CN112886556B - 柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法 - Google Patents

柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法。在柔性直流输电系统变压器阀侧中性点经高阻接地方式下，当交流连接线区发生单相接地故障时，本发明介绍了一种保护配置及其与控制联动隔离故障的方法。本发明采用零序功率差动保护与中性点过流保护配合，快速识别区内故障，避免区外故障的误动，提高多端柔性直流输电系统运行可靠性。同时考虑到交流连接线区发生单相接地故障时零序电流较小，通过投入中性点电阻旁路开关，进一步提高交流连接线区单相接地故障识别的灵敏度。

Description

柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，更具体地，涉及柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，适用于模块化多电平柔性直流输电控制保护系统。
背景技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)技术是当前电网技术发展的热点。模块化多电平换流器(MMC)的阀臂由多个子模块(SM)组成，通过多个子模块输出电平的叠加输出正弦波信号，具有开关频率降低、损耗低、谐波小等优点，易于拓展至更高电压等级，是目前柔性直流输电研究应用的主要方向。
柔性直流输电系统中，为保证直流母线正负对称性，需要在换流变阀侧或者直流侧设置接地点。目前换流变阀侧中性点经高阻接地为现阶段最优设计，已投运的几个工程项目也多采用这种方式。
柔性直流输电系统交流连接线区包含启动电阻等一次设备，该区域的单相接地故障也是柔性直流输电的典型故障之一。目前文献主要集中于故障限流和可靠闭锁，对于单相接地故障定位的研究较少。
对于双端的柔直系统，任何一侧交流连接线区出现单相接地故障后，两个换流站的中性点均流过故障电流，导致两个换流站的中性点过流均动作，这样的动作行为非常不利于故障的排查和维护。
对于多端柔直系统，任何一侧交流连接线区单相故障均可导致所有换流站中性点过流而闭锁，不利于多端柔直系统的可靠运行。因此研究准确定位交流连接线区单相接地故障的方法将会非常有意义和并具有实用性。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，针对柔性直流交流连接线区单相接地故障特点进行研究，提供一种柔性直流输电系统交流连接线区单相接地故障控制保护方法，柔性直流输电系统变压器阀侧中性点经高阻接地方式下，当交流连接线区发生单相接地故障时，提供了一种保护配置及其与控制联动隔离故障的方法，采用零序功率差动保护与中性点过流保护配合，快速识别区内故障，避免区外故障的误动，提高多端柔性直流输电系统运行可靠性。同时考虑到交流连接线区发生单相接地故障时零序电流较小，通过投入中性点电阻旁路开关，进一步提高交流连接线区单相接地故障识别的灵敏度。
本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，包括：以各交流连接线区的首端和末端的测点处零序功率构建零序功率差动保护判据，以中性点电流构建中性点过流保护判据，若任一交流连接线区的零序功率差动保护动作，或零序功率差动保护未动作但中性点过流保护动作且满足中性点过流保护动作延时，闭锁本侧直流。
优选地，当任一交流连接线区发生单相接地故障后，其换流站侧的控制保护动作；其它交流连接线区换流站侧的控制保护不动作。
本发明的第二方面提供了一种柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，包括以下步骤：
步骤1，在交流连接线区进行交流电压、交流电流采样；
步骤2，以步骤1获得的采样结果进行零序功率计算与判别，若满足零序功率差动保护判据，启动零序功率差动保护；同时，以步骤1获得的采样结果进行中性点过流保护判别；若满足中性点过流保护判据，启动中性点过流保护；
步骤3，判断零序功率差动保护或中性点过流保护是否启动；若判断结果为是，继续执行步骤4；若判断结果为否，则保护动作逻辑返回；
步骤4，判断中性点电阻旁路开关是否在分位；若判断结果为是，则合中性点电阻旁路开关，继续执行步骤5；若判断结果为否，直接继续执行步骤5；
步骤5，判断零序功率差动保护是否动作，若判断结果为是，则闭锁本侧直流，保护动作逻辑返回；若判断结果为否，继续执行步骤6；
