CN109613398A - 一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法、判别元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法和判别元件。根据采集单元检测的逆变侧交流母线三相电压和三相电流，判断故障类型，并向故障方向延时判定模块发出故障状态信号；故障方向延时判定模块在接收到故障方向延时判定模块发出的故障状态信号后进一步判断故障相，通过故障前电流和故障分量电流相角差值经过延时判定，确定故障方向。本发明的有益之处在于它可以在高压直流扰动的情况下，正确辨识出故障方向。
Description
技术领域
本发明属于电力系统输电技术领域，涉及高压直流输电的故障判别，具体涉及一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别元件、判别方法。
背景技术
目前，高压及超高压交流线路普遍配置了纵联方向保护，其中故障分量方向元件性能完善，能反应所有类型的故障、不受负荷的影响、不受振荡的影响、动作快速，因而其在纵联保护中应用普遍。根据叠加原理，当交流系统发生故障时，可得到电压故障分量和电流故障分量，在实际计算故障量方向时，是将电压故障分量与电流故障分量之间的相位作为判据，电压故障分量滞后于电流故障分量为正方向故障，电压故障分量超前于电流故障分量为反方向故障。
当仅有直流系统发生扰动时，由前面的分析可知，相当于一个等效电流源的变强或者变弱、退出或者投入等。此时，可以认为在故障电网中只有直流侧一个故障量，虽然会对交流系统电气量有所影响，但方向元件均能正确反映方向，不存在方向误动的问题。当受端电网发生交流故障时，直流控制系统快速响应，直流系统可以看作另一个扰动点，此时交流故障引起的扰动与直流控制系统快速响应所引起的扰动可能会存在主导扰动的更替。以方向元件背侧交流系统故障引起正向直流系统扰动为例，从故障量方向保护的角度看，故障初期以背侧故障为主导，此时判定为反向故障，若在直流控制系统快速响应下直流系统扰动比背侧故障更为严重，则重新判定为正向故障，即出现了暂态功率倒向。对于故障量方向元件，由于灵敏度较高，出现暂态功率倒向时相应的方向保护容易误动。
根据上述的分析，可知，若仅是直流系统发生故障，受端交流系统故障量方向保护不受影响。而受端交流系统发生故障引起直流系统产生严重扰动(如换相失败)，可能引起方向保护的误动作。
传统的基于电压和电流相角差方向元件，应用于交直流混联电网的场景下，由于换相失败，会向交流系统注入负序分量，同时因为高压直流系统的快速调节，会影响到零序和正序分量的幅值，会引起传统方向元件的误判。而基于故障前电流和故障分量相角差的电流方向元件，在交流电网中虽然已经试应用，但是尚未应用于高压直流接入下的交直流混联电网。在传统交流电网中，基于故障前电流和故障分量相角差的电流方向元件，因为潮流方向的不确定，仅由本地信息不能确定故障方向，仅能判断出故障极性。通常在线路两端装设方向元件，通过通信通道进行方向闭锁，由两端信息确定故障区间。而在直流接入下的交流线路中，潮流方向是确定的，是由直流接入点流向交流系统。所以在交直流混联电网中，使用基于故障前电流和故障分量相角差的方向元件，可以直接基于本地信息，判断出故障方向。
因此，考虑到直流系统响应与恢复的快速性，设计适用于高压交直流混联电网的新型交流方向元件成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题。
为此，本发明的目的在于提出了一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别元件和故障方向判别方法。
为实现上述发明目的，本发明具体采取以下技术方案：
一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于，所述故障方向判别方法包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3：监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型，然后进入步骤4；
步骤4：计算故障相的故障前电流与故障分量电流相角差；
步骤5：经过第一设定延时后，判断故障前电流与故障分量电流相角差是否在正向范围内，如果是，则进入步骤7；否则进入步骤6；
步骤6：判断故障前电流与故障分量电流相角差是否在反向范围内，如果是，则进入步骤8；否则闭锁方向判据，不作方向判断；
步骤7：经过第二设定延时后，判断当前故障为正方向故障，开放本侧保护装置动作；
步骤8：经过第三设定延时后，判断当前故障为反方向故障，本侧保护装置不动作。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤3中，根据步骤1采集的高压交直流混联电网换流母线的三相电压、步骤2计算得到的零序电流、负序电压，判断高压交直流混联电网发生扰动后的故障类型。
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障。
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障。
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相短路故障。
当三相电压低于第一门槛值，则判断该相发生了三相接地故障。
所述第一门槛值为0.4-0.8倍的电压标幺值；
所述第二门槛值为0.1-0.5倍的标幺值。
所述第一门槛值取值为0.5倍的电压标幺值。
所述第二门槛的最优取值为0.3倍的电压标幺值。
相角差在正向范围内是指相角差在0°-90°。
在步骤6中，相角差的反向范围是指90°-180°。
在步骤6中，如果既不在正向范围，也不在反向范围内，即闭锁方向判据，不作方向判断，由在相邻线路上安装的后备的方向元件将会进行方向判断。
