结果输出模块串联组成；
所述数据采集模块用于采集测量端的电压电流信息，以及方向信息，进而提取线路上的工频故障分量；
所述故障定位模块，利用故障定位函数相位在故障距离处发生突变的特性，将线路n等分，根据已知电气量构造各等分点的故障定位函数f(lmx)，并求出故障定位函数的相位，找出相位突变点所在区域，进而以较小步长求出突变点位置即故障距离，实现故障定位；
所述直流侧故障保护模块，由故障定位模块输出的直流线路故障位置，判断故障区间，结合“握手法”对直流侧进行保护与故障恢复；
所述结果输出模块用于输出判据结果和故障恢复结果。
一种多端柔性直流输电系统直流侧故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：当直流侧线路故障发生后，换流站的低电压过电流保护启动，发出换流站闭锁信号，动作方程为：
Figure BDA0001353536100000021
式中：UdP、UdN分别是直流侧正、负极输电线路的测量电压，IdP、IdN分别是直流侧输电线路正、负极测量的电流；Uset、Iset1分别是低电压、过电流保护整定值；同时，定义母线流向线路为电流正方向，利用方向元件判断直流开关是否需要跳闸；启动各个换流站出口的故障定位元件，利用双曲正切函数相位突变特性进行故障定位；
步骤二：各桥臂子模块闭锁，触发桥臂子模块中的反并联晶闸管，清除直流故障电流；故障电流是否衰减完毕的判据为：
|IdP|and|IdN|<Iset2
式中：Iset2为电流衰减整定值；
若直流侧测量电流满足判据，则认为直流故障电流清除完毕，根据步骤一中方向元件的直流开关判定结果，跳开被选中的预跳闸开关，从物理上切除故障线路；
步骤三：故障线路被切除后，重新投入换流站，此后剩余网络所有线路将重新带电运行；所有被跳开的直流开关根据故障定位元件的定位结果重合，即非故障线路上的开关重合，故障线路上的开关不重合，直流系统剩余网络完全恢复正常运行。
所述利用双曲正切函数相位突变特性进行故障定位的函数推导过程如下：
(1)从直流侧发生故障后某极等值网络上取k点为参考点，当故障点f位于k点左侧时，提取线路上的工频故障分量，其中电压电流均满足关系式：
Figure BDA0001353536100000031
式中：
Figure BDA0001353536100000032
为M端测量电压、电流；
Figure BDA0001353536100000033
为故障处电压；
Figure BDA0001353536100000034
为故障处M端提供短路电流；lmf为M端到故障处距离；Zc1、γ1分别为特性阻抗和传播系数；
故障处的电流和电压关系为：
Figure BDA0001353536100000035
Figure BDA0001353536100000041
Figure BDA0001353536100000042
联立上式，可得：
Figure BDA0001353536100000043
进而得到：
Figure BDA0001353536100000044
得到故障电流之间的关系式为：
Figure BDA0001353536100000045
结合故障处的电压电流关系得到：
Figure BDA0001353536100000046
(2)当故障点f在k点右侧发生时，故障处的电流和电压存在如下关系：
Figure BDA0001353536100000047
Figure BDA0001353536100000048
综合k点两侧发生故障时故障点电压电流关系，可构造测距函数如下：
Figure BDA0001353536100000049
式中，
Figure BDA00013535361000000410
和
Figure BDA00013535361000000411
分别为m、n两侧电压、电流；
Figure BDA00013535361000000412
为故障点电压、电流。
Figure BDA00013535361000000413
分别为m、n两侧流向故障点的电流；γ1和Zc1分别为线路传播常数、波阻抗；
Figure BDA00013535361000000414
分别为k点的实际电压、电流；
Figure BDA00013535361000000415
分别为m、n两侧电量推算出的k点电压；
Figure BDA00013535361000000416
为k点流向故障点的负序电流；lk和lmf分别为k点和故障点到m侧的距离；lfk为k点与故障点之间的距离。
(3)设故障点f在距离M端100kmc处发生，从该处的接地短路故障定位函数相位特性可看出，故障定位函数相位突变发生于故障距离100km处，利用这一特性，先将线路n等分，根据已知电气量构造各等分点的故障定位函数f(lmx)，并求出故障定位函数的相位，找出相位突变点所在区域，进而以较小步长求出突变点位置即故障距离，实现故障定位。
