CN109659917A - 一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置，方法包括：实时采集限流电抗器两侧的电压值；根据电压值计算电压变化率；判断电压变化率是否满足起动判据；如果满足，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；如果不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；判断其是否满足纵联比值判据；如果满足向线路对端发送动作信号，在接收线路对端动作信号后，发送动作命令，直流断路器动作切除故障。本申请利用单端线路边界电抗器电压大小实现故障快速动作，利用线路双端限流电抗器两侧暂态电压比判别实现区内、区外故障。本申请充分利用电抗器电压方向判据与纵联差动判据，实现故障的快速检测、诊断与切除。

Description

一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置

技术领域

本申请涉及直流线路保护技术领域，特别涉及一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置。

背景技术

国内在“大容量远距离直流输电和特高压交流输电”的技术和工程应用领域取得了突破性进展，为国内能源资源的优化配置发挥了重要作用。基于传统电网换相换流器(LCC-HVDC)的直流输电技术存在换相失败、需要吸收大量无功功率、无法向无源网络供电等缺点。随着全控型开关器件的出现与成熟，以电压源型换流器(VSC-HVDC)为核心部件的柔性直流技术成为直流输配电领域重要的发展方向：从负荷需求和电源分布考虑，实现多电源供电及多落点受电的柔性直流电网是电网发展的必然趋势；从建设成本和经济性考虑，多端柔性直流输电系统显然比并行多条点对点式直流输电线路更加有利于节约线路走廊，降低投资和减小运行费用；从电网供电可靠性和运行灵活性考虑，多端直流电网可以提供更好的供电可靠性和系统冗余性，以及适应性更强的供电模式、灵活和安全的潮流控制等；从新能源自身间歇性和分散性的特点考虑，多端柔性直流电网可以有效改善新能源对电网安全稳定运行的影响。因此，基于柔性直流技术的直流电网被认为能够带来未来电力系统发展的一次重要革命。

直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统，可以实现新能源的平滑接入、全局功率的调节互济、长距离大范围的电能传输。在大规模分布式可再生能源接入、海洋群岛供电、海上风电场群集中送出、新型城市电网构建等方面，直流电网被认为是最理想的组网方法，也是未来智能电网发展的重要方向之一。

柔性直流电网的发展尚面临若干关键技术问题亟待解决，其中，有别于传统交流电网和常规高压直流输电系统，多端柔性直流电网特殊的故障暂态特征、复杂快速的换流器故障控制以及直流断路器等一次设备的性能制约对其继电保护赋予了新的挑战和任务。现有的多端柔性直流线路保护方法原理尚不完善，在保护速动性、选择性方面存在不足。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置，以解决多端柔性直流线路保护方法在保护速动性、选择性方面存在不足的问题。

一方面，根据本申请的实施例，提供了一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法，包括：

实时采集限流电抗器两侧的电压值；

根据所述电压值计算电压变化率；

判断所述电压变化率是否满足起动判据；

如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；

如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；

判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；

如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令。

进一步地，所述方法还包括：

如果所述线路电抗器电压满足电压方向判据，向线路对端发送动作信号，发送动作命令。

进一步地，所述方法还包括：

如果未接收到所述线路对端动作信号，执行所述实时采集限流电抗器两侧的电压值的步骤。

进一步地，所述启动判据为

式中，U为线路电压实时监测值，dU/dt为实时电压变化率，Δ_start为启动判据整定值，U_N为直流线路额定电压。

进一步地，所述电压方向判据为

式中，V_L为限流电抗器L_t的电压，i_dc为流经限流电抗器的电流。

进一步地，所述纵联比值判据为

式中，U_ωe(f)是限流电抗器换流站侧的高频电压有效值，U_ωi(f)是线路侧的高频电压有效值，k_set为限流电抗器换流站侧和线路侧的高频暂态电压比值，f_min为频带最小频率，f₀为输电系统的谐振频率；

