CN109449893B - 一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于触发角控制特性的特高压直流输电线路保护方法。该方法通过对特高压直流控制系统进行分析，利用整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，在正方向故障时的变化趋势均与反方向故障时的不一致性，构建保护判据，并基于两侧判断信息的交互判断形成保护新原理。当线路发生区内故障时，整流侧和逆变侧触发角均会增大，而当线路发生区外故障时，至少有一侧的触发角减小。基于上述差异性，构建判据。两侧交换保护判据动作的状态信息，基于两侧的状态信息的与判断，确定故障。该保护方法原理简洁，易于整定，灵敏性高，能够快速识别区内和区外故障；同时该方法的通信内容为状态量，可靠性高、易于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及特高压直流输电线路继电保护领域，具体是一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法。
背景技术
直流输电相对于交流输电具有线路造价低、线路走廊窄、输送容量大、线路有功损耗小、功率调节容易、电网互联方便等诸多优点，但运行数据表明特高压直流输电线路的继电保护的动作正确率偏低(宋国兵,高淑萍,蔡新雷,张健康,饶菁,索南加乐.高压直流输电线路继电保护技术综述[J].电力系统自动化,2012,36(22):123-129.)。特高压直流线路的纵联差动保护由于受到线路分布电容的影响，需要等暂态过程结束后保护判据才成立，动作时间稍长，且灵敏度不高。为解决上述问题，出现了一些创新性的成果(郭亮,熊华强,王冠南,桂小智,潘本仁.一种长距离特高压直流输电线路的差动保护方法:中国发明专利,201510255701.4[P].2018-01-09.)，取得了一定的效果，但两侧保护量的同步仍然较高。
提高特高压直流输电线路继电保护的可靠性、速动性以及耐过渡电阻能力，降低对于严格同步性的要求，对特高压直流输电系统的稳定可靠运行有着重要的意义。因此，亟待提出新的特高压直流线路的保护方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法，该方法通过对特高压直流控制系统进行分析，利用整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，在正方向故障时的变化趋势均与反方向故障时的不一致性，构建保护判据，并基于两侧判断信息的交互判断形成保护新原理。当线路发生区内故障时，整流侧和逆变侧触发角均会增大，而当线路发生区外故障时，至少有一侧的触发角减小。基于上述差异性，构建判据。两侧交换保护判据动作的状态信息，基于两侧的状态信息的与判断，确定故障。该保护方法原理简洁，易于整定，灵敏性高，能够快速识别区内和区外故障；同时该方法的通信内容为状态量，可靠性高、易于工程实现。
本发明采取的技术方案为：
一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法，利用整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，在正方向故障时的变化趋势均与反方向故障时的不一致性，构建保护判据，并基于两侧判断信息的交互判断形成保护新原理。
所述保护方法包括，单端的保护判据，线路区内故障综合处理逻辑。
一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法，包括以下步骤：
步骤1：从特高压直流线路两侧保护控制装置，分别得到整流侧触发角指令αr和逆变侧触发角指令βc，其中：整流侧直流电流测量值IdR与电流指令值Iorder相减得电流偏差IRE，IRE经过PI控制环节得到整流侧的触发延迟角指令αr，逆变侧直流电流测量值IdI与Iorder相减得到电流偏差IIE，IIE减去一个电流裕度Imarg后经过PI控制环节得到逆变侧的定电流控制的触发超前角指令βc；
步骤2：根据两侧触发角指令的变化情况，分别针对整流侧和逆变侧构建单侧保护判据；
步骤3：单侧保护的动作状态为“01”状态信息，保护判据成立时通过信道发送至对侧并等待接收对侧的动作信息；
步骤4：两侧动作信息均为“01”，则根据线路故障综合判据得到输电线路发生区内故障，并将判断结果“11”信息送至对侧。
步骤5：如果判断结果为区内故障或者某侧接收到“11”信息，均直接跳直流断路器或者由直流控制系统关断故障电流。
所述步骤2中，
整流侧保护判据：
逆变侧保护判据：
式中；αrset为整流侧触发延迟角的整定值，βcset为逆变侧出发超前角的整定值，可以按如下得到:
