CN112217183A - 相间短路故障下mmc-hvdc换流站交流联络线距离保护方法 - Google Patents

相间短路故障下mmc-hvdc换流站交流联络线距离保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种相间短路故障下MMC‑HVDC换流站交流联络线距离保护方法，包括以下步骤：对交流联络线保护安装处的电压和电流进行采样；采用离散傅里叶变换得到测量电压相量、测量电流相量和负序电压幅值；判断是否发生非对称短路故障，发生非对称短路故障，执行步骤四；未发生非对称短路故障，返回步骤一开始执行；计算投影参考阻抗的幅值、投影测量阻抗的幅值和方向因子；判定投影测量阻抗的幅值小于或等于投影参考阻抗的幅值并且方向因子大于0，判定成立向断路器发送跳闸信号。本发明相间短路故障下MMC‑HVDC换流站交流联络线距离保护方法，在各种相间短路故障下能正确向断路器发送跳闸信号；能识别故障方向；消除过渡电阻对距离保护元件性能的负面影响。

Description

相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体的说，是涉及一种相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converterbased high voltage direct current，MMC-HVDC)作为一种新型的输电方式，具有无需无功补偿装置、输出电流波形质量高、控制灵活性好等优点，近年来发展迅猛。由于电力电子器件的脆弱性和MMC的高度可控性，使得MMC-HVDC换流站的故障电流特征相较于常规的同步发电机差异较大，导致相间短路故障下传统距离保护方案不正确动作，影响电力系统运行的安全性和稳定性。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种在各种相间短路故障下能正确向断路器发送跳闸信号；能识别故障方向；消除过渡电阻对距离保护元件性能的负面影响的相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法，包括以下步骤：
步骤一：对交流联络线保护安装处的电压和电流进行采样；
步骤二：采用离散傅里叶变换得到测量电压相量、测量电流相量和负序电压幅值；
步骤三：判断是否发生非对称短路故障，若发生非对称短路故障，则执行步骤四；若未发生非对称短路故障，则返回步骤一开始执行；
步骤四：计算投影参考阻抗的幅值、投影测量阻抗的幅值和方向因子；
步骤五：判定条件1为投影测量阻抗的幅值小于或等于投影参考阻抗的幅值，判定条件2为方向因子大于0；如果判定条件1和判定条件2同时满足，且持续时间不低于6ms，则判定为区内故障，向断路器发送跳闸信号；如果判定条件1和判定条件2不同时满足，或两个判定条件同时满足，但条件满足的持续时间低于6ms，则判定为区外故障，不向断路器发送跳闸信号。
所述发生非对称短路故障条件是：
Figure BDA0002709815530000024
式中，
Figure BDA0002709815530000025
为保护安装处的负序电压幅值，Un为交流联络线的额定电压。Un直接取交流联络线电压等级对应的电压值。例如，交流联络线的电压等级为500kV，则Un取为500kV。
Figure BDA0002709815530000026
的取值范围为：
Figure BDA0002709815530000027
若电网未发生非对称短路故障，则电网电压中的负序电压为零；若电网发生非对称短路故障，则电网电压中将出现负序电压。因此，可以通过检测负序电压幅值是否大于设定值来判断是否发生了非对称短路故障。
投影参考阻抗的幅值|Z′ref|、投影测量阻抗的幅值|Z′m|和方向因子DI具体计算公式如下：
Figure BDA0002709815530000021
Figure BDA0002709815530000022
Figure BDA0002709815530000023
式中，| |表示取相量或复数的幅值；arg()表示取相量或复数的相角；|Zset|为交流联络线整定阻抗的幅值，取交流联络线正序阻抗幅值的80％，其取值范围介于0Ω和200Ω之间；|Zm|为测量阻抗幅值，其取值范围一般介于0Ω和600Ω之间；|Z′ref|为投影参考阻抗的幅值，其取值范围介于0Ω和200Ω之间；|Z′m|为投影参考阻抗的幅值，其取值范围一般介于0Ω和600Ω之间；
Figure BDA0002709815530000031
为交流联络线的阻抗角，其取值范围介于0°和90°之间；
Figure BDA0002709815530000032
为故障电流相量的相角，其取值范围介于0°和360°之间；
Figure BDA0002709815530000033
为测量电流相量的相角，其取值范围介于0°和360°之间；arg(Zm)为测量阻抗的相角，其取值范围介于0°和360°之间；DI为方向因子，其取值范围介于-1和1之间。
由于故障电流
Figure BDA0002709815530000034
无法直接测量，因此不能直接计算得到
Figure BDA0002709815530000035
考虑了MMC-HVDC换流站的故障特征，利用相间故障情况下故障电流与保护安装处负序电压之间的相位关系求解
Figure BDA0002709815530000036
Figure BDA0002709815530000037
的求解公式为：
Figure BDA0002709815530000038
式中，
Figure BDA0002709815530000039
和
Figure BDA00027098155300000310
分别为图3中母线1处(交流联络线MMC-HVDC换流站侧)A相、B相、C相负序测量电压相量的相角，其取值范围均介于0°和360°之间。
Figure BDA00027098155300000311
和
Figure BDA00027098155300000312
分别为图3中母线2处(交流联络线电网侧)A相、B相、C相负序测量电压相量的相角，其取值范围均介于0°和360°之间。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法，能适应MMC-HVDC换流站的特殊故障特征，在各种相间短路故障下能正确向断路器发送跳闸信号；能识别故障方向；消除过渡电阻对距离保护元件性能的负面影响。
