CN112564062B - 一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法，包括：获取两条输电线路和第一MCC换流站流出的正、负极电流；基于上述的正、负极电流分别获取三个保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，故障类型包括区内故障和区外故障；若为区外故障，则保护动作元件不进行保护动作；若为区内故障，则基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路；若所述第二输电线路发生故障，则所述第二组保护动作元件进行保护动作；若所述第一输电线路发生故障，则所述第一组保护动作元件进行保护动作。本申请可以保证系统安全运行。

Description

一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法

技术领域

本申请涉及继电保护技术领域，尤其涉及一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法。

背景技术

随着科技的发展，能源的重要性更加凸显，电能作为应用最广泛的一种能源，其需求量是特别庞大的。当前形势下，能源资源与负荷需求呈现逆向分布现状，因此进行远距离大容量的电能输送是当前一大研究热点。为解决远距离大容量输送电能的问题，人们引入了LCC(电网换相换流器)和MMC(模块化多电平换流器)。其中，LCC高压直流输电技术的输送容量大、造价较低；而MMC直流输电技术能独立控制功率、且不存在换相失败风险。

现有技术一般采用LCC作为功率集中输送端、多个MMC作为多落点受端的多端混合直流输电系统，这种系统综合了常规直流技术成熟、成本低廉、运行损耗低和柔性直流调节性能好、滤波容量需求小等优点，是大容量新能源功率外送的重要选择。

然而本申请的发明人发现，现有的技术采用电流差动保护，当发生近端区外故障时，保护需要较长延时，速动性较差，从而损坏换流器设备，影响系统运行安全，造成极大的经济损失，无法保证系统安全运行。即现有技术存在安全性较低的缺点。

发明内容

本申请提供了一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法，以解决现有技术安全性较低的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请提供了一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法，该保护方法应用于LCC-MMC多端混合直流输电线路，所述LCC-MMC多端混合直流输电线路包括：LCC换流站、两个MCC换流站、三个保护测量元件、两组保护动作元件、两条输电线路和电流方向元件；其中，LCC换流站、第一保护测量元件、第一输电线路和第一组保护动作元件依次连接；第一MCC换流站和第二保护测量元件相连接；第二MCC换流站、第三保护测量元件、第二输电线路、第二组保护动作元件和电流方向元件依次连接；所述方法包括：

获取所述第一输电线路的正、负极电流，所述第一MCC换流站流出的电流以及所述第二输电线路的正、负极电流；

基于所述第一输电线路的正、负极电流分别获取所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于所述第一MCC换流站流出的电流分别获取所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于所述第二输电线路的正、负极电流分别获取所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；

基于所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量以及所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，所述故障类型包括区内故障和区外故障；

若为区外故障，则保护动作元件不进行保护动作；

若为区内故障，则基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路；若所述第二输电线路发生故障，则所述第二组保护动作元件进行保护动作；若所述第一输电线路发生故障，则所述第一组保护动作元件进行保护动作。

可选的，获取所述第一输电线路的正、负极电流，包括：基于所述第一保护测量元件获取所述第一输电线路的正、负极电流；

获取所述第一MCC换流站流出的电流，包括：基于所述第二保护测量元件获取所述第一MCC换流站流出的正、负极电流；

获取所述第二输电线路的正、负极电流，包括：基于所述第三保护测量元件获取所述第二输电线路正、负极的电流。

可选的，获取保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，包括：

利用时间窗内的电流行波信号对时间的积分计算保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，计算方法包括：

其中：

Q_{n_positive}表示保护时间窗内第n保护测量元件的正极瞬时电荷量；

t₀表示初始时刻；

t_w为保护时间窗；

i_{n_positive}表示第n保护测量元件获取的正极电流；

其中：

Q_{n_negetive}表示保护时间窗内第n保护测量元件的负极瞬时电荷量；

t₀表示初始时刻；

t_w为保护时间窗；

i_{n_negetive}表示第n保护测量元件获取的负极电流。

可选的，所述区内故障包括：正极区内故障和负极区内故障；所述区外故障包括：正极区外故障和负极区外故障；

所述基于所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量以及所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，包括：

