CN112993950B - 一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统和方法，包括：1)根据柔直换流器保护或阀控检测接地故障；2)故障换流阀闭锁并将信息送至极控制；3)极控制将信息送至极保护，并综合判断保护动作情况；4)仅800kV极差动保护动作，立即闭锁停运整极；5)判断换流器保护或阀控不平衡保护是否早于400kV低端阀组差动保护；6)依靠柔直换流器保护或阀控不平衡保护动作信息，实现故障VSC换流阀先停运，非故障VSC换流阀延时停运；7)基于400kV低端阀组差动保护动作信息，实现故障VSC换流阀先停运，非故障VSC换流阀延时停运；8)保护动作过程结束。本发明可以广泛应用于电网安全运行领域。

Description

一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统和方法

技术领域

本发明涉及一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统和方法，特别是关于一种应用于混合级联特高压直流工程柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，属于电网安全运行领域。

背景技术

基于电网换相换流阀(Line commutated converter,LCC)的特高压直流输电，通常称为常规直流，具有大容量、远距离、低损耗的优点，适用于大型电源基地向远距离负荷中心送电，但LCC换流阀存在换相失败问题，正常运行需要电网电压的支撑，对接入的交流系统强度有一定要求。基于电压源换流阀(Voltage sourced converter,VSC)的柔性直流输电具有有功功率、无功功率独立控制，无换相失败等优点，适用于孤岛新能源送出以及向无源负荷供电，正得到更为广泛的工程应用。但柔性直流换流阀价格昂贵，器件过电压、过电流耐受能力弱，制约着其在大容量特高压直流输电工程中的应用。

混合级联特高压直流输电工程统筹发挥常规直流和柔性直流的综合优势，送端换流站采用常规直流，受端换流站采用高端LCC换流阀与低端VSC换流阀串联的方式，降低柔直换流阀的绝缘水平和制造难度，同时，在直流线路发生故障时，依靠LCC换流阀的单相通流特性，阻断受端VSC换流阀的故障电流，可实现直流线路故障自清除及再启动功能。为降低VSC换流阀的稳态运行电流，保障交、直流故障期间VSC换流阀的电流裕度空间，混合级联直流工程低端换流器通常采用多个VSC换流阀并联的方式，该方式下，单个VSC换流阀故障退出后，可保持健全VSC换流阀的正常运行，提高运行可靠性。为提高交流故障穿越能力，VSC换流阀通过配置并联的可控避雷器消耗故障期间的盈余功率。

然而，双极接线的混合级联特高压直流工程，在发生柔直换流阀交流连接线单相接地故障时，由于整流站电能量的持续注入以及二极管续流通路的存在，仅依靠交流连接线差动保护动作闭锁故障换流阀，柔直换流阀子模块将承受较高的电压，往往超过换流阀子模块过压闭锁甚至器件的耐受值，极易造成设备损坏。因此，对于混合级联特高压直流工程柔直换流阀交流连接线单相接地故障，传统的保护设置难以保证换流阀设备安全，必须考虑新的保护方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够降低换流阀过电压水平、保障换流阀安全的柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统和方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统，其包括：

系统级控制保护系统和设备级控制保护系统；

所述设备级控制保护系统作为各换流阀的二次设备，用于实现换流阀设备的运行控制和监视；并将动作保护信息发送到所述系统级控制保护系统；

所述系统级控制保护系统用于根据接收到的换流阀设备的动作保护信息以及监测到的双极、单极以及换流器保护动作信息，完成双极、单极以及各换流器的运行人员监视、操作以及设备的电气联锁功能，同时在双极、单极以及换流器发生直流故障时保护直流系统及设备安全。

