CN111697548A - 一种识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法 - Google Patents

一种识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，包括从本极直流输电线路中提取本极暂态电压电气量信号，启动门槛值时启动保护；获得电压故障分量；比较不同电压故障分量瞬时能量最大值与保护整定值大小进行故障判断；比较电压故障分量瞬时能量最大值与保护整定值大小进行区内、外故障判别；比较区内正、负极电压故障分量瞬时能量最大值与保护整定值大小实现故障极判别。本发明用于电力系统中直流输电线路的双端量全线速动保护，方法简单易于实现；具有动作速度快，选择性好，可靠性高，耐过渡电阻能力强的优点。适用于多端柔性直流电网。

Description

一种识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体来说，是一种利用电压故障分量瞬时能量识别模块化多电平换流器(MMC)多端柔性直流电网的区内、外故障的全线速动保护方法。
背景技术
伴随着全球经济社会的发展，一次能源消费增加和生态环境显著恶化问题日益突出，促进可再生能源的高效开发利用，推动大范围的电力资源优化配置和变革，保障电力可靠供应和提高电网的经济性、灵活性，将成为我国电力事业当前和未来发展的重点。新一代的柔性直流输电技术发展日趋成熟，其独立功率调节和灵活运行能力，为间歇性的可再生能源的并网与消纳提供了安全高效的解决方案。其中，模块化多电平换流器(ModularMulti-level Converter，MMC)柔性直流输电技术更以开关损耗小、扩展性强等优点更是倍受青睐。
柔直电网一般作为大区域联网的联络线，它的安全性和可靠性不仅关系到本系统的稳定性，而且将直接影响与其连接的区域电网甚至整个电网的稳定运行。因为直流输电线路长，所处的环境又非常复杂和恶劣，发生故障的概率高，所以提高直流输电线路继电保护的运行水平对保证直流输电系统的安全性与可靠性具有重要意义。
目前，针对传统高压直流输电的保护方法已经较为成熟，比如以行波保护作为主保护，微分欠压保护和电流差动保护作为后备保护。由于行波对采样频率要求高，故会出现信号处理精度不高保护的速动性与灵敏度不能保证，而且不能够识别全线高阻故障。由于拓扑结构的不同，多端柔直电网的保护在传统高压直流输电的基础上提出了新的保护原理。
MMC-HVDC多端柔直电网是由模块化多电平换流器组成的新型多端直流输电系统，其拓扑结构与传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统均有所不同。相对于其他直流输电系统，MMC-HVDC多端柔直电网在仿真建模和继电保护策略等方面更为复杂，许多关键问题尚未得到合理解决。直流系统发生故障时，由于MMC-HVDC多端柔直电网故障电压与电流发生骤变，是否能快速可靠地识别故障并使保护动作成为MMC-HVDC的多端柔直电网保护亟待解决的问题。因此，需要MMC-HVDC多端柔直电网发生故障时的故障特性及仿真验证，为将来多端柔直电网的安全稳定运行提供保障。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种具有快速响应、可靠动作、灵敏度高、选择性好的MMC-HVDC的多端柔直电网区内、外故障的纵联保护方法，从而为系统的可靠运行提供保障。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，包括以下步骤：
步骤一，在换流站的整流侧与逆变侧中，利用预设传感器从本极直流输电线路中提取本极暂态电压电气量信号；
步骤二，根据本极暂态电压电气量信号计算单位时间内的电压突变量绝对值，大于启动门槛值时，换流站的整流侧与逆变侧的保护装置启动；
步骤三，对本极暂态电压电气量信号进行故障分量提取，获得电压故障分量；
步骤四，对所提取的电压故障分量进行信号处理，提取各点正极与负极电压故障分量的瞬时能量最大值TX；
步骤五，比较不同换流站的整流侧与逆变侧之间电压故障分量瞬时能量最大值TX与保护整定值seta的大小，进行故障判断：当TX大于保护整定值seta时，则在换流站两站间发生故障；当TX小于保护整定值seta时，则在换流站两站间不发生故障；
