CN114844010A - 一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法 - Google Patents

一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法 Download PDF

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Abstract

一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，属于特高压交直流输电技术领域，解决特高压交直流系统近区输电线路高阻接地故障识别精度低、电流差动保护灵敏性低的问题；本发明将直流分层接入近区线路故障等效电路分解为交流故障分量等效电路和直流故障分量等效电路，首先分别考虑交流故障分量和直流故障分量影响下的电流差动保护动作量和保护制动量，再综合考虑交流故障分量和直流故障分量下的电流差动保护动作量和保护制动量，最后基于故障特性定性分析，配置稳态量电流差动保护作为故障分量判据的辅助判据；有效解决了特高压交直流系统的层间交互影响，实现了直流近区交流线路故障区内故障精准识别，提高了电流差动保护的灵敏性。

Description

一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法
技术领域
本发明属于特高压交直流输电技术领域，涉及一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法。
背景技术
由于雷击、山火、雾霾、覆冰、高热等因素影响，特高压交直流系统近区输电线路高阻接地故障频发，易出现启动不灵敏、主保护拒动等事故，引发连续换相失败，严重危害交直流混联电网的安全。特高压交直流系统近区交流输电线路发生高阻接地故障后，由于故障电流较小，导致保护启动较慢，启动后未达到保护动作所需门槛值，导致线路主保护动作不及时，引起换相电压幅值的持续降低、换相面积大幅缩小，导致连续换相失败、单双极闭锁或传输功率中断。此外，特高压线路高阻故障常伴有弧光现象，弧光高阻故障的接地阻抗值随着外加电压的变化而变化，呈现较明显的非线性特征，故障电流存在明显的波形畸变，含有大量谐波，也会引起换相失败的发生，危害系统的稳定运行。
现有技术中，公布日期为2018年6月5日、公布号为CN105634027B《含自愈功能的特高压直流换流站分层接入交流电网电气主接线》的中国发明专利，通过在直流输电分层接入系统加入自愈模块，从而具有自愈功能，在正常运行及直流失电等故障方式下，维持换流站内交流部分的连通和运行，使换流站外部所连接的两种交流电网仍可通过换流站的交流部分形成一个环网运行，结合系统对交流电源出力规模的调整，保证两种交流电网的相互连通和支援互供。但是该发明并未解决上述问题。
因此，特高压交直流系统近区输电线路高阻故障分析及精准保护技术对于交直流混联电网的安全稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于设计一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，以解决特高压交直流系统近区输电线路高阻接地故障识别精度低、电流差动保护灵敏性低的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，包括以下步骤：
S1、将直流分层接入近区线路故障等效电路分解为交流故障分量等效电路和直流故障分量等效电路；
S2、仅考虑交流故障分量，对交流故障分量等效电路进行计算，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
S3、仅考虑直流故障分量，对直流故障分量等效电路进行计算，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
S4、综合考虑交流故障分量和直流故障分量，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
S5、基于故障特性定性分析，配置稳态量电流差动保护作为故障分量判据的辅助判据，并计算稳态量电流差动保护的保护动作量和保护制动量，以提高保护灵敏性。
本发明的技术方案综合考虑分层接入结构特点，将直流分层接入近区线路故障等效电路分解为交流故障分量等效电路和直流故障分量等效电路，首先分别考虑交流故障分量和直流故障分量影响下的电流差动保护动作量和保护制动量，再综合考虑交流故障分量和直流故障分量下的电流差动保护动作量和保护制动量，最后基于故障特性定性分析，配置稳态量电流差动保护作为故障分量判据的辅助判据；有效解决了特高压交直流系统的层间交互影响，实现了直流近区交流线路故障区内故障精准识别，提高了电流差动保护的灵敏性。
进一步地，步骤S2中确定故障分量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
ΔId(ac)＝|ΔIacM1+ΔIacN1|＝|ΔIacf| (1)
