CN109586253B - 利用mmc注入信号特征的交流故障保护方法 - Google Patents

利用mmc注入信号特征的交流故障保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,包括:柔性交直流混联电网中交流线路故障后,故障线路两端交流断路器跳开,在故障隔离与重合闸的间隔内,控制MMC的调制波幅值,使得MMC的交流电压暂降,健全线路的电压扰动在交流故障线路耦合,交流故障线路感应出特征信号,该特征信号在交流线路故障存在和消失时的传播特性存在差异,利用该差异实现交流故障线路的故障性质判别,进而决定故障输电线路是否重合断路器,实现交流线路故障保护。本发明对交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。

Description

利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法
技术领域
本发明属于交流线路故障保护领域,特别涉及一种利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法。
背景技术
电力系统的故障绝大多数为输电线路故障,电压等级越高,单相故障的概率越大。输电线路故障多具有瞬时性特点,线路故障后跳开两侧断路器,待电弧熄灭和绝缘恢复后重合能够恢复供电,因此自动重合闸广泛应用于EHV/UHV交流系统中。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,降低电气设备绝缘、减少其使用寿命,因此研究能够故障性质识别的自适应重合闸具有一定前景。
在交流系统中,重合闸分为单相重合闸和三相重合闸。目前的研究多针对单相自适应重合闸,主要基于恢复电压、基于瞬时性故障的电弧特性和基于并联电抗器电气特性。当线路上无并联电抗器时,三相故障断路器跳开后,线路电磁能量衰减较快,针对三相重合闸至今尚无可行的故障性质判别方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,利用柔性交直流混联电网中换流器(MMC)向交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,保障交流输电系统安全稳定运行。本发明在交流故障隔离和重合闸期间,通过MMC向其交流侧注入电压特征信号,健全线路电压发生扰动,该扰动将在故障线路耦合,该特征信号将在故障输电线路上传播,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,该发明对交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。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案,包括:
利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,包括:柔性交直流混联电网中交流线路故障后,故障线路两端交流断路器跳开,在故障隔离与重合闸的间隔内,控制MMC的调制波幅值,使得MMC的交流电压暂降,健全线路的电压扰动在交流故障线路耦合,交流故障线路感应出特征信号,该特征信号在交流线路故障存在和消失时的传播特性存在差异,利用该差异实现交流故障线路的故障性质判别,进而决定故障输电线路是否重合断路器,实现交流线路故障保护。
进一步的,所述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。
进一步的,所述的交流线路故障为交直流混联系统中交流侧含多回出线的所有交流故障或交流侧只有一回输电线路的非对称故障。
进一步的,所述MMC的调制波幅值为经典双闭环解耦控制下的调制波幅值,通过将常规控制切换为附加控制,实现交流电压的暂降。
进一步的,交流故障线路感应出的特征信号为电压脉冲信号,其发生次数和幅值由MMC的附加控制策略控制。
进一步的,附加控制策略控制MMC的调制波幅值,使得MMC的交流电压暂降,健全线路的电压扰动在交流故障线路耦合,在交流故障线路注入特征信号;结合故障线路电流、电压和断路器位置节点作为MMC注入特征信号的启动判据,其中电压电流判据为:
其中,为故障线路电压和电流,UN和IN为故障线路正常运行时的额定电压和电流。
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/线路边界处发生反射,反射波的叠加使得特征信号波形下降,波形产生突变点,利用二次样条小波来检测奇异值列中的突变点,获得从注入特征信号后首个反行波到达保护测点的时间tb
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;
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,则继续通过MMC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,再注入一个脉冲信号辅助判断,若后续判为故障消失,则系统重启,切换为正常控制策略,否则继续注入特征信号。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
在同杆并架多回线拓扑下,回线间存在互感,单相\三相自适应重合闸均有实现的可能性。国家电网公司系统已实现全部电网通过交、交流互联,随着特高压交直流混联电网的初步形成,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)因其谐波少、损耗水平低、故障处理能力强等优势,已在交直流混联系统中得到广泛商业应用,利用MMC的高可控性实现交流线路故障性质判别成为一种可能。
本发明所提出的利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,在架空线输电场合的交流系统实现了自适应重合闸,实现故障性质和重合时间的自适应判别,有助于提高重合成功率,实现了系统功率传输的快速恢复。