进一步，所述系统级控制保护系统包括双极控制装置、双极保护装置、两个极控制装置、两个极保护装置、若干换流器控制装置以及若干换流器保护装置；

所述设备级控制保护系统包括换流阀阀控装置；

所述换流阀阀控装置用于对换流阀设备进行保护，并将保护动作信息发送到所述换流器控制装置；

各所述换流器保护装置用于对各换流器设备进行保护，并将保护动作信息发送到相应的所述换流器控制装置；

各所述换流器控制装置用于根据接收到的动作保护信息控制对各换流器进行闭锁，同时将接收到的动作保护信息上传到所述极控制装置；

所述极控制装置用于将接收到的保护动作信息上传到所述极保护装置，由所述极保护装置根据预设保护策略执行极停运或分步闭锁，并将保护动作信息上传到所述双极控制装置；

所述双极控制装置将所有保护动作信息上传至所述双极保护装置，由所述双极保护装置实现双极的运行人员监视、操作以及设备的电气联锁功能。

进一步，所述双极控制装置与两个所述极控制装置共同配置主机，所述双极保护装置与两个所述极保护装置共同配置主机。

进一步，所述双极保护装置和极保护装置中共同配置有极保护主机，所述换流器保护装置中配置有换流器保护主机，且所述极保护主机和各换流器保护主机内均配置有主、后备保护，所述主保护为差动保护，所述后备保护为过压、过流保护。

进一步，所述主保护包括交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护、VSC极差动保护以及400kV低端阀组差动保护和800kV极差动保护。

本发明的第二个方面，是提供一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，其包括以下步骤：

1)混合级联特高压直流工程柔直换流阀交流连接线单相接地故障，换流器保护主机中的交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护和VSC极差动保护任一个动作，发送保护动作信息到换流器控制主机；

2)换流阀阀控装置中的阀控不平衡保护动作时，换流阀阀控装置发送保护动作信息给换流器控制主机；

3)换流器保护主机或阀控装置将保护动作信息发送至换流器控制主机，故障换流器立即闭锁，并将保护动作信息发送至极控制主机；

4)极控制主机将保护动作信息发送至极保护主机，极保护主机判断是否只有800kV极差动保护动作，若是，进入步骤5)，否则进入步骤6)；

5)，极保护主机执行极停运，即闭锁高端LCC换流阀和低端所有的VSC换流阀，进入步骤9)；

6)极保护主机判断步骤3)中的保护动作信息是否早于400kV低端阀组差动保护，若早于，进入步骤7)，否则，进入步骤8)；

7)基于换流器保护主机或换流阀阀控装置发送的保护动作信息实现分步闭锁；

8)基于接收到的400kV低端阀组差动保护动作实现分步闭锁；

9)保护动作过程结束。

进一步，所述步骤7)中，基于换流器保护主机或换流阀阀控装置发送的保护动作信息实现分步闭锁的方法，包括以下步骤：

7.1)极保护主机基于接收到的保护动作信息屏蔽800kV极差动保护和400kV低端阀组差动保护；

7.2)极控制主机向高端LCC换流器控制主机发送闭锁命令以及向整流站发送极闭锁命令，延时预设第一时间后向低端全部VSC换流器控制主机发送闭锁命令；

7.3)高端LCC换流器控制主机和全部VSC换流器控制主机收到闭锁命令后，闭锁停运各自换流阀，进入步骤9)。

进一步，所述步骤7.2)中，所述预设第一时间为100ms。

进一步，所述步骤8)中，基于400kV低端阀组差动保护动作实现分步闭锁的方法，包括以下步骤：

8.1)极保护主机接收到400kV低端阀组差动保护动作信息后，屏蔽800kV极差动保护，将400kV低端阀组差动保护动作信息发送至极控制主机保护延时预设第二时间发出低端全部VSC换流阀交流进线断路器跳闸指令；

8.2)极控制主机在收到保护动作信息后，向高端LCC换流器控制主机发送闭锁命令以及向整流站发送极闭锁命令，延时预设第三时间向低端全部VSC换流器控制主机发送闭锁命令；