式中:αrmax为整流器在系统正常运行时允许的最大触发延迟角，βcmax为逆变器在系统正常工作时允许的最达触发超前角，|kw|为触发角在正常工作时的波动系数，实际工程中，常小于0.06，整定时取0.06～0.08。krel为可靠系数，为大于1的正数，可取1.1～1.2。
所述步骤5中，区内故障判据为：
线路内部故障综合处理逻辑如下：此保护方案主要利用整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，在正方向故障时的变化趋势均与反方向故障时不一致，来构建保护判据。整流侧和逆变侧交换保护判据动作的状态信息，基于两侧的状态信息的判断，确定故障。具体步骤是：首先依据本端的保护量触发角，判断本端的保护判据是否成立。若本端的判据成立则启动本端的保护，并将本端的判据成立的信息发送给对端，同时等待对端的信息，如果接受到对端判据成立的信息，则本端的保护动作。
本发明一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法，有益效果在于：
(1)、不需要增加硬件装置，只需要利用特高压直流工程现有的硬件装置，具有较强的工程实用性；
(2)、根据本端的控制保护系统得到本端的触发角指令信息，来判断本端的保护判据是否成立，从而得到本端的保护动作状态信息，通信量小，不需要两端电压和电流信息的严格同步；
(3)、该保护方案的稳定可靠，选择性好，抗雷电干扰能力强。
附图说明
图1为直流控制系统示意图。
图2为保护判据逻辑图。
图3(a)为整流侧故障时整流侧IRE波形图；
图3(b)为整流侧故障时整流侧αr变化情况图。
图4(a)为整流侧故障时逆变侧IIE波形图；
图4(b)为整流侧故障时逆变侧βc变化情况图。
图5(a)为逆变侧故障时整流侧IRE波形图；
图5(b)为逆变侧故障时整流侧αr变化情况图。
图6(a)为逆变侧故障时逆变侧IIE波形图；
图6(b)为逆变侧故障时逆变侧βc变化情况图。
图7(a)为区内故障时整流侧IRE波形图；
图7(b)为区内故障时整流侧αr变化情况图。
图8(a)为区内故障时逆变侧IIE波形图；
图8(b)为区内故障时逆变侧βc变化情况图。
具体实施方式
本发明一种基于触发角控制特性的特高压直流输电线路保护方法，具体包括以下步骤：
步骤1：从特高压直流线路两侧保护控制装置分别得到整流侧触发角指令αr和逆变侧触发角指令βc。直流控制系统主要通过改变直流输电线路两端换流器的触发角，来对直流输电系统进行控制。特高压直流输电系统来说，每极包含4个6脉动换流器，每个换流器的控制采用了CIGRE标准直流模型控制系统的控制方式，CIGRE标准直流模型换流器控制系统如图1所示，P1部分表示位于整流侧内的控制环节，逆变侧的控制环节为P1以外的部分。P2部分表示定电流和低压限流控制环节，P3部分表示逆变器定电流控制，P4部分表示逆变器定γ控制。P2部分中，首先通过逆变侧测量到直流电压UdI和直流电流IdI，直流电压经线路压降补偿(加上直流电流IdI与线路阻抗R0的乘积)后进入到VDCOL环节，经过VDCOL环节后的电流与设定值Iref取最小值作为电流的指令值Iorder。P1中整流侧直流电流测量值IdR与Iorder相减得电流偏差IRE，IRE经过PI环节得到整流侧的触发延迟角αr。P3中逆变侧直流电流测量值IdI与Iorder相减得到电流偏差IIE，IIE减去一个电流裕度，Imarg后经过PI环节得到逆变侧的定电流控制的触发超前角βc。IIE经过一个电流偏差矫正环节后减去P4中测量到逆变侧的熄弧角γ和设定的最小熄弧角γref后得到熄弧角偏差γE，γE经过PI环节得到逆变侧的定γmin角控制的触发超前角βγ。βc和βγ取较大值作为逆变侧的触发超前角β，用π减去β得到逆变侧的触发延迟角αi。
对于6脉动整流器和换流器在正常运行时，直流电压的平均值可以分别按照如下的公式来表示(赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社,2004:5-160.)：
式中，UdR和UdI分别表示整流侧和逆变侧直流电压，U1和U2分别表示整理侧和逆变侧的交流系统电压有效值，n1和n2分别表示整流侧和逆变侧的换流变压器的变比。dr1和dr2分别表示一个单位直流电流在换相过程中引起的整流侧和逆变侧的电压降，α为整流器触发延迟角，β为逆变器触发超前角，Id为直流电流。直流线路不同位置故障时，整流侧触发延迟角αr和逆变侧触发超前角βc的变化情况为：
(1)整流侧区外故障。直流线路发生整流侧区外故障时，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压和直流电流均快速降低，控制系统进入VDCOL环节，因此电流的指令值Iorder也降低。由于控制系统工作需要时间，而接地短路后电流会迅速降低，因此直流电流测量值IdR降低的速度较Iorder更快，另外由于定最小限制电流控制的存在，Iorder会比IdR要大，即整流侧电流偏差IRE增大且大于零，同理逆变侧电流偏差IIE增大且大于零。为了提高直流电流，控制系统会提高整流侧的直流电压UdR，降低逆变侧电压UdI，因此会减小整流侧的触发延迟角αr，增大逆变侧的触发超前角βc。
