CN109560566A - 一种多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法 - Google Patents

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李捷
丁晓兵
余江
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Abstract

本发明公开一种多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，首先对汇流母线连接的各直流支路电流进行采样，继而利用各直流支路电流采样值构造极性判别值，从而判别对应于各直流支路的故障方向，最后综合各直流支路故障方向判别结果，判断汇流母线是否发生故障。该故障判别方法对电流同步性要求不高，能够准确识别汇流母线故障，从而实现对汇流母线的保护。本发明判别方法对多端混合直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

Description

一种多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法
技术领域
本发明属于电力系统混合直流输电技术领域，具体涉及一种多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法。
背景技术
直流输电是历史上最早出现的输电方式，早期的直流输电无换流环节，电能由直流电源直接送往直流负荷，即发电、输电和用电均为直流形式，但随着交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，尤其是变压器具有可以方便地转换交流电压幅值这一特点，交流输电和交流电网逐步占据了电力系统中的统治地位。随着高电压大功率换流设备以及微机控制技术的发展，直流输电的运行性能和可靠性得到改善，由于在输电技术领域，直流输电具有天然优势，例如直流输电不存在交流输电的传输稳定问题，且直流输电线路造价低，损耗小，输电走廊窄，可以实现非同步联网。因此，直流输电技术发展迅猛，现代电网已逐步发展为大规模交直流互联电网。
我国幅员辽阔，能源资源与负荷需求呈逆向分布特点，76%的煤炭资源分布在北部和西北部，80%的水能资源分布在西南部，而70%以上的能源需求集中在东中部，在未来很长时期内，中国电力传输的流向仍表现为大规模西电东送和北电南送的总体格局，远距离大容量输电是实现能源资源优化配置的迫切需要和必然选择。在“西电东送、南北互供、全国联网”的能源战略中，将主要由高压直流输电工程承担远距离大容量输电这一任务。
目前直流输电技术主要有两种技术路线，一种是基于半控型换流设备的电流源换流器型直流输电技术，通常被称为常规直流输电；另一种则是新兴的基于全控型换流设备的电压源换流器型直流输电技术，通常被称为柔性直流输电。常规直流输电技术成熟可靠，经济性好，而柔性直流输电则不存在换相失败问题，并且可以提供动态无功功率，送端采用常规直流输电换流站，受端采用柔性直流输电换流站的混合直流输电系统可充分发挥两种技术的优势，为远距离大容量输电提供了新思路。
与传统的两端直流输电相比，多端混合直流输电系统具有以下优势：一是可以实现多电源供电、多落点受电，提供一种更为灵活、快捷的输电方式。二是常规直流工程在强直弱交系统中存在一定的运行风险，加入柔性直流换流站构成混合系统，提高现有系统的运行性能，如连接弱交流系统、无源网络及新能源发电系统等；三是将常规直流换流站较低造价和运行损耗的优势，与柔性直流换流站在控制性能、交直流故障穿越能力等方面的技术优势相结合，实现更大规模、更远距离和更稳定可靠的直流输电系统。
目前多端混合柔性直流输电系统在世界范围内尚无工程应用先例，且学术界鲜有对其控制保护系统的专题研究。直流汇流母线故障多为永久性故障，且故障程度剧烈，如果不能及时判别汇流母线故障，易对元器件过流能力较弱的柔性直流设备造成损坏。因此，多端混合柔性直流输电系统汇流母线故障后保护系统能否及时准确地判别汇流母线故障，对保障多端混合柔性直流输电系统及交直流互联电网的安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，本发明判别方法能够超高速判别多端混合直流输电系统汇流母线故障，且对汇流母线连接的各直流支路电流采样值同步性要求不高，具有较好的适应性，对提高多端混合柔性直流输电系统运行的安全稳定性具有重要意义。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，包括如下步骤：
