CN112736865B - 基于反时限特性的lcc-vsc混联系统保护方法及系统 - Google Patents

基于反时限特性的lcc-vsc混联系统保护方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反时限特性的LCC‑VSC混联系统保护方法及系统，涉及直流输电技术技术领域，所述方法包括：获取系统测量电流；将系统测量电流与保护启动整定值比较，若系统测量电流大于保护启动整定值，则判断为系统发生故障并执行步骤3；若系统测量电流小于保护启动整定值，则继续保持监测系统测量电流；保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。本发明利用反时限特性可以同时配合两条支路的主保护，并且受分布式电容和过渡电阻的影响较小。

Description

基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法及系统
技术领域
本发明涉及直流输电技术技术领域，具体涉及一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法及系统。
背景技术
近年来，直流输电技术凭借着其容量大距离远的特点在电网建设中受到了更多的重视，直流输电技术包括基于晶闸管的电网换相换流器型高压直流输电技术(linecommutated converter HVDC,LCC-HVDC)和基于电压源型换流器的高压直流输电技术(voltage source converter HVDC,VSC-HVDC)。其中LCC-HVDC技术更加成熟，但其存在逆变器换相失败、需要消耗大量无功功率和不具备自关断能力等缺点。而VSC-HVDC技术可以弥补上述缺点，但其造价更高、建设成本更大，因此LCC-VSC混联技术出现并获得了国内外学者的广泛关注，目前国内已有多项混联直流输电系统开工。LCC-VSC混联多端直流输电系统多采用架空输电线路，故障概率大，作为系统安全运行的关键技术，混合多端直流输电系统的保护技术问题亟待研究。
国内外针对混合直流系统的研究已有许多探索，但多集中于混联系统的控制策略以及换流器拓扑结构上，针对混联系统的保护尤其是输电线路保护的研究较少。
有发明对整流侧LCC，逆变侧VSC的拓扑结构进行研究，在柔性直流电网保护的基础上提出了改进的暂态电流极性与电流能量的故障区域识别方法，并验证了其适用性。
有发明对整流侧LCC，逆变侧VSC的拓扑结构进行研究，提出了行波保护与电压突变量保护相互配合的保护方案。
有发明针对整流侧LCC，逆变侧VSC的拓扑结构进行分析，提出了改进的过流保护和纵联保护的主保护方案。
有发明对整流侧LCC，逆变侧VSC的拓扑结构研究，提出了基于暂态功率极性和基于纵向阻抗大小的两种保护方案。
上述方法均针对LCC和VSC直接连接的双端拓扑结构。近几年LCC-VSC多端混和的拓扑结构得到了广泛关注。有发明针对这种拓扑结构研究，分析了其故障特性及保护配置的难点，并根据现有保护原理初步分析了保护方案。但是针对此拓扑结构的后备保护原理研究较少。
另外，现有的后备保护原理多采用电流差动保护和微分欠压保护。微分欠压保护作为行波保护的后备保护，其缺点类似行波保护，缺少整定依据。而电流差动保护存在几百毫秒的延时而不能满足保护的速动性，并且电流差动保护易受分布式电容电流的影响，难以保证其可靠性。因此有必要对LCC-VSC混联多端直流线路的后备保护进行研究，尤其是动作时间在行波保护与电流差动保护之间的保护原理。
发明内容
针对现有技术中的电流差动保护受分布电容的影响难以保证保护的速动性以及至今未有LCC-VSC混联直流输电系统的单端后备保护原理的提出。本发明提供一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法及系统，致力于分析LCC-VSC混联多端直流输电系统的故障特性，构造适合LCC-VSC混联多端直流输电系统的单端后备保护原理。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，包括：
步骤1：获取系统测量电流；
步骤2：将系统测量电流与保护启动整定值比较，若系统测量电流大于保护启动整定值，则判断为系统发生故障并执行步骤3；若系统测量电流小于保护启动整定值，则继续保持监测系统测量电流；
步骤3：保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，进一步地，构建反时限公式模型的具体方法如下：
获取系统故障时测量电压；
根据获取的系统故障时测量电压、额定电压和随电压等级整定的常数构建电压加速因子；
根据构建的电压加速因子、设计常数、整定的时间常数、系统测量电流、保护启动整定值、曲线移动常数和曲线形状常数构建反时限公式模型。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，进一步地，所述反时限公式模型为：
Figure BDA0002832189210000031
其中，t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，通常在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类；U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，进一步地，故障方向判据原理如下：
Figure BDA0002832189210000032
其中，ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，进一步地，判断故障方向原理如下：
Figure BDA0002832189210000033
一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，包括：
采集模块，其用于获取系统测量电流；
处理单元，其用于将系统测量电流与保护启动整定值比较；
故障判断单元，其用于根据所述处理单元的判断结果动作，其中，若系统测量电流大于保护启动整定值，则保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，进一步地，所述故障判断单元中，构建反时限公式模型的具体方法如下：
获取系统故障时测量电压；
根据获取的系统故障时测量电压、额定电压和随电压等级整定的常数构建电压加速因子；
根据构建的电压加速因子、设计常数、整定的时间常数、系统测量电流、保护启动整定值、曲线移动常数和曲线形状常数构建反时限公式模型。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，进一步地，所述反时限公式模型为：
Figure BDA0002832189210000041
其中，t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，通常在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类；U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，进一步地，故障方向判据原理如下：
