CN110247378B - 基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法和系统。该方法包括如下步骤：获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数；根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型；对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离。本发明的技术方案可提高柔直输电系统的运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法和系统。
背景技术
随着电压源换流器的引入，直流输电领域步入了柔性直流输电时代。与传统的高压直流输电技术相比，柔性直流输电技术可以实现有功与无功的独立控制，并且电压极性在潮流翻转时不发生改变，这些特点使得其在新能源并网、海上平台供电、城市中心供电等领域具有极为广阔的应用前景。
随着柔性直流输电技术的不断发展，柔直电网的容量与电压等级也在不断增加，这就对柔直电网的安全稳定运行提出了更高的要求。由于柔直输电系统与传统直流输电系统在结构、控制上存在许多不同，发生故障时，由于柔直输电系统中直流电容直接并联于换流器直流出口，直流侧将承受电容放电导致的快速过流，故障电流上升很快，并且一旦直流电压过零，交流侧也会快速过流，将会在短时间内对系统元器件造成破坏。目前，对于柔直输电系统的线路保护方案，较难在短时间内准确识别并隔离故障线路，影响了柔直输电系统运行可靠性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法和系统。
一方面，本发明提供了一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，该方法包括如下步骤：
获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数。
根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型。
对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离。
另一方面，本发明提供了一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护系统，该系统包括：
获取模块，用于获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数。
故障类型确定模块，用于根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型。
故障处理模块，用于对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离。
本发明提供的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法和系统的有益效果是，通过检测柔直输电系统线路同一侧，例如整流侧的双极电流，利用系统直流输电线路的结构对称性构造横向的差动系数，基于差动系统判断是否发生了直流故障，可以避免发生交流故障时的保护误动作。在此基础上，根据故障发生前、后的电流比对提出多种辅助判据，可以确定故障的位置，通过多个判据的逻辑综合以获得不同的综合特性。因此，可以对柔性直流输电系统的故障进行识别并判断故障位置，能够满足柔性直流输电系统对线路保护的要求，提高其运行稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的柔性直流输电网的示意图；
图3为本发明实施例的整流侧逻辑流程图；
图4为本发明实施例的逆变侧逻辑流程图；
图5为本发明实施例的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例的一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法包括步骤S1、S2和S3。
S1，获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数。
具体地，以如图2所示的典型的点对点式柔性直流输电网为例，其中，M代表整流侧，N代表逆变侧，f1至f5分别表示电网中可能发生故障的不同位置。Ip和In分别表示整流侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流。在对应的实际电网中，可测得正常运行状态下，正、负极的电流分别为Ip(0)＝0.552kA，In(0)＝0.552kA，也就是初始电流。
优选地，确定所述差动系数，即横向电流差动系数的具体实现包括：
根据第一公式确定所述差动系数，所述第一公式为：
其中，K表示所述差动系数，Ip表示所述正极瞬态电流，In表示所述负极瞬态电流。
S2，根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型。
优选地，所述预设系数阈值用于判断柔直输电系统的故障为交流故障或直流故障。
根据第二公式确定所述预设系数阈值，所述第二公式为：
Kthreshold＝Krel×Kend (2)。
其中，Kthreshold表示所述预设系数阈值，Krel表示可靠系数，Kend表示K在最严重故障下取得的最小可能值。
