CN115483681A - 一种适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法 - Google Patents

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胡兴洋
张侃君
王婷
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杜镇安
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Abstract

本发明提供一种适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，包括：S1：测量获取VSC‑LCC混合并联系统各保护区的电压、电流，进行各保护启动动作判断；S2：获取VSC‑HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流，判断是否满足过流保护启动条件；S3：计算所在端线路正、负极电压斜率，进行故障位置区域判断，若判据不满足，则排除直流线路故障，继续执行，否则返回S1；S4：计算变压器交流侧电压故障分量是否满足设定的阈值，若判据满足，则排除LCC系统直流线路故障，继续执行，否则返回S1。本发明对VSC‑LCC混合多馈入直流输电系统故障时的快速故障隔离和提高混合并联系统安全稳定运行及可靠供电有着重要的现实意义。

Description

一种适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统领域，具体是一种适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法。
背景技术
我国西部蕴含丰富的清洁电能资源，发电量远超区域所需，为减少清洁能源消纳，我国投入大量人力、物力建设电能外送通道。高压直流输电技术在电能传输容量、传输距离、线路造价等方面具有明显优势，因而在西电东送工程、电力系统异步联网及新能源并网等工程中发挥着重要作用。基于晶闸管管换流的高压直流输电(Line CommutatedConverter High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)输电距离远、输送容量大、功率可迅速灵活调节、非同步联络能力强等优点。基于电压源型换流器的高压直流输电(VoltageSource Converter Based High Voltage Direte Current，VSC-HVDC)可实现换流器的自换相，独立控制有功功率与无功功率，省去大量滤波器和无功补偿装置。LCC-HVDC与VSC-HVDC在我国输电工程上取得广泛应用。
VSC-HVDC的逆变站和LCC-HVDC的整流站有时在系统拓扑上被动形成并联输电系统结构。LCC-HVDC与VSC-HVDC在系统上配置各种保护，提高输电的安全性与可靠性。由于两直流系统同一交流母线，混合并联系统发生故障，除本保护区配置的保护动作，存在引起VSC交流连接线过流保护区域内电流产生一定程度波动，进而造成误动作，影响保护动作准确性与可靠性及系统安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于VSC-LCC混合多馈入直流输电系统系统交流连接线的新型过流保护方法，解决混合并联系统保护容易误动作问题，提高系统保护动作的准确性而VSC-HVDC混合并联系统供电稳定能力。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
S1：测量获取VSC-LCC混合并联系统各保护区的电压、电流，获取的电压、电流用于进行各保护启动动作判断；
S2：获取VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流，根据VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流判断是否满足过流保护启动条件，若满足则判断为VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S3，否则继续监测系统换流阀侧与启动回路三相电流；
S3：计算所在端线路正、负极电压斜率，进行故障位置区域判断，若判据不满足，则排除直流线路故障，继续执行，否则返回S1；
S4：计算变压器交流侧电压故障分量是否满足设定的阈值，若判据满足，则排除LCC系统直流线路故障，继续执行，否则返回S1。
进一步的，步骤S1中，测量获取的电压、电流为：VSC-HVDC系统直流线路电压、VSC-HVDC系统换流阀侧三相电流与启动回路三相电流、以及VSC-HVDC系统换流变交流侧电压。
进一步的，步骤S2具体实施步骤如下：
S2.1、如式(1)获取VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值：
IvCT＝max(|IvT|,|IvC|) (1)
式中，IvT为换流阀侧的三相电流，IvC为换流阀侧的三相电流；
S2.2、保护阈值电流整定值由式(2)计算得到：
Figure BDA0003884136510000021
式中，Krel为保护阈值整定的可靠系数；Kr为保护阈值整定的返回系数；In为VSC侧交流连接线额定电流；
S2.3、过流保护动作判别如式(3)所示：
IvCT＝max(|IvT|,|IvC|)＞Iset (3)
若VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值大于保护设定的整定值，则判断为VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S3；若VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值小于保护设定的整定值，则保护不动作，继续监测系统换流阀侧与启动回路三相电流。
进一步的，步骤S3中的具体步骤如下：
S3.1、计算电压斜率用以表征VSC-HVDC系统直流线路正、负极电压变化率：
Figure BDA0003884136510000031
式中，uk、uk-1为VSC-HVDC系统瞬时电压；Δt为两电压间的时间差；
S3.2、故障发生区域判别如式(5)所示：
Figure BDA0003884136510000032
式中，
Figure BDA0003884136510000033
为设定的电压斜率整定值；电压斜率整定值设为小于VSC系统直流线路故障时电压、电压斜率；
S3.3、若电压变化率小于保护设定斜率整定值，则判断VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S4；若电压变化率大于保护设定斜率整定值，则判断VSC-LCC系统故障并不在保护范围内，保护不动作，发出告警信号并继续监测系统返回S1。
进一步的，步骤S4中的具体步骤如下：
S4.1、检测变压器交流侧电压Uac，计算电压故障分量：
ΔUac＝|Uac-Us.ac| (6)
其中，Us.ac为混合并联系统正常运行下变压器交流侧电压；
S4.2、故障发生区域判别如式(7)所示：
(ΔUac)max＜ΔUac.set (7)
式中，ΔUac.set为设定的故障分量整定值，故障分量的整定值设为小于LCC系统直流线路故障时电压故障分量；
S4.3、将电压故障分量与设定的整定值比较，若变压器交流侧电压小于设定的整定值，则判断VSC-LCC系统发生故障，系统输出保护动作信号，VSC-LCC混合并联系统交流连接线的过流保护动作；若变压器交流测电压大于设定的整定值，则判断VSC-LCC系统故障并不在保护范围内，保护不动作，发出告警信号并继续监测系统返回S1。
本发明具有如下有益效果：
VSC-LCC混合多馈入直流输电系统其在工程上各自配备相应保护，两者通过交流连接线并联，易产生保护误动作工况。本发明测量VSC侧直流线路电压，计算电压斜率表征其变化率，可消除VSC侧双极线路短路交流连接线过电流保护误动作；本发明测量VSC侧换流变压器交流侧电压，计算电压故障分量，可消除LCC侧双极线路短路交流连接线过电流保护误动作；综上，本发明对VSC-LCC混合多馈入直流输电系统故障时的快速故障隔离和提高混合并联系统安全稳定运行及可靠供电有着重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明改进过电流保护实施例中VSC-LCC混合并联系统结构示意图；
图2是本发明改进过电流保护实施例中需要监测系统电压、电流位置；
图3是本发明适用于VSC-LCC混合多馈入直流输电系统系统交流连接线的新型过流保护方法的流程图；
图4是VSC侧交流连接线故障，换流阀侧与启动回路三相电流绝对值最大值电压波形；
图5是VSC侧直流线路电压斜率波形；
图6是VSC侧换流变压器交流侧电压故障分量波形；
图7是VSC直流线路故障，换流阀侧与启动回路三相电流绝对值最大值电压波形；
图8是VSC直流线路故障，直流线路电压斜率波形；
图9是LCC直流线路故障，换流阀侧与启动回路三相电流绝对值最大值电压波形；
图10是LCC直流线路故障，直流线路电压斜率波形；
图11是LCC直流线路故障，VSC侧换流变压器交流侧电压故障分量波形。
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中的附图，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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
如图2所示，本发明实施例提供一种用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：测量获取VSC-LCC混合并联系统各保护区的电压、电流，获取的电压、电流用于进行各保护启动动作判断；其中，测量获取的电压、电流为：VSC-HVDC系统直流线路电压、VSC-HVDC系统换流阀侧三相电流与启动回路三相电流、以及VSC-HVDC系统换流变交流侧电压。
S2：获取VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流，根据VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流判断是否满足过流保护启动条件；具体的，
S2.1、如式(1)获取VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值：
IvCT＝max(|IvT|,|IvC|) (1)
式中，IvT为换流阀侧的三相电流，IvC为换流阀侧的三相电流；
S2.2、保护阈值电流整定值由式(2)计算得到：
Figure BDA0003884136510000061
式中，Krel为保护阈值整定的可靠系数；Kr为保护阈值整定的返回系数；In为VSC侧交流连接线额定电流；
S2.3、过流保护动作判别如式(3)所示：