8.3)高端LCC换流器控制主机和低端VSC换流器控制主机收到闭锁命令后，闭锁停运各自换流阀。

进一步，所述预设第二时间和预设第三时间均为100ms。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对受端采用混合级联技术的特高压直流换流站，利用VSC换流器的交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护、VSC极差动保护或阀控中的不平衡保护快速检测柔直换流阀交流连接线单相接地故障，通过VSC换流器保护、VSC换流器控制、极控制、极保护主机的综合逻辑判断及协同配合，实现了故障VSC换流阀、非故障VSC换流阀和LCC换流阀的分步闭锁功能。2、本发明由于采用不同换流阀的分步闭锁措施，在柔直换流阀交流连接线单相接地故障时，避免了各换流阀同时闭锁导致故障VSC换流阀子模块电压严重升高的问题，可有效减小柔直换流阀故障时的设备应力，以及降低与柔直换流阀并联的可控避雷器的能量需求，提高工程安全性和经济性。本发明可以广泛用于受端采用混合级联技术的特高压直流工程的控制保护中。

附图说明

图1是现有混合级联特高压直流工程主接线示意图；

图2是本发明混合级联特高压直流工程控制保护装置配置示意图；

图3是本发明混合级联特高压直流柔直换流阀相关差动保护示意图；

图4是本发明柔直换流阀交流连接线单相接地故障控制保护流程示意图。

具体实施方式

本发明的混合级联特高压直流工程柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法按故障检测、信号传递、逻辑判断、出口策略的组成环节进行控制保护整体功能逻辑设计，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，目前正在建设阶段的混合级联特高压直流工程中，整个混合级联特高压直流工程由整流站、直流线路和逆变站组成，主要设备包括换流阀、换流变压器、平波电抗器以及直流转换开关等。具体的，逆变站(即受端换流站)的每极由高、低端阀组串联组成，高端为十二脉动LCC换流阀串联结构，低端为多个VSC换流阀并联结构，配置柔直换流阀致力于解决换相失败问题。整流站(即送端换流站)采用常规特高压直流接线方式，每极采用两个十二脉动LCC换流阀串联结构。此外，为实现交流故障穿越，还配置有与VSC换流阀相并联的可控避雷器，用于逆变站交流系统故障时的功率盈余消耗。

如图2所示，为检测混合级联特高压直流柔直换流阀交流连接线及换流器区域的接地故障，本发明提供了一种混合级联特高压直流工程控制保护系统，采用分层分级配置，基于一次主回路结构配置相应的控制和保护装置。具体地，该控制保护系统包括系统级控制保护系统和设备级控制保护系统。系统级控制保护系统包括双极控制装置、双极保护装置、两个极控制装置、两个极保护装置、若干换流器控制装置以及若干换流器保护装置；双极控制装置、极控制装置以及换流器控制装置用于完成双极、单极以及各换流器的运行人员监视、操作以及设备的电气联锁功能；双极保护装置、极保护装置以及换流器保护装置是继电保护装置，用于当双极、单极以及换流器发生直流故障时(如短路故障或接地故障)保护直流系统及设备安全。设备级控制保护系统包括换流阀阀控装置，各换流阀阀控装置作为换流阀的二次设备，用于实现换流阀设备的运行控制和监视。

具体的，换流阀阀控装置用于对换流阀设备进行保护，并将保护动作信息发送到换流器控制装置；各换流器保护装置用于对各换流器设备进行保护，并将保护动作信息发送到相应的换流器控制装置；各换流器控制装置用于根据接收到的动作保护信息控制对各换流器进行闭锁，同时将接收到的动作保护信息上传到极控制装置；极控制装置用于将接收到的保护动作信息上传到极保护装置，由极保护装置根据预设保护策略执行极停运或分步闭锁，并将保护动作信息上传到双极控制装置；双极控制装置将所有保护动作信息上传至双极保护装置，由双极保护装置实现双极的运行人员监视、操作以及设备的电气联锁功能。

