CN107863762A - 一种直流电网接地故障超高速单端量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种直流电网接地故障超高速单端量保护方法，包括：系统交流侧接地点处的电流，当不满足故障发生及类型判据时，认为无接地故障发生；当满足故障发生及类型判据时，认定可能有接地故障发生，并向上级保护装置发出故障发生信号，并向上级保护装置发出故障类型判据。各站保护装置实时测量限流电抗器两端电压，当该电压大于电压阈值时，认为该保护范围内发生接地故障，并向上级保护装置发出故障定位信号。本发明能够保证在系统不同位置发生接地故障时保护的正确性，相较于其他保护方法，该方法动作速度更快，且只需要利用单端量信息，不依赖站间通信装置，提高了保护可靠性。

Description

一种直流电网接地故障超高速单端量保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种伪双极接线结构MMC直流电网单极接地故障保护方法。

背景技术

近年来，我国风力发电、光伏发电等可再生能源装机容量不断扩大，使得发电中心远离负荷中心。高压直流输电方式因为适用于远距离大容量的输电，获得了较大的关注和发展。目前，具有有功和无功功率独立控制属性的MMC换流器广泛应用在柔性直流输电实际工程中，具有输出电压等级高、开关损耗低和输出电压波形好等优点。

研究直流电网并对其进行故障分析和保护，具重要价值和研究前景。目前学术界对MMC直流电网保护的研究集中在双极短路故障及换流阀故障穿越能力方面，而对于故障率更高单极接地故障，目前还缺乏深入全面的研究，随着架空线和直流断路器的广泛应用，线路单极接地故障率也会显著提高。MMC直流电网接地方式多为小电流接地系统，即采用换流器交流侧三相经星型电抗器再经高阻接地，当直流线路发生单极接地故障时，故障电流较小，但是可能会导致系统对地电压升高，这将威胁线路和设备安全。传统的柔性直流输电网中，线路主保护原理通常采用纵联差动保护，这种保护原理的动作速度慢，且通信装置故障可能导致保护误动或拒动。高压大容量柔性直流电网对保护速动性和可靠性要求更高，基于通信的保护原理已不再适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单端量的直流电网接地故障超高速保护方法，配合高压大容量直流断路器，保护能够快速地切除故障线路，从而保证系统其他部分继续正常运行。技术方案如下：

一种直流电网接地故障超高速单端量保护方法，包括如下步骤：

(1)设换流站接地极电流为i_g，当保护检测到接地极电流突然增大时，判断系统发生单极接地故障，设置故障发生及类型判据为：

式中，表示i_g的连续N个采样值的平均值，k_s为保护启动时刻的采样点，Δ₂表示电流阈值，当i_g超过阈值时，保护确定系统中发生单极接地故障；故障定位判据及计算式为：

式中，▽V_L表示V_L在连续N个采样值内的最小值，Δ₃表示保护设置的电压阈值，按照躲过保护区外故障时V_L的最大值整定，利用限流电抗器两端的电压V_L来代表线路电流变化率；

(2)系统交流侧接地点处的电流，当不满足(1)中给出的故障发生及类型判据时，认为无接地故障发生；当满足故障发生及类型判据时，认定可能有接地故障发生，并向上级保护装置发出故障发生信号，并向上级保护装置发出故障类型判据。

(3)各站保护装置实时测量限流电抗器两端电压，当该电压大于电压阈值时，认为该保护范围内发生接地故障，并向上级保护装置发出故障定位信号。

(4)上层的决策机构对下层传来的保护信号进行分析，结合故障发生、类型和定位判据，命令相应极线上的直流断路器跳闸，对于未发生故障的极线，保持线路正常运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、相较传统的直流线路保护方法，本方法只需要换流站单端的电气量信息即可进行故障检测，不需要通信过程，提高了保护动作速度和可靠性。

2、保护装置利用了限流电抗器两端电压来代表电流的二次导数，在不增加计算量的前提下，放大了电气量的故障特征，使故障能够更快被检测。

附图说明

图1为四端环状MMC柔性直流输电网示意图；

图2为MMC直流输电网交流侧三相经星型电抗器再经高阻接地方式结构图；

图3为单端MMC正极接地故障电流流通路径图；

图4为单端MMC正极接地故障交流侧接地极故障电流波形图；

图5为单端MMC正极接地故障直流侧故障电流波形图；

图6为输电线路对地电容故障放电等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

单极接地故障后一个明显特征就是换流站接地极电流i_g增大。在正常运行和双极短路故障时i_g都接近为0，在发生单极接地故障时，会增大十几倍乃至几十倍(考虑接地极电阻为1000Ω情况)。当保护检测到接地极电流突然增大时，可以判断系统中发生了单极接地故障。可以设置故障发生及类型判据为：

式中，表示i_g的连续N个采样值的平均值，k_s为保护启动时刻的采样点，Δ₂表示电流阈值。当i_g超过阈值时，保护确定系统中发生单极接地故障。与双极短路故障不同，单极接地故障产生的故障电流较小。为了保证保护的灵敏性，只能选择故障电流的变化率，而不是电流幅值作为保护检测量。可以减少保护装置的计算量。故障定位判据及计算式为：