本发明的有益效果是本发明提出的系统有以下特点：
1)可精确定位故障位置，耐受过渡电阻能力较强；
2)无需交流断路器即可清除直流侧故障，易于工程实现。
3)用于MMC-HVDC直流侧故障定位，以及故障快速恢复。
附图说明
图1是一种基于故障定位的多端MMC-HVDC直流侧故障保护系统结构图；
图2是星型多端MMC-HVDC系统拓扑；
图3是直流侧发生故障后某一极线路等值网络；
图4是100km处接地短路故障定位函数相位特性；
图5是一种基于故障定位的多端MMC-HVDC直流侧故障保护方法原理框图；
图6是故障位置与相对测距误差图；
图7是过渡电阻与相对测距误差图；
图8是星型3端MMC-HVDC系统近端故障电流仿真波形；
其中：(a)线路L1电流波形
(b)线路L2电流波形
(c)线路L3电流波形
图9是星型3端MMC-HVDC系统近端故障电压仿真波形；
其中：(a)换流站1各子模块电容电压波形
(b)换流站2各子模块电容电压波形
(c)换流站3各子模块电容电压波形
图10是星型3端MMC-HVDC系统远端故障电流仿真波形；
其中：(a)线路L1电流波形
(b)线路L2电流波形
(c)线路L3电流波形
图11是星型3端MMC-HVDC系统远端故障电压仿真波形。
其中：(a)线路L1电流波形
(b)线路L2电流波形
(c)线路L3电流波形
具体实施方式
本发明提出一种多端柔性直流输电系统直流侧故障定位系统及方法，用于MMC-HVDC直流侧故障定位，以及故障快速恢复。下面结合附图，对优选实施例作详细说明。
如图1所示，故障定位系统由数据采集模块，故障定位模块，直流侧故障保护模块，结果输出模块串联组成；
所述数据采集模块用于采集测量端的电压电流信息，以及方向信息，进而提取线路上的工频故障分量；
所述故障定位模块，利用故障定位函数相位在故障距离处发生突变的特性，将线路n等分，根据已知电气量构造各等分点的故障定位函数f(lmx)，并求出故障定位函数的相位，找出相位突变点所在区域，进而以较小步长求出突变点位置即故障距离，实现故障定位；
所述直流侧故障保护模块，由故障定位模块输出的直流线路故障位置，判断故障区间，结合“握手法”对直流侧进行保护与故障恢复；
所述结果输出模块用于输出判据结果和故障恢复结果。
利用双曲正切函数相位突变特性进行故障定位方法如下：
图3所示为直流侧发生故障后某极等值网络，取k点为参考点。当故障点f位于k点左侧时，提取线路上的工频故障分量，其中电压电流均满足关系式：
Figure BDA0001353536100000071
式中：
Figure BDA0001353536100000072
为M端测量电压、电流；
Figure BDA0001353536100000073
为故障处电压；
Figure BDA0001353536100000074
为故障处M端提供短路电流；lmf为M端到故障处距离；Zc1、γ1分别为特性阻抗和传播系数。
由图3可知，故障处的电流和电压关系为：
Figure BDA0001353536100000075
Figure BDA0001353536100000076
Figure BDA0001353536100000077
将式(2)和式(3)代入式(4)得：
Figure BDA0001353536100000078
联立式(2)和式(5)，可得：
Figure BDA0001353536100000079
将式(1)和式(2)代入式(3)得：
Figure BDA0001353536100000081
联立式(2)和式(7)，可得：
Figure BDA0001353536100000082
同理，当在k点右侧发生故障时，故障处的电流和电压存在如下关系：
Figure BDA0001353536100000083
Figure BDA0001353536100000084
由式(9)和式(10)构造测距函数如下：
Figure BDA0001353536100000085
式中，
Figure BDA0001353536100000086
和
Figure BDA0001353536100000087
分别为m、n两侧电压、电流；
Figure BDA0001353536100000088
为故障点电压、电流。
Figure BDA0001353536100000089
分别为m、n两侧流向故障点的电流；γ1和Zc1分别为线路传播常数、波阻抗；
Figure BDA00013535361000000810
分别为k点的实际电压、电流；
Figure BDA00013535361000000811