获取各个保护测量元件的正极瞬时电荷量之和以及负极电荷量之和；

对于正极线路，若所述正极瞬时电荷量之和大于预设的正极整定值，则判定为正极区内故障；若所述正极瞬时电荷量之和小于预设的正极整定值，则判定为正极区外故障；

对于负极线路，若所述负极电荷量之和小于预设的负极整定值，则判定为负极区内故障；若所述负极瞬时电荷量之和大于预设的负极整定值，则判定为负极区外故障。

可选的，所述预设的正极整定值为：

Q_set.p＝k_rt_wI_set

I_set＝0.1I_n

其中：

Q_set.p为正极整定值；

k_r为可靠系数；

I_n为所述第一输电线路的额定电流。

可选的，所述预设的负极整定值为：

Q_set.n＝-k_rt_wI_set

I_set＝0.1I_n

其中：

Q_set.p为正极整定值；

k_r为可靠系数；

I_n为所述第一输电线路的额定电流。

可选的，所述基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路，包括：

判断所述电流方向元件的方向；若所述电流方向元件为正方向，则所述第二输电线路发生故障；若所述电流方向元件为负方向，则所述第一输电线路发生故障。

可选的，所述判断所述电流方向元件的方向，包括：

基于所述电流方向元件获取若干个故障电流采样值；

将所述故障电流采样值和所述第二输电线路的额定电流做差；

将每个差值分别和对应的故障电流采样值的绝对值做比，得到若干个比值；如果存在连续三个比值为正，则所述电流方向元件为正方向；如果存在连续三个比值为负，则所述电流方向元件为负方向。

可选的，所述比值为：

其中：

i_g(N)为故障电流采样值，表示故障极在第N采样点的采样电流值；

i_n为所述第二输电线路的额定电流

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法，包括：获取两条输电线路和第一MCC换流站流出的正、负极电流；基于上述的正、负极电流分别获取三个保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，故障类型包括区内故障和区外故障；若为区外故障，则保护动作元件不进行保护动作；若为区内故障，则基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路；若所述第二输电线路发生故障，则所述第二组保护动作元件进行保护动作；若所述第一输电线路发生故障，则所述第一组保护动作元件进行保护动作。本申请可根据系统的故障情况对相应的输电线路进行保护，从而不会损坏换流器设备，可以保证系统安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法的整体流程图；

图2为本申请实施例中LCC-MMC多端混合直流输电线路的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法的整体流程图。

本申请实施例提供的保护方法应用于LCC-MMC多端混合直流输电线路。如图2所示，所述LCC-MMC多端混合直流输电线路包括：LCC换流站、两个MCC换流站、三个保护测量元件、两组保护动作元件、两条输电线路和电流方向元件。

具体的，LCC-MMC多端混合直流输电线路由三部分支路组成。其中，LCC换流站、第一保护测量元件、第一输电线路和第一组保护动作元件依次连接，构成第一部分的支路。第一组保护动作元件包括两个快速直流断路器，为图2中的DCBreak1和DCBreak2。第一MCC换流站(图2中的MMC1)和第二保护测量元件相连接，构成第二部分支路。第二MCC换流站(图2中的MMC2)、第三保护测量元件、第二输电线路、第二组保护动作元件和电流方向元件依次连接，构成第三部分的支路。其中，电流方向元件为电流互感器。第二组保护动作元件包括两个快速直流断路器，为图2中的DCBreak3和DCBreak4。同时，DCBreak2、电流方向元件和第二保护测量元件相连接，从而将三部分支路连接起来，共同构成本实施例中的LCC-MMC多端混合直流输电线路。

该方法包括以下步骤：

S1、获取所述第一输电线路的正、负极电流，所述第一MCC换流站流出的电流以及所述第二输电线路的正、负极电流；

S2、基于所述第一输电线路的正、负极电流分别获取所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于所述第一MCC换流站流出的电流分别获取所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于所述第二输电线路的正、负极电流分别获取所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；

S3、基于所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量以及所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，所述故障类型包括区内故障和区外故障；

S4、若为区外故障，则保护动作元件不进行保护动作；

若为区内故障，则基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路；若所述第二输电线路发生故障，则所述第二组保护动作元件进行保护动作；若所述第一输电线路发生故障，则所述第一组保护动作元件进行保护动作。

下面对各个步骤进行详细描述：

在步骤S1中，获取第一输电线路的正、负极电流，第一MCC换流站流出的电流以及第二输电线路的正、负极电流。

具体的，各端保护元件分别获取所在端的输电线路上的正、负极电流量，包括：

基于第一保护测量元件获取第一输电线路的正、负极电流。基于第二保护测量元件获取第一MCC换流站流出的正、负极电流。基于第三保护测量元件获取第二输电线路的正、负极电流。

在步骤S2，获取各个保护测量元件的正、负极瞬时电荷量。

具体的，利用时间窗内的电流行波信号对时间的积分分别计算各个保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，计算方法如下。