1）利用多端混合直流输电系统汇流母线连接的各直流支路电流故障分量采样值，构造对应的极性特征值；
2）利用极性特征值构造极性判别值，判别对应于各直流支路的故障方向；
3）综合各直流支路故障方向判别结果判别汇流母线故障。
所述步骤1）中的多端混合直流输电系统，其送端采用电流源换流器型换流站，受端采用电压源换流器型换流站，送端的电流源换流器型换流站通过第一直流输电线路与汇流母线连接，汇流母线分别通过第二直流输电线路和汇流连接线连接至受端的第一电压源换流器型换流站及第二电压源换流器型换流站。
本发明的有益效果
1) 本发明能够准确判别汇流母线故障，提高多端混合直流输电系统运行的安全稳定性。
2）本发明仅采用电流采样值构造保护判据，且对各直流支路采样电流的同步性要求不高，易于工程实现。
3) 本发明综合各直流支路的故障方向判别结果判别汇流母线故障，可靠性高，且抗过渡电阻能力强。
4）本发明适应性强，可应用于不同多端混合直流输电系统，且保护免整定，减少了保护工作者和现场运行人员的工作量。
附图说明
图1为多端混合直流输电系统的示意图；
图2为正方向故障分量网络的示意图；
图3为正方向故障时电流故障分量的示意图；
图4为正方向故障时电流故障分量对应极性特征值的示意图；
图5为反方向故障分量网络的示意图；
图6为反方向故障时电流故障分量的示意图；
图7为反方向故障时电流故障分量对应极性特征值的示意图。
具体实施方式
本发明多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，包括如下步骤：
1）利用多端混合直流输电系统汇流母线连接的各直流支路电流故障分量采样值，构造对应的极性特征值；
2）利用极性特征值构造极性判别值，判别对应于各直流支路的故障方向；
3）综合各直流支路故障方向判别结果判别汇流母线故障。
所述步骤1）中的多端混合直流输电系统，图1为典型多端混合直流输电系统示意图，其送端采用电流源换流器型换流站，受端采用电压源换流器型换流站，其中送端的电流源换流器型换流站1通过第一直流输电线路4与汇流母线5连接，汇流母线5分别通过第二直流输电线路6和汇流连接线7连接至受端的第一电压源换流器型换流站2及第二电压源换流器型换流站3。
本发明方法以多端混合直流输电系统汇流母线5连接各直流支路的电流互感器i 1、i 2、i 3为故障判别测量点，各直流支路测量点i 1、i 2、i 3分别是第一直流输电线路4（第一条直流支路）、第二直流输电线路6（第二条直流支路）、汇流连接线7（第三条直流支路）上的测量点。如图1箭头所示，定义正方向为流出母线方向，则汇流母线5故障F1对于直流支路测量点i 1、i 2、i 3均为反方向故障，而线路故障，以第一直流输电线路4故障F2为例，对于直流支路测量点i 1为正方向故障，对于直流支路测量点i 2、i 3则为反方向故障。
当多端混合直流输电系统故障时，将当前时刻直流支路电流采样值i k与故障发生前电流稳态值i k_stable相减，得到直流支路电流故障分量采样值Δi k，计算公式如式(1)所示：
（1）
利用计算得到的直流支路电流故障分量采样值Δi k，构造对应的极性特征值，计算公式如式（2）所示：
（2）
式中：Δi k 为电流故障分量采样值，Δi k_set 为极性特征值判别门槛值，取值考虑直流输电系统电流控制精度，一般取为0.05，i p_k 为第k条直流支路极性特征值。
以测点i 1为例，图2为其正方向故障时的故障分量网络示意图，图中Δi 1即为计算得到的电流故障分量，U f 为故障点叠加电源，R f 则为过渡电阻，由图可知，在正方向故障时，电流故障分量Δi 1与正方向一致，其幅值为正值特征，根据公式（2）计算得到对应的极性特征值i p_1 为正，如图3为正方向故障时电流故障分量Δi 1，图4为对应极性特征值i p_1 ；图5则为反方向故障时的故障分量网络示意图，可知在反方向故障时，电流故障分量Δi 1与正方向相反，其幅值为负值特征，根据公式（2）计算得到对应的极性特征值i p_1 为负，如图6为反方向故障时电流故障分量Δi 1，图7为对应极性特征值i p_1 的示意图。