Figure BDA0002832189210000042
其中，ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。
如上所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，进一步地，所述故障判断单元中，判断故障方向原理如下：
Figure BDA0002832189210000043
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、本发明仅需要单端电气量做判据，不需要两端的通讯，利用反时限特性，使得后备保护在时序上同时配合LCC支路和VSC支路的主保护。由于保护配合利用的时间特性，受分布式电容、过渡电阻等因素的影响较小。
2、本发明将启动值的幂函数引入反时限保护，加大了时间曲线的变化率，保证了保护的速动性。利用电压随故障距离降低的原理，引入电压的幂函数做加速因子，进一步加速保护的动作时间。
3、本发明利用故障时刻电流变化为大于0作为方向元件，躲过了电流反转过零的时间，加快了保护方向的判定，防止了保护的误动；对两端保护设置不同整定曲线，防止了保护的拒动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为LCC-VSC多端直流输电系统拓扑结构；
图2为本发明实施例的混联系统保护的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为更好阐述本发明的技术构思，现对本发明面对的技术问题进行阐述。
LCC-VSC混联多端直流输电系统结构图如图1所示。整流侧为两个LCC换流阀级联，并且通过变压器与交流系统连接，系统侧采用GIGRE标准测试模型的交流滤波器。送端经直流线路L1与受端VSC换流器连接，其中VSC换流站采用MMC的半桥子模块。
LCC发生单相接地故障时，系统采用中性点接地的方式导致故障同大地之间形成故障回路，送端LCC放电机理同传统LCC一样，受端VSC换流器向故障点放电。因此线路发生故障时，其右侧注入的故障电流较大，左侧的故障电流受控制因素影响较小。另外，LCC支路后备保护应在20～30ms范围内。
当线路L2发生单极接地故障时，线路右侧VSC2会进行故障放电，线路左侧LCC和VSC1同样会注入故障电流，因此左侧注入电流大于右侧。另外，VSC支路后备保护整体动作时间应在10ms内。
针对此问题，本发明提出基于单端电气量的双加速反时限过电流保护方案作为输电线路行波保护的快速后备保护，利用两端不同整定值的方案解决两侧电流不平衡问题，利用反时限特性可以同时配合两条支路的主保护，并且受分布式电容和过渡电阻的影响较小。
反时限保护相对于传统的保护，对故障严重程度的自适应能力更强，可以更好的切除故障，反时限通用动作特性曲线方程为：
Figure BDA0002832189210000061
式中：t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，通常在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类。
由上述的动作特性可知故障电流与启动电流的比值越大，动作时间越短。传统反时限过电流保护在故障刚发生时，故障电流与启动电流比值增长较慢，使得保护动作较慢。为了保证线路末端故障时，保护可以快速动作，本发明对传统的动作-时间特性方程的分母进行改进，使得分母随着故障电流与启动电流比值加速增大，得到保护动作特性为：
Figure BDA0002832189210000062
当直流线路发生故障时，故障点出现压降，即电压随着故障点的距离减小而降低。因此本发明在传统反时限保护的基础上引入电压量作为加速因子，公式为：
Figure BDA0002832189210000063
式中：U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
由公式(3)可以看出，当线路没有故障时，电压为额定电压，电压加速因子为1，不影响反时限保护的动作特性；当出现故障时，U*由1开始加速减小。将公式(2)与公式(3)合并得到双加速反时限过电流保护方案的动作特性公式为：
Figure BDA0002832189210000064
为了解决上述的保护拒动和误动的问题，本发明对线路两端保护设置了方向元件。本保护方案的判据设置如下。初始电流无论正负，线路发生正向故障(规定电流母线流向线路为正)时，故障电流瞬间必有故障电流变化率大于0。即：
Figure BDA0002832189210000071
其中ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。由式(5)可以看出ik在故障瞬间大于ik-1，故本发明给出线路方向故障判断公式为：
Figure BDA0002832189210000072
参见图1至图2，图1为LCC-VSC多端直流输电系统拓扑结构；图2为本发明实施例的混联系统保护的方法流程图。
一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，包括：
步骤1：获取系统测量电流；
步骤2：将系统测量电流与保护启动整定值比较，若系统测量电流大于保护启动整定值，则判断为系统发生故障并执行步骤3；若系统测量电流小于保护启动整定值，则继续保持监测系统测量电流；
步骤3：保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，构建反时限公式模型的具体方法如下：
获取系统故障时测量电压；
根据获取的系统故障时测量电压、额定电压和随电压等级整定的常数构建电压加速因子；
根据构建的电压加速因子、设计常数、整定的时间常数、系统测量电流、保护启动整定值、曲线移动常数和曲线形状常数构建反时限公式模型。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述反时限公式模型为：
Figure BDA0002832189210000073
其中，t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，通常在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类；U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，故障方向判据原理如下：
Figure BDA0002832189210000081
其中，ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，判断故障方向原理如下：
Figure BDA0002832189210000082
