CN108551161B - 利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：在直流输电系统的故障极直流线路故障清除/隔离后与换流器重启/重合前的间隔内，利用健全极换流器附加控制策略向直流线路注入特征信号，特征信号在直流线路故障存在和消失时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，进而控制故障极输电系统不重启/重合断路器，实现直流线路故障保护。本发明在架空线输电场合的直流系统实现了自适应重启/重合，缩短了停电时间，确保直流系统安全可靠运行，直接效益和间接效益十分显著。
Description
技术领域
本发明属于直流线路故障保护领域，特别涉及一种利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法。
背景技术
输电线路作为覆盖面积最大且工作条件最恶劣的元件，其故障发生率是电力系统所有设备中最高的。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。因此，重合/重启技术的应用对于提高以架空线为主的电力系统的稳定性和供电连续性至关重要。
传统的交流自动重合闸盲目重合于永久性故障时，会使电力系统短时间内连续遭受两次故障冲击，尤其是三相重合于相间永久性故障，造成重合后电力系统摇摆幅度增大，降低断路器等电气设备绝缘、减少其使用寿命。为避免重合于永久性故障，国内外学者提出了具有识别永久性和瞬时性故障能力的自适应重合理论。与交流系统相比，全控性电力电子器件过流能力弱，柔性直流输电系统承受故障冲击能力较差，直流系统的重合/重启应避免二次冲击等危害。如何实现故障性质和重合时间的自适应判别是柔性直流输电系统重合/重启技术的关键所在。
交流线路自适应重合闸利用相间耦合关系判别线路故障性质，如单相重合闸利用的跳开相与健全相的耦合关系，三相重合闸利用的是并联电抗器电流衰减较慢，电流特征在健全相和故障相表现出差异性，进而实现故障性质判别；而直流线路故障清除/隔离后，直流系统电气量保持恒定，健全极与故障极无耦合关系，直流线路的故障性质判别必须采用施加扰动的方法来实现，因此构建具有故障性质判别能力的自适应重合/重启方案的关键在于如何获取故障信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，以解决上述技术问题。本发明在直流输电线路发生单极故障，故障被清除或隔离后，通过健全极MMC附加控制策略向健全极直流线路注入特征信号，由于输电线路间的电气量存在耦合，故障极线路将感应出相应的特征信号，利用故障极特征信号在线路故障存在与消失时的传播特性差异进行故障性质判别，本发明对直流架空输电线路的供电可靠性和安全稳定运行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，包括：
利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：在直流输电系统的故障极直流线路故障清除/隔离后与换流器重启/重合前的间隔内，利用健全极换流器附加控制策略向直流线路注入特征信号，特征信号在直流线路故障存在和消失时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，进而控制故障极输电系统不重启/重合断路器，实现直流线路故障保护。
进一步的，直流输电系统为真双极接线。
进一步的，故障极直流线路的任意一极输电线路发生单极接地故障时，故障极中任意一个换流站切换故障清除策略，健全极对应换流站采用注入特征信号控制策略。
进一步的，特征信号的幅值采取ΔN＝X；X为直流输电系统的桥臂子模块个数的10％～30％。
进一步的，特征信号脉宽选取为50ms，占空比为10％。
进一步的，故障极换流器故障清除策略启动后1-200ms后，将健全极换流器切换为附加控制策略，向直流健全线路注入特征信号，故障极感应的特征信号频率与在健全极线路主动注入特征信号的频率一致，幅值正比于在健全极线路主动注入的特征信号的幅值。
进一步的，故障极保护测点由行波折返射判断故障存在与否：在tf时刻特征信号注入后，判断反射波第一次到达保护测量点的时间即可计算出故障距离，判据如下：
故障极注入信号传播至故障点/线路边界处将发生反射，反射波的叠加使得特征信号波形下降，按式(1)判断注入信号反行波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，kset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，k1set、k2set、和k3set为电压行波比值整定值，要求三个值依次增大，本发明分别取1.02、1.15、1.25；
Δt＝tb-tf为注入信号折反射间隔时间，由tf、tb计算出故障距离lm和线路全长L满足式(2)，v为行波速度，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失，ΔL为一个采样间隔对应的距离；
在特征信号的一个周期内，若故障极换流器判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则健全极换流器继续注入特征信号；若故障极换流器判断故障存在且判断次数大于nset，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若故障极换流器判断故障不存在，由健全极换流器再注入若干个特征信号辅助判断，若后续若干次均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则继续注入特征信号。
进一步的，若干次为两次或两次以上。
本发明一种利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，包括：
选取特征信号，特征信号的频率选取应考虑线路长度、检测装置、换流器子模块投切控制周期、耦合分量在输电线路反复传播至衰减耗尽时间等多种限制，特征信号的幅值选取应兼顾检测装置、功率传输波动、电力电子器件耐受能力的要求，常见的特征信号有正弦信号、矩形波、三角波等；
故障极直流线路故障清除/隔离200ms后，健全极换流器的附加控制策略启动，向直流健全线路注入特征信号，故障极直流线路感应出相应特征信号；
