CN108988303B - 利用断路器注入脉冲信号的mmc-hvdc直流线路自适应重合闸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用断路器注入脉冲信号的MMC‑HVDC直流线路自适应重合闸方法，包括：MMC‑HVDC线路故障后，故障线路两端混合断路器跳开，在故障极直流线路故障隔离后与重合闸的间隔内，控制混合断路器转移支路子模块的通断向故障线路注入特征信号，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，进而控制故障极输电线路是否重合断路器，实现直流线路故障保护。本发明方法在架空线输电场合的直流系统实现了自适应重合闸，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，特别涉及一种利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法。
背景技术
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。自动重合闸在交流线路中广泛采用，单相自动重合闸进行单跳单合，不仅符合线路故障的实际特性也符合我国国情的需要，具有巨大的社会经济效益。传统的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，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，国内外学者提出了基于永久性故障判别的自适应重合理论，与交流系统相比，全控性电力电子器件过流能力弱，MMC-HVDC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MMC-HVDC系统重合/重启技术的关键所在。
为减少换流站承受短路电流的冲击，工程上采用加装直流断路器以快速隔离故障。混合式直流断路器综合纯机械式、全固态式两种断路器的优点，是目前直流断路器的主要研究方向。采用子模块级联结构的混合式断路器避免了大数量级IGBT串联的同步驱动问题与均压问题，工程实现更为容易。该型直流断路器包含由超高速机械开关和少量FBSM组成的主支路，由多级FBSM级联的转移支路，和由多个避雷器组串并联构成的耗能支路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，利用混合直流断路器转移支路控制特性向直流故障线路注入电压脉冲信号进行故障性质判别方法，有助于提高重合闸成功率，减少对换流设备的冲击，保障直流输电系统安全稳定运行。本发明在直流输电线路发生故障并由断路器隔离故障后，通过故障线路两端任意一端断路器向故障线路注入特征信号，该特征信号将在输电线路上传播，利用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。
为实现上述目标，本发明采用的技术方案，包括：
利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，包括：MMC-HVDC线路故障后，故障线路两端混合断路器跳开，在故障极直流线路故障隔离后与重合闸的间隔内，控制混合断路器转移支路子模块的通断向故障线路注入特征信号，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，进而控制故障极输电线路是否重合断路器，实现直流线路故障保护。
进一步的，MMC-HVDC线路的发生故障时，线路两端的混合断路器快速隔离故障，任意一端混合断路器向线路注入特征信号。
进一步的，直流断路器开断电流后，断路器子模块电容电压总和满足NcUcn>UdcN，即转移支路中子模块电容电压总和高于MMC出口直流电压，在0-50μs内解除断路器转移支路部分FBSM的闭锁状态，使得转移支路的子模块电压总和小于换流站出口电压，换流站MMC向故障线路注入电压脉冲信号即为特征信号；直流断路器转移支路共有Nc个FBSM，断路器子模块电容电压为Ucn，直流线路额定电压UdcN，且暂时解除闭锁状态的子模块数量大于或等于ΔNc，round()为取整函数；
进一步的，故障线路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tb，以计算出故障距离，判据如下：
故障极注入特征信号传播至故障点/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，从注入特征信号后按式(2)判断注入信号反行波到达保护测点的时间：
其中，udc为直流电压，udc(n)、udc(n+1)、udc(n+2)和udc(n+3)为直流电压采样值，kset是为了消除过零点影响的门槛值，取值为0.1kV，k1、k2和k3为前后电压采样的比值：k1＝udc(n+1)/udc(n)；k2＝udc(n+2)/udc(n+1)；k3＝udc(n+3)/udc(n+2)；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(3)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失，v为行波速度；
进一步的，在检测到特征信号的第一个反行波后，若判断故障存在且判断次数小于nset，则继续注入特征信号；若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；若判断故障不存在，增大特征信号的脉冲幅值，再注入两个脉冲信号辅助判断，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。
进一步的，k1set、k2set、和k3set分别取1.02、1.15、1.25。
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断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法在架空线输电场合的直流系统实现了自适应重合闸，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柔性直流输电系统模型简图；
图2利用断路器转移支路注入电压脉冲信号示意图；其中，图2(a)为断路器开断状态示意图；图2(b)为注入脉冲信号示意图；
图3距离保护装置100km处发生金属性故障时注入特征信号的传播特性；其中图3(a)中ΔNc＝5；图3(b)中ΔNc＝6；
图4距离保护100km处经不同过渡电阻(0.01Ω、50Ω、100Ω)故障时特征信号传播示意图；
图5距离保护250km处经不同过渡电阻(0.01Ω、50Ω、100Ω)故障时特征信号传播示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法进一步说明：
本发明一种利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，在直流输电线路发生故障并由断路器隔离故障后，通过故障线路两端任意一端断路器向故障线路注入特征信号，该特征信号将在输电线路上传播，利用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。
在PSCAD软件中建立如图1所示的MMC-HVDC(Modular multilevel converter-High voltage DC)的柔性直流输电系统(具体拓扑参见[朱晋，刘单华，尹靖元,韦统振.基于模块级联技术的混合型高压直流断路器研究[J].中国电机工程学报，2017，37(5)：1560-1567.])，线路总长度500km，采样频率为50kHz，保护测点在MMC1直流出口处，任意一极输电线路发生单极接地故障(例如负极)，故障线路两端混合断路器跳开，任意一端混合断路器向故障线路注入特征信号(例如左端)，注入特征信号的原理如图2所示直流断路器开断电流后，子模块电容电压总和满足NcUcn>UdcN，即转移支路中子模块电容电压总和高于换流器出口直流电压，交流系统无法向直流线路馈入电流，从而开断直流电流，如图2(a)所示。MMC本质是受控电压源，若在极短时间内解除断路器转移支路部分FBSM的闭锁状态，使得转移支路的子模块电压总和小于换流站出口电压，MMC将向故障线路注入电压脉冲信号，注入电压脉冲信号示意图如图2(b)所示，利用该电压脉冲信号在线路故障和健全两种状态时传递特性的差异判断故障是否消失。