步骤6，判断中性点过流保护是否动作；若判断结果为否，保护动作逻辑返回；若判断结果为是，判断中性点过流保护动作延时是否满足；若满足，则闭锁本侧直流，保护动作逻辑返回；若不满足，则等待下一个保护中断，转入步骤1中。
优选地，步骤1包括：
在各个交流连接线区的首端设置该交流连接线区的电压测点，三个相电压相加计算获得该电压测点的零序电压，
在各个交流连接线区的首端设置该交流连接线区的第一电流测点，三个相电流相加计算获得该交流连接线区的第一零序电流，
在各个交流连接线区的末端设置该交流连接线区的第二电流测点，三个相电流相加计算获得该交流连接线区的第二零序电流，
在各个交流连接线区的变压器中性点接地回路中设置该交流连接线区的中性点电流测点，获得该交流连接线区的中性点电流。
优选地，步骤2中，零序功率差动保护判据以如下公式表示，
(P0j1+P0j2)>max[P0_SET,k·max(P0j1,P0j2)]
式中：
j表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的序号，j＝1,2,…,S，S表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的数量，
P0j1表示第j交流连接线区第一测点零序功率，P0j2表示第j交流连接线区第二测点零序功率，
P0_SET表示保护死区值，
k表示本差动保护的斜率，
max(·)表示取最大值函数，输出括号中的最大值。
优选地，k的取值范围为k∈[0.1,0.3]。
优选地，步骤2中，中性点过流保护判据以如下公式表示，
INj>I_SET
式中：
j表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的序号，j＝1,2,…,S，S表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的数量，
INj表第j交流连接线区的变压器中性点接地回路中中性点电流测点获得的中性点电流INj，
I_SET表示中性点过流保护阈值。
优选地，以如下公式计算第j交流连接线区第一测点零序功率P0j1和第j交流连接线区第二测点零序功率P0j2，然后进行数据窗递推求平均处理，
Figure BDA0002961906810000041
式中：
U0j表示第j交流连接线区的零序电压，由第j交流连接线区首端设置的电压测点获得，
I0j1表示第j交流连接线区的第一零序电流，由第j交流连接线区首端设置的第一电流测点获得，
I0j2表示第j交流连接线区的第二零序电流，由第j交流连接线区末端设置的第二电流测点获得。
优选地，进行数据窗递推求平均处理是指，依据控制周期设置数据窗，该数据窗内采样数记为K；当点数计次小于K时，将该数据窗内的已有的数据相加，并得到数据和；当点数计次等于K时，在上述数据和基础上加上当前数据与数据窗第K位数据的差；当前数据放到原有数据窗的第一位，原有数据窗的第1到K-1位顺延放置，然后除以K得到递推求平均后的数值。
优选地，依据控制周期设置10ms的数据窗。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，当柔性直流输电系统发生交流连接线区单相接地故障时，可以定位故障发生的位置，具有较高的灵敏度，从而选择闭锁跳闸区域，减少停电范围，增加输送功率。具体而言，本发明采用零序功率差动保护与中性点过流保护配合，快速识别区内故障，避免区外故障的误动，提高多端柔性直流输电系统运行可靠性。同时考虑到交流连接线区发生单相接地故障时零序电流较小，通过投入中性点电阻旁路开关，进一步提高交流连接线区单相接地故障识别的灵敏度。
附图说明
图1为双端柔性直流输电系统交流连接线区单相接地的两条放电通道及保护范围示意图；
图2为柔性直流输电系统交流连接线区单相接地故障控制保护方法流程图；
11-第1交流连接线区的中性点电流测点；
12-第2交流连接线区的中性点电流测点；
21-第1交流连接线区的电压测点；
22-第2交流连接线区的电压测点；
31-第1交流连接线区的第一电流测点；
32-第1交流连接线区的第二电流测点；
33-第2交流连接线区的第一电流测点；
34-第2交流连接线区的第二电流测点；
41-第1换流站阀体；
42-第2换流站阀体；
51-第1换流站交流连接线区保护范围；
52-第2换流站交流连接线区保护范围；
61-第一回路；
62-第二回路；