其中，交流故障分量ΔIacf的计算公式如下：
Figure BDA0003662654360000021
式中，ΔId(ac)为仅考虑交流故障分量时的保护动作量，ΔIacM1和ΔIacN1分别为仅考虑交流故障分量时节点M1和N1向故障点馈入的故障电流分量，ZS1和ZS2分别为分层接入的第一交流系统和第二交流系统的等效阻抗，ZMK和ZNK分别为节点M1和N1到故障点K的等效阻抗，UK0和Rg分别为故障点K的等效电压和等效阻抗，Z12为分层接入特高压直流系统的两个换流母线节点M1和M2间的交互阻抗，ZL2为分层接入第二交流系统的节点M2到节点N2交流等效阻抗。
进一步地，步骤S2中确定故障分量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
ΔIr(ac)＝|ΔIacM1-ΔIacN1|＝|kΔIacf| (3)
其中，参数k的计算公式为：
Figure BDA0003662654360000031
式中，ΔIr(ac)为仅考虑交流故障分量时的保护制动量。
进一步地，步骤S3中确定故障分量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
ΔId(dc)＝|ΔIdcM1+ΔIdcN1|＝|(A1-B1)ΔIdc1+(A2-B2)ΔIdc2| (5)
公式(5)中的系数A1、A2、B1、B2由如下式确定：
Figure BDA0003662654360000032
Figure BDA0003662654360000033
Figure BDA0003662654360000034
Figure BDA0003662654360000035
式中，ΔId(dc)为仅考虑直流故障分量时的保护动作量，ΔIdcM1和ΔIdcN1分别为仅考虑直流故障分量时的节点M1和N1向故障点K馈入的故障电流分量，ΔIdc1和ΔIdc2为分层接入的第一直流层、第二直流层分别馈入换流母线节点M1和N1的电流，A1、A2分别为在母线M1处的电流分配系数，B1、B2分别为ΔIdc1和ΔIdc2在母线N1处的电流分配系数。
进一步地，步骤S3中确定故障分量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
ΔIr(dc)＝|ΔIdcM1-ΔIdcN1|＝|(A1+B1)ΔIdc1+(A2+B2)ΔIdc2| (10)
式中，ΔIr(dc)为仅考虑直流故障分量时的保护制动量。
进一步地，步骤S4中确定故障分量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
ΔId＝|ΔIacf-((A1-B1)ΔIdc1+(A2-B2)ΔIdc2)| (11)
式中，ΔId为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护动作量。
进一步地，步骤S4中确定故障分量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
ΔIr＝|kΔIacf+(A1+B1)ΔIdc1+(A2+B2)ΔIdc2| (12)
式中，ΔIr为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护制动量。
进一步地，步骤S5中基于故障特性定性分析的方法为：
当过渡阻抗Rg较大时，△Idc滞后于-Ubus，△Iacf滞后Ubus的角度较小，A△Idc和B△Idc都超前于△Idc，并且A△Idc超前的角度较大；当k>0时，△Id(dc)会削弱△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会削弱k△Iacf的幅值，使制动电流减小；当k<0时，△Id(dc)会削弱△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会增加k△Iacf的幅值，使制动电流增大；
当过渡阻抗Rg较小时，△Idc基本上与-Ubus同相位，△Iacf滞后Ubus的角度约为90°，A△Idc和B△Idc都超前于△Idc，并且A△Idc超前的角度较大；当k>0时，△Id(dc)会增加△Iacf的幅值，使动作电流增大；△Ir(dc)会增大k△Iacf的幅值，使制动电流增大；当k<0时，△Id(dc)会增加△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会减小k△Iacf的幅值，使制动电流减小。
进一步地，步骤S5中计算稳态量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
Id(ac)＝|IM1+IN1|＝|(ΔIacM1+IL)+(ΔIacN1-IL)|＝|ΔIacf| (13)
式中，Id(ac)为稳态量电流差动保护的保护动作量。
进一步地，步骤S5中计算稳态量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