其中，所述输电系统的谐振频率f₀的计算公式为

式中，L_t为限流电抗器值，C为并联大电容。

另一方面，根据本申请的实施例，提供了一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护装置，包括：

采集单元，用于实时采集限流电抗器两侧的电压值；

第一计算单元，用于根据所述电压值计算电压变化率；

第一判断单元，用于判断所述电压变化率是否满足起动判据；

第二判断单元，用于如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；

第二计算单元，用于如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；

第三计算单元，用于判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；

第一发送单元，用于如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令。

进一步地，所述装置还包括：

第二发送单元，用于如果所述线路电抗器电压满足电压方向判据，向线路对端发送动作信号，发送动作命令。

由以上技术方法可知，本申请实施例提供一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置，所述方法包括：实时采集限流电抗器两侧的电压值；根据所述电压值计算电压变化率；判断所述电压变化率是否满足起动判据；如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令，直流断路器动作切除故障。本申请利用单端线路边界电抗器电压大小实现故障快速动作，利用线路双端限流电抗器两侧暂态电压比可靠判别区内、区外故障。本申请提出的基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法充分利用电抗器电压方向判据与纵联差动判据，实现故障的快速检测、诊断与切除。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方法，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法的流程图；

图2为典型多端柔性直流系统示意图；

图3为多端柔直系统Cable1正向直流故障示意图；

图4为多端柔直系统Cable1反向直流故障示意图；

图5为区外故障时故障附加网络示意图；

图6为区内故障时故障附加网络示意图；

图7为根据本申请实施例示出的一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护装置的结构框图。

具体实施方式

参阅图1，根据本申请的实施例，提供了一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法，包括：

步骤S1、实时采集限流电抗器两侧的电压值；

步骤S2、根据所述电压值计算电压变化率；

步骤S3、判断所述电压变化率是否满足起动判据；

如果所述电压变化率满足所述起动判据，步骤S4、判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；

如果所述电压变化率不满足所述起动判据，执行步骤S1、实时采集限流电抗器两侧的电压值；

如果所述线路电抗器电压满足电压方向判据，执行步骤S8、向线路对端发送动作信号，发送动作命令。

如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，步骤S5、计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；

其中，限流电抗器两侧暂态高频电压比值为限流电抗器换流站侧的高频电压和线路侧的高频电压的比值。

步骤S6、判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；

如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，步骤S7、向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令。

如果未接收到所述线路对端动作信号，执行步骤S1、所述实时采集限流电抗器两侧的电压值。

如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值不满足纵联比值判据，执行步骤S1、实时采集限流电抗器两侧的电压值。

在发送动作命令后直流断路器动作切除故障。

本申请提出一种适用于多端柔性直流系统保护方法，该方法基于直流线路边界电抗器暂态电压。区内故障时，线路两端保护安装处的暂态电压高频分量的有效值均大于限流电抗器换流站侧的值；区外故障时，故障端的特性与之相反。

根据上述限流电抗器对电压暂态分量的影响，本申请提出了基于限流电抗器两侧高频电压比值的纵联保护方法以及基于电压方向的保护方法。纵联保护方法的优点在于抗过渡电阻能力强，弱点在于保护有通讯时延。基于电压方向的保护方案无需等待对端动作信号，动作速度快，然而，该方案对过渡电阻十分敏感。因此，本申请将两种保护方法结合起来，电压方向判据用于识别区内金属性故障或小电阻接地，保证严重故障时保护装置的快速动作。由于高阻故障下故障电流的上升速度和峰值较金属性故障小很多，对保护的速动性要求较低，因此，可利用纵联保护判据识别区内高阻接地故障。

由以上技术方法可知，本申请实施例提供一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法，包括：实时采集限流电抗器两侧的电压值；根据所述电压值计算电压变化率；判断所述电压变化率是否满足起动判据；如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令，直流断路器动作切除故障。本申请利用单端线路边界电抗器电压大小实现故障快速动作，利用线路双端限流电抗器两侧暂态电压比可靠判别区内、区外故障。本申请提出的基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法充分利用电抗器电压方向判据与纵联差动判据，实现故障的快速检测、诊断与切除。

进一步地，本申请考虑到系统正常运行时电压波动较低，电压波动率通常低于0.05U_N kV/ms，本申请考虑一定裕度，提出柔性直流线路保护的启动判据。

所述启动判据为

式中，U为线路电压实时监测值，dU/dt为实时电压变化率，Δ_start为启动判据整定值，U_N为直流线路额定电压。

直流线路两端的边界电抗器电压在正向故障和背侧故障具有不同的值，因此，本申请采用电抗器电压方向判据快速检测金属性接地故障或小电阻接地故障，不需要通讯，具有较高的灵敏性和速动性。