70-单相接地故障。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1示意了双端柔性直流输电系统交流连接线区单相接地故障后的两条放电通道及保护范围，第一回路61为第1换流站41故障相在故障点处等效电压源、第1换流站41部分交流连接线区和第1换流站41阀侧中性点电阻组成；第二回路62为第1换流站41故障相、第1换流站41部分交流连接线区、第1换流站41和第2换流站42阀体、第2换流站42交流连接线区和第2换流站42阀侧中性点电阻组成，两条放电回路的零序阻抗基本相同，均为中性点电阻，两个换流站的流过中性点电阻的电流为幅值和相位大小近似一致，难以定位故障侧。
在图1所示的柔性直流输电系统的主回路条件下，针对交流连接线区单相接地故障的主保护为中性点过流保护。当第1换流站41交流连接线区发生单相接地故障时，两侧的中性点过流保护均会动作，不具备柔性直流输电系统的内部选择性。
本发明提供了一种柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，所述控制保护方法在柔性直流系统控制保护装置中实施，本控制保护方法所涉及的范围为柔性直流输电系统的交流连接线区，所针对的故障为单相接地故障。所述控制保护方法包括：以各交流连接线区的首端和末端的测点处零序功率构建零序功率差动保护判据，以中性点电流构建中性点过流保护判据，若任一交流连接线区的零序功率差动保护动作，或零序功率差动保护未动作但中性点过流保护动作且满足中性点过流保护动作延时，闭锁本侧直流。
如图2所示，本发明提供的一种柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，具体包括以下步骤：
步骤1，进入保护动作逻辑，在各个交流连接线区进行交流电压、交流电流采样。
值得注意的是，图1中仅以两个换流站的双端柔性直流输电系统作为一种示例但非限制性的展示，在工程实践当中，对于包括多个换流站的多端柔性直流输电系统而言，包括多个交流连接线区，本发明提供的方法同样适用，每个交流连接线区的配置大致相同。
为清楚地介绍本发明的技术方案，以S表示柔性直流输电系统中换流站的数量，即交流连接线区数量，以j表示换流站或交流连接线区序号，j＝1,2,…,S。以图1为例，S＝2，则j＝1,2，对应第1换流站41和第2换流站42。
在各个交流连接线区的首端设置该交流连接线区的电压测点，三个相电压相加计算获得该电压测点的零序电压，即采样获得第j交流连接线区的零序电压U0j。以图1为例，以第1交流连接线区的电压测点21采样获得三个相电压，相加计算获得第1交流连接线区的零序电压U01，以第2交流连接线区的电压测点22采样获得三个相电压，相加计算获得第2交流连接线区的零序电压U02。
在各个交流连接线区的首端设置该交流连接线区的第一电流测点，三个相电流相加计算获得该交流连接线区的第一零序电流，即采样获得第j交流连接线区的第一零序电流I0j1。以图1为例，以第1交流连接线区的第一电流测点31采样获得三个相电流，相加计算获得第1交流连接线区的第一零序电流I011，以第2交流连接线区的第一电流测点33采样获得三个相电流，相加计算获得第2交流连接线区的第一零序电流I021。
在各个交流连接线区的末端设置该交流连接线区的第二电流测点，三个相电流相加计算获得该交流连接线区的第二零序电流，即采样获得第j交流连接线区的第二零序电流I0j2。以图1为例，以第1交流连接线区的第二电流测点32采样获得三个相电流，相加计算获得第1交流连接线区的第二零序电流I012，以第2交流连接线区的第二电流测点34采样获得三个相电流，相加计算获得第2交流连接线区的第二零序电流I022。
在各个交流连接线区的变压器中性点接地回路中设置该交流连接线区的中性点电流测点，获得该交流连接线区的中性点电流，即采样获得第j交流连接线区的中性点电流INj。以图1为例，以第1交流连接线区的中性点电流测点11采样获得第1交流连接线区的中性点电流IN1，以第2交流连接线区的中性点电流测点12采样获得第2交流连接线区的中性点电流IN2。
步骤2，以步骤1获得的采样结果进行零序功率计算与判别，若满足零序功率差动保护判据，启动零序功率差动保护；同时，以步骤1获得的采样结果进行中性点过流保护判别；若满足中性点过流保护判据，启动中性点过流保护。
具体地，以如下公式计算第j交流连接线区第一测点零序功率P0j1和第j交流连接线区第二测点零序功率P0j2，
Figure BDA0002961906810000071
式中：