进一步，在主机配置方面，双极控制装置与两个极控制装置共同配置主机，双极保护装置与两个极保护装置共同配置主机。

进一步，如图3所示，双极保护装置和极保护装置中共同配置有极保护主机，换流器保护装置中配置有换流器保护主机，且极保护主机和各换流器保护主机内均配置有完备的主、后备保护，且主保护以差动保护为主，后备保护以过压、过流保护为主。当发生柔直换流阀交流连接线单相接地故障时，交流连接线差动保护作为主保护，考虑柔直换流阀桥臂交流侧接地故障(上、下桥臂交流侧)与交流连接线接地故障对换流阀的影响相同，将二者采用相同策略处理，相关的差动保护包括交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护、VSC极差动保护以及400kV低端阀组差动保护和800kV极差动保护。

如图4所示，本发明提供的一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，包括以下步骤：

1)混合级联特高压直流工程柔直换流阀交流连接线单相接地故障(换流阀交流侧)，换流器保护主机中的交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护和VSC极差动保护任一个动作，或者换流阀阀控装置中的阀控不平衡保护动作，进入步骤2)，进行分步闭锁处理程序；

2)换流器保护主机或换流阀阀控装置将保护动作信息发送至换流器控制主机，故障换流器立即闭锁，并将保护动作信息发送至极控制主机；

3)极控制主机将保护动作信息发送至极保护主机，极保护主机判断是否只有800kV极差动保护动作，若是，进入步骤4)，否则进入步骤5)；

4)由于仅800kV极差动保护动作，表明故障未发生在柔直换流阀交流连接线区域，保护动作执行极停运，由控制保护系统立即闭锁高端LCC换流阀和低端所有的VSC换流阀，进入步骤8)；

5)800kV极差动保护未动作，极保护主机判断步骤1)中的保护动作是否早于400kV低端阀组差动保护，若早于，进入步骤6)，否则，进入步骤7)；

6)基于步骤1)中的保护动作信息实现分步闭锁，具体过程：

6.1)极保护中屏蔽800kV极差动保护和400kV低端阀组差动保护，防止停运整极或整个低端VSC换流器；

6.2)极控制主机立即向高端LCC换流器控制主机发送闭锁命令以及向整流站发送极闭锁命令，延时100ms向低端全部VSC换流器控制主机发送闭锁命令；

6.3)LCC换流器控制主机和VSC换流器控制主机收到闭锁命令后，闭锁停运各自换流阀，进入步骤8)；

7)基于400kV低端阀组差动保护动作实现分步闭锁，具体过程：

7.1)极保护中屏蔽800kV极差动保护，将400kV低端阀组差动保护动作信息立即发送至极控制主机，为防止保护动作直接跳VSC换流器进线断路器，保护延时100ms发出低端全部VSC换流阀交流进线断路器跳闸指令；

7.2)极控制主机在收到保护动作信息后，立即向高端LCC换流器控制主机发送闭锁命令以及向整流站发送极闭锁命令，延时100ms向低端全部VSC换流器控制主机发送闭锁命令；

7.3)LCC换流器控制主机和VSC换流器控制主机收到闭锁命令后，闭锁停运各自换流阀；

8)保护动作过程结束。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，其特征在于包括以下步骤：

1)设置一柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统，当混合级联特高压直流工程柔直换流阀交流连接线单相接地故障，换流器保护主机中的交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护和VSC极差动保护任一个动作，发送保护动作信息到换流器控制主机；

其中，柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护系统包括：系统级控制保护系统和设备级控制保护系统；所述设备级控制保护系统作为各换流阀的二次设备，用于实现换流阀设备的运行控制和监视；并将动作保护信息发送到所述系统级控制保护系统；所述系统级控制保护系统用于根据接收到的换流阀设备的动作保护信息以及监测到的双极、单极以及换流器保护动作信息，完成双极、单极以及各换流器的运行人员监视、操作以及设备的电气联锁功能，同时在双极、单极以及换流器发生直流故障时保护直流系统及设备安全；

