CN110212498B - 一种高压直流输电系统逆变站保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压直流输电系统逆变站保护方法，包括以下步骤：步骤1：获取逆变站换流母线处的三相电压信号，交流线路首端三相电流信号；并分别计算电压信号故障分量和电流信号故障分量；步骤2：判断是否发生故障，并确定故障为逆变站区内、外故障；步骤3：若为逆变站区外故障，则判断是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则闭锁该整定值被满足的逆变站保护t _x时间，由逆变站区外的交流线路保护动作切除故障；步骤4：若为逆变站区内故障，则判断是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则不做改变；本发明既能防止逆变站保护在区外交流线路故障下误动作，又不影响逆变站保护的速动性与灵敏性。

Description

一种高压直流输电系统逆变站保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护技术领域，具体涉及一种高压直流输电系统逆变站保护方法。

背景技术

高压直流输电系统输电容量大、输电距离远、传输损耗低，因此在我国电力格局中占据着越来越重要的地位。高压直流输电的基本原理是：在高压直流输电系统的送电端通过整流站进行整流，将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，在高压直流输电系统的受电端通过逆变站进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能则通过逆变站区外的多条交流线路输送给与其连接的电网或电站。

为了防止在整流站和逆变站区内发生故障时整流站和逆变站设备损坏，实际工程为整流站和逆变站配置了多类保护，然而实际工程运行经验表明，高压直流输电系统逆变站区外的交流线路发生故障时，低交流电压保护、低直流电压保护、100Hz保护、桥差保护以及阀组差动保护5类逆变站保护会出现误动作，导致高压直流输电系统误停运，中断功率的传输，甚至影响交流电网的安全稳定，例如：天广直流“6.23事故”即为逆变站区外的交流线路故障造成的逆变站的100Hz保护误动作、高压直流输电系统误停运的事故。因此有必要引入一种高压直流输电系统逆变站保护优化方法，提高逆变站保护在区外交流线路故障下的适应性。

现有研究表明，低交流电压保护、低直流电压保护、100Hz保护、桥差保护以及阀组差动保护5类逆变站保护在区外交流线路故障下误动作的原因主要有两点：一是这5类逆变站保护缺乏对逆变站区内、外故障的辨识能力；二是这5类逆变站保护整定时间均小于逆变站区外交流线路保护的最长切除故障时间，即小于2.3s，故这5类逆变站保护将可能在逆变站区外交流线路故障下出现误动作。

根据逆变站保护的误动作原因，现有技术主要通过提高低交流电压保护、低直流电压保护、100Hz保护、桥差保护以及阀组差动保护5类会误动作的逆变站保护的整定时间或者是整定值以防止其在区外交流线路故障下误动作。提高逆变站保护整定时间是指将可能误动作的逆变站保护的整定时间提高到交流线路保护的最长切除故障时间之后，即提高至大于2.3s。然而提高逆变站保护的整定时间，降低了逆变站保护对区内故障的速动性，延长了区内故障对逆变站设备的冲击时间，所以提高逆变站保护的整定时间将增大逆变站区内故障下逆变站设备的损坏风险；而提高逆变站保护的整定值将降低逆变站保护的灵敏性，增大逆变站保护在区内故障下的拒动作风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点提供一种在对逆变站区内、外故障辨识的基础上，实现逆变站保护与区外交流线路保护的配合动作，既能防止逆变站保护在逆变站区外交流线路故障下误动作，又不影响逆变站保护的速动性与灵敏性。

本发明采用的技术方案是：一种高压直流输电系统逆变站保护方法，包括以下步骤：

步骤1：获取逆变站换流母线处的三相电压信号，交流线路首端三相电流信号；并分别计算电压信号故障分量和电流信号故障分量；

步骤2：根据步骤1获取的电压信号故障分量和电流信号故障分量判断是否发生故障，并确定故障为逆变站区内或区外故障；

步骤3：若步骤2中判定为逆变站区外故障，则判断此时是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则闭锁该整定值被满足的逆变站保护t_x时间，由逆变站区外的交流线路保护动作切除故障，t_x时间后解锁被闭锁的逆变站保护；t_x大于区外交流线路保护的最长切除故障时间；

步骤4：若步骤2中判定为逆变站区内故障，则判断此时是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则不对逆变站保护做改变。