Ir(ac)＝|IM1-IN1|＝|(ΔIacM1+IL)-(ΔIacN1-IL)|＝|kΔIacf+2IL| (14)
式中，ΔIr为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护制动量。
本发明的优点在于：
(1)本发明的技术方案综合考虑分层接入结构特点，将直流分层接入近区线路故障等效电路分解为交流故障分量等效电路和直流故障分量等效电路，首先分别考虑交流故障分量和直流故障分量影响下的电流差动保护动作量和保护制动量，再综合考虑交流故障分量和直流故障分量下的电流差动保护动作量和保护制动量，最后基于故障特性定性分析，配置稳态量电流差动保护作为故障分量判据的辅助判据；有效解决了特高压交直流系统的层间交互影响，实现了直流近区交流线路故障区内故障精准识别，提高了电流差动保护的灵敏性。
(2)本发明提出的保护方法，具有步骤简单易行、清晰明了、可靠有效等特点，便于现场实施，可有效避免分层接入特高压直流系统接地故障误动作情况，保证整个系统安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例一的分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法的流程图；
图2是本发明实施例一的直流分层接入线路M1N1发生交流故障时的结构示意图；
图3是本发明实施例一的直流分层接入线路M1N1发生交流故障时的附加状态示意图；
图4是本发明实施例一的分解的交流故障分量示意图；
图5是本发明实施例一的分解的直流故障分量示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，包括以下步骤：
步骤一、根据叠加定理，将直流分层接入近区线路故障等效电路分解为交流故障分量等效电路和直流故障分量等效电路；
对于交流输电线路而言，在区外故障时虽然由于直流系统的影响使得流经线路的电流特征发生变化，但是短路电流必然还是满足基尔霍夫电流定律，即两端的电流近似相等。因此，区外故障时，直流系统对输电线路电流差动保护的影响很小。下述重点分析线路区内故障时的情况。
附图2为直流分层接入交直流混联系统示意图，交流系统线路M1N1发生故障，附图3为与图2对应的故障附加电路结构图。
图2是本发明实施例一的直流分层接入线路M1N1发生交流故障时的结构示意图；
图3是本发明实施例一的直流分层接入线路M1N1发生交流故障时的附加状态示意图；
步骤二、仅考虑交流故障分量，对交流故障分量等效电路进行计算，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
确定故障分量电流差动保护动作量的计算公式为：
ΔId(ac)＝|ΔIacM1+ΔIacN1|＝|ΔIacf| (1)
其中，交流故障分量ΔIacf的计算公式如下：
Figure BDA0003662654360000061
确定故障分量电流差动保护制动量的方法的计算公式为：
ΔIr(ac)＝|ΔIacM1-ΔIacN1|＝|kΔIacf| (3)
其中，参数k的计算公式为：
Figure BDA0003662654360000062
式中，ΔId(ac)为仅考虑交流故障分量时的保护动作量，ΔIr(ac)为仅考虑交流故障分量时的保护制动量，ΔIacM1和ΔIacN1分别为仅考虑交流故障分量时节点M1和N1向故障点馈入的故障电流分量，ZS1和ZS2分别为分层接入的第一交流系统和第二交流系统的等效阻抗，ZMK和ZNK分别为节点M1和N1到故障点K的等效阻抗，UK|0|和Rg分别为故障点K的等效电压和等效阻抗，Z12为分层接入特高压直流系统的两个换流母线节点M1和M2间的交互阻抗，ZL2为分层接入第二交流系统的节点M2到节点N2交流等效阻抗。
步骤三、仅考虑直流故障分量，对直流故障分量等效电路进行计算，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
确定故障分量电流差动保护动作量的计算公式为：
ΔId(dc)＝|ΔIdcM1+ΔIdcN1|＝|(A1-B1)ΔIdc1+(A2-B2)ΔIdc2| (5)
公式(5)中的系数A1、A2、B1、B2由如下式确定：
Figure BDA0003662654360000071
Figure BDA0003662654360000072
Figure BDA0003662654360000073
Figure BDA0003662654360000074
确定故障分量电流差动保护制动量的计算公式为：
ΔIr(dc)＝|ΔIdcM1-ΔIdcN1|＝|(A1+B1)ΔIdc1+(A2+B2)ΔIdc2| (10)
式中，ΔId(dc)为仅考虑直流故障分量时的保护动作量，ΔIr(dc)为仅考虑直流故障分量时的保护制动量，ΔIdcM1和ΔIdcN1分别为仅考虑直流故障分量时的节点M1和N1向故障点K馈入的故障电流分量，ΔIdc1和ΔIdc2为分层接入的第一直流层、第二直流层分别馈入换流母线节点M1和N1的电流，A1、A2分别为在母线M1处的电流分配系数，B1、B2分别为ΔIdc1和ΔIdc2在母线N1处的电流分配系数。