本发明一种利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，包括：
考虑到本发明所采用简化混合断路器，其中主支路包含2个全桥子模块(FBSM)，超高速机械开关在“低电压低电流”的状态下开断电流的时间为2ms，转移支路包含两个单元，每个单元包含6个FBSM，耗能支路包含两个避雷器，每个避雷器的工作电压为300kV。暂时解除闭锁状态的子模块数量按ΔNc计算，由于参与投切的子模块比例最少，电力电子器件不会承受大电流冲击；
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，注入特征信号后按式(1)判断注入信号反行波到达保护测点的时间：
其中，udc(n)、udc(n+1)、udc(n+2)和udc(n+3)为直流电压采样值，kset是为了消除过零点影响的门槛值，本发明选取kset为0.01kV，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，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)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失，v为行波速度；
在检测到脉冲信号的第一个反行波后，若判断故障存在且判断次数小于nset，则继续注入脉冲信号；若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；若判断故障不存在，增大脉冲幅值，再注入两个的脉冲信号辅助判断，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，否则继续注入脉冲信号。
仿真验证：
仍以图1所示MMC-HVDC的直流输电系统验证本发明提出断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC线路自适应重合闸方法的性能。首先，在距离保护装置100km处发生金属性故障时(线路总长为500km)，验证混合直流断路器通过转移支路FBSM向直流线路注入脉冲信号的可行性，按式(1)得到ΔNc＝5，注入脉冲信号的附加控制策略启动，选择其中5个FBSM的控制信号由闭锁变为旁路状态，注入电压脉冲信号如图3(a)，旁路时间为20μs，注入脉冲后行波折反射过程明显，当选择其中6个FBSM旁路时，注入脉冲信号如图3(b)所示。即投入旁路FBSM数量变化时，故障线路实际注入的脉冲信号幅值均能跟随变化。
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4和图5所示，图4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5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)30km、100km，170km，250km，330km，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。本发明提出的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸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原理的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法能够可靠判别故障性质有效。
表1永久性故障判别结果
Claims (7)
1.利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，包括：MMC-HVDC线路故障后，故障线路两端混合断路器跳开，在故障极直流线路故障隔离后与重合闸的间隔内，控制混合断路器转移支路子模块的通断向故障线路注入特征信号，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，进而控制故障极输电线路是否重合断路器，实现直流线路故障保护；
故障线路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tb，以计算出故障距离，判据如下：
故障极注入特征信号传播至故障点/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，从注入特征信号后按式(2)判断注入信号反行波到达保护测点的时间：
其中，udc为直流电压，udc(n)、udc(n+1)、udc(n+2)和udc(n+3)为直流电压采样值，kset是为了消除过零点影响的门槛值，取值为0.1kV，k1、k2和k3为前后电压采样的比值：k1＝udc(n+1)/udc(n)；k2＝udc(n+2)/udc(n+1)；k3＝udc(n+3)/udc(n+2)；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(3)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失，v为行波速度；
2.根据权利要求1所述的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，所述的MMC为半桥子模块拓扑的MMC、混合子模块拓扑的MMC或者全桥子模块拓扑的MMC。
3.根据权利要求1所述的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，所述的直流断路器为含有全桥子模块的直流混合断路器。
4.根据权利要求1所述的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，MMC-HVDC线路的发生故障时，线路两端的混合断路器快速隔离故障，任意一端混合断路器向线路注入特征信号。
5.根据权利要求3所述的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，直流断路器开断电流后，断路器子模块电容电压总和满足NcUcn>UdcN，即转移支路中子模块电容电压总和高于MMC出口直流电压，在0-50μs内解除断路器转移支路部分全桥子模块的闭锁状态，使得转移支路的子模块电压总和小于换流站出口电压，换流站MMC向故障线路注入电压脉冲信号即为特征信号；直流断路器转移支路共有Nc个全桥子模块，断路器子模块电容电压为Ucn，直流线路额定电压UdcN，且暂时解除闭锁状态的子模块数量大于或等于ΔNc，round()为取整函数；
6.根据权利要求1所述的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，在检测到特征信号的第一个反行波后，若判断故障存在且判断次数小于nset，则继续注入特征信号；若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；若判断故障不存在，增大特征信号的脉冲幅值，再注入两个脉冲信号辅助判断，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。
7.根据权利要求1所述的利用断路器注入脉冲信号的MMC-HVDC直流线路自适应重合闸方法，其特征在于，k1set、k2set、和k3set分别取1.02、1.15、1.25。
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