特征信号在直流线路故障存在和消失时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，故障极输电系统不重启/重合断路器，当判断为故障消失，输电系统重启/重合断路器。
本发明在故障极直流线路故障清除/隔离后与换流器重启/重合前的间隔内，利用健全极换流器附加控制策略向直流线路注入特征信号，由于直流线路间电气量存在耦合，故障线路将耦合出相应的特征信号，该特征信号在直流线路故障存在和消失时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。
特征信号的频率选取应考虑线路长度、检测装置、换流器子模块投切控制周期、耦合分量在输电线路反复传播至衰减耗尽的时间等多种限制，特征信号的幅值选取应兼顾检测装置、功率传输波动、电力电子器件的耐受能力要求，故障极感应的特征信号频率与在健全极线路主动注入的特征信号频率一致，幅值正比于在健全极线路主动注入的特征信号的幅值。
故障清除/隔离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，在直流线路故障被清除/隔离后，健全极换流器的附加控制策略启动。
直流线路为永久性故障时的电路拓扑与瞬时性故障时的电路拓扑不同，故特征信号在直流线路故障存在和消失时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，故障极输电系统不重启/重合断路器，当判断为故障消失，输电系统重启/重合断路器。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所提出的利用换流器主动注入和行波耦合原理的直流线路保护方法在架空线输电场合的直流系统实现了自适应重启/重合，缩短了停电时间，确保直流系统安全可靠运行，直接效益和间接效益十分显著。
所提出的直流线路故障识别方法具有快速性和可靠性，且无高采样率要求。
本发明在架空线输电场合实现故障性质和重合时间的自适应判别，实现了快速熄弧故障的快速重启与永久性故障不予重启的功能，同时当判别为永久性故障时能准确测量故障距离，有助于减少对换流设备的冲击，提高重启成功率，保证直流输电系统稳定性和供电连续性，具有巨大的社会经济效益。
附图说明
图1为真双极接线的柔性直流输电系统模型简图；
图2为健全极MMC附加控制策略；
图3(a)和图3(b)为注入的不同特征信号；
图4为注入特征信号在健全线路和故障线路传播特性；其中图4(a)为注入特征信号在健全线路的传播特性，图4(b)为注入特征信号在故障线路传播特性；
图5为距离保护100km处经不同过渡电阻故障时特征信号传播示意图；
图6距离保护250km处经不同过渡电阻故障时特征信号传播示意图。
具体实施方式
下面结合附图对换流器主动注入和行波耦合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利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法。本发明在直流输电线路发生单极故障，故障被清除或隔离后，通过健全极MMC附加控制策略向健全极直流线路注入特征信号，由于输电线路间的电气量存在耦合，故障极线路将感应出相应的特征信号，利用故障极特征信号在线路故障存在与消失时的传播特性差异进行故障性质判别，该发明对直流架空输电线路的供电可靠性和安全稳定运行的提升具有重要意义。
本发明一种利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：
在PSCAD软件中建立如图1所示的基于FB-MMC(Full bridge-ModularMultilevelConverter)的真双极接线的柔性直流输电系统，任意一极输电线路发生单极接地故障(例如负极)，故障极中任意一个换流站(MMC1)切换故障清除策略，健全极对应换流站(MMC2)采用注入特征信号控制策略(如图2所示仅为其中一个示例)，线路总长度500km，采样频率为50kHz，保护测点在MMC1直流出口处。
步骤一，考虑到本发明FB-MMC所采用桥臂子模块个数为Nsm＝250，本发明特征信号的幅值采取ΔN＝50(一般选取桥臂子模块个数的10％～30％)，即在正常调制波的基础上，注入特征信号低电平时每相上下桥臂投入子模块总数目减少50个(即对外等效投入200个)，注入特征信号高电平恢复投入子模块总数目250个，依次交替进行。考虑到前后两次发射脉冲时间间隔必须大于感应分量在输电线上重复传播至衰减耗尽时间，本发明特征信号脉宽选取为50ms(20Hz)，占空比为10％，即在一个周期内，高电平持续45ms，低电平持续5ms。由于参与投切的子模块比例较小，电力电子器件不会承受大电流冲击；
步骤二，考虑到瞬时故障时间一般为1-200ms，本发明在故障极换流器MMC1故障清除策略启动后200ms后，将健全极换流器MMC2切换为附加控制策略，向直流健全线路注入特征信号，故障极感应的特征信号频率与在健全极线路主动注入特征信号的频率一致，幅值正比于在健全极线路主动注入的特征信号的幅值；
步骤三，故障极MMC1保护测点由行波折返射判断故障存在与否：在tf时刻特征信号注入后，判断反射波第一次到达保护测量点的时间即可计算出故障距离，判据如下：
故障极注入信号传播至故障点/线路边界处将发生反射，反射波的叠加使得特征信号波形下降，按式(1)判断注入信号反行波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，kset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，k1set、k2set和k3set为电压行波比值整定值，要求三个值依次增大，本发明分别取1.02、1.15、1.25；
Δt＝tb-tf为注入信号折反射间隔时间，由tf、tb计算出故障距离lm和线路全长L满足式(2)，v为行波速度，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失，ΔL为一个采样间隔对应的距离。