正极瞬时电荷量的计算方法为：

其中：

Q_{n_positive}表示保护时间窗内第n保护测量元件的正极瞬时电荷量；

t₀表示初始时刻；

t_w为保护时间窗；

i_{n_positive}表示第n保护测量元件获取的正极电流。

负极瞬时电荷量的计算方法为：

其中：

Q_{n_negative}表示保护时间窗内第n保护测量元件的负极瞬时电荷量；

t₀表示初始时刻；

t_w为保护时间窗；

i_{n_negative}表示第n保护测量元件获取的负极电流。

具体的，本发明实施例根据第一输电线路的正、负极电流计算出第一保护测量元件的瞬时电荷量；根据第一MCC换流站流出的正、负极电流计算出第二保护测量元件的瞬时电荷量；根据第二输电线路的正、负极电流计算出第三保护测量元件的瞬时电荷量。

在步骤S3中，基于三个保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型。其中，故障类型包括区内故障和区外故障。区内故障包括：正极区内故障和负极区内故障；区外故障包括：正极区外故障和负极区外故障。

具体的，故障类型地判断方法包括：

获取各个保护测量元件的正极瞬时电荷量之和以及负极电荷量之和。

对于正极线路，若所述正极瞬时电荷量之和大于预设的正极整定值，则判定为正极区内故障；若所述正极瞬时电荷量之和小于预设的正极整定值，则判定为正极区外故障。

其中，预设的正极整定值为：

Q_set.p＝k_rt_wI_set

I_set＝0.1I_n

其中：

Q_set.p为正极整定值；

k_r为可靠系数；

I_n为第一输电线路的额定电流。

预设的负极整定值为：

Q_set.n＝-k_rt_wI_set

I_set＝0.1i_n

其中：

Q_set.p为正极整定值；

k_r为可靠系数；

I_n为第一输电线路的额定电流。

对于负极线路，若所述负极电荷量之和小于预设的负极整定值，则判定为负极区内故障；若所述负极瞬时电荷量之和大于预设的负极整定值，则判定为负极区外故障。

本发明实施例在具体实施时，第一保护测量元件和第三保护测量元件将电荷量信息发送给第二保护测量元件，并由第二保护测量元件判别是区内故障还是区外故障。

在步骤S4中，根据判断的故障类型进行如下操作：

如果发生区外故障，则保护动作元件不进行保护动作。此时，第二保护测量元件元件向两组保护动作元件发送闭锁信号，保护可靠不动作。

如果发生区内故障，则基于电流方向元件判断发生故障的输电线路。并且第二保护测量元件向两组保护动作元件发出解锁信号。具体包括：

判断所述电流方向元件的方向。若所述电流方向元件为正方向，则所述第二输电线路发生故障；若所述电流方向元件为负方向，则所述第一输电线路发生故障。

其中，判断所述电流方向元件的方向，包括：

基于电流方向元件获取若干个故障电流采样值。

将故障电流采样值和所述第二输电线路的额定电流做差。

将每个差值分别和对应的故障电流采样值的绝对值做比，得到若干个比值；如果存在连续三个比值为正，则电流方向元件为正方向；如果存在连续三个比值为负，则电流方向元件为负方向。比值为：

其中：

i_g(N)为故障电流采样值，表示故障极在第N采样点的采样电流值；

i_n为所述第二输电线路的额定电流。

如果第二输电线路发生故障，则第二保护测量元件向第二组保护动作元件发出解锁信号。电流方向元件向第二组保护动作元件发出动作信号，第二组保护动作元件断开，对第二输电线路进行保护。具体的，保护动作元件的断开功能为跳闸动作。

如果第一输电线路发生故障，则第二保护测量元件向第一组保护动作元件发出解锁信号。电流方向元件向第一组保护动作元件发出动作信号，第一组保护动作元件断开，对第一输电线路进行保护。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1.本申请实施例提供了一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法，包括：获取两条输电线路和第一MCC换流站流出的正、负极电流；基于上述的正、负极电流分别获取三个保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，故障类型包括区内故障和区外故障；若为区外故障，则保护动作元件不进行保护动作；若为区内故障，则基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路；若所述第二输电线路发生故障，则所述第二组保护动作元件进行保护动作；若所述第一输电线路发生故障，则所述第一组保护动作元件进行保护动作。本申请可根据系统的故障情况对相应的输电线路进行保护，从而不会损坏换流器设备，可以保证系统安全运行。

2.传统的电流差动保护方法在区外故障需要长延时来保证保护的可靠性，灵敏度较差，而该保护在在发生区外故障时，无需长延时，在10ms保护时间窗内可以检测出区外故障，使保护可靠不动作。

3.本申请实施例提供的保护方法，当发生区内故障时，10ms时间窗检测区内故障，再采集3ms电流，进行方向判别，由于采用高性能的计算机、直流快速断路器和通讯装置，保护仅需几十毫秒就发出保护动作。