(2)逆变侧区外故障。直流线路发生逆变侧区外故障时，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压会快速降低，电流指令值Iorder降低。整流侧和逆变侧测量到的直流电流会短时增大，因此电流测量值IdR和IdI都会大于Iorder，即整流侧电流偏差IRE和逆变侧电流偏差IIE减小且小于零。因此，整流侧控制系统会降低直流电压UdR，逆变侧控制系统提高逆变侧电压UdI，即增大整流侧的触发延迟角αr，减小逆变侧的触发超前角βc。
(3)直流线路区内故障。直流线路发生区内故障时，线路两端测量到的直流电压会快速降低，电流指令值Iorder降低。整流侧测量到的直流电流会短时增大，逆变站测量到的电流会减小，因此整流侧电流测量值IdR会大于Iorder，即整流侧电流偏差IRE减小且小于零，逆变侧电流测量值IdI会小于Iorder，电流偏差IIE增大且大于零。因此，整流侧控制系统会降低整流侧的直流电压UdR，逆变侧控制系统降低逆变侧的直流电压UdI，即增大整流侧的触发延迟角αr，增大逆变侧的触发超前角βc。
步骤2：根据两侧触发角指令的变化情况，分别针对整流侧和逆变侧构建单侧保护判据。整流侧保护判据：
逆变侧保护判据：
式(2)中，αrset为整流侧触发延迟角的整定值，βcset为逆变侧出发超前角的整定值，可以按如下得到
式(3)中，αrmax为整流器在系统正常运行时允许的最大触发延迟角，βcmax为逆变器在系统正常工作时允许的最达触发超前角，|kw|为触发角在正常工作时的波动系数，实际工程中，常小于0.06，整定时取0.06～0.08。krel为可靠系数，为大于1的正数，常取1.1～1.2；
步骤3：单侧保护的动作状态为“01”状态信息，保护判据成立时通过信道发送至对侧并等待接收对侧的动作信息；
步骤4：两侧动作信息均为“01”，则根据线路故障综合判据得到输电线路发生区内故障，并将判断结果“11”信息送至对侧。
步骤5：如果判断结果为区内故障或者某侧接收到“11”信息，均直接跳直流断路器或者由直流控制系统关断故障电流，整个判断逻辑如图2所示。
利用在PSCAD软件中搭建的±800kV UHVDC系统模型进行仿真。整流侧区外线路在仿真时间为0.5s时经100Ω过渡电阻接地，故障时间为0.2s，整流侧区外故障、逆变侧区外故障、直流线路区内故障时的仿真结果分别如图3(a)、图3(b)；图5(a)、图5(b)，图6(a)、图6(b)；图7(a)、图7(b)，图8(a)、图8(b)。
图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)中，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压和直流电流均快速降低，控制系统进入VDCOL环节，电流的指令值Iorder也降低。直流电流测量值IdR降低的速度较Iorder更快，由于定最小限制电流控制的存在，Iorder会比IdR要大，即整流侧电流偏差IRE增大且大于零。由图3(a)看到，整流侧电流偏差IRE增大且大于零，同理逆变侧电流偏差IIE增大且大于零。由图4(a)看到，逆变侧电流偏差IIE增大且大于零。为了提高直流电流，控制系统会提高整流侧的直流电压UdR，降低逆变侧电压UdI，因此整流侧的触发延迟角αr会减小，逆变侧的触发超前角βc会增大，分别如图3(b)和图4(b)所示。因此，逆变侧的保护判据成立，但整流侧的保护判据不成立，判断为区外故障，保护不动作。。
图5(a)、图5(b)、图6(a)、图6(b)中，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压会快速降低，电流指令值Iorder降低。整流侧和逆变侧测量到的直流电流会短时增大，因此电流测量值IdR和IdI都会大于Iorder，即整流侧电流偏差IRE和逆变侧电流偏差IIE减小且小于零。由图5(a)和图6(a)看到，故障后整流侧电流偏差IRE和逆变侧电流偏差IIE均减小且为负。因此，整流侧控制系统会降低直流电压UdR，逆变侧控制系统提高逆变侧电压UdI，即整流侧的触发延迟角αr增大，如图5(b)所示，整流侧的保护判据成立。逆变侧的触发超前角βc应该要减小，但从图6(b)的仿真波形看到，βc并没有减小，这主要是受到定熄弧角控制造成的。定熄弧角控制会给出βc的最小控制角度，以防止换流器(特别是逆变器)出现换相失败。从图6(b)的仿真波形看到，βc虽然没有减小，但由于逆变侧的判据为过量保护，判据仍然不成立。综合判断为区外故障，保护不动作。