进一步的，所述步骤2中判断是否发生故障，并确定故障为逆变站区内或区外故障的过程如下：

S1：计算步骤1中电压信号故障分量的最大值，并判断其是否大于设定阈值U_y，若是，则逆变站区内或区外发生故障转入步骤3，此时故障时刻为t₀；若否，则返回步骤1；

S2：分别获取电压信号故障分量和电流故障分量在故障时刻t₀后T_d时间窗内的数据；并分别进行相模变换得到电压模量和电流模量；

S3：根据步骤S2计算得到的模量和交流线路在频率f₀处的模量波阻抗Z_L计算交流线路首端电压前行波和电压反行波；

S4：分别对步骤S3得到的电压前行波和电压反行波进行S变换得到相应的变换矩阵；

S5：根据步骤S4得到的变换矩阵计算交流线路电压前行波和电压反行波在T_d时间窗内的S变换能量相对熵；

S6：计算步骤S5中的能量相对熵最小值，判断其是否小于设定阈值ε，若是，则故障为逆变站区外故障，若否，则故障为逆变站区内故障。

进一步的，所述步骤1中电压信号和电流信号的采样频率为100kHz。

进一步的，所述步骤S2中采用Clark相模变换。

进一步的，所述步骤S1中U_y＝0.04U，其中U为逆变站换流母线处相电压的额定值。

进一步的，所述S变换矩阵的行数为1～25。

进一步的，所述步骤S5中的S变换能量相对熵根据电压前行波和电压反行波变换矩阵的第1～10行信号计算得到。

进一步的，所述步骤S3中电压前行波为u_fi：

电压反行波为u_bi：

其中i为电流测点序号，i＝1，2，…n，Δu为电压模量，Δi_i为电流模量，n为交流线路数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在逆变站区外交流线路发生故障时，将整定值被满足的逆变站保护闭锁t_x时间，躲过了区外交流线路保护的最长切除故障时间，可避免逆变站保护在区外交流线路故障下误动作；

(2)本发明在逆变站区内发生故障时，逆变站保护按原有配置策略动作，整定值、整定时间均未被改变，即逆变站保护的速动性与灵敏性均不会受到影响；

(3)本发明所需的电压测点与电流测点均距逆变站的控制保护系统较近，无需依赖长距离通信汇总采集到的信号数据；

(4)本发明需要故障后0.5ms的信号实现对逆变站区内、外故障的辨识，故障辨识的速度较快。

附图说明

图1为高压直流输电系统逆变站区内、外故障分布示意图。

图2为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明方法流程如图2所示，包括以下步骤：

首先进行故障检测：

步骤1：获取逆变站换流母线处的三相电压信号，交流线路首端三相电流信号；并分别计算电压信号故障分量和电流故障分量；

如图1所示，电压测点为VT，在电压测点采集逆变站换流母线M处的三相电压信号u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)，电流测点为CT₁，CT₂，…，CT_n采集交流线路L₁、L₂，…，L_n首端三相电流信号分别为i_A1(t)、i_B1(t)、i_C1(t)，i_A2(t)、i_B2(t)、i_C2(t)，…，i_An(t)、i_Bn(t)、i_Cn(t)；电压信号u_A(t)、u_B(t)、u_C(t)的故障分量分别为Δu_A(t)＝u_A(t)-u_A(t-T)、Δu_B(t)＝u_B(t)-u_B(t-T)、Δu_C(t)＝u_C(t)-u_C(t-T)；电流信号i_A1(t)、i_B1(t)、i_C1(t)，i_A2(t)、i_B2(t)、i_C2(t)，…，i_An(t)、i_Bn(t)、i_Cn(t)的故障分量分别为Δi_A1(t)＝i_A1(t)-i_A1(t-T)、Δi_B1(t)＝i_B1(t)-i_B1(t-T)、Δi_C1(t)＝i_C1(t)-i_C1(t-T)，Δi_A2(t)＝i_A2(t)-i_A2(t-T)、Δi_B2(t)＝i_B2(t)-i_B2(t-T)、Δi_C2(t)＝i_C2(t)-i_C2(t-T)₂，…，Δi_An(t)＝i_An(t)-i_An(t-T)、Δi_Bn(t)＝i_Bn(t)-i_Bn(t-T)、Δi_Cn(t)＝i_Cn(t)-i_Cn(t-T)；其中t为采样时刻，T为工频周期，T＝0.02s。