一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，包括：
采集模块，其用于获取系统测量电流；
处理单元，其用于将系统测量电流与保护启动整定值比较；
故障判断单元，其用于根据所述处理单元的判断结果动作，其中，若系统测量电流大于保护启动整定值，则保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述故障判断单元中，构建反时限公式模型的具体方法如下：
获取系统故障时测量电压；
根据获取的系统故障时测量电压、额定电压和随电压等级整定的常数构建电压加速因子；
根据构建的电压加速因子、设计常数、整定的时间常数、系统测量电流、保护启动整定值、曲线移动常数和曲线形状常数构建反时限公式模型。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述反时限公式模型为：
Figure BDA0002832189210000083
其中，t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，通常在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类；U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，故障方向判据原理如下：
Figure BDA0002832189210000084
其中，ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述故障判断单元中，判断故障方向原理如下：
Figure BDA0002832189210000091
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须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。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，其特征在于，包括：
步骤1：获取系统测量电流；
步骤2：将系统测量电流与保护启动整定值比较，若系统测量电流大于保护启动整定值，则判断为系统发生故障并执行步骤3；若系统测量电流小于保护启动整定值，则继续保持监测系统测量电流；
步骤3：保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。
2.根据权利要求1所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，其特征在于，构建反时限公式模型的具体方法如下：
获取系统故障时测量电压；
根据获取的系统故障时测量电压、额定电压和随电压等级整定的常数构建电压加速因子；
根据构建的电压加速因子、设计常数、整定的时间常数、系统测量电流、保护启动整定值、曲线移动常数和曲线形状常数构建反时限公式模型。
3.根据权利要求2所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，其特征在于，所述反时限公式模型为：
Figure FDA0003204674010000011
其中，t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类；U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
4.根据权利要求1所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，其特征在于，故障方向判据原理如下：
Figure FDA0003204674010000012
其中，ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。
5.根据权利要求1所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护方法，其特征在于，判断故障方向原理如下：
Figure FDA0003204674010000021
6.一种基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，其特征在于，包括：
采集模块，其用于获取系统测量电流；
处理单元，其用于将系统测量电流与保护启动整定值比较；
故障判断单元，其用于根据所述处理单元的判断结果动作，其中，若系统测量电流大于保护启动整定值，则保护启动元件动作，执行故障方向判据，若方向判据判断故障方向为正，则确定发生正方向故障，按反时限公式模型保护动作；若方向判据判断故障方向为负，则确定故障为反方向故障，则继续保持监测系统测量电流。
7.根据权利要求6所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，其特征在于，所述故障判断单元中，构建反时限公式模型的具体方法如下：
获取系统故障时测量电压；
根据获取的系统故障时测量电压、额定电压和随电压等级整定的常数构建电压加速因子；
根据构建的电压加速因子、设计常数、整定的时间常数、系统测量电流、保护启动整定值、曲线移动常数和曲线形状常数构建反时限公式模型。
8.根据权利要求6所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，其特征在于，所述反时限公式模型为：
Figure FDA0003204674010000022
其中，t是动作时间；K是设计的常数；M是整定的时间常数；I是系统测量电流；Iop是保护启动整定值；a是曲线移动常数；n代表着曲线形状常数，在0-2之间选择，根据n的取值不同，将反时限保护分为了普通反时限、非常反时限和超反时限三类；U*为电压加速因子；UN为额定电压；U为故障时测量电压；r为常数，随电压等级整定。
9.根据权利要求6所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，其特征在于，故障方向判据原理如下：
Figure FDA0003204674010000023
其中，ik和ik-1为瞬时电流，ΔT为上述两个瞬时电流的间隔时间。
10.根据权利要求6所述的基于反时限特性的LCC-VSC混联系统保护系统，其特征在于，所述故障判断单元中，判断故障方向原理如下：
Figure FDA0003204674010000031
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CN105024364A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 国家电网公司 规模风电接入交直流混联系统对距离保护影响的分析方法
CN107863764A (zh) * 2017-11-14 2018-03-30 国家电网公司华中分部 一种基于反时限特性的站域后备保护方法

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