图7(a)、图7(b)、图8(a)、图8(b)中，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压会快速降低，电流指令值Iorder降低。整流侧测量到的直流电流会短时增大，逆变站测量到的电流会减小，因此整流侧电流测量值IdR会大于Iorder，即整流侧电流偏差IRE减小且小于零，如图7(a)所示。逆变侧电流测量值IdI会小于Iorder，电流偏差IIE增大且大于零，如图8(a)所示。因此，整流侧控制系统会降低整流侧的直流电压UdR，逆变侧控制系统降低逆变侧的直流电压UdI，触发延迟角αr增大，逆变侧的触发超前角βc增大，分别如图7(b)和图8(b)所示。从而两端判据同时成立，保护动作。
Claims (2)
1.一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：从特高压直流线路两侧保护控制装置，分别得到整流侧触发角指令αr和逆变侧触发角指令βc，其中：整流侧直流电流测量值IdR与电流指令值Iorder相减得电流偏差IRE，IRE经过PI控制环节得到整流侧的触发延迟角指令αr，逆变侧直流电流测量值IdI与Iorder相减得到电流偏差IIE，IIE减去一个电流裕度Imarg后经过PI控制环节得到逆变侧的定电流控制的触发超前角指令βc；
步骤2：根据两侧触发角指令的变化情况，分别针对整流侧和逆变侧构建单侧保护判据；
步骤3：单侧保护的动作状态为“01”状态信息，保护判据成立时通过信道发送至对侧并等待接收对侧的动作信息；
步骤4：两侧动作信息均为“01”，则根据线路故障综合判据得到输电线路发生区内故障，并将判断结果“11”信息送至对侧；
步骤5：依据线路内部故障综合处理逻辑，构成一种新的保护原理，如果判断结果为区内故障或者某侧接收到“11”信息，均直接跳直流断路器或者由直流控制系统关断故障电流；
所述步骤2中，
整流侧保护判据：
逆变侧保护判据：
式中；αrset为整流侧触发延迟角的整定值，βcset为逆变侧触发超前角的整定值，按如下得到:
式中:αrmax为整流器在系统正常运行时允许的最大触发延迟角，βcmax为逆变器在系统正常工作时允许的最达触发超前角，|kw|为触发角在正常工作时的波动系数，取0.06～0.08；krel为可靠系数，取1.1～1.2；
所述步骤5中，区内故障判据为：
线路内部故障综合处理逻辑如下：整流侧和逆变侧交换保护判据动作的状态信息，基于两侧的状态信息的判断，确定故障；具体步骤是：首先依据本端的保护量触发角，判断本端的保护判据是否成立；若本端的判据成立则启动本端的保护，并将本端的判据成立的信息发送给对端，同时等待对端的信息，如果接受到对端判据成立的信息，则本端的保护动作；
保护新原理：此保护方案利用整流侧触发延迟角和逆变侧触发超前角，在正方向故障时的变化趋势均与反方向故障时不一致，来构建保护判据，依据线路故障综合处理逻辑，清除故障。
2.根据权利要求1所述一种基于触发角控制特性的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤2中，直流线路不同位置故障时，整流侧触发延迟角αr和逆变侧触发超前角βc的变化情况为：
(1)整流侧区外故障：直流线路发生整流侧区外故障时，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压和直流电流均快速降低，控制系统进入VDCOL环节，因此电流的指令值Iorder也降低；由于控制系统工作需要时间，而接地短路后电流会迅速降低，因此直流电流测量值IdR降低的速度较Iorder更快，另外由于定最小限制电流控制的存在，Iorder会比IdR要大，即整流侧电流偏差IRE增大且大于零，同理逆变侧电流偏差IIE增大且大于零；为了提高直流电流，控制系统会提高整流侧的直流电压UdR，降低逆变侧电压UdI，因此会减小整流侧的触发延迟角αr，增大逆变侧的触发超前角βc；
(2)逆变侧区外故障：直流线路发生逆变侧区外故障时，整流侧和逆变侧的测量到的直流电压会快速降低，电流指令值Iorder降低；整流侧和逆变侧测量到的直流电流会短时增大，因此电流测量值IdR和IdI都会大于Iorder，即整流侧电流偏差IRE和逆变侧电流偏差IIE减小且小于零；因此，整流侧控制系统会降低直流电压UdR，逆变侧控制系统提高逆变侧电压UdI，即增大整流侧的触发延迟角αr，减小逆变侧的触发超前角βc；
(3)直流线路区内故障：直流线路发生区内故障时，线路两端测量到的直流电压会快速降低，电流指令值Iorder降低；整流侧测量到的直流电流会短时增大，逆变站测量到的电流会减小，因此整流侧电流测量值IdR会大于Iorder，即整流侧电流偏差IRE减小且小于零，逆变侧电流测量值IdI会小于Iorder，电流偏差IIE增大且大于零；因此，整流侧控制系统会降低整流侧的直流电压UdR，逆变侧控制系统降低逆变侧的直流电压UdI，即增大整流侧的触发延迟角αr，增大逆变侧的触发超前角βc。
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