CN109659914A - 适用于mmc-hvdc输电线路的行波方向纵联保护方法 - Google Patents

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    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

Abstract

本发明公开了一种适用于MMC‑HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法，包括：整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极电压行波信号和正、负极电流行波信号，根据电压行波信号和电流行波信号确定正、负极瞬时行波功率；根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及已知的故障极识别判据识别出整流侧故障极和逆变侧故障极；识别出整流侧的故障极所对应的故障方向及逆变侧的故障极所对应的故障方向；若两侧的故障方向均为正向，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障；根据确定的故障类型执行相应的保护。应用本发明，可以解决现有技术存在的故障识别可靠性差、保护容易误动的技术问题。

Description

适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体地说，涉及电力系统的保护方法，更具体地说，是涉及一种适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converterbased high voltage direct current，MMC-HVDC)技术具有很多优势：与传统交流输电系统相比，其可实现灵活的潮流控制，同时可给弱交流系统甚至无源系统供电；与传统高压直流输电系统相比，其逆变站不会出现换相失败问题。因此，在电力系统建设中，MMC-HVDC输电系统得到了广泛应用。
目前，MMC-HVDC输电线路主保护仍采用传统基于电压变化量、电压变化率和电流变化率的行波保护方法。本质上，其利用的是电压暂态量和电流暂态量，并不是严格意义上的行波保护方法。同时，现有保护方法仅应用了单端量信息构造保护判据，也不具备方向识别能力，故障识别可靠性差，容易产生保护误动，这种现象在发生区外故障时尤为明显。而且，现有保护判据中判据门槛值的选取复杂，若选取的不合适，对保护的可靠性和灵敏性影响较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法，解决现有技术存在的故障识别可靠性差、保护容易误动等的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法，所述方法包括：
整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极电压行波信号和正、负极电流行波信号，基于数据窗内的电压行波信号和电流行波信号，分别计算整流侧的正、负极瞬时行波功率和逆变侧的正、负极瞬时行波功率，计算公式为：P(n)＝u(n)×i(n)；n为采样点序号，u(n)和i(n)分别为数据窗内电压行波在第n采样点处的采样值和电流行波在第n采样点处的采样值，P(n)为第n采样点处的瞬时行波功率；
故障极识别：所述整流侧保护单元和所述逆变侧保护单元分别根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及已知的故障极识别判据识别出整流侧故障极和逆变侧故障极；
故障方向识别：所述整流侧保护单元根据识别出的所述整流侧故障极所对应的瞬时行波功率确定整流侧瞬时行波能量，根据所述整流侧瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出整流侧的故障极所对应的故障方向；所述逆变侧保护单元根据识别出的所述逆变侧故障极所对应的瞬时行波功率确定逆变侧瞬时行波能量，根据所述逆变侧瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出逆变侧的故障极所对应的故障方向；
故障类型识别：若整流侧的故障方向和逆变侧的故障方向均为正向，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障；
根据确定的故障类型执行相应的保护。
如上所述的方法，所述根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及已知的故障极识别判据识别出故障极，具体包括：
计算故障极识别参数F：P+，max和P-，max分别为正极瞬时行波功率的极大值和负极瞬时行波功率的极大值；
根据所述故障识别参数F和故障极识别判据识别出故障极；所述故障极识别判据为：
如上所述的方法，所述整流侧保护单元或所述逆变侧保护单元根据识别出的故障极所对应的瞬时行波功率确定瞬时行波能量，根据瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出故障极所对应的故障方向，具体包括：
根据故障极所对应的瞬时行波功率确定瞬时行波能量E：N为数据窗的长度，Δt为采样步长；
根据所述瞬时行波能量E和故障方向判据，识别出故障极所对应的故障方向；所述故障方向判据为：
如上所述的方法，所述故障类型识别的过程具体为：