P0j1表示第j交流连接线区第一测点零序功率，为第j交流连接线区首端测点处的零序功率，首端正方向为阀侧流向变压器中性点侧，
P0j2表示第j交流连接线区第二测点零序功率，为第j交流连接线区末端测点处的零序功率，末端正方向为变压器中性点侧流向阀侧。
值得注意的是，使用公式(1)计算第j交流连接线区第一测点零序功率P0j1和第二测点零序功率P0j2后进行数据窗递推求平均处理，进行数据窗递推求平均处理是指，依据控制周期设置数据窗，该数据窗内采样数记为K；当点数计次小于K时，将该数据窗内的已有的数据相加，并得到数据和；当点数计次等于K时，在上述数据和基础上加上当前数据与数据窗第K位数据的差；当前数据放到原有数据窗的第一位，原有数据窗的第1到K-1位顺延放置，然后除以K得到递推求平均后的数值。一个优选但非限制性的实施方式为，进行10ms递推求平均处理，即，依据控制周期设置10ms的数据窗。
零序功率差动保护判据以如下公式表示，
(P0j1+P0j2)>max[P0_SET,k·max(P0j1,P0j2)] (2)
式中：
P0_SET表示保护死区值，为考虑采样及计算误差设置的保护死区值，即零序功率至少要大于P0_SET，
k表示本差动保护的斜率，k∈[0.1,0.3]，
max(·)表示取最大值函数，输出括号中的最大值。
中性点过流保护判据以如下公式表示，
INj>I_SET (3)
式中：
I_SET表示中性点过流保护阈值，
INj表第j交流连接线区的变压器中性点接地回路中中性点电流测点获得的中性点电流INj。
步骤3，判断零序功率差动保护或中性点过流保护是否启动；若判断结果为是，继续执行步骤4；若判断结果为否，则保护动作逻辑返回。
步骤4，判断中性点电阻旁路开关是否在分位；若判断结果为是，则合中性点电阻旁路开关，继续执行步骤5；若判断结果为否，直接继续执行步骤5。
步骤5，判断零序功率差动保护是否动作，若判断结果为是，则闭锁本侧直流，保护动作逻辑返回；若判断结果为否，继续执行步骤6。
值得注意的是，零序功率差动保护是实现柔性直流输电系统内部选择性的关键步骤。当第j个换流站的交流连接线区发生单相接地故障后，第j个换流站侧的控制保护动作，即区内故障可靠动作；当其它换流站的交流连接线区发生单相接地故障后，该第j个换流站侧的控制保护不动作，即区外故障可靠不动作。以图1为例，当第1换流站41交流连接线区发生单相接地故障后，即单相接地故障70位于第1换流站交流连接线区保护范围51内，第1换流站的第一测点零序功率P011和第二测点零序功率P012均为正值，第1换流站侧的控制保护动作，即区内故障可靠动作；当第2换流站42的交流连接线区发生单相接地故障后，第1换流站41的第一测点零序功率P011为正，第二测点零序功率P012为负，第1换流站侧的控制保护不动作，即区外故障可靠不动作。单相接地故障位于第2换流站交流连接线区保护范围52同理。
在不考虑保护死区的情况下，本发明方法即可实现交流连接线区单相接地故障的识别和定位，具备柔性直流输电系统的内部选择性，提高了多端柔性直流输电系统运行的可靠性。本发明方法考虑到实际零序电流在保护死区范围内时，通过投入中性点电阻旁路开关进一步提高了阀区单相接地故障保护逻辑的灵敏性。
步骤6，判断中性点过流保护是否动作；若判断结果为否，保护动作逻辑返回；若判断结果为是，判断中性点过流保护动作延时是否满足；
若满足，则闭锁本侧直流，保护动作逻辑返回；若不满足，则等待下一个保护中断，转入步骤1中，在交流连接线区进行交流电压、交流电流采样。可以理解的是，保护中断相当于执行周期，例如500μs，即每500μs执行整个控制逻辑一次，循环执行。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，当柔性直流输电系统发生交流连接线区单相接地故障时，可以定位故障发生的位置，具有较高的灵敏度，从而选择闭锁跳闸区域，减少停电范围，增加输送功率。具体而言，本发明采用零序功率差动保护与中性点过流保护配合，快速识别区内故障，避免区外故障的误动，提高多端柔性直流输电系统运行可靠性。同时考虑到交流连接线区发生单相接地故障时零序电流较小，通过投入中性点电阻旁路开关，进一步提高交流连接线区单相接地故障识别的灵敏度。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在交流连接线区进行交流电压、交流电流采样；
步骤2，以步骤1获得的采样结果进行零序功率计算与判别，若满足零序功率差动保护判据，启动零序功率差动保护；同时，以步骤1获得的采样结果进行中性点过流保护判别；若满足中性点过流保护判据，启动中性点过流保护；
