CN110137921A - 基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，针对某实际特高压直流分层接入工程，在PSCAD中搭建其电磁暂态模型，获得换相失败时背侧直流系统的正、负、零序阻抗特征；根据突变量方向元件的保护原理，结合背侧直流系统的正、负、零序阻抗特征，提出基于零序阻抗的纵联突变量方向保护方法。对于所述突变量相方向元件和相差方向元件，要求保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，从而准确测出背侧系统的正序阻抗；对于所述突变量序方向元件，可以准确测出保护安装处背侧系统的正、负、零序阻抗，但是要求所述背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，从而准确判断出故障方向。

Description

基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法

技术领域

本发明属于交直流混联特高压直流分层接入方式下交流系统保护领域，特别地涉及一种一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法。

背景技术

长期以来，我国能源消费与资源禀赋之间存在严重的空间异质性，大规模、远距离的输电要求促进了超\特高压直流工程的不断建设和发展。目前华东和华南已经形成了多馈入直流系统，受端电网的支撑能力面临严峻考验，为了从电网结构上解决这一问题，国内学者率先提出一种特高压直流分层接入交流电网的方式，即直流逆变站高、低端换流器通过换流变压器分别接入500kV/1000kV受端电网。

针对这一全新的模式，目前的研究还比较少，主要集中在分层接入系统的方式介绍，多馈入分层短路比的适用性，直流控制系统的整体设计以及功率的协调控制等方面。与多馈入直流相比，受端分层混联系统的拓扑结构更为复杂，交直流系统间的耦合更加严重。特别值得注意的是，受端混联系统间的交互影响可能导致连锁故障的发生，这也是目前我国部分电网“强直弱交”现状的症结所在。因此，研究直流系统提供暂态电流的故障特征及现有突变量方向保护的适应性情况，提出更适合直流分层接入的保护方法，交流系统保护快速动作隔离故障，是保证“强直弱交”电网稳定运行的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够应用于交直流混联电网的保护方法，充分考虑直流分层接入的影响，使交流系统输电线路在直流系统换相失败时突变量方向保护正确动作。

本发明提供了一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，包括以下步骤：

步骤一：针对某实际特高压直流分层接入工程，在PSCAD中搭建其电磁暂态模型，获得换相失败时背侧直流系统的正、负、零序阻抗特征；

步骤二：根据突变量方向元件的保护原理，结合步骤一中的背侧直流系统的正、负、零序阻抗特征，提出基于零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，所述突变量方向元件根据原理可以分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中所述相突变量方向元件分为相和相差方向元件，所述突变量方向元件的适用条件如下：

(1)对于所述突变量相方向元件和相差方向元件，要求保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，从而准确测出背侧系统的正序阻抗；

(2)对于所述突变量序方向元件，可以准确测出保护安装处背侧系统的正、负、零序阻抗，但是要求所述背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，从而准确判断出故障方向。

进一步，所述正、负、零序阻抗特征为：

式中：m＝1、2、0分别表示正序、负、零序分量；ΔUm(k)、ΔIm(k)分别为换流器交流侧k次谐波电压、电流故障分量；对保护而言，仅关心工频量，即k＝1。

进一步，所述突变量方向元件根据原理可以分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中相突变量方向元件分为相和相差方向元件，表达式分别为如式(2)和(3)：

序方向元件分为正、负、零序方向元件，表达式分别为(4)、(5)和(6)：

式中：下标g表示突变量，下标1，2，0分别表示正序、负序、零序分量，θ表示阻抗相角；

对于工频突变量元件，在MN线路上，对于M侧的保护，当正方向K1点故障时，相当于故障附加状态的等效网络中在K1点接入一个新电源，变化量即有k1点的新电源产生，这时继电器所感受的电压变化即故障分量为：

式中：这里的U、I均表示M端母线处电压、电流的故障分量，故障分量的电流可普遍表示为：

分别将式(7)和式(8)减去对应的零序电压和零序电流，以A相为例，则有：

当背后电源系统有Z_1S＝Z_2S时，则式(9)可以化简为：

对于突变量序方向保护而言，由A、B、C三相电压相量通过相序变化，可以求得正负零序电压相量如下：

式中：F为凯伦贝尔相序逆变换矩阵，如式(12)所示：

化简式(11)，可得：

本发明公开了一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，该方法综合考虑了特高压直流分层接入方式的影响，能够在直流系统发生换相失败时，准确地定位出交流系统接地故障位置，保护正确动作，不受直流系统控制方式的影响。

附图说明

图1是本发明实施例的某±800kV特高压直流分层工程接入交流系统示意图；

图2是本发明实施例的特高压直流分层接入方式单极模型示意图；

图3是本发明实施例的交流线路发生故障时背侧直流系统正负序阻抗；

图4是本发明实施例的交流线路发生故障时背侧直流系统零序阻抗；

图5是本发明的工频突变量方向元件原理图；

图6是本发明实施例的交流输电线路背侧直流系统侧的正负序阻抗；

图7是本发明实施例的交流输电线路对侧交流系统侧的正负序阻抗；

图8是本发明实施例的交流输电线路背侧交流系统侧的零序阻抗；

图9是本发明实施例的交流输电线路对侧交流系统侧的零序阻抗。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