步骤2：根据步骤1获取的电压信号故障分量和电流故障信号分量判断是否发生故障，并确定故障为逆变站区内或区外故障；

判断过程如下：

S1：计算步骤1中电压信号故障分量的最大值，并判断其是否大于设定阈值U_y，若是，则逆变站区内或区外发生故障转入步骤3，此时故障时刻为t₀；若否，则返回步骤1；

具体过程为：Δu_A(t)、Δu_B(t)、Δu_C(t)的最大值为Δu_max＝max(Δu_A(t),Δu_B(t),Δu_C(t))；判断Δu_max＞0.04U是否成立，若否，则返回步骤1；若是，则判定逆变站区内或区外发生了故障，记录此时为故障时刻t₀，其中U为逆变站换流母线M处相电压的额定值。

S2：分别获取电压信号故障分量和电流故障分量在故障时刻t₀后T_d时间窗内的数据；并分别进行相模变换得到电压模量和电流模量；T_d＝0.5ms。

具体过程为：

获取Δu_A(t)、Δu_B(t)、Δu_C(t)在故障后即t₀时刻后T_d时间窗内的数据Δu_A、Δu_B、Δu_C；获取Δi_A1(t)、Δi_B1(t)、Δi_C1(t)，Δi_A2(t)、Δi_B2(t)、Δi_C2(t)，…，Δi_An(t)、Δi_Bn(t)、Δi_Cn(t)在t₀时刻后T_d时间窗内的数据为Δi_A1、Δi_B1、Δi_C1，Δi_A2、Δi_B2、Δi_C2，…，Δi_An、Δi_Bn、Δi_Cn。

对Δu_A、Δu_B、Δu_C进行Clark相模变换得到其模量

对Δi_A1、Δi_B1、Δi_C1，Δi_A2、Δi_B2、Δi_C2，…，Δi_An、Δi_Bn、Δi_Cn进行Clark相模变换得到相应的模量分别为：

S3：根据步骤S2计算得到的模量和交流线路在频率f₀处的模量波阻抗Z_L计算交流线路首端电压前行波和电压反行波；

具体过程如下：

利用Δu，Δi₁，Δi₂，…，Δi_n以及交流线路L₁，L₂，…，L_n在5kHz频率的模量波阻抗Z_L计算各交流线路首端电压前行波分别为：

电压反行波分别为：

S4：分别对步骤S3得到的电压前行波和电压反行波进行S变换得到相应的变换矩阵；

分别对各交流线路电压前行波u_f1，u_f2，…，u_fn进行S变换得到相应的S变换矩阵分别为

分别对各交流线路电压反行波u_b1，u_b2，…，u_bn进行S变换得到相应的S变换矩阵分别为

其中k为各矩阵的行数，k＝1～25，h为各矩阵的列数；各S变换矩阵第1～10行信号的频率分别为2000Hz、4000Hz、…、20000Hz。

S5：根据步骤S4得到的变换矩阵计算交流线路电压前行波和电压反行波在T_d时间窗内的S变换能量相对熵M₁，M₂，…，M_n；

M₁为利用

与

第1～10行信号即k＝1～10时的信号计算得到的能量熵。M₂为利用

与

第1～10行信号即k＝1～10时的信号计算得到的能量熵，…，M_n为利用

与

第1～10行信号即k＝1～10时的信号计算得到的能量熵。

S6：计算步骤S5中的能量相对熵最小值M_min＝min(M₁,M₂,…,M_n)，判断其是否小于设定阈值ε，若是，则故障为逆变站区外故障，若否，则故障为逆变站区内故障。

步骤3：若步骤2中判定为逆变站区外故障，则判断此时是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则闭锁该整定值被满足的逆变站保护t_x时间，由逆变站区外的交流线路保护动作切除故障，t_x时间后解锁被闭锁的逆变站保护；t_x取2.6s大于区外交流线路保护的最长切除故障时间2.3s。

步骤4：若步骤2中判定为逆变站区内故障，则判断此时是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则该整定值被满足的逆变站保护按其原有配置策略动作，即不对逆变站保护做任何改变。