所述系统级控制保护系统包括双极控制装置、双极保护装置、两个极控制装置、两个极保护装置、若干换流器控制装置以及若干换流器保护装置；所述设备级控制保护系统包括换流阀阀控装置；所述换流阀阀控装置用于对换流阀设备进行保护，并将保护动作信息发送到所述换流器控制装置；各所述换流器保护装置用于对各换流器设备进行保护，并将保护动作信息发送到相应的所述换流器控制装置；各所述换流器控制装置用于根据接收到的动作保护信息控制对各换流器进行闭锁，同时将接收到的动作保护信息上传到所述极控制装置；所述极控制装置用于将接收到的保护动作信息上传到所述极保护装置，由所述极保护装置根据预设保护策略执行极停运或分步闭锁，并将保护动作信息上传到所述双极控制装置；所述双极控制装置将所有保护动作信息上传至所述双极保护装置，由所述双极保护装置实现双极的运行人员监视、操作以及设备的电气联锁功能；

所述双极控制装置与两个所述极控制装置共同配置主机，所述双极保护装置与两个所述极保护装置共同配置主机；

所述双极保护装置和极保护装置中共同配置有极保护主机，所述换流器保护装置中配置有换流器保护主机，且所述极保护主机和各换流器保护主机内均配置有主、后备保护，所述主保护为差动保护，所述后备保护为过压、过流保护；

所述主保护包括交流连接线差动保护、换流阀交流侧套管差动保护、桥臂差动保护、换流器差动保护、VSC极差动保护以及400kV低端阀组差动保护和800kV极差动保护；

2)换流阀阀控装置中的阀控不平衡保护动作时，换流阀阀控装置发送保护动作信息给换流器控制主机；

3)换流器控制主机接收到换流器保护主机或阀控装置发送的保护动作信息后，控制故障换流器闭锁，并将保护动作信息发送至极控制主机；

4)极控制主机将保护动作信息发送至极保护主机，极保护主机判断是否只有800kV极差动保护动作，若是，进入步骤5)，否则进入步骤6)；

5)极保护主机执行极停运，即闭锁高端LCC换流阀和低端所有的VSC换流阀，进入步骤9)；

6)极保护主机判断步骤3)中的保护动作信息是否早于400kV低端阀组差动保护，若早于，进入步骤7)，否则，进入步骤8)；

7)基于换流器保护主机或换流阀阀控装置发送的保护动作信息实现分步闭锁；

8)基于接收到的400kV低端阀组差动保护动作实现分步闭锁；

9)保护动作过程结束。

2.如权利要求1所述的一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，其特征在于：所述步骤7)中，基于换流器保护主机或换流阀阀控装置发送的保护动作信息实现分步闭锁的方法，包括以下步骤：

7.1)极保护主机基于接收到的保护动作信息屏蔽800kV极差动保护和400kV低端阀组差动保护；

7.2)极控制主机向高端LCC换流器控制主机发送闭锁命令以及向整流站发送极闭锁命令，延时预设第一时间后向低端全部VSC换流器控制主机发送闭锁命令；

7.3)高端LCC换流器控制主机和全部VSC换流器控制主机收到闭锁命令后，闭锁停运各自换流阀，进入步骤9)。

3.如权利要求2所述的一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，其特征在于：所述步骤7.2)中，所述预设第一时间为100ms。

4.如权利要求1所述的一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，其特征在于：所述步骤8)中，基于400kV低端阀组差动保护动作实现分步闭锁的方法，包括以下步骤：

8.1)极保护主机接收到400kV低端阀组差动保护动作信息后，屏蔽800kV极差动保护，将400kV低端阀组差动保护动作信息发送至极控制主机保护延时预设第二时间发出低端全部VSC换流阀交流进线断路器跳闸指令；

8.2)极控制主机在收到保护动作信息后，向高端LCC换流器控制主机发送闭锁命令以及向整流站发送极闭锁命令，延时预设第三时间向低端全部VSC换流器控制主机发送闭锁命令；

8.3)高端LCC换流器控制主机和低端VSC换流器控制主机收到闭锁命令后，闭锁停运各自换流阀。

5.如权利要求4所述的一种柔直换流阀交流连接线单相接地故障保护方法，其特征在于：所述预设第二时间和预设第三时间均为100ms。

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