第一、第二、第三延时的取值范围为5ms-20ms，为了躲过高压直流系统初次换相失败。
第一、第二、第三延时的最优取值为10ms。
本申请还公开了一种利用前述故障方向判别方法的故障方向判别元件。
一种用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：所述故障方向判别元件包括故障类型辨识功能和故障方向延时再判定功能。
所述故障方向判别元件包括故障类型辨识模块和故障方向延时判定模块；
所述故障类型辨识模块根据采集单元检测的逆变侧交流母线三相电压和三相电流，判断故障类型，并向故障方向延时判定模块发出故障状态信号；
所述故障方向延时判定模块在接收到故障方向延时判定模块发出的故障状态信号后进一步判断故障相，判定故障方向。
所述故障类型辨识模块将采集单元上送的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障(SLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障(LLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相故障(LL)；
当三相电压低于第一门槛值，则判断三相发生了三相故障(LLL/LLLG)；
所述故障类型辨识模块在判别出故障类型后，根据不同的故障类型生成不同的故障状态信号SLG、LLG、LL、LLL/LLLG信号，将所述不同的故障状态信号传送至故障方向延时判定模块，用于启动故障方向延时判定模块对故障方向进行延时再判定。
所述故障方向延时判定模块接收到故障状态信号后，判断出故障相，如果判定为单相接地故障或者两相接地故障，则延时检测零序电压和零序电流，如果故障前电流和故障分量电流相角差在正向范围内，则判断为正向故障。相角差落在反向范围内，则为反向故障。
如果判定为两相短路故障，检测故障前电流存储值，并计算其故障分量，如果故障前电流和故障分量电流相角差落在正向动作区间，则判断为正向故障，若落在反向动作区间，则判断为反向故障。
故障前电流和故障分量电流极性相反，且对端的故障前电流和故障分量电流极性相反，则判定为正向故障。
如果判定为三相短路故障或者三相接地故障，检测故障前电流存储值，并计算其故障分量。如果故障前电流和故障分量电流的相角差落在正向动作区间，则判断为正向故障，若落在反向动作区间，则判断为反向故障。所判定的方向结果经过延时输出。
本发明相对于现有技术具有以下有益的技术效果：
在于用于高压直流输电逆变侧换流母线的故障方向判别元件可以避免交流保护误动，并增加交直流混联电网的稳定性。
附图说明
图1示出了本发明公开的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法的流程图；
图2示出了本发明用于高压交直流混联电网的故障方向判别元件实施图；
图3示出了高压直流逆变侧换流母线电压实施例；
图4示出了故障前电流和故障分量电流相角差实施例。
具体实施方式
为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明提出的一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型。
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障(SLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障(LLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相短路故障(LL)；
当三相电压低于第一门槛值，则判断三相发生了三相故障(LLL/LLLG)；然后进入步骤4；
其中，第一门槛值为0.4-0.8倍的电压标幺值，第二门槛值为0.1-0.5倍的电压标幺值。
步骤4：计算故障相的故障前电流与故障分量电流相角差；其中故障分量电流是指故障后的电流减去故障前的电流，变化量即为故障分量。
步骤5：经过第一设定延时后，判断故障前电流与故障分量电流相角差是否在正向范围0°-90°内，如果是，则进入步骤7；否则进入步骤6；
步骤6：判断故障前电流与故障分量电流相角差是否在反向90°-180°范围内，如果是，则进入步骤8；否则闭锁方向判据，不作方向判断。
步骤7：经过第二设定延时后，判断当前故障为正方向故障，开放本侧保护装置动作；
步骤8：经过第三设定延时后，判断当前故障为反方向故障，本侧保护装置不动作。
其中，在步骤5、7、8中，所述第一设定延时、第二设定延时和第三设定延时的取值范围为5ms-20ms。
实施例1：
一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型。
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障(SLG)；然后进入步骤4；
其中，第一门槛值为0.5倍的电压标幺值，第二门槛值为0.3倍的电压标幺值。
步骤4：计算故障相的故障前电流与故障分量电流相角差；
步骤5：经过第一设定延时后，判断故障前电流与故障分量电流相角差为75°，在正向范围0°-90°内；其中，第一设定延时为10ms。
步骤6：经过第二设定延时后，判断当前故障为正方向故障，开放本侧保护装置动作；
其中第二设定延时为10ms。
实施例2：
一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型。
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障(LLG)；
其中，第一门槛值为0.5倍的电压标幺值，第二门槛值为0.3倍的电压标幺值。
步骤4：计算故障相的故障前电流与故障分量电流相角差；