附图说明
图1为MMC-HVDC换流站接入电网的示意图；
图2为相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方案的流程图；
图3是A相负序网络示意图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：
由图1-3可知，本发明相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法，包括以下步骤：
步骤一：如图1和图2，对交流联络线保护安装处的电压和电流进行采样；
步骤二：如图2，采用离散傅里叶变换得到测量电压相量
Figure BDA0002709815530000041
测量电流相量
Figure BDA0002709815530000042
和负序电压幅值
Figure BDA0002709815530000043
步骤三：如图2，判断是否发生非对称短路故障；若
Figure BDA0002709815530000044
表明发生了非对称短路故障，则执行步骤四；若
Figure BDA0002709815530000045
表明未发生非对称短路故障，则返回步骤一开始执行；其中，Un表示交流联络线的额定电压；
步骤四：如图2，计算投影参考阻抗的幅值|Z′ref|、投影测量阻抗的幅值|Z′m|和方向因子DI；具体计算公式如下：
Figure BDA0002709815530000046
Figure BDA0002709815530000047
Figure BDA0002709815530000048
式中，| |表示取相量或复数的幅值；arg()表示取相量或复数的相角；|Zset|为交流联络线整定阻抗的幅值，取交流联络线正序阻抗幅值的80％，其取值范围介于0Ω和200Ω之间；|Zm|为测量阻抗幅值，其取值范围一般介于0Ω和600Ω之间；|Z′ref|为投影参考阻抗的幅值，其取值范围介于0Ω和200Ω之间；|Z′m|为投影参考阻抗的幅值，其取值范围一般介于0Ω和600Ω之间；
Figure BDA0002709815530000051
为交流联络线的阻抗角，其取值范围介于0°和90°之间；
Figure BDA0002709815530000052
为故障电流相量的相角，其取值范围介于0°和360°之间；
Figure BDA0002709815530000053
为测量电流相量的相角，其取值范围介于0°和360°之间；arg(Zm)为测量阻抗的相角，其取值范围介于0°和360°之间；DI为方向因子，其取值范围介于-1和1之间。
由于故障电流
Figure BDA0002709815530000054
无法直接测量，因此不能直接计算得到
Figure BDA0002709815530000055
考虑了MMC-HVDC换流站的故障特征，可以利用相间故障情况下故障电流与保护安装处负序电压之间的相位关系求解
Figure BDA0002709815530000056
Figure BDA0002709815530000057
的求解公式为：
Figure BDA0002709815530000058
式中，
Figure BDA0002709815530000059
和
Figure BDA00027098155300000510
分别为图3中母线1处(交流联络线MMC-HVDC换流站侧)A相、B相、C相负序测量电压相量的相角，其取值范围均介于0°和360°之间。
Figure BDA00027098155300000511
和
Figure BDA00027098155300000512
分别为图3中母线2处(交流联络线电网侧)A相、B相、C相负序测量电压相量的相角，其取值范围均介于0°和360°之间。
公式(4)的理论推导过程如下：
以BC相间短路故障为例，故障电流
Figure BDA00027098155300000513
可表示为
Figure BDA00027098155300000514
式中，下标“+”、“-”分别表示正序和负序分量；
对于BC相间短路故障，A相正序电流和负序电流之间存在如下关系：
Figure BDA00027098155300000515
将公式(6)代入到公式(5)中可得：
Figure BDA0002709815530000061
A相负序网络的如图3所示。图3中，下标“-”表示负序分量；ZL-为线路1-2的负序阻抗；x为母线1到故障点F的距离与线路1-2长度之比，其取值介于0和1之间；ZG-为电网的等效负序阻抗。
MMC-HVDC换流站一般采用抑制负序电流的控制目标，MMC-HVDC换流站输出的负序电流约等于0，即
Figure BDA0002709815530000062
由此可得如下关系式
Figure BDA0002709815530000063
根据公式(8)、图3和基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0002709815530000064
一般情况下，电网等效负序阻抗的相角与线路负序阻抗相角相差不大，因此
Figure BDA0002709815530000065
由公式(9)和公式(10)可得如下关系：
Figure BDA0002709815530000066
根据公式(7)和公式(11)，BC相间短路故障时，
Figure BDA0002709815530000067
可表示为：
Figure BDA0002709815530000068
对于CA相间短路故障和AB相间短路故障两种情况，其
Figure BDA0002709815530000069
的推导过程与BC相间短路故障时的推导过程一致。
步骤五：如图2，判定条件1为投影测量阻抗的幅值小于或等于投影参考阻抗的幅值，即|Z′m|≤|Z′ref|；判定条件2为方向因子大于0，即DI>0；如果判定条件1和判定条件2同时满足，且持续时间不低于6ms，则判定为区内故障，向断路器发送跳闸信号；如果判定条件1和判定条件2不同时满足，或两个判定条件同时满足，但条件满足的持续时间低于6ms，则判定为区外故障，不向断路器发送跳闸信号。
需要指出的是，根据方向因子DI的符号可以判断故障方向。若DI>0，表明故障为正方向故障；若DI<0，表明故障为反方向故障。如图1，正方向是指由母线指向被保护线路的方向。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。