步骤六，比较确定后的故障站间的整流侧与逆变侧电压故障分量瞬时能量最大值K1与保护整定值setb的大小，实现区内、外故障判别：当K1大于保护整定值setb时，则在区内发生故障；当K1小于保护整定值setb时，则在区外发生故障；
步骤七，比较区内故障整流侧的正、负极电压故障分量瞬时能量最大值K2与保护整定值setc与setd的大小，实现故障极判别；当K2大于保护整定值setd时，则发生在正极；当K2小于保护整定值setc时，则在负极发生故障；当K2小于保护整定值setd且大于保护整定值setc时，则在正负双极发生故障。
其中，对所提取的电压故障分量利用Teager能量算子TEO或希尔伯特-黄变换方法进行信号处理。
具体的，各故障判定原则如下：
当K1大于保护整定值setb，K2大于保护整定值setd,则正极区内发生故障；
当K1大于保护整定值setb，K2小于保护整定值setc,则负极区内发生故障；
当K1大于保护整定值setb，K2小于保护整定值setd且大于保护整定值setc,则正、负双极发生故障；
当K1小于保护整定值setb，则发生区外故障。
具体的，所述保护整定值seta为故障站间选择判定值，所述保护整定值setb为区、内外故障判定值，所述保护整定值setc、setd分别为故障选极判定区间值。
具体的，当发生区内故障时，换流站的整流侧与逆变侧暂态电压变化率较大，故电压故障分量瞬时能量皆较大；当发生区外故障时，换流站的整流侧与逆变侧暂态电压变化率较小，故电压故障分量瞬时能量皆较小。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1、本方法采用双端电气量作为判据的原始信息，通过提取直流输电线路的电压故障分量，利用Teager能量算子TEO或希尔伯特-黄变换方法提取电压故障分量的瞬时能量即可实现区内、外故障的判别。
2、本发明是基于直流输电线路区内、外故障时两侧换流站电压故障分量的瞬时能量的差异，提出直流输电线路纵联保护方法，构造的继电保护易于实现与整定，动作速度快、选择性好、灵敏度高、可靠性高、耐过渡电阻能力强。
3、与现有方法相比，本发明方法可保护动作时间较短，具有良好的速动性，故障发生时更易快速可靠动作。
4、利用线路两端换流站电压故障分量的瞬时能量的相位差异，不易受过渡电阻的影响，因此该纵联保护方案将具有强的耐过渡电阻能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为四端柔性直流输电系统结构示意图；
图2(a)是故障f1的故障附加网络图；
图2(b)是故障f2的故障附加网络图；
图2(c)是故障f3的故障附加网络图；
图2(d)是故障f4的故障附加网络图；
图2(e)是故障f5的故障附加网络图；
图2(f)是故障f6的故障附加网络图；
图2(g)是故障f7的故障附加网络图；
图2(h)是故障f8的故障附加网络图；
图3为柔直电网保护流程图；
图4(a)是故障f1发生后的B3站4处正极瞬时能量图；
图4(b)是故障f1发生后的B3站4处负极瞬时能量图；
图4(c)是故障f1发生后的F1站5处正极瞬时能量图；
图4(d)是故障f1发生后的F1站5处负极瞬时能量图；
图5(a)是故障f2发生后的B3站4处正极瞬时能量图；
图5(b)是故障f2发生后的B3站4处负极瞬时能量图；
图5(c)是故障f1发生后的F1站5处正极瞬时能量图；
图5(d)是故障f2发生后的F1站5处负极瞬时能量图；
图6(a)是故障f3发生后的B3站4处正极瞬时能量图；
图6(b)是故障f3发生后的B3站4处负极瞬时能量图；
图6(c)是故障f3发生后的F1站5处正极瞬时能量图；
图6(d)是故障f3发生后的F1站5处负极瞬时能量图；
图7(a)是故障f4发生后的B3站4处正极瞬时能量图；
图7(b)是故障f4发生后的B3站4处负极瞬时能量图；
图7(c)是故障f4发生后的F1站5处正极瞬时能量图；
图7(d)是故障f4发生后的F1站5处负极瞬时能量图；
图8(a)是故障f5发生后的B3站4处正极瞬时能量图；
图8(b)是故障f5发生后的F1站5处正极瞬时能量图；
图9(a)是故障f6发生后的B3站4处负极瞬时能量图；
图9(b)是故障f6发生后的F1站5处负极瞬时能量图；
图10(a)是故障f7发生后的B3站4处正极瞬时能量图；
图10(b)是故障f7发生后的F1站5处正极瞬时能量图；
图11(a)是故障f8发生后的B3站4处负极瞬时能量图；