步骤5：经过第一设定延时(10ms)后，判断故障前电流与故障分量电流相角差为100°，在规定的反向90°-180°范围内。
步骤6：经过第三设定延时(10ms)后，判断当前故障为反方向故障，本侧保护装置不动作。
实施例3：
一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型。
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相短路故障(LL)；
其中，第一门槛值为0.6倍的电压标幺值，第二门槛值为0.35倍的电压标幺值。
步骤4：计算故障相的故障前电流与故障分量电流相角差；
步骤5：经过第一设定延时(15ms)后，判断故障前电流与故障分量电流相角差为85°，在设定的正向范围0°-90°内；
步骤6：经过第二设定延时(15ms)后，判断当前故障为正方向故障，开放本侧保护装置动作。
实施例4：
一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型。
当三相电压低于第一门槛值，则判断三相发生了三相故障(LLL/LLLG)；然后进入步骤4；
其中，第一门槛值为0.5倍的电压标幺值，第二门槛值为0.35倍的电压标幺值。
步骤4：计算故障相的故障前电流与故障分量电流相角差；
步骤5：经过第一设定延时(10ms)后，判断故障前电流与故障分量电流相角差为120°，在设定的反向90°-180°范围内。
步骤6：经过第三设定延时(10ms)后，判断当前故障为反方向故障，本侧保护装置不动作。
本申请还同时公开了一种利用上述故障方向判别方法的故障方向判别元件，
所述故障方向判别元件包括故障类型辨识模块和故障方向延时判定模块；
所述故障类型辨识模块根据采集单元检测的逆变侧交流母线三相电压和三相电流，判断故障类型，并向故障方向延时判定模块发出故障状态信号；
所述故障方向延时判定模块在接收到故障方向延时判定模块发出的故障状态信号后进一步判断故障相，判定故障方向。
所述故障类型辨识模块将采集单元上送的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障(SLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障(LLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相故障(LL)；
当三相电压低于第一门槛值，则判断三相发生了三相故障(LLL/LLLG)；
所述故障类型辨识模块在判别出故障类型后，根据不同的故障类型生成不同的故障状态信号SLG、LLG、LL、LLL/LLLG信号，将所述不同的故障状态信号传送至故障方向延时判定模块，用于启动故障方向延时判定模块对故障方向进行延时再判定。
所述故障方向延时判定模块接收到故障状态信号后，判断出故障相，如果判定为单相接地故障或者两相接地故障，则检测故障前电流存储值，并计算其故障分量。如果故障前电流和电流故障分量相角差在正向范围内，则判断为正向故障。相角差落在反向范围内，则为反向故障。
如果判定为两相短路故障，检测故障前电流存储值，并计算其故障分量，如果故障前电流和电流故障分量的相角差落在正向动作区间，则判断为正向故障，若落在反向动作区间，则判断为反向故障。
故障前电流和故障分量极性相反，且对端的故障前电流和故障分量电流极性相反，则判定为正向故障。
如果判定为三相短路故障或者三相接地故障，则检测故障前电流存储值，并计算其故障分量。如果故障前电流和电流故障分量的相角差落在正向动作区间，则判断为正向故障，若落在反向动作区间，则判断为反向故障。
如图2所示，本发明提出的一种用于高压直流输电逆变侧换流母线的一种实施例，其原理在于通过故障前电流和故障分量电流来生成故障方向极性符号，通过线路两端配置的方向元件，判定区内故障。
如图3所示，本发明提出的故障相识别方法，当交流故障发生于交流母线正方向侧，检测三相电压，可知接地故障所在相。
当故障发生后，三相电压不平衡，会产生零序电压。且A相电压明显降低，小于0.5倍的标幺值，可知单相接地故障发生于A相。
如图4所示，当A相电压低于门槛值，并且零序电压超过门槛值，判断为A相接地故障。零序方向元件延时检测零序电压与零序电流，比较其相位。如果零序电压故障分量滞后于零序电流故障分量为正方向故障，零序电压故障分量超前于零序电流故障分量为反方向故障。
位于故障点左边的方向元件1的相角差的余弦值大于0，说明故障前电流与故障分量电流相角差在正向范围0°-90°内，则方向元件1判断为正方向故障。
位于故障点右边的方向元件1的相角差的余弦值小于0，说明故障前电流与故障分量电流相角差在反向范围90°-180°内，则方向元件2判断为反方向故障。
进而通过通信通道，可知故障发生在方向元件1和方向元件2之间的交流线路上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于，所述故障方向判别方法包括以下步骤：
步骤1：采集高压交直流混联电网换流母线的三相电压、三相电流；
步骤2：根据所采集的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
步骤3：监测电网运行状态，发生短路或接地故障后，辨识故障发生类型，然后进入步骤4；
步骤4：计算故障前电流与故障分量电流相角差；
步骤5：经过第一设定延时后，判断故障前电流与故障分量电流相角差是否在正向范围内，如果是，则进入步骤7；否则进入步骤6；
步骤6：判断故障前电流与故障分量电流相角差是否在反向范围内，如果是，则进入步骤8；否则闭锁方向判据，不作方向判断；
步骤7：经过第二设定延时后，判断当前故障为正方向故障，开放本侧保护装置动作；
步骤8：经过第三设定延时后，判断当前故障为反方向故障，本侧保护装置不动作。
2.根据权利要求1所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