该方法不依赖恢复电压、二次电弧和线路并联电抗器的电气特征,适用于交直流混联系统下交流单相自适应重合闸,也适用于向交直流混联系统下多回线的单相/三相自适应重合闸。该方法不依赖于仿真,整定简单,与被动的检测方法相比,该方法通过增加注入特征信号的强度,能够增加判别的灵敏度。
附图说明
图1为柔性交流输电系统模型简图;
图2为交直流混联的仿真系统;其中图2(a)为常规三相输电线路;图2(b)为同杆双回输电线路;图2(c)为PSCAD软件中的频变参数模型;
图3为注入特征信号的原理示意图;
图4为注入特征信号后电压行波故障分量与小波变换结果;
图5为瞬时性故障的故障相电压及其局部放大仿真结果;其中,图5(a)为线路无并联电抗器时,待电弧熄灭后恢复电压的示意图;图5(b)为图5(a)的局部放大图;图5(c)为线路带有并联电抗器时,电弧熄灭后恢复电压含有基波分量及自由振荡分量,出现拍频现象的示意图;图5(d)为图5(c)的局部放大图;
图6为自适应重合闸仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法进一步说明:
本发明所提出的利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法在架空线输电场合的交流系统实现了自适应重合闸,实现故障性质和重合时间的自适应判别,有助于提高重合成功率,实现了系统功率传输的快速恢复。
本发明一种利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,包括:
在PSCAD软件中建立如图1所示的MMC,在此基础上构建柔性交直流输电系统,如图2所示,当交流多回输电线路发生故障或交流单回输电线路发生非对称故障时,故障线路两端交流断路器跳开,当注入启动判据(1)满足后,控制MMC的调制波幅值使得交流电压骤降向故障线路注入特征信号,注入特征信号的原理如图3所示,线路总长度300km,采样频率为50kHz,保护测点在交流线路两侧。具体包括以下步骤:
步骤一,脉冲信号的幅值选取应兼顾检测装置、电力电子器件的耐受能力和系统冲击的要求。若幅值非常大,调节器将耗费较多时间使系统稳定,若在此过程中换流器已经偏离工作点,调节器有可能失去调节能力进而导致系统崩溃,故限制原理图中幅值相关参数Δm<1.2MN,Δm为注入时调制波幅值的增量,正常运行的调制波幅值为MN,本发明选取Δm=1.0MN
步骤二,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,波形产生突变点,利用二次样条小波来检测奇异值列中的突变点,获得从注入特征信号后首个反行波到达保护测点的时间tb
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设定值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,再注入一个脉冲信号辅助判断,若后续判为故障消失,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:
在PSCAD软件中建立的MMC-HVDC(Modular multilevel converter-High voltageDC)的柔性交直流混联输电系统,MMC的具体拓扑如图1所示,交直流混联系统仿真系统如图2所示,线路总长度500km,采样频率为50kHz,图2(a)为常规三相输电线路,图2(b)为同杆双回输电线路,图2(a)和图2(b)分别用于研究单相故障和三相故障,瞬时性故障用电弧模型模拟,永久性故障用电阻模拟,线路为PSCAD软件中的频变参数模型,如图2(c)所示。线路正负序参数z1=z2=0.03433+j0.4188Ω/km,零序参数z0=0.2912+j1.1566Ω/km;并联电抗器电阻10Ω,电感5000mH,中性点电感为800mH。注入特征信号的原理如图3所示,首先图4给出了单相跳闸后故障相(以A相为例)的电压行波,与二次样条小波变换后尺度一的模极大值,故障距离为100km,从图中可以看出,二次样条小波能准确的识别出反行波,数据窗长一般不超过10ms,且判断时间为毫秒级。
针对瞬时性故障(多为单相故障),在输电线路带有无并联电抗器两种情形下分别仿真,当t=0.7s交流线路150km处发生单相故障,t=0.8s跳开故障相两侧交流断路器,分别给出线路有并联电抗器和无并联电抗器的仿真结果,如图5所示。由图5(a)可知,线路无并联电抗器时,待电弧熄灭后恢复电压存在交流偏移分量,由图5(c)可知,线路带有并联电抗器时,电弧熄灭后恢复电压含有基波分量及自由振荡分量,会出现拍频现象;而线路无并联电抗器时,恢复电压仅含基波分量。当初步判断二次电弧消失后,在t=1.1s时换流器向线路注入特征信号,局部放大图如图5(b)和图5(d)所示,特征信号较为明显,根据二次样条小波算法计算知,注入信号在线路末端发生反射。
针对单相永久性故障和三相永久性故障,分别在单回线和双回线拓扑下验证小波算法的故障识别的准确性,在图2(a)和图2(b)所示的拓扑下分别仿真永久性故障,故障跳闸后由换流器向健全相/回线注入特征信号。下面给出在不同故障距离和过渡电阻下,由二次样条小波计算所得的故障距离,如表1所示,其中,f1代表单相故障下计算的故障距离,f3代表三相故障下计算的故障距离,注入特征信号方法具有耐过渡电阻的优点。
表1永久性故障判别结果
最后给出瞬时性故障自适应重合闸的仿真结果。以图2(a)所示带并联电抗器的拓扑为例,给出本发明提出的自适应重合闸仿真波形图,如图6所示。当交流线路t=0.7s发生单相接地故障后,t=0.8s跳开故障相两侧交流断路器,t=1s时启动判据式(1)满足,为确保弧道恢复,经0.1s延时后由MMC向健全相注入特征信号,当判断为瞬时性故障后,再次向线路注入特征信号以可靠判断故障性质,随后t=1.2s重合两侧断路器恢复功率传输,图6为故障相端电压和电流波形。
综上所述,本发明提出的利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法能够可靠判别故障性质。