所述整流侧保护单元和所述逆变侧保护单元交换故障方向识别结果；
然后，所述整流侧保护单元和所述逆变侧保护单元分别执行下述的故障类型识别：若整流侧的故障方向和逆变侧的故障方向均为正向，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障。
如上所述的方法，所述根据确定的故障类型执行相应的保护，具体包括：
若所述故障类型为所述区内故障，保护单元执行保护动作；
若所述故障类型为所述区外故障，保护单元不动作。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
(1)应用本发明的方法，利用正极瞬时行波功率和负极瞬时行波功率可以识别出整流侧和逆变侧的故障极；根据故障极所对应的瞬时功率确定瞬时行波能量，根据识别出的故障极及故障极所对应的瞬时行波能量可以识别出故障极所对应的故障方向；根据两侧的故障方向能够确定出故障类型，从而准确识别出区内故障或区外故障，解决了现有技术难以有效识别故障类型的问题，且故障识别可靠性高，避免了保护误动作，提高了保护可靠性。
(2)本发明提出的保护方法中，无需在整流侧和逆变侧安装平波电抗器，降低了系统成本。
(3)应用本发明提出的保护方法，两侧保护单元无需时间同步，也无需交换大量的采样数据，仅需交换故障方向，通信通道的数据传输压力小，保护方法更易于实现。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是基于本发明适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法一个实施例的流程图；
图2是图1实施例中MMC-HVDC输电线路的网络架构图；
图3为采用图1实施例的方法在发生典型区内故障时两侧保护单元的仿真波形，其中，(a)为两侧保护单元处正、负极直流电压波形，(b)为两侧保护单元处正、负极直流电流波形，(c)为两侧保护单元处正、负极电压行波波形，(d)为两侧保护单元处正、负极电流行波波形；
图4为采用图1实施例的方法在发生典型区外故障时两侧保护单元的仿真波形，其中，(a)为两侧保护单元处正、负极直流电压波形，(b)为两侧保护单元处正、负极直流电流波形，(c)为两侧保护单元处正、负极电压行波波形，(d)为两侧保护单元处正、负极电流行波波形；
图5为根据图3和图4中的行波波形获得的瞬时功率波形，其中，(a)为根据图3中的正、负极电压行波和正、负极电流行波获得的两侧保护单元处正、负极瞬时行波功率波形；(b)根据图4中的正、负极电压行波和正、负极电流行波获得的两侧保护单元处正、负极瞬时行波功率波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，该图所示为基于本发明适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法一个实施例的流程图。结合图2示出的MMC-HVDC输电线路网络架构图，该实施例采用下述过程实现MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护：
步骤11：整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极电压行波信号和正、负极电流行波信号，根据电压行波信号和电流行波信号确定瞬时行波功率。
具体的，在图2中，整流侧保护单元通过RP单元和RN单元分别采集直流输电电路上的正极电压行波信号/正极电流行波信号和负极电压行波信号/负极电流行波信号，逆变侧保护单元通过IP和IN单元分别采集直流输电线路上的正极电压行波信号/正极电流行波信号和负极电压行波信号/负极电流行波信号。
然后，基于数据窗内的电压行波信号和电流行波信号，分别计算整流侧的正、负极瞬时行波功率和逆变侧的正、负极瞬时行波功率，计算公式为：P(n)＝u(n)×i(n)；n为采样点序号，u(n)和i(n)分别为数据窗内电压行波在第n采样点处的采样值和电流行波在第n采样点处的采样值，户(n)为第n采样点处的瞬时行波功率。具体的，整流侧的正极瞬时行波功率根据整流侧的正极电压行波信号和正极电流行波信号计算获得，整流侧的负极瞬时行波功率根据整流侧的负极电压行波信号和负极电流行波信号计算获得；逆变侧的正极瞬时行波功率根据逆变侧的正极电压行波信号和正极电流行波信号计算获得，逆变侧的负极瞬时行波功率根据逆变侧的负极电压行波信号和负极电流行波信号计算获得。
步骤12：整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别执行故障极识别。
具体的，整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及故障极识别判据识别出整流侧故障极和逆变侧故障极。其中，故障极识别判据为已知的判据，为基于正、负极瞬时行波功率即可识别出故障极的判据，该实施例对故障极识别判据的具体算法不作限定。作为一种优选的实施方式，为简化计算过程、提高识别准确性，整流侧保护单元或逆变侧保护单元根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及已知的故障极识别判据识别出故障极，具体包括：
计算故障极识别参数F：P+，max和P-，max分别为正极瞬时行波功率的极大值和负极瞬时行波功率的极大值；
根据故障识别参数F和故障极识别判据识别出故障极，故障极识别判据为：
其中，极极故障是指同时包括有正极故障和负极故障。