如图2所示，图2是典型多端柔性直流系统示意图。系统中连接了五个换流站端口，其中有三个交流电网端口，分别为AC1，AC2和AC3，两个海上风电端口，分别为WF1和WF2。该多端柔性直流系统是海上风电并网的典型场景，包括五端口和四条直流电缆线。每个换流站均采用电压源型换流站VSC伪双极母线接线结构，换流站直流出口包含直流电抗器、直流侧大电容，交流出口有环流变压器、交流滤波器等。本申请研究直流电缆线路的故障保护方法，即对于每条电缆，通过故障判据可靠辨别区内故障和区外故障，对于电缆Cable1，故障发生在P1-P3内为区内故障，P5-P9为区外故障。

可靠的方向判据对多端柔性直流系统的直流线路保护方法尤为重要，图3展示了电缆Cable1的正向极间故障示意图。直流电流通过边界电抗器从母线流向线路，与直流电流i_dc的参考方向一致增大，即变化率为正。而对于图4所示的反向故障，流经直流电抗器的电流变化方向与参考方向相反，变化率为负。根据式(2)，将电流变化率构造为电抗器电压，据此，本申请提出利用边界电抗器电压方向的直流线路方向判据，能可靠区分线路故障方向。

式中，V_L为限流电抗器L_t的电压，i_dc为流经限流电抗器的电流，参考方向如图3和图4所示。

由以上分析可知，Cable1的VSC1侧发生正向故障时，电抗器两端电压为正值；反之，发生反向故障时，电流会反向增大，此时电抗器电压小于零。因此，本申请选用电抗器电压作为方向保护判据：

式中，V_L为限流电抗器L_t的电压，i_dc为流经限流电抗器的电流，参考方向如图3和图4所示。

因此，进一步地，所述电压方向判据为

式中，V_L为限流电抗器L_t的电压，i_dc为流经限流电抗器的电流。

当线路发生高阻接地或其他故障，导致电抗器电压方向判据无法动作时，本申请提出纵联保护判据。纵联保护判据利用限流电抗器两侧暂态高频电压比值，需要一定的通讯时间。纵联保护只有当两侧电抗器均满足判据，才启动保护，通过巴特沃兹滤波器提取暂态电压信号，计算电压有效值，如式(5)所示。

式中，U_ω为5ms数据窗内电压有效值，u_ω(n)为线路电压采样值，T₀为起动元件动作时刻，N为数据点数量。

1)区内外故障特征分析

如图5所示，M点处发生区外故障后系统等效网络中产生附加网络，附加网络用于分析故障后的高频暂态分量。故障点产生附加电源为U_f，图中直流线路各部分等效阻抗Z_L，Z_S，Z_e。

从图5所示的区外故障附加网络中可见，M侧限流电抗器两侧电压比值在s频域表示为式(6)，在角频率ω很高时，式(6)可以化简为式(7)。

式中，U_mi(s)表示电抗器靠近线路端的电压，U_me(s)表示电抗器靠近换流站端的电压，L_t为限流电抗器值，Z_L为线路阻抗，C为并联大电容，Z_s为换流站等效电阻，R_L是直流线路的等效电阻，L_L是直流线路的等效电感。

由于R_L、L_L、L_t皆是正实数，当时，1/ωC＜ωL_t+ωL_L，因此

式中，U_mi(s)表示电抗器靠近线路端的电压，U_me(s)表示电抗器靠近换流站端的电压。

在反方向故障时，限流电抗器换流站侧检测到的高频谐波分量大于线路侧。

如图6所示为直流线路发生区内故障时的高频暂态附加网络，同样分析M点限流电抗器两侧的电压在高频时的特性。

M端的限流电抗器两侧电压比值为式(9),在频率f很高时，电压比为(10)。

式中，U_mi(s)表示电抗器靠近线路端的电压，U_me(s)表示电抗器靠近换流站端的电压，f为电抗器L_t和并联电容C构成的串联谐振频率。在高频状态，由公式(10)可见，该电压的比值已经下降到很低。

2)区内外故障时电压比值特性比较

由1)区内外故障特征分析可知，对于线路区内故障和区外故障，线路电抗器两侧电压的变化趋势不同。当线路发生区外故障时，假设故障点在直流线路的M端，对于K端和M端的高频暂态电压，则有公式(11)成立。