步骤3，判断零序功率差动保护或中性点过流保护是否启动；若判断结果为是，继续执行步骤4；若判断结果为否，则保护动作逻辑返回；
步骤4，判断中性点电阻旁路开关是否在分位；若判断结果为是，则合中性点电阻旁路开关，继续执行步骤5；若判断结果为否，直接继续执行步骤5；
步骤5，判断零序功率差动保护是否动作，若判断结果为是，则闭锁本侧直流，保护动作逻辑返回；若判断结果为否，继续执行步骤6；
步骤6，判断中性点过流保护是否动作；若判断结果为否，保护动作逻辑返回；若判断结果为是，判断中性点过流保护动作延时是否满足；若满足，则闭锁本侧直流，保护动作逻辑返回；若不满足，则等待下一个保护中断，转入步骤1中。
2.根据权利要求1所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
步骤1包括：
在各个交流连接线区的首端设置该交流连接线区的电压测点，三个相电压相加计算获得该电压测点的零序电压，
在各个交流连接线区的首端设置该交流连接线区的第一电流测点，三个相电流相加计算获得该交流连接线区的第一零序电流，
在各个交流连接线区的末端设置该交流连接线区的第二电流测点，三个相电流相加计算获得该交流连接线区的第二零序电流，
在各个交流连接线区的变压器中性点接地回路中设置该交流连接线区的中性点电流测点，获得该交流连接线区的中性点电流。
3.根据权利要求1所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
步骤2中，零序功率差动保护判据以如下公式表示，
(P0j1+P0j2)＞max[P0_SET，k·max(P0j1，P0j2)]
式中：
j表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的序号，j＝1，2，…，S，S表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的数量，
P0j1表示第j交流连接线区第一测点零序功率，P0j2表示第j交流连接线区第二测点零序功率，
P0_SET表示保护死区值，
k表示本差动保护的斜率，
max(·)表示取最大值函数，输出括号中的最大值。
4.根据权利要求3所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
k的取值范围为k∈[0.1，0.3]。
5.根据权利要求1所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
步骤2中，中性点过流保护判据以如下公式表示，
INj＞I_SET
式中：
j表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的序号，j＝1，2，…，S，S表示柔性直流输电系统中换流站或交流连接线区的数量，
INj表示 第j交流连接线区的变压器中性点接地回路中中性点电流测点获得的中性点电流INj，
I_SET表示中性点过流保护阈值。
6.根据权利要求2所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
以如下公式计算第j交流连接线区第一测点零序功率P0j1和第j交流连接线区第二测点零序功率P0j2，然后进行数据窗递推求平均处理，
Figure FDA0003751759640000031
式中：
U0j表示第j交流连接线区的零序电压，由第j交流连接线区首端设置的电压测点获得，
I0j1表示第j交流连接线区的第一零序电流，由第j交流连接线区首端设置的第一电流测点获得，
I0j2表示第j交流连接线区的第二零序电流，由第j交流连接线区末端设置的第二电流测点获得。
7.根据权利要求6所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
进行数据窗递推求平均处理是指，依据控制周期设置数据窗，该数据窗内采样数记为K；当点数计次小于K时，将该数据窗内的已有的数据相加，并得到数据和；当点数计次等于K时，在上述数据和基础上加上当前数据与数据窗第K位数据的差；当前数据放到原有数据窗的第一位，原有数据窗的第1到K-1位顺延放置，然后除以K得到递推求平均后的数值。
8.根据权利要求7所述柔性直流输电交流连接线区单相接地故障控制保护方法，其特征在于：
依据控制周期设置10ms的数据窗。
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