为了说明本发明方法的有益效果，进行仿真实验说明。

基于PSCAD/EMTDC在高压直流输电系统模型的逆变站区外搭建三条交流线路L₁、L₂、L₃。其中L₁长度为200km，L₂长度为80km，L₃长度为110km，L₁、L₂、L₃在5kHz频率的模量波阻抗为387欧姆，阈值ε设为10，仿真结果如表1所示。其中f₁与f₂表示2种不同类型的逆变站区内故障，f₃-L₁与f₃-L₂分别表示逆变站区外交流线路L₁与交流线路L₂上发生的故障；表1中的AG表示A相接地故障，AB表示A相与B相两相短路故障，ABG表示A相与B相两相接地故障，ABC表示A相、B相与C相三相短路故障；表1中的故障距离表示f₃-L₁或f₃-L₂距离逆变站换流母线M的距离；f₁、f₂、f₃-L₁和f₃-L₂的过渡电阻均为70Ω，f₁、f₃-L₁和f₃-L₂的故障初始角均为27度；表1中故障辨识为“区内”与“区外”分别表示“判断发生的故障为逆变站区内故障”与“判断发生的故障为逆变站区外故障”；保护满足为“1”与“0”分别表示“有逆变站保护的整定值被满足”与“无逆变站保护的整定值被满足”；动作策略为“1”与“0”分别表示“闭锁整定值被满足的逆变站保护2.6s后解锁该逆变站保护”与“不对逆变站保护做任何改变”。

在逆变站区内发生不同类型故障时，M_min均大于10，故障辨识的结果均为逆变站区内故障；在逆变站区外交流线路距逆变站换流母线M不同距离处发生不同类型故障时，M_min均小于10，此时判断发生的故障为逆变站区外故障。因此可知，无论在逆变站区内还是逆变站区外发生故障，本发明均能够准确辨识故障。而且本发明能够在逆变站区内或区外发生故障时，根据逆变站保护整定值的被满足情况，采取准确的动作策略，如当在逆变站区外交流交流线路L₁距离逆变站换流母线1km处发生A相接地故障时，本发明准确判断出发生的故障为逆变站区外故障，并且判断此时有逆变站保护的整定值被满足，采取“闭锁整定值被满足的逆变站保护2.6s后解锁该逆变站保护”的动作策略。

表1仿真结果

本发明在在对逆变站区内、外故障的辨识的基础上，实现逆变站保护与区外交流线路保护的配合动作，既能够防止逆变站保护在逆变站区外交流线路故障下误动作，又不影响逆变站保护的速动性与灵敏性。

Claims (7)

1.一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取逆变站换流母线处的三相电压信号，交流线路首端三相电流信号；并分别计算电压信号故障分量和电流故障分量；

步骤2：根据步骤1获取的电压信号故障分量和电流信号故障分量判断是否发生故障，并确定故障为逆变站区内或区外故障，具体为：

S1：计算步骤1中电压信号故障分量的最大值，并判断其是否大于设定阈值U_y，若是，则逆变站区内或区外发生故障转入步骤3，此时故障时刻为t₀；若否，则返回步骤1；

S2：分别获取电压信号故障分量和电流故障分量在故障时刻t₀后T_d时间窗内的数据；并分别进行相模变换得到电压模量和电流模量；

S3：根据步骤S2计算得到的模量和交流线路在频率f₀处的模量波阻抗Z_L计算交流线路首端电压前行波和电压反行波；

S4：分别对步骤S3得到的电压前行波和电压反行波进行S变换得到相应的变换矩阵；

S5：根据步骤S4得到的变换矩阵计算交流线路电压前行波和电压反行波在T_d时间窗内的S变换能量相对熵；

S6：计算步骤S5中的能量相对熵最小值，判断其是否小于设定阈值ε，若是，则故障为逆变站区外故障，若否，则故障为逆变站区内故障；

步骤3：若步骤2中判定为逆变站区外故障，则判断此时是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则闭锁该整定值被满足的逆变站保护t_x时间，由逆变站区外的交流线路保护动作切除故障，t_x时间后解锁被闭锁的逆变站保护；t_x大于区外交流线路保护的最长切除故障时间；

步骤4：若步骤2中判定为逆变站区内故障，则判断此时是否有逆变站保护的整定值被满足，若无，则返回步骤1；若有，则不对逆变站保护做改变。

2.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，所述步骤1中电压信号和电流信号的采样频率为100kHz。

3.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，所述步骤S2中采用Clark相模变换。

4.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，所述步骤S1中U_y＝0.04U，其中U为逆变站换流母线处相电压的额定值。

5.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，所述S变换矩阵的行数为1～25。

6.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，所述步骤S5中的S变换能量相对熵根据电压前行波和电压反行波变换矩阵的第1～10行信号计算得到。

7.根据权利要求1所述的一种高压直流输电系统逆变站保护方法，其特征在于，所述步骤S3中电压前行波为u_fi：

电压反行波为u_bi：

其中i为电流测点序号，i＝1，2，…n，Δu为电压模量，Δi_i为电流模量，n为交流线路数。

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