CN108400575A - 基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。本发明能够快速区分永久性故障与瞬时性故障，当判别为永久性故障时能准确判断故障距离，实现快速熄弧故障的快速重启与永久性故障不予重启的功能；本发明在直流架空线实现了自适应重启，实现故障性质自适应判别和快速熄弧故障的快速重启，确保直流系统安全可靠运行，减少停电损失，直接效益和间接效益十分显著。

Description

基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法

技术领域

本发明属于直流线路故障保护领域，特别涉及一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法。

背景技术

电力系统大多数故障来自于架空线。运行经验表明，线路故障具有单相(极)、瞬时性的特点，线路故障切除后经固定时限重合成功的概率为60％～90％，电压等级越高重合成功率越高。自动重合闸在交流线路中广泛采用，提高了供电可靠性，具有巨大的社会经济效益。但若重合于永久性故障，会使电力系统短时间内连续遭受两次故障冲击，会降低电气设备绝缘、减少其使用寿命。

目前柔性直流输电重启时不区分瞬时性故障和永久性故障：在闭锁换流器清除故障电流并经历一段时间的去游离过程以后，重新解锁换流器，通过判断能否建立直流电压实现对故障性质的判断。若能够建立直流电压，表明故障已经消失，为瞬时性故障，可以恢复系统的正常运行；若直流电压无法建立，则为永久性故障，应立即重新闭锁换流站。这种重启方法能够可靠判断故障性质，但是重启于永久性故障时会对系统造成二次危害，不利于系统的安全、可靠运行。

因此构建自适应重启方案，对故障类型进行预判，提高重启成功率，减少对换流设备的冲击，对于保障直流输电系统安全稳定运行至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，旨在解决现有直流输电无选择性重启的问题。本发明首先在PSCAD软件下搭建了真双极全桥换流器模型，并实现了直流架空线故障时换流器通过控制策略达到故障清除的目的；通过在附加控制策略实现换流器向直流线路注入特征信号，利用特征信号在故障线路和健全线路的传播特性差异进行直流故障线路的故障性质判别，该发明对直流架空输电线路的供电可靠性和抗干扰能力的提升具有重要意义。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案：

基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：

步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；

步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；

步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。

进一步的，注入的特征信号的幅值采取N_arm＝±X，即每相上下桥臂正向投入的子模块总数目为X个，反向投入的子模块总数目为X个，依次交替进行；特征信号的特征频率以行波在线路全长中折反射时间的两倍为最低限值；每相上下桥臂正/反向投入的子模块总数目X为全桥模块化多电平换流器电平数的2％～10％。

进一步的，步骤三中，判据如下:

正向注入特征信号到达测点时，电压明显上升，按式(1)判断注入信号到达保护测点的时间：

其中，u(n)、u(n+1)、u(n+2)和u(n+3)为电压采样值，k_set是为了消除过零点影响的门槛值，k₁、k₂和k₃为前后电压采样的比值绝对值，k_11set、k_12set和k_13set为电压前行波比值整定值，要求三个值依次增大，本发明分别取1.5、2、2.5；

注入特征信号传播至故障点或者线路末端时发生反射，反射波到达测点时电压下降，按式(2)判断注入信号反射波到达时间：

其中，k_21set、k_22set和k_23set为电压反射波比值整定值，要求三个值依次减小，本发明分别取0.95、0.9、0.85；

当注入信号前行波到达时间t_f、反射波到达时间t_b和行波传播线路全长所需时间t_l满足式(3)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失：

t_b-t_f≤2t_l (3)

在一个特征周期内，若判断故障存在且判断次数小于设定值n_set，则继续注入特征信号；若判断故障存在且判断次数大于n_set，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若判断故障不存在，再注入两个特征信号辅助判断，若后续两次行波判据均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则返回继续判断故障是否消失。

进一步的，步骤二中一定时间为1-200ms。

进一步的，步骤二中一定时间为200ms。

进一步的，步骤一中所建立全桥模块化多电平换流器为250电平；步骤二中注入的特征信号的幅值采取N_arm＝±10。

进一步的，特征信号脉宽选取为10ms，占空比为50％。

本发明一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括：

步骤一，充分研究换流器的故障控制策略和换流器在故障控制阶段向线路注入特征信号的可行性；

步骤二，通过故障控制策略使得故障线路的直流电压和直流电流降低至0.1p.u以下，该稳定时间取决于控制器策略和瞬时性故障的熄弧时间，一般不超过200ms，在直流线路电压和电流稳定后换流器附加控制策略启动，附加控制策略向故障线路注入特征信号；