步骤四、综合考虑交流故障分量和直流故障分量，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
确定故障分量电流差动保护动作量和制动量的计算公式分别为：
ΔId＝|ΔIacf-((A1-B1)ΔIdc1+(A2-B2)ΔIdc2)| (11)
ΔIr＝|kΔIacf+(A1+B1)ΔIdc1+(A2+B2)ΔIdc2| (12)
式中，ΔId为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护动作量，ΔIr为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护制动量。
步骤五、基于故障特性定性分析，配置稳态量电流差动保护作为故障分量判据的辅助判据，并计算稳态量电流差动保护的保护动作量和保护制动量，以提高保护灵敏性。
基于故障特性定性分析的方法为：
当过渡阻抗Rg较大时，△Idc滞后于-Ubus，△Iacf滞后Ubus的角度较小，A△Idc和B△Idc都超前于△Idc，并且A△Idc超前的角度较大；当k>0时，△Id(dc)会削弱△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会削弱k△Iacf的幅值，使制动电流减小；当k<0时，△Id(dc)会削弱△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会增加k△Iacf的幅值，使制动电流增大；
当过渡阻抗Rg较小时，△Idc基本上与-Ubus同相位，△Iacf滞后Ubus的角度约为90°，A△Idc和B△Idc都超前于△Idc，并且A△Idc超前的角度较大；当k>0时，△Id(dc)会增加△Iacf的幅值，使动作电流增大；△Ir(dc)会增大k△Iacf的幅值，使制动电流增大；当k<0时，△Id(dc)会增加△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会减小k△Iacf的幅值，使制动电流减小。
计算稳态量电流差动保护的保护动作量和保护制动量的计算公式为：
Id(ac)＝|IM1+IN1|＝|(ΔIacM1+IL)+(ΔIacN1-IL)|＝|ΔIacf| (13)
Ir(ac)＝|IM1-IN1|＝|(ΔIacM1+IL)-(ΔIacN1-IL)|＝|kΔIacf+2IL| (14)
式中，Id(ac)为稳态量电流差动保护的保护动作量，ΔIr为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护制动量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将直流分层接入近区线路故障等效电路分解为交流故障分量等效电路和直流故障分量等效电路；
S2、仅考虑交流故障分量，对交流故障分量等效电路进行计算，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
S3、仅考虑直流故障分量，对直流故障分量等效电路进行计算，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
S4、综合考虑交流故障分量和直流故障分量，确定故障分量电流差动保护的保护动作量和保护制动量；
S5、基于故障特性定性分析，配置稳态量电流差动保护作为故障分量判据的辅助判据，并计算稳态量电流差动保护的保护动作量和保护制动量，以提高保护灵敏性。
2.根据权利要求1所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S2中确定故障分量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
ΔId(ac)＝|ΔIacM1+ΔIacN1|＝|ΔIacf| (1)
其中，交流故障分量ΔIacf的计算公式如下：
Figure FDA0003662654350000011
式中，ΔId(ac)为仅考虑交流故障分量时的保护动作量，ΔIacM1和ΔIacN1分别为仅考虑交流故障分量时节点M1和N1向故障点馈入的故障电流分量，ZS1和ZS2分别为分层接入的第一交流系统和第二交流系统的等效阻抗，ZMK和ZNK分别为节点M1和N1到故障点K的等效阻抗，UK|0|和Rg分别为故障点K的等效电压和等效阻抗，Z12为分层接入特高压直流系统的两个换流母线节点M1和M2间的交互阻抗，ZL2为分层接入第二交流系统的节点M2到节点N2交流等效阻抗。
3.根据权利要求2所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S2中确定故障分量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
ΔIr(ac)＝|ΔIacM1-ΔIacN1|＝|kΔIacf| (3)
其中，参数k的计算公式为：