式中，U_ke(f)表示K侧电抗器靠近换流站端的电压，U_ki(f)表示K侧电抗器靠近线路端的电压，U_me(f)表示M侧电抗器靠近换流站端的电压，U_mi(f)表示M侧电抗器靠近线路端的电压。

由2)区内外故障时电压比值特性比较可知，在高频状态下，限流电抗器换流站侧的暂态电压与线路侧的暂态电压之比较小，因此，本申请提出的纵联保护判据如公式(12)所示。

进一步地，所述纵联比值判据为

式中，U_ωe(f)是限流电抗器换流站侧的高频电压有效值，U_ωi(f)是线路侧的高频电压有效值，k_set为限流电抗器换流站侧和线路侧的高频暂态电压比值，f_min为频带最小频率，f₀为输电系统的谐振频率；

其中，所述输电系统的谐振频率f₀的计算公式为

式中，L_t为限流电抗器值，C为并联大电容。

当线路两端的限流电抗器高频暂态电压均满足式(12)时，认为故障发生在区内。

参阅图7，本申请实施例提供了一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护装置，包括：

采集单元101，用于实时采集限流电抗器两侧的电压值；

第一计算单元102，用于根据所述电压值计算电压变化率；

第一判断单元103，用于判断所述电压变化率是否满足起动判据；

第二判断单元104，用于如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；

第二计算单元105，用于如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；

第三计算单元106，用于判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；

第一发送单元107，用于如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令。

进一步地，所述装置还包括：

第二发送单元108，用于如果所述线路电抗器电压满足电压方向判据，向线路对端发送动作信号，发送动作命令。

由以上技术方法可知，本申请实施例提供一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法及装置，所述方法包括：实时采集限流电抗器两侧的电压值；根据所述电压值计算电压变化率；判断所述电压变化率是否满足起动判据；如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令，直流断路器动作切除故障。本申请利用单端线路边界电抗器电压大小实现故障快速动作，利用线路双端限流电抗器两侧暂态电压比可靠判别区内、区外故障。本申请提出的基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法充分利用电抗器电压方向判据与纵联差动判据，实现故障的快速检测、诊断与切除。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方法。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护方法，其特征在于，包括：

实时采集限流电抗器两侧的电压值；

根据所述电压值计算电压变化率；

判断所述电压变化率是否满足起动判据；

如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；

如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；

判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；

如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

如果所述线路电抗器电压满足电压方向判据，向线路对端发送动作信号，发送动作命令。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

如果未接收到所述线路对端动作信号，执行所述实时采集限流电抗器两侧的电压值的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述启动判据为

式中，U为线路电压实时监测值，dU/dt为实时电压变化率，Δ_start为启动判据整定值，U_N为直流线路额定电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压方向判据为

式中，V_L为限流电抗器L_t的电压，i_dc为流经限流电抗器的电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纵联比值判据为

式中，U_ωe(f)是限流电抗器换流站侧的高频电压有效值，U_ωi(f)是线路侧的高频电压有效值，k_set为限流电抗器换流站侧和线路侧的高频暂态电压比值，f_min为频带最小频率，f₀为输电系统的谐振频率；

其中，所述输电系统的谐振频率f₀的计算公式为

式中，L_t为限流电抗器值，C为并联大电容。

7.一种基于暂态电压的多端柔性直流线路保护装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于实时采集限流电抗器两侧的电压值；

第一计算单元，用于根据所述电压值计算电压变化率；

第一判断单元，用于判断所述电压变化率是否满足起动判据；

第二判断单元，用于如果所述电压变化率满足所述起动判据，判断线路电抗器电压是否满足电压方向判据；

第二计算单元，用于如果所述线路电抗器电压不满足电压方向判据，计算限流电抗器两侧暂态高频电压比值；

第三计算单元，用于判断所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值是否满足纵联比值判据；

第一发送单元，用于如果所述限流电抗器两侧暂态高频电压比值满足纵联比值判据，向线路对端发送动作信号，在接收所述线路对端动作信号后，发送动作命令。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

第二发送单元，用于如果所述线路电抗器电压满足电压方向判据，向线路对端发送动作信号，发送动作命令。