步骤13：整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别基于故障极识别结果执行故障方向识别。
具体的，在该步骤中，整流侧保护单元计算根据识别出的整流侧故障极所对应的瞬时行波功率确定整流侧瞬时行波能量，根据整流侧瞬时行波能量以及故障方向判据，识别出整流侧的故障极所对应的故障方向。譬如，若步骤12识别出整流侧故障极为正极故障，则整流侧保护单元将根据正极瞬时行波功率确定整流侧正极瞬时行波能量，然后根据该瞬时行波能量以及故障方向判据，识别出正极所对应的故障方向；若步骤12识别出整流侧故障极为负极故障，则整流侧保护单元将根据负极瞬时行波功率确定整流侧负极瞬时行波能量，再根据该瞬时行波能量以及故障方向判据，识别出负极所对应的故障方向。逆变侧保护单元故障方向的识别采用与整流侧类似的方法实现。
其中，故障方向判据为已知的判据，为基于瞬时行波功率确定的瞬时行波能量即可识别出故障方向的判据，该实施例对故障方向判据的具体算法不作限定。作为一种优选的实施方式，为简化计算过程、提高识别准确性，整流侧保护单元或逆变侧保护单元计算根据识别出的故障极所对应的瞬时行波功率确定瞬时行波能量，根据瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出故障极所对应的故障方向，具体包括：
首先，根据故障极所对应的瞬时行波功率确定瞬时行波能量E：N为数据窗的长度，Δt为采样步长；
然后，根据瞬时行波能量E和故障方向判据，识别出故障极所对应的故障方向；故障方向判据为：该优选实施方式利用了瞬时功率在一段时间窗口的积分值，可靠性高，在一定程度上能够提高交直流混联电网的稳定性。
步骤14：根据识别的故障方向确定故障类型。
具体的，若整流侧的故障方向和逆变侧的故障方向均为正向，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障。并且，整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别确定各自的故障类型。
具体的，在步骤13确定了整流侧故障方向及逆变侧故障方向之后，整流侧保护单元和逆变侧保护单元交换故障方向识别结果。然后，整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别根据两侧的故障方向进行判断，如果两个故障方向均为正向，则确定该侧的故障类型为区内故障；否则，确定该侧故障类型为区外故障。
步骤15：根据确定的故障类型执行相应的保护。
故障类型一般为区内故障或区外故障，每种故障对应着不同的保护策略。若故障类型为区内故障，保护单元将执行保护动作；若故障类型为区外故障，保护单元不动作。在确定故障类型后，根据已知的对应关系，保护单元执行相应的保护。
采用上述实施例的方法执行行波方向纵联保护，利用正极瞬时行波功率和负极瞬时行波功率可以识别出整流侧和逆变侧的故障极；根据故障极所对应的瞬时功率确定瞬时行波能量，根据识别出的故障极及故障极所对应的瞬时行波能量可以识别出故障极所对应的故障方向；根据两侧的故障方向能够确定出故障类型，从而准确识别出区内故障或区外故障，解决了现有技术难以有效识别故障类型的问题，且故障识别可靠性高，避免了保护误动作，提高了保护可靠性。而且，采用该实施例的方法，两侧保护单元独立识别故障极和故障方向，两侧保护单元之间无需时间同步，也无需交换大量的采样数据，仅需交换故障方向，通信通道的数据传输压力小，保护方法更易于实现。此外，该实施例的方法在执行纵联保护时，无需在整流侧和逆变侧安装平波电抗器，降低了系统成本。
图3为采用图1实施例的方法在发生典型区内故障时两侧保护单元的仿真波形，其中，(a)为两侧保护单元处正、负极直流电压波形，uRP和uRN分别为整流侧保护单元处正极直流电压和负极直流电压，uIP和uIN分别为逆变侧保护单元处正极直流电压和负极直流电压；(b)为两侧保护单元处正、负极直流电流波形，iRP和iRN分别为整流侧保护单元处正极直流电流波形和负极直流电流波形，iIP和iIN分别为逆变侧保护单元处正极直流电流波形和负极直流电流波形；(c)为两侧保护单元处正、负极电压行波波形，u′RP和u′RN分别为整流侧保护单元处正极电压行波波形和负极电压行波波形，u′IP和u′IN分别为逆变侧保护单元处正极电压行波波形和负极电压行波波形；(d)为两侧保护单元处正、负极电流行波波形，i′RP和i′RN分别为整流侧保护单元处正极电流行波波形和负极电流行波波形，i′IP和i′IN分别为逆变侧保护单元处正极电流行波波形和负极电流行波波形。
根据图3中的正、负极电压行波和正、负极电流行波获得的两侧保护单元处正、负极瞬时行波功率波形见图5的波形(a)，其中，PRP和PRN分别为整流侧保护单元处正极瞬时行波功率和负极瞬时行波功率，PIP和PIN分别为逆变侧保护单元处正极瞬时行波功率和负极瞬时行波功率。
按照图1实施例的方法及优选实施例的方法对图3及图5(a)的波形进行处理，整流侧的故障极识别参数F的值为0.471，大于0.1，识别为正极接地故障；整流侧的正极的瞬时行波能量E的值为-386.379J，小于0，为正向故障；因此，整流侧的故障为正向正极接地故障。经计算，逆变侧的故障极识别参数F的值为0.405，大于0.1，识别为正极故障；逆变侧的正极的瞬时行波能量E的值为-213.877J，小于0，为正向故障；因此，逆变侧的故障为正向正极接地故障。由于整流侧和逆变侧的故障方向均为正向，因此，两侧的故障类型均为区内故障。