4.本申请实施例提供的保护方法保护抗干扰能力强，在遭受雷击干扰时，保护可靠不动作，而发生故障性雷击时，与短路故障特征相似，保护可靠动作，可靠性较好。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (8)

1.一种多端混合直流输电线路的电荷量纵联保护方法，其特征在于，所述保护方法应用于LCC-MMC多端混合直流输电线路，所述LCC-MMC多端混合直流输电线路包括：LCC换流站、两个MCC换流站、三个保护测量元件、两组保护动作元件、两条输电线路和电流方向元件；其中，LCC换流站、第一保护测量元件、第一输电线路和第一组保护动作元件依次连接；第一MCC换流站和第二保护测量元件相连接；第二MCC换流站、第三保护测量元件、第二输电线路、第二组保护动作元件和电流方向元件依次连接；所述方法包括：

获取所述第一输电线路的正、负极电流，所述第一MCC换流站流出的电流以及所述第二输电线路的正、负极电流；

基于所述第一输电线路的正、负极电流分别获取所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于所述第一MCC换流站流出的电流分别获取所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；基于所述第二输电线路的正、负极电流分别获取所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量；

基于所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量以及所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，所述故障类型包括区内故障和区外故障；

若为区外故障，则保护动作元件不进行保护动作；

若为区内故障，则基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路；若所述第二输电线路发生故障，则所述第二组保护动作元件进行保护动作；若所述第一输电线路发生故障，则所述第一组保护动作元件进行保护动作；

所述区内故障包括：正极区内故障和负极区内故障；所述区外故障包括：正极区外故障和负极区外故障；

所述基于所述第一保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，所述第二保护测量元件的正、负极瞬时电荷量以及所述第三保护测量元件的正、负极瞬时电荷量判断故障类型，包括：

获取各个保护测量元件的正极瞬时电荷量之和以及负极电荷量之和；

对于正极线路，若所述正极瞬时电荷量之和大于预设的正极整定值，则判定为正极区内故障；若所述正极瞬时电荷量之和小于预设的正极整定值，则判定为正极区外故障；

对于负极线路，若所述负极电荷量之和小于预设的负极整定值，则判定为负极区内故障；若所述负极瞬时电荷量之和大于预设的负极整定值，则判定为负极区外故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述第一输电线路的正、负极电流，包括：基于所述第一保护测量元件获取所述第一输电线路的正、负极电流；

获取所述第一MCC换流站流出的电流，包括：基于所述第二保护测量元件获取所述第一MCC换流站流出的正、负极电流；

获取所述第二输电线路的正、负极电流，包括：基于所述第三保护测量元件获取所述第二输电线路正、负极的电流。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，获取保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，包括：

利用时间窗内的电流行波信号对时间的积分计算保护测量元件的正、负极瞬时电荷量，计算方法包括：

其中：

Q_{n_positive}表示保护时间窗内第n保护测量元件的正极瞬时电荷量；

t₀表示初始时刻；

t_w为保护时间窗；

i_{n_positive}表示第n保护测量元件获取的正极电流；

其中：

Q_{n_negetive}表示保护时间窗内第n保护测量元件的负极瞬时电荷量；

t₀表示初始时刻；

t_w为保护时间窗；

i_{n_negetive}表示第n保护测量元件获取的负极电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设的正极整定值为：

Q_set.p＝k_rt_wI_set

I_set＝0.1I_n

其中：

Q_set.p为正极整定值；

k_r为可靠系数；

I_n为所述第一输电线路的额定电流。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设的负极整定值为：

Q_set.n＝-k_rt_wI_set

I_set＝0.1I_n

其中：

Q_set.p为正极整定值；

k_r为可靠系数；

I_n为所述第一输电线路的额定电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述电流方向元件判断发生故障的输电线路，包括：

判断所述电流方向元件的方向；若所述电流方向元件为正方向，则所述第二输电线路发生故障；若所述电流方向元件为负方向，则所述第一输电线路发生故障。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判断所述电流方向元件的方向，包括：

基于所述电流方向元件获取若干个故障电流采样值；

将所述故障电流采样值和所述第二输电线路的额定电流做差；

将每个差值分别和对应的故障电流采样值的绝对值做比，得到若干个比值；如果存在连续三个比值为正，则所述电流方向元件为正方向；如果存在连续三个比值为负，则所述电流方向元件为负方向。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述比值为：

其中：

i_g(N)为故障电流采样值，表示故障极在第N采样点的采样电流值；

i_n为所述第二输电线路的额定电流。

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