具体地，Krel可取1.2，Kend为K在最严重故障下取得的最小可能值，即在逆变侧直流母线处发生故障，过渡电阻为50Ω，计算得到Kend为0.2，则Kthreshold为0.24。
优选地，S2具体包括：
当K＞Kthreshold时，则判断发生正极直流故障，包括区内故障以及直流母线故障。可令K＞Kthreshold为判据(3)。
当K＜-Kthreshold时，则判断发生负极直流故障，包括区内故障以及直流母线故障。可令K＜-Kthreshold为判据(4)。
当-Kthreshold≤K≤Kthreshold时，则判断发生交流故障。可令-Kthreshold≤K≤Kthreshold为判据(5)。
S3，对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离。
优选地，当确定所述故障类型为所述正极直流故障时，也就是判据(3)满足时，将所述负极瞬态电流与所述预设电流阈值进行比较，其中，所述预设电流阈值表示为Ithreshold，用于判断系统是否发生了开路故障，可取初始电流的10％。
如图3和图4所示，当|In|＞Ithreshold时，令|In|＞Ithreshold为判据(6)，也就是当判据(6)满足时，则排除开路故障，并将正极故障前电流与故障后电流进行比较，其中，所述故障前电流为正极初始电流，表示为Ip(0)，所述故障后电流为正极故障后△T时刻的电流，表示为Ip(△T)，其中△T可取0.2ms，当Ip(0)＞Ip(△T)时，令Ip(0)＞Ip(△T)为判据(7)，也就是当判据(7)满足时，则判断发生正极直流母线故障，否则，也就是当判据(7)不满足时，判断发生正极区内故障。
当|In|≤Ithreshold时，也就是判据(6)不满足时，则判断发生负极开路故障。
优选地，当确定所述故障类型为所述负极直流故障时，也就是判据(4)满足时，将所述正极瞬态电流与所述预设电流阈值进行比较，其中，所述预设电流阈值表示为Ithreshold，用于判断系统是否发生了开路故障，可取初始电流的10％。
当|Ip|＞Ithreshold时，令|Ip|＞Ithreshold为判据(8)，也就是当判据(8)满足时，则排除开路故障，并将负极故障前电流与故障后电流进行比较，其中，所述故障前电流为负极初始电流，表示为In(0)，所述故障后电流为负极故障后△T时刻的电流，表示为In(△T)，其中△T可取0.2ms，当In(0)＜In(△T)时，令In(0)＜In(△T)为判据(9)，也就是当判据(9)满足时，则判断发生负极直流母线故障，否则，也就是当判据(9)不满足时，判断发生负极区内故障。
当|Ip|≤Ithreshold时，也就是判据(8)不满足时，则判断发生正极开路故障。
优选地，当确定所述故障类型为所述交流故障时，也就是判据(5)满足时。
当Ip(0)＞Ip(△T)且In(0)＜In(△T)时，也就是判据(7)与判据(9)满足时，则判断发生整流侧交流故障。
当Ip(0)≤Ip(△T)且In(0)≥In(△T)时，也就是判据(7)与判据(9)不满足时，则判断发生逆变侧交流故障。
其中，Ip(0)表示正极故障前的初始电流，Ip(△T)表示正极故障后△T时刻的电流，In(0)表示负极故障前的初始电流，In(△T)表示负极故障后△T时刻的电流。
表1为电网中不同故障位置与对应的保护方案判别结果。
表1
| 故障位置 | 保护方案判别结果 |
| f1 | 区外整流侧交流故障 |
| f2 | 区外整流侧正极直流母线故障 |
| f3 | 区内直流故障 |
| f4 | 区外逆变侧正极直流母线故障 |
| f5 | 区外逆变侧交流故障 |
可以看到，根据不同判据确定了故障位置后，可以准确实现故障隔离，提高柔直输电系统的运行稳定性。
如图5所示，本发明实施例的一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护系统包括：
获取模块，用于获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数。
故障类型确定模块，用于根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型。
故障处理模块，用于对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离。
优选地，所述获取模块具体用于：
根据第一公式确定所述差动系数，所述第一公式为：
其中，K表示所述差动系数，Ip表示所述正极瞬态电流，In表示所述负极瞬态电流。
优选地，所述故障类型确定模块具体用于：
当K＞Kthreshold时，则判断发生正极直流故障。
当K＜-Kthreshold时，则判断发生负极直流故障。
当-Kthreshold≤K≤Kthreshold时，则判断发生交流故障。
Kthreshold＝Krel×Kend。
其中，Kthreshold表示所述预设系数阈值，Krel表示可靠系数，Kend表示K在最严重故障下取得的最小可能值。
在本发明中，通过检测柔直输电系统线路同一侧，例如整流侧的双极电流，利用系统直流输电线路的结构对称性构造横向的差动系数，基于差动系统判断是否发生了直流故障，可以避免发生交流故障时的保护误动作。在此基础上，根据故障发生前、后的电流比对提出多种辅助判据，可以确定故障的位置，通过多个判据的逻辑综合以获得不同的综合特性。因此，可以对柔性直流输电系统的故障进行识别并判断故障位置，能够满足柔性直流输电系统对线路保护的要求，提高其运行稳定性。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数；
