CN113644635A - 一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，过程为：步骤1，当保护启动元件启动后，检测数据窗T_set内是否出现线模故障电压的首极值点；步骤2：记录故障电压首极值点对应的电压幅值U，与设置门槛值U_set比较，U值大于门槛值U_set判别故障为线路区内故障；否则进行步骤3。步骤3：计算启动后连续3个采样点线模电压故障分量的平均值，取该平均值的相反数，记为U_a，与设置门槛值U_{a_set}比较，U_a值大于门槛值U_{a_set}判别故障为线路区内故障；否则判别故障为线路区外故障。本发明保护原理不同于基于直流线路边界衰减特性的保护方案，且整定方法明确，计算量小，符合工程实际要求。

Description

一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，涉及一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法。

背景技术

我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，进一步推动了我国的能源变革，为构建清洁低碳的能源体系指明了方向。柔性直流输电技术拥有灵活的调节控制新能，在清洁能源并网方面具有明显的技术优势，是未来电网的重要发展方向。

柔性直流输电技术绵连的重要挑战之一是其直流线路保护系统，由于故障后电流上升速度快且幅值大，其一次设备的难受过电流能力又十分脆弱，因此对其保护的响应速度要求极高，主保护需要在故障后3ms内完成故障判别。

目前，针对柔性直流输电系统单端量主保护的研究与应用中，实现线路区内外故障判别的主要原理均基于边界保护的思想。无论是直流输电系统中常用的行波保护还是近年来提出的在暂态量保护，其基本原理主要是利用故障暂态行波穿越线路边界带来的特征变化来，进而实现线路区内外故障的判别。保护原理较为单一，在进行主保护多重配置时不能够形成原理冗余。

此外，目前保护的研究大多基于电磁暂态仿真软件，难以给出有效的保护整定方法，新型保护方案的提出主要在保护实现的算法上进行了创新，但事实上越来越复杂的算法并不利于保护快速、可靠的判别。因此，还需要进一步深入分析故障特征，探索和研究新型线路主保护原理。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，解决了现有柔性直流输电系统线路主保护原理单一，配置时不能够实现原理冗余的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，针对采用半桥MMC型换流器的柔性直流输电系统，具体进行如下操作：

步骤1，当保护启动元件启动后，检测数据窗T_set内是否出现线模故障电压的首极值点，若出现线模故障电压首极值点，则进入步骤2，否则，进入步骤3；

步骤2，记录故障电压首极值点对应的电压幅值U，判别U是否满足式(1)：

U＞U_set (1)；

其中，U_set为门槛值；

若式(1)满足，则判别故障为线路区内故障；否则进行步骤3；

步骤3，计算启动后连续3个采样点线模电压故障分量的平均值，取该平均值的相反数，记为U_a，判别U_a是否满足式(2)：

U_a＞U_{a_set} (2)；

其中，U_{a_set}为门槛值；

若满足式(2)，则判别故障为线路区内故障，否则判别故障为线路区外故障。

本发明的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

步骤1.1，当保护启动元件启动后，记启动时刻为t₀，取时间数据窗T_set内直流输电线路本端正极电压u_p(t)、负极电压u_n(t)，其中t∈[t₀,t₀+T_set]，与10ms前的正极电压值u_p0、负极电压值u_n0，即未发生故障时的正常运行电压值相减，得到正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，计算公式如式(3)所示：

步骤1.2，计算数据窗T_set内的线模电压故障分量Δu(t)，其中t∈[t₀,t₀+T_set]，计算公式如式(4)所示：

步骤1.3，对线模电压故障分量进行差分处理，得到线模电压变化率，当线模故障电压变化率首次由负变为正时，对应的采样点为线模故障电压的首极值点，若数据窗T_set内存在线模故障电压首极值点，则进入步骤2，否则，进入步骤3。

步骤1中数据窗T_set的整定方法如下：数据窗T_set要大于T_max，T_set取为：

T_set＝K_rel1·T_max (5)；

其中，K_rel1为可靠系数，取值大于1；T_max为线路区内故障情况下，保护测量得到的线模故障电压下降到首极值点的最大时间。

步骤2中门槛值U_set的整定方法如下：

若T_s≤T_set，则保护故障电压首极值点幅值判据的门槛值U_set取为：

U_set＝U_s (6)；

其中，T_s为正方向区外金属接地故障情况下，故障电压曲线u_ex(t)下降至首极值点的时间；

若T_s＞T_set，计算u_ex(t)曲线与t＝T_set的交点对应的故障电压幅值，记为U_max，U_set取为：

U_set＝K_rel2·U_max (7)；

其中，K_rel2为可靠系数，取值大于1。

步骤3中门槛值U_{a_set}的整定方法如下：

根据正方向区外金属接地故障情况下线模故障电压曲线u_ex(t)，计算保护启动后连续3个采样点u_ex(t)线模电压故障分量平均值相反数出现的最大电压U_{a_max}，U_{a_set}整定为：