分别为m、n两侧电量推算出的k点电压；
Figure BDA00013535361000000812
为k点流向故障点的负序电流；lk和lmf分别为k点和故障点到m侧的距离；lfk为k点与故障点之间的距离。
设距离M端100km发生故障，该函数相位特性如图4示。可看出，故障定位函数相位突变发生于故障距离100km处，利用这一特性，可先将线路n等分，根据已知电气量构造各等分点的故障定位函数f(lmx)，并求出故障定位函数的相位，找出相位突变点所在区域，进而以较小步长求出突变点位置即故障距离，实现故障定位。
一种多端柔性直流输电系统直流侧故障定位系统及方法，其原理框图如图5所示，其特征在于所述方法包括：
步骤一：当直流侧线路故障发生后，换流站的低电压过电流保护启动，发出换流站闭锁信号，动作方程为：
Figure BDA0001353536100000091
式中：UdP、UdN分别是直流侧正、负极输电线路的测量电压，IdP、IdN分别是直流侧输电正、负极线路的测量电流，Uset、Iset1分别是低电压、过电流保护整定值。
同时，定义母线流向线路为电流正方向，利用方向元件判断直流开关是否需要跳闸。启动各个换流站出口的故障定位元件，利用双曲正切函数相位突变特性进行故障定位。
步骤二：各桥臂子模块闭锁，触发子模块中的反并联晶闸管，清除直流故障电流。
故障电流是否衰减完毕的判据为：
|IdP|and|IdN|<Iset2 (13)
式中：Iset2为电流衰减整定值。
若直流侧测量电流满足判据，则认为直流故障电流清除完毕，根据步骤一中方向元件的直流开关判定结果，跳开被选中的预跳闸开关，从物理上切除故障线路。
步骤三：故障线路被切除后，重新投入换流站，此后剩余网络所有线路将重新带电运行。所有被跳开的直流开关根据故障定位元件的定位结果重合，即非故障线路上的开关重合，故障线路上的开关不重合，直流系统剩余网络完全恢复正常运行。
步骤二：各桥臂子模块闭锁，触发子模块中的反并联晶闸管，清除直流故障电流。
故障电流是否衰减完毕的判据为：
|IdP|and|IdN|<Iset2 (14)
式中：Iset2为电流衰减整定值。
若直流侧测量电流满足判据，则认为直流故障电流清除完毕，根据步骤一中方向元件的直流开关判定结果，跳开被选中的预跳闸开关，从物理上切除故障线路。
步骤三：故障线路被切除后，重新投入换流站，此后剩余网络所有线路将重新带电运行。所有被跳开的直流开关根据故障定位元件的定位结果重合，即非故障线路上的开关重合，故障线路上的开关不重合，直流系统剩余网络完全恢复正常运行。
实施例：
基于RTDS平台搭建3端星型多端MMC-HVDC系统仿真模型如图2所示，系统主要参数如表1所示，线路长度均为200km，MMC子模块拓扑选用半桥型子模块拓扑
表1 MMC-HVDC系统详细参数
Figure BDA0001353536100000101
(1)故障定位仿真结果
在距换流站1出口不同距离的线路L1上设置故障，利用双曲正切相位特性进行故障定位，定义故障定位相对误差计算公式如下：
Figure BDA0001353536100000111
故障距离和过渡电阻对故障定位的误差影响分别如图6、图7所示，由图可见，对于不同的故障位置，最大绝对误差不超过0.06％，对于不同的故障过渡电阻，最大绝对误差不超过2％，因此该方法具有较高故障定位精确度。
(2)故障仿真结果
故障分别设置在距离换流站1出口5km(近端)、195km(远端)的线路L1上，在时发生故障，过渡电阻为20，星型直流电网拓扑中各条线路的电流电压仿真波形如图8至图11所示。故障可分为三个阶段。
故障电流上升阶段：如图8中(a)线路L1电流波形,(b)线路L2电流波形,(c)线路L3电流波形；和图10中(a)线路L1电流波形,(b)线路L2电流波形,(c)线路L3电流波形；时段，时故障发生，短路电流按照二阶振荡电路的放电规律很快升高至额定电流的数倍。在该时段内，各MMC换流站子模块电容迅速放电，各线路上的直流电压迅速降低，如图9中(a)换流站1各子模块电容电压波形，(b)换流站2各子模块电容电压波形，(c)换流站3各子模块电容电压波形；和图11中(a)线路L1电流波形,(b)线路L2电流波形,(c)线路L3电流波形所示。
故障电流清除阶段：在时刻，安装于换流站出口的过电流、低电压保护相继动作，发出闭锁信号，各直流线路的短路电流按照一阶动态电路电流衰减规律开始衰减，如图8和图10中时段所示。在该时段内，各换流站子模块电容被旁路，其电压保持不变，不再向故障点提供短路电流，如图9和图11所示。此时故障定位元件通过测量双曲正弦相位变化，获取故障位置并标记故障线路。