根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型；
对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离；
所述预设系数阈值用于判断柔直输电系统的故障为交流故障或直流故障；
根据第一公式确定所述预设系数阈值，所述第一公式为：
Kthreshold＝Krel×Kend，
其中，Kthreshold表示所述预设系数阈值，Krel表示可靠系数，Kend表示所述差动系数在最严重故障下取得的最小可能值。
2.根据权利要求1所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，其特征在于，确定所述差动系数的具体实现包括：
根据第二公式确定所述差动系数，所述第二公式为：
其中，K表示所述差动系数，Ip表示所述正极瞬态电流，In表示所述负极瞬态电流。
3.根据权利要求2所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，其特征在于，所述根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型具体包括：
当K＞Kthreshold时，则判断发生正极直流故障；
当K＜-Kthreshold时，则判断发生负极直流故障；
当-Kthreshold≤K≤Kthreshold时，则判断发生交流故障。
4.根据权利要求3所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，其特征在于，当确定所述故障类型为所述正极直流故障时，将所述负极瞬态电流与所述预设电流阈值进行比较，其中，所述预设电流阈值表示为Ithreshold；
当|In|＞Ithreshold时，则排除开路故障，并将正极故障前电流与故障后电流进行比较，其中，所述故障前电流为正极初始电流，表示为Ip(0)，所述故障后电流为正极故障后△T时刻的电流，表示为Ip(△T)，当Ip(0)＞Ip(△T)时，则判断发生正极直流母线故障，否则，判断发生正极区内故障；
当|In|≤Ithreshold时，则判断发生负极开路故障。
5.根据权利要求3所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，其特征在于，当确定所述故障类型为所述负极直流故障时，将所述正极瞬态电流与所述预设电流阈值进行比较，其中，所述预设电流阈值表示为Ithreshold；
当|Ip|＞Ithreshold时，则排除开路故障，并将负极故障前电流与故障后电流进行比较，其中，所述故障前电流为负极初始电流，表示为In(0)，所述故障后电流为负极故障后△T时刻的电流，表示为In(△T)，当In(0)＜In(△T)时，则判断发生负极直流母线故障，否则，判断发生负极区内故障；
当|Ip|≤Ithreshold时，则判断发生正极开路故障。
6.根据权利要求3所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护方法，其特征在于，当确定所述故障类型为所述交流故障时；
当Ip(0)＞Ip(△T)且In(0)＜In(△T)时，则判断发生整流侧交流故障；
当Ip(0)≤Ip(△T)且In(0)≥In(△T)时，则判断发生逆变侧交流故障；
其中，Ip(0)表示正极故障前的初始电流，Ip(△T)表示正极故障后△T时刻的电流，In(0)表示负极故障前的初始电流，In(△T)表示负极故障后△T时刻的电流。
7.一种基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护系统，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，用于获取柔直输电系统线路同一侧的正极瞬态电流和负极瞬态电流，根据所述正极瞬态电流和所述负极瞬态电流确定用于反映电流差异程度的差动系数；
故障类型确定模块，用于根据所述差动系数和预设系数阈值，确定柔直输电系统的故障类型；
故障处理模块，用于对于不同的所述故障类型，对所述正极瞬态电流或所述负极瞬态电流与预设电流阈值进行比较，并对故障前电流与故障后电流进行比较，根据比较结果确定故障发生位置，以实现故障隔离；
所述预设系数阈值用于判断柔直输电系统的故障为交流故障或直流故障；根据第一公式确定所述预设系数阈值，所述第一公式为：
Kthreshold＝Krel×Kend，
其中，Kthreshold表示所述预设系数阈值，Krel表示可靠系数，Kend表示所述差动系数在最严重故障下取得的最小可能值。
8.根据权利要求7所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护系统，其特征在于，所述获取模块具体用于：
根据第二公式确定所述差动系数，所述第二公式为：
其中，K表示所述差动系数，Ip表示所述正极瞬态电流，In表示所述负极瞬态电流。
9.根据权利要求8所述的基于横向差动电流的柔直输电系统线路保护系统，其特征在于，所述故障类型确定模块具体用于：
当K＞Kthreshold时，则判断发生正极直流故障；
当K＜-Kthreshold时，则判断发生负极直流故障；
当-Kthreshold≤K≤Kthreshold时，则判断发生交流故障。
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