图11(b)是故障f8发生后的F1站5处负极瞬时能量图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明利用电压故障分量瞬时能量识别MMC-HVDC多端柔性直流电网的区内、外故障的全线速动保护方法，主要利用双端换流站电压故障分量瞬时能量实现区内故障、区外故障的判别。
按照以下步骤进行：
步骤一，在换流站的整流侧与逆变侧中，利用预设传感器从本极直流输电线路两侧的传感器中获得本极暂态电压电气量信号。
步骤二，根据本极暂态电压计算单位时间内的电压突变量绝对值，大于启动门槛值时，换流站的整流侧与逆变侧的保护装置启动。
其中步骤二可按照以下方法进行：
提取暂态电压突变量绝对值，根据式(1)判断是否发生故障。若满足判据，则认为直流线路发生故障：
|dU/dt|＞0.05KrelUn (1)
式中，dU/dt为所提取的电压故障分量的变化量；Krel为灵敏度系数，Un为线路额定电压值，0.05KrelUn＝K0，K0为启动门槛值。
步骤三，对从步骤一中获得的电压电气量信号进行故障分量提取，获得电压故障分量。
步骤四，利用Teager能量算子(TEO)或希尔伯特-黄变换方法对从步骤三所提取的电压故障分量进行信号处理，提取各点正极与负极电压故障分量的瞬时能量最大值TX，其中x取值为1-8。
步骤五，设定保护整定值seta为故障站间选择判定值，保护整定值setb为区、内外故障判定值，保护整定值setc、setd分别为故障选极判定区间值。
比较不同换流站的整流侧与逆变侧之间电压故障分量瞬时能量最大值TX与保护整定值seta的大小，进行故障判断；当TX大于保护整定值seta时，则在该两站间发生故障；当TX小于保护整定值seta时，则在该两站间不发生故障；
步骤六，比较确定后的故障站间的整流侧与逆变侧电压故障分量瞬时能量最大值K1与保护整定值setb的大小，实现区内、外故障判别；当K1大于保护整定值setb时，则在区内发生故障；当K2小于保护整定值setb时，则在区外发生故障。
确定的故障站间的整流侧与逆变侧电压故障分量瞬时能量最大值定义为
K1＝max(|Ta|,|Tb|)
式中，Ta和Tb分别为整流侧和逆变侧测量的电压故障分量瞬时能量。
步骤七，比较区内故障整流侧的正、负极电压故障分量瞬时能量最大值K2与保护整定值setc与setd的大小，实现故障极判别；当K2大于保护整定值setd时，则发生在正极；当K2小于保护整定值setc时，则在负极发生故障；当K2小于保护整定值setd且大于保护整定值setc时，则在正负双极发生故障。
区内故障的整流侧正、负极电压故障分量瞬时能量最大值定义为
K2＝|TPa|/|TNa|
式中，TPa和TNa分别为整流侧正极和负极的瞬时能量。
各故障判定原则如下：
当K1大于保护整定值setb，K2大于保护整定值setd,则正极区内发生故障；
当K1大于保护整定值setb，K2小于保护整定值setc,则负极区内发生故障；
当K1大于保护整定值setb，K2小于保护整定值setd且大于保护整定值setc,则正、负双极发生故障；
当K1小于保护整定值setb，则发生区外故障。
当发生区内故障时，换流站的整流侧与逆变侧暂态电压变化率较大，故电压故障分量瞬时能量皆较大；当发生区外故障时，换流站的整流侧与逆变侧暂态电压变化率较小，故电压故障分量瞬时能量皆较小。
本实施例中对不同的区内、区外故障进行了仿真验证。请参照图4(a)-图4(d)、图5(a)-图5(d)、图6(a)-图6(d)、图7(a)-图7(d)、图8(a)-图8(b)、图9(a)-图9(b)、图10(a)-图10(b)和图11(a)、图11(b)，分别对故障f1-f8进行了验证。同时，针对不同的线路长度与过渡电阻进行验证，验证结果如表1。
表1 不同线路长度与过渡电阻验证结果
Figure BDA0002590239820000081
Figure BDA0002590239820000091
以下是本发明的原理：
请参照图1，图1为所选用的四端柔性直流电网的结构拓扑图。四端柔性直流电网由四个换流站(B2、B3、E1和F1)和四条直流输电线路构成。换流站均装设MMC。假设故障发生在B3至F1站间，图中f1-f8为故障类型，P1-P8分别为正极整流侧与逆变侧保护测量安装点，N1-N8分别为负极整流侧与逆变侧保护测量安装点，在各站直流侧附加串联小电感用以构造边界条件，根据实际参数选取值为0.3H。其中，f1和f2分别为正极和负极区内故障，f3和f4分别为正负双极接地故障和正负双极短接故障，f5-f6分别为整流侧正极和负极区外故障，f7-f8分别为逆变侧正极和负极区外故障。两侧MMC换流站通过设有的信号采集装置(未图示)可获得本端极电气量的数字信号，并进行数字信号的处理、判别，实现保护功能。