故障恢复阶段：时刻后，各直流线路的故障电流全部衰减至零，如图8和图10所示。根据方向元件判定结果，断开相应的直流开关，经延时确认后，在时刻重新开放换流站，并根据故障定位结果重合非故障线路L2和L3上的直流开关，切除故障线路L1。时刻后，线路L2和L3上的电压逐渐上升并恢复运行，如图9和图11中所示。

Claims (1)

1.一种多端柔性直流输电系统直流侧故障定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：当直流侧线路故障发生后，换流站的低电压过电流保护启动，发出换流站闭锁信号，动作方程为：
Figure FDA0002472713210000011
式中：UdP、UdN分别是直流侧正、负极输电线路的测量电压，IdP、IdN分别是直流侧输电线路正、负极测量的电流；Uset、Iset1分别是低电压、过电流保护整定值；同时，定义母线流向线路为电流正方向，利用方向元件判断直流开关是否需要跳闸；启动各个换流站出口的故障定位元件，利用双曲正切函数相位突变特性进行故障定位；具体包括：
步骤(1)从直流侧发生故障后某极等值网络上取k点为参考点，m、n分列k点左右两侧；当故障点f位于k点左侧即m侧时，提取线路上的工频故障分量，其中电压电流均满足关系式：
Figure FDA0002472713210000012
故障处的电流和电压关系为：
Figure FDA0002472713210000013
Figure FDA0002472713210000014
Figure FDA0002472713210000015
联立上式，可得：
Figure FDA0002472713210000021
进而得到：
Figure FDA0002472713210000022
得到故障电流之间的关系式为：
Figure FDA0002472713210000023
结合故障处的电压电流关系得到：
Figure FDA0002472713210000024
步骤(2)当故障点f在k点右侧发生时，故障处的电流和电压存在如下关系：
Figure FDA0002472713210000025
Figure FDA0002472713210000026
综合k点m、n两侧发生故障时故障点电压电流关系，可构造测距函数如下：
Figure FDA0002472713210000027
上述步骤(1)、步骤(2)的公式中，
Figure FDA0002472713210000028
分别为m侧电压、电流；
Figure FDA0002472713210000029
为故障点电压、电流；
Figure FDA00024727132100000210
为m侧流向故障点f的电流；γ1和Zc1分别为线路传播常数、波阻抗；
Figure FDA00024727132100000211
分别为k点m侧的实际电压、电流；
Figure FDA00024727132100000212
分别为m、n两侧电量推算出的k点电压；
Figure FDA00024727132100000213
为k点流向故障点的负序电流；lk和lmf分别为k点和故障点到m侧的距离；lfk为k点与故障点之间的距离；lf定义为故障点f到n侧的距离；
Figure FDA00024727132100000214
定义为故障点f的实际电流；其中，
Figure FDA00024727132100000215
和
Figure FDA00024727132100000216
分别为m、n两侧电量推算出的k点电流；
Figure FDA00024727132100000217
为k点n侧的实际电流；
步骤(3)设故障点f在距离m侧100km处发生，从该处的接地短路故障定位函数相位特性可看出，故障定位函数相位突变发生于故障距离100km处，利用这一特性，先将线路N等分，根据已知电气量构造各等分点的故障定位函数f(lmx)，并求出故障定位函数的相位，找出相位突变点所在区域，进而以较小步长求出突变点位置即故障距离，实现故障定位；
步骤二：各桥臂子模块闭锁，触发桥臂子模块中的反并联晶闸管，清除直流故障电流；故障电流是否衰减完毕的判据为：
|IdP|and|IdN|<Iset2
式中：Iset2为电流衰减整定值；
若直流侧测量电流满足判据，则认为直流故障电流清除完毕，根据步骤一中方向元件的直流开关判定结果，跳开被选中的预跳闸开关，从物理上切除故障线路；
步骤三：故障线路被切除后，重新投入换流站，此后剩余网络所有线路将重新带电运行；所有被跳开的直流开关根据故障定位元件的定位结果重合，即非故障线路上的开关重合，故障线路上的开关不重合，直流系统剩余网络完全恢复正常运行。
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