IvCT＝max(|IvT|,|IvC|)＞Iset (3)
若VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值大于保护设定的整定值，则判断为VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S3；若VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值小于保护设定的整定值，则保护不动作，继续监测系统换流阀侧与启动回路三相电流。
S3：计算所在端线路正、负极电压斜率，进行故障位置区域判断，若判据不满足，则排除直流线路故障，继续执行，否则返回S1；具体的，
S3.1、计算电压斜率用以表征VSC-HVDC系统直流线路正、负极电压变化率：
Figure BDA0003884136510000062
式中，uk、uk-1为VSC-HVDC系统瞬时电压；Δt为两电压间的时间差；
S3.2、故障发生区域判别如式(5)所示：
Figure BDA0003884136510000063
式中，
Figure BDA0003884136510000064
为设定的电压斜率整定值；电压斜率整定值设为小于VSC系统直流线路故障时电压、电压斜率；
S3.3、若电压变化率小于保护设定斜率整定值，则判断VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S4；若电压变化率大于保护设定斜率整定值，则判断VSC-LCC系统故障并不在保护范围内，保护不动作，发出告警信号并继续监测系统返回S1。
S4：计算变压器交流侧电压故障分量是否满足设定的阈值，若判据满足，则排除LCC系统直流线路故障，继续执行，否则返回S1。具体的，
S4.1、检测变压器交流侧电压Uac，计算电压故障分量：
ΔUac＝|Uac-Us.ac| (6)
其中，Us.ac为混合并联系统正常运行下变压器交流侧电压；
S4.2、故障发生区域判别如式(7)所示：
(ΔUac)max＜ΔUac.set (7)
式中，ΔUac.set为设定的故障分量整定值，故障分量的整定值设为小于LCC系统直流线路故障时电压故障分量；
S4.3、将电压故障分量与设定的整定值比较，若变压器交流侧电压大于设定的整定值，则判断VSC-LCC系统发生故障，系统输出保护动作信号，VSC-LCC混合并联系统交流连接线的过流保护动作；若变压器交流测电压大于设定的整定值，则判断VSC-LCC系统故障并不在保护范围内，保护不动作，发出告警信号并继续监测系统返回S1。
如图1所示，假设混合并联系统VSC侧交流连接线发生单相接地故障记为故障F3；
当系统发生故障F3后，VSC侧换流阀侧与启动回路三相电流绝对值最大值IvCT的电压波形如图所示4所示。
根据式(2)，计算电流整定值Iset，结果为3.44A，其中可靠系数Krel取为1.2，返回系数Kr取为0.95，交流连接线额定电流In为1.85A。
根据式(3)进行保护启动条件判别：IvCT1＝6.62＞1.85，条件满足，判定发生故障，继续执行判断。
测量VSC侧直流线路电压大小，根据式(4)计算直流线路电压斜率，波形图分别如图5所示。电压斜率设定的整定值为200；
根据式(5)进行故障发生区域条件判别：
Figure BDA0003884136510000081
电压变化率并未超过设定的阈值，判定VSC系统直流线路上并未发生故障，继续执行判断。
混合并联系统正常运行时，记录VSC侧换流变压器交流侧电压有效值。根据式(6)计算电压故障分量，波形图如图6所示。电压故障分量设定的整定值为50。
根据式(7)进行故障发生区域条件判别：(ΔUac)max＝21.23＜50；
电压故障分量并未超过设定的阈值，判定LCC系统直流线路上并未发生故障，则故障发生在VSC侧交流连接线上，过电流保护动作，流程结束。
VSC线路故障实施例：
当系统发生故障F1后，VSC侧换流阀侧与启动回路三相电流绝对值最大值IvCT的电压波形如图所示7所示。
根据式(3)进行保护启动条件判别：IvCT2＝13.94＞1.85，条件满足，判定发生故障，继续执行判断。
测量VSC侧直流线路电压大小，根据式(4)计算直流线路电压斜率，波形图分别如图8所示。
根据式(5)进行故障发生区域条件判别：
Figure BDA0003884136510000082
电压变化率超过设定的阈值，判定故障发生区域为VSC系统直流线路，则发出告警信号，相应的保护动作，继续执行判断。
判断VSC-LCC系统故障并不在交流连接线保护范围内(若仅VSC系统交流连接线上发生故障，并不会引起直流线路上电压发生如此显著变化，因此判断VSC-LCC系统故障并不在交流连接线过流保护区域内)，保护不动作，发出告警信号，相应的保护动作，并继续监测系统返回S1。
LCC线路故障实施例：
当系统发生故障F2后，LCC侧换流阀侧与启动回路三相电流绝对值最大值IvCT的电压波形如图9所示。
根据式(3)进行保护启动条件判别：IvCT3＝4.14＞1.85，条件满足，判定系统发生故障，继续执行判断。
测量VSC侧直流线路电压大小，根据式(4)计算直流线路电压斜率，波形图分别如图10所示。
根据式(5)进行故障发生区域条件判别：
Figure BDA0003884136510000091
电压变化率没有超过设定的阈值，继续执行判断。
记录VSC侧换流变压器交流侧电压有效值。根据式(6)计算电压故障分量，波形图如图11所示。电压故障分量设定的整定值为50。
根据式(7)进行故障发生区域条件判别：(ΔUac)max1＝138.13＞50；