式中，▽V_L表示V_L在连续N个采样值内的最小值，Δ₃表示保护设置的电压阈值，按照躲过保护区外故障时V_L的最大值整定。利用限流电抗器两端的电压V_L来代表线路电流变化率。

图1所示为一个典型的四端环状MMC柔性直流输电系统，其中任意一条线路的正负两极都有可能发生接地故障。图2所示为高压大容量柔性直流输电系统通常采用的接地方式。本发明的保护判据利用了接地故障后单端换流站内检测到的直流电流二次导数和交流接地极电流。

首先介绍故障类型的判断方法，直流线路上易发生的故障除单极接地故障外，还有双极短路故障，对这两种故障要加以区分。以直流侧发生正极接地故障为例，由于交流侧也存在接地点，因此会构成故障放电回路，使上桥臂的子模块电容放电，该部分故障电流记为i_fsm，如图3中红线所示。在正常运行时，流过接地极的电流很小；在故障后，由于i_fsm的叠加，接地极电流显著升高，如图4所示。而在双极短路故障时，由于正负极线路直接相连，上下桥臂的子模块电容可经由故障短路点直接放电，而不需要经过交流侧接地极，因此接地极电流和正常运行时相差不多。同理，当发生负极接地故障时也存在类似的特征。据此可以根据交流侧接地极电流变化情况判断是否发生了单极接地故障。保护判据为：

在MMC柔性直流输电系统中，需要换流站装设的保护装置能够准确快速地判断故障是否发生在该站所连接的输电线路上。在正常运行时，流过各保护安装处的电流均为直流量，换流站出口限流电抗器两端电压几乎为0。对于如图1所示的四端环状系统，考虑当T-Line1中点发生接地故障时，T-Line1两端的保护装置B12和B21均应动作，而作为上一级线路保护的B41和B32均应不动作，保护原理应能保证此选择性。当T-Line1中点故障时，流过换流站S1出口处安装的保护B12处的电流i_B12波形如图5中绿线所示。其中一部分电流为前述的i_fsm，如图中蓝线所示，另一部分为输电线路对地电容放电电流，表现出高频振荡分量的特性，记为i_fgc。当一级线路发生接地故障时，两极线路的电位都将发生突变，并形成故障放电回路，其等效电路如图6所示。由于回路中阻尼较小，且电压突变量高达数百千伏，所以i_fgc在几毫秒内即可到达峰值。受到流经电流突变的影响，限流电抗器两端电压也出现突变，且变化速度更快。

当系统中一点发生故障时，所有线路对地电容均会放电，故障电流汇合经由故障点流入大地，并且，子模块放电电流的流向分布几乎不受各站正常负荷电流的影响，而只与系统线路结构参数有关。由图1可知，i_B12中的i_fsm分量来自于T-Line负极线路，T-Line4两极线路全部和T-Line3两极线路的一部分。而在流过B41(换流站S4出口处安装的保护)处的电流i_B41中，i_fsm分量只包括T-Line4负极线路和T-Line3两极线路的一部分。再考虑到S1站提供的i_fsm的影响，i_B41只有不到i_B12的一半。因此，当系统中一点发生接地故障时，与之直接相连的换流站出口处保护装置检测到的故障电流幅值和变化率都更大，而上一级线路的保护装置检测到的故障电流较小。同理两处的限流电抗器两端的电压也存在较大差异，二者之间的差值足够保护判据设置合理的阈值。保护判据为：

在实际系统中，阈值Δ₃的选择往往需要根据理论和仿真结果进行设定，首先得到限流电抗器处于故障线路时两端电压的最小值和处于正常线路时两端电压的最大值，可在此区间内选择合适的值作为Δ₃。

Claims (1)

1.一种直流电网接地故障超高速单端量保护方法，包括如下步骤：

(1)设换流站接地极电流为i_g，当保护检测到接地极电流突然增大时，判断系统发生单极接地故障，设置故障发生及类型判据为：

式中，表示i_g的连续N个采样值的平均值，k_s为保护启动时刻的采样点，Δ₂表示电流阈值，当i_g超过阈值时，保护确定系统中发生单极接地故障；故障定位判据及计算式为：

<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>&amp;dtri;</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>&amp;dtri;</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>{</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>L</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>}</mo> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>N</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，▽V_L表示V_L在连续N个采样值内的最小值，Δ₃表示保护设置的电压阈值，按照躲过保护区外故障时V_L的最大值整定，利用限流电抗器两端的电压V_L来代表线路电流变化率；

(2)系统交流侧接地点处的电流，当不满足(1)中给出的故障发生及类型判据时，认为无接地故障发生；当满足故障发生及类型判据时，认定可能有接地故障发生，并向上级保护装置发出故障发生信号，并向上级保护装置发出故障类型判据。

(3)各站保护装置实时测量限流电抗器两端电压，当该电压大于电压阈值时，认为该保护范围内发生接地故障，并向上级保护装置发出故障定位信号。

(4)上层的决策机构对下层传来的保护信号进行分析，结合故障发生、类型和定位判据，命令相应极线上的直流断路器跳闸，对于未发生故障的极线，保持线路正常运行。