图4为采用图1实施例的方法在发生典型区外故障时两侧保护单元的仿真波形，其中，(a)为两侧保护单元处正、负极直流电压波形，uRP和uRN分别为整流侧保护单元处正极直流电压和负极直流电压，uIP和uIN分别为逆变侧保护单元处正极直流电压和负极直流电压；(b)为两侧保护单元处正、负极直流电流波形，iRP和iRN分别为整流侧保护单元处正极直流电流波形和负极直流电流波形，iIP和iIN分别为逆变侧保护单元处正极直流电流波形和负极直流电流波形；(c)为两侧保护单元处正、负极电压行波波形，u′RP和u′RN分别为整流侧保护单元处正极电压行波波形和负极电压行波波形，u′IP和u′IN分别为逆变侧保护单元处正极电压行波波形和负极电压行波波形；(d)为两侧保护单元处正、负极电流行波波形，i′RP和i′RN分别为整流侧保护单元处正极电流行波波形和负极电流行波波形，i′IP和i′IN分别为逆变侧保护单元处正极电流行波波形和负极电流行波波形。
根据图3中的正、负极电压行波和正、负极电流行波获得的两侧保护单元处正、负极瞬时行波功率波形见图5的波形(b)，其中，PRP和PRN分别为整流侧保护单元处正极瞬时行波功率和负极瞬时行波功率，PIP和PIN分别为逆变侧保护单元处正极瞬时行波功率和负极瞬时行波功率。
按照图1实施例的方法及优选实施例的方法对图4及图5(b)的波形进行处理，整流侧的故障极识别参数F的值为2.836，大于0.1，识别为正极接地故障；整流侧的正极的瞬时行波能量E的值为4105.709J，大于0，为反向故障；因此，整流侧的故障为反向正极接地故障。经计算，逆变侧的故障极识别参数F的值为0.149，大于0.1，识别为正极故障；逆变侧的正极的瞬时行波能量E的值为-149.245J，小于0，为正向故障；因此，逆变侧的故障为正向正极接地故障。由于整流侧的故障方向为反向，因此，两侧的故障类型均为区外故障。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种适用于MMC-HVDC输电线路的行波方向纵联保护方法，其特征在于，所述方法包括：
整流侧保护单元和逆变侧保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极电压行波信号和正、负极电流行波信号，基于数据窗内的电压行波信号和电流行波信号，分别计算整流侧的正、负极瞬时行波功率和逆变侧的正、负极瞬时行波功率，计算公式为：P(n)＝u(n)×i(n)；n为采样点序号，u(n)和i(n)分别为数据窗内电压行波在第n采样点处的采样值和电流行波在第n采样点处的采样值，P(n)为第n采样点处的瞬时行波功率；
故障极识别：所述整流侧保护单元和所述逆变侧保护单元分别根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及已知的故障极识别判据识别出整流侧故障极和逆变侧故障极；
故障方向识别：所述整流侧保护单元根据识别出的所述整流侧故障极所对应的瞬时行波功率确定整流侧瞬时行波能量，根据所述整流侧瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出整流侧的故障极所对应的故障方向；所述逆变侧保护单元根据识别出的所述逆变侧故障极所对应的瞬时行波功率确定逆变侧瞬时行波能量，根据所述逆变侧瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出逆变侧的故障极所对应的故障方向；
故障类型识别：若整流侧的故障方向和逆变侧的故障方向均为正向，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障；
根据确定的故障类型执行相应的保护。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所在端的正极瞬时行波功率、负极瞬时行波功率及已知的故障极识别判据识别出故障极，具体包括：
计算故障极识别参数F：P+，max和P-，max分别为正极瞬时行波功率的极大值和负极瞬时行波功率的极大值；
根据所述故障识别参数F和故障极识别判据识别出故障极；所述故障极识别判据为：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整流侧保护单元或所述逆变侧保护单元根据识别出的故障极所对应的瞬时行波功率确定瞬时行波能量，根据瞬时行波能量以及已知的故障方向判据，识别出故障极所对应的故障方向，具体包括：
根据故障极所对应的瞬时行波功率确定瞬时行波能量E：N为数据窗的长度，Δt为采样步长；
根据所述瞬时行波能量E和故障方向判据，识别出故障极所对应的故障方向；所述故障方向判据为：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述故障类型识别的过程具体为：
所述整流侧保护单元和所述逆变侧保护单元交换故障方向识别结果；
然后，所述整流侧保护单元和所述逆变侧保护单元分别执行下述的故障类型识别：若整流侧的故障方向和逆变侧的故障方向均为正向，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据确定的故障类型执行相应的保护，具体包括：
若所述故障类型为所述区内故障，保护单元执行保护动作；
若所述故障类型为所述区外故障，保护单元不动作。
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