Claims (6)

1.利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,其特征在于,包括:柔性交直流混联电网中交流线路故障后,故障线路两端交流断路器跳开,在故障隔离与重合闸的间隔内,控制MMC的调制波幅值,使得MMC的交流电压暂降,健全线路的电压扰动在交流故障线路耦合,交流故障线路感应出特征信号,该特征信号在交流线路故障存在和消失时的传播特性存在差异,利用该差异实现交流故障线路的故障性质判别,进而决定故障输电线路是否重合断路器,实现交流线路故障保护;
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/线路边界处发生反射,反射波的叠加使得特征信号波形下降,波形产生突变点,利用二次样条小波来检测奇异值列中的突变点,获得从注入特征信号后首个反行波到达保护测点的时间tb
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,则继续通过MMC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,再注入一个脉冲信号辅助判断,若后续判为故障消失,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MMC注入信号特征的交流故障保护方法,其特征在于,所述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MMC注入信号特征的交流故障保护方法,其特征在于,所述的交流线路故障为交直流混联系统中交流侧含多回出线的所有交流故障或交流侧只有一回输电线路的非对称故障。
4.根据权利要求1所述的利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,其特征在于,所述MMC的调制波幅值为经典双闭环解耦控制下的调制波幅值,通过将常规控制切换为附加控制,实现交流电压的暂降。
5.根据权利要求1所述的利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,其特征在于,交流故障线路感应出的特征信号为电压脉冲信号,其发生次数和幅值由MMC的附加控制策略控制。
6.根据权利要求1所述的利用MMC注入信号特征的交流故障保护方法,其特征在于,附加控制策略控制MMC的调制波幅值,使得MMC的交流电压暂降,健全线路的电压扰动在交流故障线路耦合,在交流故障线路注入特征信号;结合故障线路电流、电压和断路器位置节点作为MMC注入特征信号的启动判据,其中电压电流判据为:
其中,为故障线路电压和电流,UN和IN为故障线路正常运行时的额定电压和电流。
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