Claims (3)

1.一种相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：对交流联络线保护安装处的电压和电流进行采样；
步骤二：采用离散傅里叶变换得到测量电压相量、测量电流相量和负序电压幅值；
步骤三：判断是否发生非对称短路故障，若发生非对称短路故障，则执行步骤四；若未发生非对称短路故障，则返回步骤一开始执行；
步骤四：计算投影参考阻抗的幅值、投影测量阻抗的幅值和方向因子；
步骤五：判定条件1为投影测量阻抗的幅值小于或等于投影参考阻抗的幅值，判定条件2为方向因子大于0；如果判定条件1和判定条件2同时满足，且持续时间不低于6ms，则判定为区内故障，向断路器发送跳闸信号；如果判定条件1和判定条件2不同时满足，或两个判定条件同时满足，但条件满足的持续时间低于6ms，则判定为区外故障，不向断路器发送跳闸信号。
2.根据权利要求1所述相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法，其特征在于：
所述发生非对称短路故障条件是：
Figure FDA0002709815520000011
式中，
Figure FDA0002709815520000012
为保护安装处的负序电压幅值；
Un为交流联络线的额定电压；
Un直接取交流联络线电压等级对应的电压值；
Figure FDA0002709815520000013
的取值范围为：
Figure FDA0002709815520000014
3.根据权利要求1所述相间短路故障下MMC-HVDC换流站交流联络线距离保护方法，其特征在于：
投影参考阻抗的幅值|Z′ref|、投影测量阻抗的幅值|Z′m|和方向因子DI具体计算公式如下：
Figure FDA0002709815520000021
Figure FDA0002709815520000022
Figure FDA0002709815520000023
式中，||表示取相量或复数的幅值；arg()表示取相量或复数的相角；|Zset|为交流联络线整定阻抗的幅值，取交流联络线正序阻抗幅值的80％，其取值范围介于0Ω和200Ω之间；
|Zm|为测量阻抗幅值，其取值范围一般介于0Ω和600Ω之间；
|Z′ref|为投影参考阻抗的幅值，其取值范围介于0Ω和200Ω之间；
|Z′m|为投影参考阻抗的幅值，其取值范围一般介于0Ω和600Ω之间；
Figure FDA0002709815520000024
为交流联络线的阻抗角，其取值范围介于0°和90°之间；
Figure FDA0002709815520000025
为故障电流相量的相角，其取值范围介于0°和360°之间；
Figure FDA0002709815520000026
为测量电流相量的相角，其取值范围介于0°和360°之间；
arg(Zm)为测量阻抗的相角，其取值范围介于0°和360°之间；
DI为方向因子，其取值范围介于-1和1之间；
由于故障电流
Figure FDA0002709815520000027
无法直接测量，因此不能直接计算得到
Figure FDA0002709815520000028
根据MMC-HVDC换流站的故障特征，利用相间故障情况下故障电流与保护安装处负序电压之间的相位关系求解
Figure FDA0002709815520000029
的求解公式为：
Figure FDA00027098155200000210
式中，
Figure FDA0002709815520000031
和
Figure FDA0002709815520000032
分别为图3中母线1处(交流联络线MMC-HVDC换流站侧)A相、B相、C相负序测量电压相量的相角，其取值范围均介于0°和360°之间。
Figure FDA0002709815520000033
和
Figure FDA0002709815520000034
分别为图3中母线2处(交流联络线电网侧)A相、B相、C相负序测量电压相量的相角，其取值范围均介于0°和360°之间。
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