Figure FDA0003662654350000021
式中，ΔIr(ac)为仅考虑交流故障分量时的保护制动量。
4.根据权利要求3所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S3中确定故障分量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
ΔId(dc)＝|ΔIdcM1+ΔIdcN1|＝|(A1-B1)ΔIdc1+(A2-B2)ΔIdc2| (5)
公式(5)中的系数A1、A2、B1、B2由如下式确定：
Figure FDA0003662654350000022
Figure FDA0003662654350000023
Figure FDA0003662654350000024
Figure FDA0003662654350000025
式中，ΔId(dc)为仅考虑直流故障分量时的保护动作量，ΔIdcM1和ΔIdcN1分别为仅考虑直流故障分量时的节点M1和N1向故障点K馈入的故障电流分量，ΔIdc1和ΔIdc2为分层接入的第一直流层、第二直流层分别馈入换流母线节点M1和N1的电流，A1、A2分别为在母线M1处的电流分配系数，B1、B2分别为ΔIdc1和ΔIdc2在母线N1处的电流分配系数。
5.根据权利要求4所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S3中确定故障分量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
ΔIr(dc)＝|ΔIdcM1-ΔIdcN1|＝|(A1+B1)ΔIdc1+(A2+B2)ΔIdc2| (10)
式中，ΔIr(dc)为仅考虑直流故障分量时的保护制动量。
6.根据权利要求5所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S4中确定故障分量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：
ΔId＝|ΔIacf-((A1-B1)ΔIdc1+(A2-B2)ΔIdc2)| (11)
式中，ΔId为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护动作量。
7.根据权利要求6所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S4中所述的确定故障分量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
ΔIr＝|kΔIacf+(A1+B1)ΔIdc1+(A2+B2)ΔIdc2| (12)
式中，ΔIr为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护制动量。
8.根据权利要求7所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S5中基于故障特性定性分析的方法为：
当过渡阻抗Rg较大时，△Idc滞后于-Ubus，△Iacf滞后Ubus的角度较小，A△Idc和B△Idc都超前于△Idc，并且A△Idc超前的角度较大；当k>0时，△Id(dc)会削弱△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会削弱k△Iacf的幅值，使制动电流减小；当k<0时，△Id(dc)会削弱△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会增加k△Iacf的幅值，使制动电流增大；
当过渡阻抗Rg较小时，△Idc基本上与-Ubus同相位，△Iacf滞后Ubus的角度约为90°，A△Idc和B△Idc都超前于△Idc，并且A△Idc超前的角度较大；当k>0时，△Id(dc)会增加△Iacf的幅值，使动作电流增大；△Ir(dc)会增大k△Iacf的幅值，使制动电流增大；当k<0时，△Id(dc)会增加△Iacf的幅值，使动作电流减小；△Ir(dc)会减小k△Iacf的幅值，使制动电流减小。
9.根据权利要求8所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S5中计算稳态量电流差动保护的保护动作量的计算公式为：：
Id(ac)＝|IM1+IN1|＝|(ΔIacM1+IL)+(ΔIacN1-IL)|＝|ΔIacf| (13)
式中，Id(ac)为稳态量电流差动保护的保护动作量。
10.根据权利要求9所述的一种分层接入特高压直流系统近区交流接地故障保护方法，其特征在于，步骤S5中计算稳态量电流差动保护的保护制动量的计算公式为：
Ir(ac)＝|IM1-IN1|＝|(ΔIacM1+IL)-(ΔIacN1-IL)|＝|kΔIacf+2IL| (14)
式中，ΔIr为综合考虑交流故障分量和直流故障分量时的保护制动量。
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