步骤三，选取特征信号的原则：为了供电可靠性，换流站应尽快重启以恢复供电，此时特征信号频率应尽可能高，这样才能在较短的周期内判断出瞬时性故障并快速重启，考虑到采样频率、线路长度和换流器子模块投切控制周期，特征信号频率应尽可能低以确保判断的可靠性；为了可靠识别出行波折返射过程，注入特征信号幅值应尽可能大，考虑到电力电子器件的耐受能力和系统冲击的要求，注入特征信号幅值应尽可能小；

步骤四，特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异进行直流故障线路的故障性质判别。

本发明一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，在直流线路故障清除后与换流器重启前的间隔内，利用换流器附加控制策略向直流故障线路注入特征信号，特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异实现直流故障线路的故障性质判别。

换流器为基于全桥子模块的模块化多电平换流器。

特征信号的频率选取应考虑检测装置、线路长度和换流器子模块投切控制周期等多种限制，特征信号的幅值选取应兼顾电力电子器件的耐受能力和系统冲击的要求。

故障清除时间取决于控制器策略和瞬时性故障的熄弧时间，一般不超过200ms，在直流线路故障清除后换流器附加控制策略启动，附加控制策略通过控制全桥子模块电容的投切实现特征信号注入。

直流线路为永久性故障时的电路拓扑与直流线路为瞬时性故障时的电路拓扑不同，故特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异实现直流故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，换流器不重启，当判断为故障消失，换流器重启。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，能够快速区分永久性故障与瞬时性故障，当判别为永久性故障时能准确判断故障距离，实现快速熄弧故障的快速重启与永久性故障不予重启的功能；本发明在直流架空线实现了自适应重启，实现故障性质自适应判别和快速熄弧故障的快速重启，确保直流系统安全可靠运行，减少停电损失，直接效益和间接效益十分显著。

所提出的重启方案具有快速性和可靠性，且无高采样率要求。

附图说明

图1为真双极全桥换流器输电系统模型简图；

图2为故障清除策略与特征信号注入策略；

图3为N_arm＝5时线路注入的不同频率方波信号；

图4为N_arm＝15时线路注入的不同频率方波信号；

图5为注入方波在故障线路和健全线路传播特性示意图；

图6为距离保护100km处不同过渡电阻故障注入方波传播示意图；

图7为距离保护250km处不同过渡电阻故障注入方波传播示意图。

具体实施方式

下面结合附图对换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法进一步说明：

本发明的目的在于提供一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，旨在解决现有直流输电无选择性重启的问题。本发明首先在PSCAD软件下搭建了真双极全桥换流器模型，并实现了直流架空线故障时换流器通过控制策略达到故障清除的目的；通过在附加控制策略实现换流器向直流线路注入特征信号，利用特征信号在故障线路和健全线路的传播特性差异进行直流故障线路的故障性质判别，该发明对直流架空输电线路的供电可靠性和抗干扰能力的提升具有重要意义。

一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：

步骤一，建立如图1所示的全桥模块化多电平换流器；

步骤二，在直流线路故障后，考虑到瞬时故障时间一般为1-200ms，本发明在故障清除策略启动后200ms后启动特征信号注入策略注入特征信号，此前线路直流电流和直流电压已被故障清除策略限制到几乎为零；(图2所示故障清除策略与特征信号注入策略仅为一个示例)。特征信号注入策略只要能够在线路中产生可识别的特征信号即可。

为了可靠识别出行波折返射过程，注入特征的信号幅值应尽可能大；为了满足电力电子器件的耐受能力和系统冲击的要求，注入特征的信号幅值应尽可能小，综合上述因素，考虑到本发明所采用全全桥模块化多电平换流器为250电平，本发明注入的特征信号的幅值采取N_arm＝±10(一般选取全桥模块化多电平换流器电平数的2％～10％)，即每相上下桥臂正向投入的子模块总数目为10个，反向投入的子模块总数目为10个，依次交替进行。为了供电可靠性，换流站应尽快重启以恢复供电，此时特征频率应尽可能高，这样才能在较短的周期内判断出瞬时性故障并快速重启；考虑到采样频率、线路长度和换流器开关投切速度，特征频率应尽可能低以确保判断的可靠性(特征频率以行波在线路全长中折反射时间的两倍为最低限值)；综合上述因素，本发明实施例中线路长度为500km，线路折反射时间为1.67ms，本发明特征信号脉宽选取为10ms，占空比为50％。由于参与投切的子模块数目比例较小，直流电流被限制在0.1p.u以下，电力电子器件不会承受大电流冲击。

步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。判据如下:

正向注入特征信号到达测点时，电压明显上升，按式(1)判断注入信号到达保护测点的时间：

其中，u(n)、u(n+1)、u(n+2)和u(n+3)为电压采样值，k_set是为了消除过零点影响的门槛值，k₁、k₂和k₃为前后电压采样的比值绝对值，k_11set、k_12set和k_13set为电压前行波比值整定值，要求三个值依次增大，本发明分别取1.5、2、2.5。

注入特征信号传播至故障点或者线路末端时发生反射，反射波到达测点时电压下降，按式(2)判断注入信号反射波到达时间：

其中，k_21set、k_22set和k_23set为电压反射波比值整定值，要求三个值依次减小，本发明分别取0.95、0.9、0.85。

当注入信号前行波到达时间t_f、反射波到达时间t_b和行波传播线路全长所需时间t_l满足式(3)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失：

t_b-t_f≤2t_l (1)

在一个特征周期内，若判断故障存在且判断次数小于设定值n_set，则继续注入特征信号；若判断故障存在且判断次数大于n_set，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若判断故障不存在，再注入两个特征信号辅助判断，若后续两次行波判据均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则返回继续判断故障是否消失。

仿真验证：

仍以图1所示真双极直流输电系统进行电磁暂态仿真计算以验证本发明提出的基于换流器注入特征信号的直流线路故障性质判别方法的性能。首先，当线路较长时，验证控制器通过附加控制策略向直流线路注入特征信号的可行性，图3为N_arm＝5时线路注入的不同频率方波信号，图4为N_arm＝15时线路注入的不同频率方波信号，由图3-4验证附加控制策略向线路注入方波信号的可行性；其次，当线路故障(以250km处，过渡电阻0.01Ω为例)和线路健全时，注入方波在故障线路和健全线路传播特性示意图如图5所示，由图5可知注入方波在故障线路和健全线路传播特性有明显差异，当线路故障发生在不同位置和经不同过渡电阻接地时，注入方波在故障线路不同传播特性示意图如图6和图7所示，图6为在距离保护100km处不同过渡电阻故障注入方波传播示意图；图7为在距离保护250km处不同过渡电阻故障注入方波传播示意图；最后，在仿真验证中，分别在距离换流站30km，100km，170km，250km，330km，400km，470km时发生永久性单极接地故障(负极)，且每种故障距离下仿真0.01Ω，10Ω，50Ω，100Ω过渡电阻对判别方法的影响，250km处直流输电线路发生单极瞬时性故障。仿真结果如表1所示，过渡电阻对本发明的故障判别并无影响，本发明提出的换流器注入特征信号的直流线路故障性质判别方法能够可靠判别故障性质与故障距离，实现瞬时性故障的快速重启。

综上所述，提出的基于换流器注入特征信号的直流线路故障性质判别方法有效。

表1基于换流器注入特征信号的直流线路故障性质判别结果

Claims (8)

1.基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；

步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；

步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。

2.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，注入的特征信号的幅值采取N_arm＝±X，即每相上下桥臂正向投入的子模块总数目为X个，反向投入的子模块总数目为X个，依次交替进行；特征信号的特征频率以行波在线路全长中折反射时间的两倍为最低限值；每相上下桥臂正/反向投入的子模块总数目X为全桥模块化多电平换流器电平数的2％～10％。

3.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，步骤三中，判据如下:

正向注入特征信号到达测点时，电压明显上升，按式(1)判断注入信号到达保护测点的时间：

其中，u(n)、u(n+1)、u(n+2)和u(n+3)为电压采样值，k_set是为了消除过零点影响的门槛值，k₁、k₂和k₃为前后电压采样的比值绝对值，k_11set、k_12set和k_13set为电压前行波比值整定值；

注入特征信号传播至故障点或者线路末端时发生反射，反射波到达测点时电压下降，按式(2)判断注入信号反射波到达时间：

其中，k_21set、k_22set和k_23set为电压反射波比值整定值；

当注入信号前行波到达时间t_f、反射波到达时间t_b和行波传播线路全长所需时间t_l满足式(3)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失：

t_b-t_f≤2t_l (3)

在一个特征周期内，若判断故障存在且判断次数小于设定值n_set，则继续注入特征信号；若判断故障存在且判断次数大于n_set，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若判断故障不存在，再注入两个特征信号辅助判断，若后续两次行波判据均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则返回继续判断故障是否消失。

4.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，步骤二中一定时间为1-200ms。

5.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，步骤二中一定时间为200ms。

6.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，步骤一中所建立全桥模块化多电平换流器为250电平；步骤二中注入的特征信号的幅值采取N_arm＝±10。

7.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，特征信号脉宽选取为10ms，占空比为50％。

8.根据权利要求3所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于k_11set、k_12set和k_13set分别取1.5、2、2.5；k_21set、k_22set和k_23set分别取0.95、0.9、0.85。