图2(a)-(h)是四端柔性直流电网发生故障时的故障附加网络图。规定整流侧和逆变侧中电流测量装置的正方向为由交流侧指向直流线路。UP4和UP5分别为两侧保护测量安装点的正极暂态电压分量，UN4和UN5分别为两侧保护测量安装点的负极暂态电压分量。iP4和iN4分别为整流侧正极和负极故障电流，iP5和iN5分别为逆变侧正极和负极故障电流。Zh为非故障区域等效阻抗，ZP4X、ZP5X、ZN4X和ZN5X分别为两侧交流侧等效阻抗，ZP4和ZP5分别为故障点距保护安装处的等效阻抗。
由图2(a)可以看出：当系统发生f1故障时，可视为在正常网络上叠加负电源，正极暂态电压分量骤降，故电压故障分量的瞬时能量较大；负极暂态电压分量变化微小，故电压故障分量的能量较小。
由图2(b)可以看出：当系统发生f2故障时，可视为在正常网络上叠加正电源，负极暂态电压分量骤升，故电压故障分量的瞬时能量较大；正极暂态电压分量变化微小，故电压故障分量的瞬时能量较小。
由图2(c)和(d)可以看出：当系统发生f3和f4故障时，正极暂态电压分量骤升，负极暂态电压分量骤降，故两极电压故障分量的瞬时能量均较大。
由图2(e)、(f)、(g)和(h)可知，当系统发生f5-f8故障时，由于串联电感的存在，无论是整流侧或逆变侧，区内故障电压变化率与幅值都微小，故电压故障分量的瞬时能量均较小。
综上分析，可以得到：(1)当发生区内故障时，整流侧与逆变侧暂态电压分量的变化率较大，故电压故障分量的瞬时能量均较大；区外故障时，整流侧与逆变侧暂态电压分量的变化率较小，故电压故障分量的瞬时能量较小。
(2)当故障发生在正极时，正极暂态电压分量会发生骤变，电压故障分量的瞬时能量较大，负极暂态电压分量则变化微小，电压故障分量的瞬时能量较小；相反，当故障发生在负极时，负极暂态电压分量会发生骤变，电压故障分量的瞬时能量较大，正极暂态电压分量则变化微小，电压故障分量的瞬时能量较小。根据此差异，提出了一种利用电压故障分量的瞬时能量的识别模MMC-HVDC多端柔性直流电网的纵联保护新原理。
线路保护算法的整定：
如图3所示，为了满足继电保护装置的需求，构造如下的判据：
(1)保护启动判别
(a)检测整流侧与逆变侧电压，提取电压故障分量变化率绝对值为
|dU/dt|＞0.05KrelUn (1)
式中，dU/dt为所提取的电压故障分量的变化量；Krel为灵敏度系数，Un为线路额定电压值，0.05KrelUn＝K0，K0为启动门槛值。根据式(1)判断是否发生故障。若满足判据，则认为直流线路发生故障。
(b)故障区域选择：当线路检测发生故障，提取电压故障分量的瞬时能量最大值TX。由式(2)可判断故障区域在哪一站间。
|Tx|＞seta (2)
其中，x为变量，取值为各点及其正负极，|·|表示模值。seta为站间整定系数。若满足，可判定故障发生在该两站间区域，保护启动。否则发生在其他站间区域，保护不启动。
(2)区内外故障判别
当判定故障发生站间后，可根据式(3)与式(4)来区分区内外故障。
K1＝max(|Ta|,|Tb|) (3)
式中，Ta和Tb分别为整流侧和逆变侧测量保护安装处的电压故障分量瞬时能量。根据区内外故障的差异性构造判据式(4)来判别区内外故障。
K1＞setb (4)
式中：setb为判别区内、外故障整定值。若满足式(4)，故障判定为故障位置在直流输电线路上，即区内故障，否则故障位置不在输电线路上，即为区外故障，保护不动作。
(3)故障极识别
若故障发生在区内，还需进一步识别故障极。提取整流侧电压故障分量的瞬时能量，构造判据式(5)。
K2＝|TPa|/|TNa| (5)
式中：TPa和TNa分别为整流侧正极和负极的瞬时能量。
构造识别故障极的判据如式(6)。
Figure BDA0002590239820000121
式中，setc与setd为故障极判别整定值。