U_{a_set}＝K_rel3·U_{a_max} (8)；

其中，K_rel3为可靠系数，取值大于1。

本发明的有益效果是，本发明提出的柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，依据线路区内外故障情况下，线模电压波形下降至首极值点的时刻不同的特征进行故障判别，与基于直流线路边界衰减特性的保护方案原理不同，能够实现多重保护配置时的原理冗余。本方法能够准确识别柔性直流输电系统线路区内外故障，对于线路经过渡电阻故障和近端故障情况，保护亦能做出正确判断。本方法原理清晰，整定方法明确，计算量小，符合工程实际要求，且保护数据窗短，动作速度快，具有很强的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法的流程图；

图2是某双端柔性直流输电系统仿真模型图；

图3是本发明一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的正极线路末端经500Ω过渡电阻接地故障的测试结果；

图4是本发明一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的线路首端发生极间金属短路故障的测试结果；

图5是本发明一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的换流站M端直流母线金属接地故障的测试结果；

图6是本发明一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法应用于图2中的换流站N端直流母线金属接地故障的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，针对采用半桥MMC型换流器的柔性直流输电系统，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：当保护启动元件启动后，检测数据窗T_set内是否出现线模故障电压的首极值点(保护启动时刻记为0时刻)。若出现线模故障电压首极值点，则进入步骤2，否则，进入步骤3。具体步骤为：

步骤1.1，当保护启动元件启动后，记启动时刻为t₀，取时间数据窗T_set内直流输电线路本端正极电压u_p(t)、负极电压u_n(t)，其中t∈[t₀,t₀+T_set]，与10ms前的正极电压值u_p0，负极电压值u_n0，即未发生故障时的正常运行电压值相减，得到正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，计算公式如式(1)所示：

步骤1.2，计算数据窗T_set内的线模电压故障分量Δu(t)，其中t∈[t₀,t₀+T_set]，计算公式如式(2)所示：

步骤1.3，对线模电压故障分量进行差分处理，得到线模电压变化率，当线模故障电压变化率首次由负变为正时，对应的采样点为线模故障电压的首极值点。若数据窗T_set内存在线模故障电压首极值点，则进入步骤2，否则，进入步骤3。若保护启动后计算得到的首个电压变化率值为正，表明该故障非线路故障，保护不应动作。针对这种情况，保护算法不再继续计算，给出数据窗T_set内不存在电压极值点的判别结果，进入步骤3。

数据窗T_set的整定方法如下：数据窗T_set要可靠大于线路区内故障情况下保护测量得到的线模故障电压下降到首极值点的最大时间T_max，T_max可以根据柔性直流输电系统线路故障首行波解析分析方法求得。T_set取为：

T_set＝K_rel1·T_max (3)；

式中：K_rel1为可靠系数，取值大于1。

步骤2，记录故障电压首极值点对应的电压幅值U，判别U是否满足式(4)：

U＞U_set (4)；

若式(4)满足，则判别故障为线路区内故障；否则进行步骤3。

门槛值U_set的整定方法如下：根据柔性直流输电系统线路故障首行波解析分析方法求得正方向区外金属接地故障情况下故障电压曲线u_ex(t)下降至首极值点的时间T_s，以及该极值点的幅值U_s。若T_s≤T_set，则保护故障电压首极值点幅值判据的门槛值U_set取为：

U_set＝U_s (5)；

否则，计算u_ex(t)曲线与t＝T_set的交点对应的故障电压幅值，记为U_max，U_set取为：

U_set＝K_rel2·U_max (6)；

式中：K_rel2为可靠系数，取值大于1。

步骤3：计算启动后连续3个采样点线模电压故障分量的平均值，取该平均值的相反数，记为U_a。判别U_a是否满足式(7)：

U_a＞U_{a_set} (7)；

式中：U_{a_set}为门槛值。

若满足式(7)，则判别故障为线路区内故障，否则判别故障为线路区外故障。

门槛值U_{a_set}的整定方法如下：根据柔性直流输电系统线路故障首行波解析分析方法求得正方向区外金属接地故障情况下线模故障电压曲线u_ex(t)，计算保护启动后连续3个采样点u_ex(t)线模电压故障分量平均值相反数可能出现的最大情况U_{a_max}。U_{a_set}整定为：

U_{a_set}＝K_rel3·U_{a_max} (8)；

式中：K_rel3为可靠系数，取值大于1。

实施例1

如图2所示，为某双端柔性直流输电系统仿真模型图。系统额定直流电压±500kV，额定传输功率1500MW。线路两端限流电抗器电感值200mH，直流线路长227km。

当系统发生线路故障时，利用本发明所提供的方法可以快速正确判别故障为区内故障还是区外故障。下面针对四种典型故障以换流站M端保护b1为例进行说明，包括区内故障f₁，正极线路末端经500Ω过渡电阻接地故障。区内故障f₂，线路首端发生极间金属短路故障。区外故障f₃，换流站M端直流母线金属接地故障。区外故障f₄，换流站N端直流母线金属接地故障。故障位置如图2所示，4种故障情况的线模故障电压波形图和该区内外故障判别方法计算结果分别如图3、图4、图5和图6所示。保护采样率为f_s＝20kHz。