在特征信号的一个周期内，若故障极换流器MMC1判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则健全极换流器MMC2继续注入特征信号；若MMC1判断故障存在且判断次数大于nset，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若MMC1判断故障不存在，由MMC2再注入两个特征信号辅助判断，若后续两次均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则继续注入特征信号。
仿真验证：
仍以图1所示真双极接线的直流输电系统验证本发明提出换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法的性能。首先，当线路无限长时，验证健全极换流器MMC2通过附加控制策略向直流线路注入特征信号的可行性。当Narm为频率f＝100Hz(ΔN＝50，20％的FBSM投入比例)，占空比D＝50％的方波时，粗略估算健全极电压特征方波信号的低电平幅值为320kV/0.80p.u(直流额定电压为400kV)，注入方波信号Narm，实际健全线路和故障线路电压信号对应于图3(a)；当Narm为f＝80Hz(ΔN＝30，12％的FBSM投入比例)，D＝70％的矩形波时，粗略估算健全极电压特征矩形波信号的幅值为352kV/0.88p.u，注入矩形波信号Narm，实际健全线路和故障线路电压信号对应于图3(b)所示。由图3验证了附加控制策略向线路注入特征信号的可行性；
其次，故障极注入特征信号在线路故障存在(以250km处，过渡电阻0.01Ω为例)与消失时示意图如图4所示，由图4可知特征信号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，特征信号在故障线路的传播特性示意图如图5和图6所示，图5为在距离故障极换流站(MMC1)100km处经不同过渡电阻故障时特征信号的传播示意图；图6为在故障极换流站250km处经不同过渡电阻故障时特征信号的传播示意图，在不同过渡电阻下，反行波特征明显；
最后，在仿真验证中，分别在距离换流站(MMC1)100km，170km和250km，330km和470km时发生永久性单极接地故障，且每种故障距离下分别仿真阻值为0.01Ω，50Ω，100Ω的过渡电阻对判别方法的影响，仿真结果如表1所示，注入特征信号方法具有耐过渡电阻的优点。本发明提出的利用换流器主动注入和行波耦合原理的直流线路故障性质判别方法能够可靠判别故障性质，为瞬时性故障的快速重启提供可靠支撑。
综上所述，本发明提出的利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法有效。
表1永久性故障判别结果
Claims (7)
1.利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：在直流输电系统的故障极直流线路故障清除/隔离后与换流器重启/重合前的间隔内，利用健全极换流器附加控制策略向直流线路注入特征信号，特征信号在直流线路故障存在和消失时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，进而控制故障极输电系统不重启/重合断路器，实现直流线路故障保护；
故障极直流线路的任意一极输电线路发生单极接地故障时，故障极中任意一个换流站切换故障清除策略，健全极对应换流站采用注入特征信号控制策略；
故障极保护测点由行波折反 射判断故障存在与否：在tf时刻特征信号注入后，判断反射波第一次到达保护测量点的时间即可计算出故障距离，判据如下：
故障极注入信号传播至故障点/线路边界处将发生反射，反射波的叠加使得特征信号波形下降，按式(1)判断注入信号反行波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，kset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，k1set、k2set、和k3set为电压行波比值整定值；
Δt＝tb-tf为注入信号折反射间隔时间，由tf、tb计算出故障距离lm和线路全长L满足式(2)，v为行波速度，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失，ΔL为一个采样间隔对应的距离；
在特征信号的一个周期内，若故障极换流器判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则健全极换流器继续注入特征信号；若故障极换流器判断故障存在且判断次数大于nset，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若故障极换流器判断故障不存在，由健全极换流器再注入若干个特征信号辅助判断，若后续若干次均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则继续注入特征信号。
2.根据权利要求1所述的利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，其特征在于，直流输电系统为真双极接线。
3.根据权利要求1所述的利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，其特征在于，特征信号的幅值采取ΔN＝X；X为直流输电系统的桥臂子模块个数的10％～30％。
4.根据权利要求1所述的利用换流器主动注入和行波耦合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50ms，占空比为10％。
5.根据权利要求1所述的利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，其特征在于，故障极换流器故障清除策略启动后1-200ms后，将健全极换流器切换为附加控制策略，向直流健全线路注入特征信号，故障极感应的特征信号频率与在健全极线路主动注入特征信号的频率一致，幅值正比于在健全极线路主动注入的特征信号的幅值。
6.根据权利要求1所述的利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，其特征在于，若干次为两次或两次以上。
7.根据权利要求1所述的利用换流器主动注入和行波耦合的直流线路故障保护方法，其特征在于，k1set、k2set、和k3set分别取1.02、1.15、1.25。
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