根据图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)-图11(a)、图11(b)及表1的验证结果，可以显著地显示本发明的方法对于区内、区外故障判别的灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高，从而为MMC-HVDC多端柔直电网提供可靠的继电保护。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在换流站的整流侧与逆变侧中，利用预设传感器从本极直流输电线路中提取本极暂态电压电气量信号；
步骤二，根据本极暂态电压电气量信号计算单位时间内的电压突变量绝对值，大于启动门槛值时，换流站的整流侧与逆变侧的保护装置启动；
步骤三，对本极暂态电压电气量信号进行故障分量提取，获得电压故障分量；
步骤四，对所提取的电压故障分量进行信号处理，提取各点正极与负极电压故障分量的瞬时能量最大值TX；
步骤五，比较不同换流站的整流侧与逆变侧之间电压故障分量瞬时能量最大值TX与保护整定值seta的大小，进行故障区域判断：当TX大于保护整定值seta时，则在换流站两站间发生故障；当TX小于保护整定值seta时，则在换流站两站间不发生故障；
步骤六，比较确定后的故障站间的整流侧与逆变侧电压故障分量瞬时能量最大值K1与保护整定值setb的大小，实现区内、外故障判别：当K1大于保护整定值setb时，则在区内发生故障；当K1小于保护整定值setb时，则在区外发生故障；
步骤七，比较区内故障整流侧的正、负极电压故障分量瞬时能量最大值K2与保护整定值setc与setd的大小，实现故障极判别；当K2大于保护整定值setd时，则发生在正极；当K2小于保护整定值setc时，则在负极发生故障；当K2小于保护整定值setd且大于保护整定值setc时，则在正负双极发生故障。
2.根据权利要求1所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤二中，提取暂态电压突变量绝对值，根据式(1)判断是否发生故障，若满足判据，则认为直流线路发生故障：
|dU/dt|＞0.05KrelUn (1)
式中，dU/dt为所提取的电压故障分量的变化量；Krel为灵敏度系数，Un为线路额定电压值，0.05KrelUn＝K0，K0为启动门槛值。
3.根据权利要求1所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤四中，对所提取的电压故障分量利用Teager能量算子TEO或希尔伯特-黄变换方法进行信号处理。
4.根据权利要求1所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤六与步骤七中，各故障判定原则如下：
当K1大于保护整定值setb，K2大于保护整定值setd,则正极区内发生故障；
当K1大于保护整定值setb，K2小于保护整定值setc,则负极区内发生故障；
当K1大于保护整定值setb，K2小于保护整定值setd且大于保护整定值setc，则正、负双极发生故障；
当K1小于保护整定值setb，则发生区外故障。
5.根据权利要求4所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，所述保护整定值seta为故障站间选择判定值，所述保护整定值setb为区、内外故障判定值，所述保护整定值setc、setd分别为故障选极判定区间值。
6.根据权利要求1所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，当发生区内故障时，换流站的整流侧与逆变侧暂态电压变化率较大，故电压故障分量瞬时能量皆较大；当发生区外故障时，换流站的整流侧与逆变侧暂态电压变化率较小，故电压故障分量瞬时能量皆较小。
7.根据权利要求1所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤六中，确定的故障站间的整流侧与逆变侧电压故障分量瞬时能量最大值定义为
K1＝max(|Ta|,|Tb|)
式中，Ta和Tb分别为整流侧和逆变侧测量的电压故障分量瞬时能量。
8.根据权利要求1所述的识别多端柔性直流电网区内、外故障的纵联保护方法，其特征在于，所述步骤七中，区内故障的整流侧正、负极电压故障分量瞬时能量最大值定义为
K2＝|TPa|/|TNa|
式中，TPa和TNa分别为整流侧正极和负极的瞬时能量。
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