根据说明书附图1-9对一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法进行介绍。

图1为某实际±800kV特高压直流分层接入工程。在该接入方式下，直流逆变侧双低端换流器(TZ-C1)通过高压换流变接入1000kV交流电网，双高端换流器(TZ-C2)通过低压换流变接入500kV交流电网，并通过多回超/特高压交流线路将大规模电能进行疏散。其中直流线路额定电压为±800kV，额定电流为6.25kA，额定容量为10000MW，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。

图2为该特高压直流分层接入方式下受端混联电网的单极模型。图中采用2组12脉动换流器串联的形式分别与三绕组变压器相连并接往不同电压等级母线上；I_d为直流电流；U_d1与U_d2分别为回路1和2的逆变侧直流电压；U_d为整个逆变侧直流电压，即U_d1与U_d2之和；U₁和U₂为不同电压等级逆变侧交流母线线电压有效值；T₁和T₂为变压器变比；Z₁和Z₂为交流系统等值阻抗；Z₁₂为换流母线1和2之间的等值联系阻抗；I_ac1与I_ac2分别为特高压直流分层接入方式下从1 000kV和500kV直流换相母线注入受端电网的交流电流；E₁∠ζ₁、E₂∠ζ₂为受端系统恒压源；B_c1、B_c2分别为回路1和回路2的无功补偿设备；P_d1、P_d2分别为输送到回路1、2的直流有功功率；P_ac1、P_ac2分别为输送到交流受端系统回路1、2的有功功率；P₁₂为换流母线间联络线上功率；Pd为直流输电线路上有功功率。

在PSCAD仿真平台中搭建如图2所示的±800kV特高压直流分层接入500/1000kV交流系统的单极等值混联系统模型，直流系统采用双12脉动400kV+400kV换流器，额定直流功率为5000MW，额定直流电流为6.25kA，换流器熄弧角均为22°，受端两层系统的稳态运行电压分别为520kV、1050kV，受端交流系统等值阻抗采用戴维南等效模型，对应的参数为Z₁＝10.67+j42.7Ω，Z₂＝5.335+j21.35Ω，Z₁₂＝50+j973.9Ω。线路L1发生A相接地故障，直流系统换相失败。故障发生时刻为0s，故障持续时间50ms，采样频率为4000Hz，由于采用全周傅里叶算法求取突变量阻抗，20ms后才有数据。

图3为500kV交流线路发生故障时背侧500kV层和1000kV层直流系统正负序阻抗，序阻抗计算公式为：

式中：m＝1、2、0分别表示正序、负、零序分量；ΔUm(k)、ΔIm(k)分别为换流器交流侧k次谐波电压、电流故障分量；对保护而言，仅关心工频量，即k＝1。

由图3可知，逆变侧交流线路发生故障时，计算所得不仅故障层背侧系统正负序阻抗幅值和相角差别很大，非故障层的正负序阻抗也不相等。这是由于换相失败时直流侧控制系统的作用将同时影响到交流系统三相线路中的电流分布，从而改变正、负序阻抗的幅值和相位关系。对于特高压直流分层接入系统，当交流系统故障时引起直流系统发生换相失败，由于电力电子的非线性和控制系统的作用，从交流系统侧看过去的直流系统正、负序阻抗幅值和相角相差很大。

图4为500kV交流线路发生故障时背侧500kV层和1000kV层直流系统零序阻抗。由图4可知，交流系统故障时，背侧直流系统感受到零序阻抗幅值和相角都保持稳定，不随直流系统换相失败发生变化。500kV层零序阻抗幅值21Ω，相角为90°，1000kV层零序阻抗幅值82Ω，相角为90°。而对于零序电流，虽然换相失败会导致某一晶闸管始终处于导通状态，三相电流也不再对称，但是由于换流阀的导通特性和换流变的接线方式，直流侧不会影响交流系统的零序电流分布，也就是说不会影响交流系统的零序阻抗。

突变量方向元件应用于交流线路已有广泛的研究。作为纵联方向保护的核心元件，突变量方向元件的性能将直接决定纵联方向保护的动作性能。为保证纵联方向保护在交直流混联系统中的正确动作，根据突变量方向元件的原理，有必要对突变量方向元件在直流分层接入方式下的适用性进行分析。

现有突变量方向元件根据原理可以分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中相突变量方向元件分为相和相差方向元件，表达式分别为如式(2)和(3)；

序方向元件分为正、负、零序方向元件，表达式分别为(4)、(5)和(6)。

式中：下标g表示突变量，下标1，2，0分别表示正序、负序、零序分量，θ表示阻抗相角。

图5为工频突变量方向元件原理图。在MN线路上，对于M侧的保护，当正方向K₁点故障时，相当于故障附加状态的等效网络中在K₁点接入一个新电源，变化量即有k₁点的新电源产生。这时继电器所感受的电压变化即故障分量为：