电压故障分量超过设定的阈值，判定VSC-LCC系统故障并不在交流连接线保护范围内，VSC侧交流连接线上过电流保护动作是由LCC侧系统发生故障引起的，保护不动作，发出告警信号，相应的保护动作，并继续监测系统返回S1。
以上具体实施例，F1为混合系统VSC侧交流连接线单相接地故障，F2为混合系统VSC侧直流线路故障，F3为混合系统VSC侧直流线路故障。本发明提出的交流线路过流保护新方法在混合系统发生F1故障时，保护准确动作，而混合系统发生F2或F3故障时，保护并未动作发出告警信号。本发明实现了交流线路过流保护的准确动作，对VSC-LCC混合多馈入直流输电系统故障时的快速故障隔离和提高混合并联系统安全稳定运行及可靠供电有着重要的现实意义。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：测量获取VSC-LCC混合并联系统各保护区的电压、电流，获取的电压、电流用于进行各保护启动动作判断；
S2：获取VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流，根据VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流判断是否满足过流保护启动条件，若满足则判断为VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S3，否则继续监测系统换流阀侧与启动回路三相电流；
S3：计算所在端线路正、负极电压斜率，进行故障位置区域判断，若判据不满足，则排除直流线路故障，继续执行，否则返回S1；
S4：计算变压器交流侧电压故障分量是否满足设定的阈值，若判据满足，则排除LCC系统直流线路故障，继续执行，否则返回S1。
2.如权利要求1所述的适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，其特征在于：步骤S1中，测量获取的电压、电流为：VSC-HVDC系统直流线路电压、VSC-HVDC系统换流阀侧三相电流与启动回路三相电流、以及VSC-HVDC系统换流变交流侧电压。
3.如权利要求1所述的适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，其特征在于：步骤S2具体实施步骤如下：
S2.1、如式(1)获取VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值：
IvCT＝max(|IvT|,|IvC|) (1)
式中，IvT为换流阀侧的三相电流，IvC为换流阀侧的三相电流；
S2.2、保护阈值电流整定值由式(2)计算得到：
Figure FDA0003884136500000011
式中，Krel为保护阈值整定的可靠系数；Kr为保护阈值整定的返回系数；In为VSC侧交流连接线额定电流；
S2.3、过流保护动作判别如式(3)所示：
IvCT＝max(|IvT|,|IvC|)＞Iset (3)
若VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值大于保护设定的整定值，则判断为VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S3；若VSC-HVDC系统换流阀侧与启动回路三相电流绝对值的最大值小于保护设定的整定值，则保护不动作，继续监测系统换流阀侧与启动回路三相电流。
4.如权利要求1所述的适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，其特征在于：步骤S3中的具体步骤如下：
S3.1、计算电压斜率用以表征VSC-HVDC系统直流线路正、负极电压变化率：
Figure FDA0003884136500000021
式中，uk、uk-1为VSC-HVDC系统瞬时电压；Δt为两电压间的时间差；
S3.2、故障发生区域判别如式(5)所示：
Figure FDA0003884136500000022
式中，
Figure FDA0003884136500000023
为设定的电压斜率整定值；电压斜率整定值设为小于VSC系统直流线路故障时电压、电压斜率；
S3.3、若电压变化率小于保护设定斜率整定值，则判断VSC-LCC系统发生故障并执行步骤S4；若电压变化率大于保护设定斜率整定值，则判断VSC-LCC系统故障并不在保护范围内，保护不动作，发出告警信号并继续监测系统返回S1。
5.如权利要求1所述的适用于混合多馈入直流输电系统的新型过流保护方法，其特征在于：步骤S4中的具体步骤如下：
S4.1、检测变压器交流侧电压Uac，计算电压故障分量：
ΔUac＝|Uac-Us.ac| (6)
其中，Us.ac为混合并联系统正常运行下变压器交流侧电压；
S4.2、故障发生区域判别如式(7)所示：
(ΔUac)max＜ΔUac.set (7)
式中，ΔUac.set为设定的故障分量整定值，故障分量的整定值设为小于LCC系统直流线路故障时电压故障分量；
S4.3、将电压故障分量与设定的整定值比较，若变压器交流侧电压大于设定的整定值，则判断VSC-LCC系统发生故障，系统输出保护动作信号，VSC-LCC混合并联系统交流连接线的过流保护动作；若变压器交流测电压大于设定的整定值，则判断VSC-LCC系统故障并不在保护范围内，保护不动作，发出告警信号并继续监测系统返回S1。
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