综上分析，对于不同方向故障，直流支路测点的极性特征值将表现出不同的特征，按式（3）构造极性判别值：
（3）
式中：j为采样点标号，N为保护计算数据窗内采样点个数，根据数据窗长和采样频率计算得到，i p_k (j)为第k条直流支路极性特征值，C p_k 为第k条直流支路极性判别值。
根据极性判别值的大小判别故障方向，若C p_k >C p_k_set ，则判别第k条直流支路故障方向为正；若C p_k <-C p_k_set ，则判别第k条直流支路故障方向为负；若-C p_k_set <C p_k <C p_k_set ，则判别第k条直流支路未发生故障，C p_k_set 取值考虑灵敏度与可靠性，一般整定为0.7。
以图4对应的极性特征值i p_1 为例，根据公式3计算得到的C p_1 为0.98，大于定值0.7，因此判别此时第一直流输电线路4（第一条直流支路）故障方向为正；而以图5对应的极性特征值i p_1 为例，根据公式3计算得到的C p_1 为-0.98，小于定值-0.7，因此判别此时第一直流输电线路4（第一条直流支路）故障方向为负。
根据汇流母线5连接的所有直流支路故障方向判别结果判别故障区段，决定汇流母线保护动作行为。若汇流母线5连接的所有直流支路均判别故障方向为反方向，则判定汇流母线5发生故障，汇流母线保护动作，若连接的任一直流支路判别未发生故障或故障方向为正方向，则判定汇流母线5并未发生故障，汇流母线保护不动作。
本发明已根据多端混合直流输电系统仿真模型进行了测试，测试结果表明，本发明方法能够准确区分汇流母线故障及非汇流母线故障，且不受故障位置、过渡电阻的影响，表1给出了本发明的部分故障测试结果。
表1
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明，由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，其特征在于包括如下步骤：
1）利用多端混合直流输电系统汇流母线连接的各直流支路电流故障分量采样值，构造对应的极性特征值；
2）利用极性特征值构造极性判别值，判别对应于各直流支路的故障方向；
3）综合各直流支路故障方向判别结果判别汇流母线故障。
2.根据权利要求1所述的多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，其特征在于：所述步骤1）中的多端混合直流输电系统，其送端采用电流源换流器型换流站，受端采用电压源换流器型换流站，送端的电流源换流器型换流站通过第一直流输电线路与汇流母线连接，汇流母线分别通过第二直流输电线路和汇流连接线连接至受端的第一电压源换流器型换流站及第二电压源换流器型换流站。
3.根据权利要求1所述的多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，其特征在于：所述步骤1）中的极性特征值，按下式构造：
（1）
式中：Δi k 为电流故障分量采样值，Δi k_set 为极性特征值判别门槛值，i p_k 为第k条直流支路极性特征值。
4.根据权利要求1所述的多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，其特征在于：所述步骤2）中的极性判别值，按下式构造：
（2）
式中：j为采样点标号，N为保护计算数据窗内采样点个数，i p_k (j)为第k条直流支路极性特征值，C p_k 为第k条直流支路极性判别值。
5.根据权利要求4所述的多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，其特征在于：所述步骤2）中的判别对应于各直流支路的故障方向是指：
若C p_k >C p_k_set ，则判别第k条直流支路故障方向为正；若C p_k <-C p_k_set ，则判别第k条直流支路故障方向为负；若-C p_k_set <C p_k <C p_k_set ，则判别第k条直流支路未发生故障。
6.根据权利要求1所述的多端混合直流输电系统汇流母线故障判别方法，其特征在于：所述步骤3）中的综合各直流支路故障方向判别结果判别汇流母线故障是指：
若连接的所有直流支路均判别故障方向为反方向，则判定汇流母线发生故障，若连接的任一直流支路判别未发生故障或故障方向为正方向，则判定汇流母线并未发生故障。
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