式中：这里的U、I均表示M端母线处电压、电流的故障分量。故障分量的电流可普遍表示为：

分别将式(7)和式(8)减去对应的零序电压和零序电流，以A相为例，则有：

当背后电源系统有Z_1S＝Z_2S时，则式(9)可以化简为：

对于突变量序方向保护而言，由A、B、C三相电压相量，通过相序变化，可以求得正负零序电压相量如下：

式中：F为凯伦贝尔相序逆变换矩阵，如式(12)所示：

化简式(11)，可得：

由式(10)和式(13)可知，对于方向元件(2)、(3)，若实际系统中正、负序阻抗相等，其与方向元件(4)、(5)、(6)具有相同的相位性能，都能明确区分正、反方向故障。若实际系统中正、负序阻抗不相等，方向元件(2)、(3)将会产生相位误差，其性能必将会受到严重影响。另外实际系统中假设元件序阻抗角度与线路对应的序阻抗角度相等，在此基础上，正方向故障和反方向故障时阻抗角将差180°，方向性很明确。若系统中各元件之间序阻抗角度相差较大，此时正方向故障和反方向故障方向将会不明确，进而有可能出现保护误判的问题。综上所述，严格意义下，突变量方向元件的适用条件如下：

(1)对于突变量相方向元件和相差方向元件，要求保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，从而准确测出背侧系统的正序阻抗。

(2)对于突变量序方向元件，可以准确测出保护安装处背侧系统的正、负、零序阻抗，但是要求背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，从而准确判断出故障方向。

图6为500kV和1000kV线路背侧直流系统侧的正序、负序阻抗。由图可知逆变侧出口的正序、负序方向元件出现了不正确判断情况。这是由于逆变侧的正序、负序网络均需将直流系统考虑在内，而直流系统对逆变侧出口电压、电流是暂态调节控制的，因此逆变侧等效交流系统正序、负序阻抗也是暂态变化的，且其性质与纯交流系统正、负序阻抗会有不同。

图7为500kV和1000kV线路对侧交流系统侧的正序、负序阻抗。由图可知，对侧交流系统的负序方向元件出现了误判，正序方向元件可以正确判断。

图8为500kV和1000kV线路背侧直流系统侧的零序阻抗，由图可知逆变侧出口处零序方向元件方向判断正确，这是由直流系统馈入不会影响交流系统的零序电流所决定的。

图9为500kV和1000kV线路对侧交流系统侧的零序阻抗。由图可知，对侧交流系统的零序方向元件可以正确判断，零序突变量方向保护正确动作。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，包括以下步骤：

步骤一：针对某实际特高压直流分层接入工程，在PSCAD中搭建其电磁暂态模型，获得换相失败时背侧直流系统的正、负、零序阻抗特征；

步骤二：根据突变量方向元件的保护原理，结合步骤一中的背侧直流系统的正、负、零序阻抗特征，提出基于零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，所述突变量方向元件根据原理可以分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中所述相突变量方向元件分为相和相差方向元件，所述突变量方向元件的适用条件如下：

(1)对于所述突变量相方向元件和相差方向元件，要求保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，从而准确测出背侧系统的正序阻抗；

(2)对于所述突变量序方向元件，可以准确测出保护安装处背侧系统的正、负、零序阻抗，但是要求所述背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，从而准确判断出故障方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，其特征在于，所述正、负、零序阻抗特征为：

式中：m＝1、2、0分别表示正序、负、零序分量；ΔUm(k)、ΔIm(k)分别为换流器交流侧k次谐波电压、电流故障分量；对保护而言，仅关心工频量，即k＝1。

3.根据权利要求2所述的一种基于正、负、零序阻抗的纵联突变量方向保护方法，其特征在于：所述突变量方向元件根据原理可以分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中相突变量方向元件分为相和相差方向元件，表达式分别为如式(2)和(3)：

序方向元件分为正、负、零序方向元件，表达式分别为(4)、(5)和(6)：

式中：下标g表示突变量，下标1，2，0分别表示正序、负序、零序分量，θ表示阻抗相角；

对于工频突变量元件，在MN线路上，对于M侧的保护，当正方向K1点故障时，相当于故障附加状态的等效网络中在K1点接入一个新电源，变化量即有k1点的新电源产生，这时继电器所感受的电压变化即故障分量为：

式中：这里的U、I均表示M端母线处电压、电流的故障分量，故障分量的电流可普遍表示为：

分别将式(7)和式(8)减去对应的零序电压和零序电流，以A相为例，则有：

当背后电源系统有Z_1S＝Z_2S时，则式(9)可以化简为：

对于突变量序方向保护而言，由A、B、C三相电压相量通过相序变化，可以求得正负零序电压相量如下：

式中：F为凯伦贝尔相序逆变换矩阵，如式(12)所示：

化简式(11)，可得：