在步骤3中，根据步骤1采集的高压交直流混联电网换流母线的三相电压、步骤2计算得到的零序电流、负序电压，判断高压交直流混联电网发生扰动后的故障类型。
3.根据权利要求2所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障。
4.根据权利要求2所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障。
5.根据权利要求2所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相短路故障。
6.根据权利要求2所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
当三相电压低于第一门槛值，则判断该相发生了三相接地故障。
7.根据权利要求3-6中任一项权利要求所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
所述第一门槛值为0.4-0.8倍的电压标幺值；
所述第二门槛值为0.1-0.5倍的标幺值。
8.根据权利要求7所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
所述第一门槛值取值为0.5倍的电压标幺值。
9.根据权利要求8所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
所述第二门槛的最优取值为0.3倍的电压标幺值。
10.根据权利要求9所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
相角差在正向范围内是指相角差在0°-90°。
11.根据权利要求1所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
在步骤6中，相角差的反向范围是指90°-180°。
12.根据权利要求1所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
在步骤6中，如果既不在正向范围，也不在反向范围内，即闭锁方向判据，不作方向判断，由在相邻线路上安装的后备的方向元件将会进行方向判断。
13.根据权利要求1所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
第一、第二、第三延时的取值范围为5ms-20ms，为了躲过高压直流系统初次换相失败。
14.根据权利要求13所述的用于高压交直流混联电网的故障方向判别方法，其特征在于：
第一、第二、第三延时的最优取值为10ms。
15.一种用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：所述故障方向判别元件包括故障类型辨识功能和故障方向延时判定功能。
16.一种用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：
所述故障方向判别元件包括故障类型辨识模块和故障方向延时判定模块；
所述故障类型辨识模块根据采集单元检测的逆变侧交流母线三相电压和三相电流，判断故障类型，并向故障方向延时判定模块发出故障状态信号；
所述故障方向延时判定模块在接收到故障方向延时判定模块发出的故障状态信号后进一步判断故障相，判定故障方向。
17.根据权利要求16所述的用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：
所述故障类型辨识模块将采集单元上送的换流母线的三相电压、三相电流计算零序电压、零序电流、负序电压、负序电流以及三相功率；
当某相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断该相发生了单相接地故障(SLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且零序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相接地故障(LLG)；
当某两相电压低于第一门槛值并且负序电压超过第二门槛值，则判断这两相发生了两相故障(LL)；
当三相电压低于第一门槛值，则判断三相发生了三相故障(LLL/LLLG)。
18.根据权利要求17所述的用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：
所述故障类型辨识模块在判别出故障类型后，根据不同的故障类型生成不同的故障状态信号SLG、LLG、LL、LLL/LLLG信号，将所述不同的故障状态信号传送至故障方向延时判定模块，用于启动故障方向延时判定模块对故障方向进行延时再判定。
19.根据权利要求18所述的用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：
所述故障方向延时判定模块接收到故障状态信号后，判断出故障相，如果判定为单相接地故障或者两相接地故障，则计算故障前电流和故障分量电流的相角差，如果落在正向动作区间，则判断为正向故障，若落在反向动作区间，则判断为反向故障。
20.根据权利要求18所述的用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：
如果判定为两相短路故障，检测故障前电流存储值，并计算其故障分量；
如果故障前电流和电流故障分量相角差在正向范围内，则判断为正向故障。
21.根据权利要求18所述的用于交直流混联电网的故障方向判别元件，其特征在于：
如果判定为三相短路故障或者三相接地故障，则
则计算故障前电流和故障分量电流的相角差，如果落在正向动作区间，则判断为正向故障，若落在反向动作区间，则判断为反向故障。
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