解析计算得线路区内故障情况下保护测量得到的线模故障电压下降到首极值点的最大时间T_max为0.05ms，取可靠系数K_rel1为3，则数据窗T_set取为0.15ms。解析计算得正方向区外金属接地故障情况下故障电压曲线u_ex(t)下降至首极值点的时间T_s为0.9ms，大于T_set。u_ex(t)曲线与t＝T_set的交点对应的故障电压幅值U_max为110.34kV，取可靠系数K_rel2为1.5，则门槛值U_set近似整定为165kV。解析计算得保护启动后u_ex(t)连续3个采样点线模电压故障分量平均值相反数的最大情况U_{a_max}为75kV，取可靠系数K_rel3为2，门槛值U_{a_set}整定为150kV。

具体包括如下步骤：

步骤1：直流输电线路故障且保护启动元件启动后，检测数据窗T_set内是否出现故障电压的首极值点。

故障f₁在T_set内出现故障电压的首极值点，首极值点的时刻为0.05ms，随后对于该故障进行步骤2的判别。故障f₂、故障f₃和故障f₄，在T_set内出现未故障电压的首极值点，对于这三种故障情况进行步骤3的判别。

步骤2：对于故障f₁，记录故障电压首极值点对应的线模电压故障分量的幅值U为202.42kV。满足判据(4)判别为区内故障。

步骤3：对于故障f₂、故障f₃和故障f₄，计算启动后连续3个采样点线模电压故障分量的平均值，取其相反数记为U_a，三种故障的计算结果分别为：716.10kV，45.01kV和72.94kV。故障f₂的U_a值满足判据(7)，判别为区内故障。故障f₃和故障f₄的U_a值不满足判据(7)，判别为区外故障。

对照故障f₁、f₂、f₃和f₄可知，本发明方法所给出的故障判别结果与实际吻合，证明本发明方法有效。

Claims (5)

1.一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，其特征在于：针对采用半桥MMC型换流器的柔性直流输电系统，具体进行如下操作：

步骤1，当保护启动元件启动后，检测数据窗T_set内是否出现线模故障电压的首极值点，若出现线模故障电压首极值点，则进入步骤2，否则，进入步骤3；

步骤2，记录故障电压首极值点对应的电压幅值U，判别U是否满足式(1)：

U＞U_set (1)；

其中，U_set为门槛值；

若式(1)满足，则判别故障为线路区内故障；否则进行步骤3；

步骤3，计算启动后连续3个采样点线模电压故障分量的平均值，取该平均值的相反数，记为U_a，判别U_a是否满足式(2)：

U_a＞U_{a_set} (2)；

其中，U_{a_set}为门槛值；

若满足式(2)，则判别故障为线路区内故障，否则判别故障为线路区外故障。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：

步骤1.1，当保护启动元件启动后，记启动时刻为t₀，取时间数据窗T_set内直流输电线路本端正极电压u_p(t)、负极电压u_n(t)，其中t∈[t₀,t₀+T_set]，与10ms前的正极电压值u_p0、负极电压值u_n0，即未发生故障时的正常运行电压值相减，得到正极电压故障分量Δu_p(t)，负极电压故障分量Δu_n(t)，计算公式如式(3)所示：

步骤1.2，计算数据窗T_set内的线模电压故障分量Δu(t)，其中t∈[t₀,t₀+T_set]，计算公式如式(4)所示：

步骤1.3，对线模电压故障分量进行差分处理，得到线模电压变化率，当线模故障电压变化率首次由负变为正时，对应的采样点为线模故障电压的首极值点，若数据窗T_set内存在线模故障电压首极值点，则进入步骤2，否则，进入步骤3。

3.根据权利要求2所述的一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，其特征在于：所述步骤1中数据窗T_set的整定方法如下：数据窗T_set要大于T_max，T_set取为：

T_set＝K_rel1·T_max (5)；

其中，K_rel1为可靠系数，取值大于1；T_max为线路区内故障情况下，保护测量得到的线模故障电压下降到首极值点的最大时间。

4.根据权利要求3所述的一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，其特征在于：所述步骤2中门槛值U_set的整定方法如下：

若T_s≤T_set，则保护故障电压首极值点幅值判据的门槛值U_set取为：

U_set＝U_s (6)；

其中，T_s为正方向区外金属接地故障情况下，故障电压曲线u_ex(t)下降至首极值点的时间；

若T_s＞T_set，计算u_ex(t)曲线与t＝T_set的交点对应的故障电压幅值，记为U_max，U_set取为：

U_set＝K_rel2·U_max (7)；

其中，K_rel2为可靠系数，取值大于1。

5.根据权利要求4所述的一种柔性直流输电系统直流线路区内外故障判别方法，其特征在于：所述步骤3中门槛值U_{a_set}的整定方法如下：

根据正方向区外金属接地故障情况下线模故障电压曲线u_ex(t)，计算保护启动后连续3个采样点u_ex(t)线模电压故障分量平均值相反数出现的最大电压U_{a_max}，U_{a_set}整定为：

U_{a_set}＝K_rel3·U_{a_max} (8)；

其中，K_rel3为可靠系数，取值大于1。

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