一种适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法

1.本发明属于电力系统及自动化技术领域，具体涉及一种适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法。


背景技术：

2.直流电网中发生故障时各换流器子模块电容剧烈放电，故障电流快速上升，将严重影响系统中的相关电气设备的安全。为了快速切除故障线路以保障系统安全运行，研究快速可靠的柔性直流输电系统保护方案具有重要的意义。
3.柔性直流电网的主保护大多选择基于单端电气量的保护原理，以满足柔性直流电网主保护对保护快速性的要求。根据原理划分，现有的单端量保护方法包括电压电流法、行波法、边界法等。
4.但是，以上方法均没有考虑断路器动作与换流站闭锁的配合问题，在故障隔离期间仍可能会出现换流站闭锁的情况。换流站在重新投入运行时需要重新给电容充电，不利于电网供电的快速恢复，大大延长了停电时间。
5.因此，本发明对柔性直流电网直流线路发生故障后直流线路电流及桥臂电流的故障特性进行了分析，在考虑断路器动作延时及动作保护时间裕度的基础上，提出基于换流站闭锁时间的柔性直流电网单端量保护方案，以实现在换流站闭锁前完成故障线路的快速切除。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法，分析了柔性直流电网直流线路发生故障后直流线路电流及桥臂电流的故障特性，提出故障电流方向判据以选择预跳闸断路器；依据断路器的动作延时整定了保护动作时间裕度，以通过换流站闭锁时间确定合理的保护动作时间；该方法能够在保证换流站不闭锁的前提下，实现故障线路的准确识别及快速隔离，不依赖线路边界元件，具有较强的耐过渡电阻能力。
7.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
8.一种适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
9.s1、分析柔性直流电网故障直流侧发生故障后，直流线路故障电流的方向特性及桥臂电流的故障特性；
10.(1)直流线路故障电流方向特性
11.以四端柔性直流系统模型为基础进行分析，对于真双极接线的柔性直流电网，无论发生直流侧的双极短路、极对金属回线短路或是单极接地短路故障，在换流站闭锁前，故障极mmc在直流侧均能通过故障极、金属回线或大地来构成故障回路；
12.采用真双极接线方式的多端柔性直流系统中发生故障后，得到任意一端换流站直
流侧线路上故障电流变化量的方向，当线路上发生正极接地故障或双极短路故障时，正极线路上的故障电流变化量的方向均为从母线流向线路；当线路上发生负极接地故障或双极短路故障时，负极线路上的故障电流变化量的方向均为从线路流向母线；
13.因此，设正极线路的故障电流变化量的正方向为从母线流向线路，负极线路的故障电流变化量的正方向为从线路流向母线，于是无论正极线路或是负极线路发生故障后，故障线路两侧的故障电流变化量均为正；
14.实际工程中，当直流电网各段线路长度差距不是非常大时，各段线路阻抗差异也不会很大，对于任何一条母线，若故障发生在此母线的某一条出线上，不会出现该母线的两条出线上的故障电流变化量方向相同的情况；对与该母线相连的换流站而言，其测得的故障线路上的故障电流变化量方向必定为正，另一条线路上的故障电流变化量方向必定为负；因此，当某一条母线的两条出线上的故障电流变化量方向相同时，则可认为与该母线相连的线路必定不是故障线路；
15.(2)桥臂电流故障特性
16.典型的半桥mmc换流器拓扑结构中，半桥mmc换流器由三个对称的相单元组成，每相包含上、下桥臂，每条桥臂由若干个相同的子模块和桥臂电抗器串联而成；
17.mmc桥臂电流在正常运行时由三部分构成，即交流侧电流、直流侧电流以及桥臂环流，上、下桥臂电流i
jp
、i
jn
(j＝a,b,c)可以分别表示为：
[0018][0019]
式中：i
ac
为交流侧电流幅值，i
cir
为桥臂环流幅值；
[0020]
故障后各个换流站中的子模块电容向故障点快速放电，导致直流线路的故障电流急剧上升，桥臂电流直流分量迅速增大，同时，子模块电容放电导致桥臂等效电压改变，进而引起交流侧注入电流发生变化；
[0021]
在直流侧故障发生后，换流站各桥臂电流的变化主要是由于直流分量的变化以及交流侧注入电流变化而引起的；桥臂环流相对于直流电流和交流侧电流而言在桥臂电流中的占比较小，且其在故障前后短时间内的幅值变化不大，因此在故障发生后的几个毫秒时间内可近似认为桥臂环流的幅值不发生改变；
[0022]
在直流侧发生故障后，整流站与换流站表现出不同的故障特性：整流站在故障后的直流电流与交流电流的幅值均持续增大，逆变站故障后的直流电流和交流电流的幅值均要经历先变小再反向增大的过程；
[0023]
s2、针对多端柔性直流电网发生的直流线路故障，提出基于换流站闭锁时间的单端量保护方案；
[0024]
第一，根据故障电流变化量方向选择预跳闸断路器；第二，根据换流站闭锁时间确定保护的动作时间，在正确选定预跳闸断路器的基础上，各段线路的保护可通过动作时间上的配合完成故障线路的切除；
[0025]
(1)故障电流方向判据及预跳闸断路器的选择
[0026]
采用电流变化量反应故障电流的变化情况，其正方向选取与电流流经线路极性有关，即正极线路的电流变化量正方向为从母线流向线路，负极线路的电流变化量正方向为从线路流向母线，定义电流变化率如下：
[0027][0028]
式中：ik与i
k-1
表示采样间隔δt内的相邻电流采样值；
[0029]
定义电流变化量方向指标s，其代表直流线路端部测得的故障电流变化量方向；
[0030]
s＝1代表电流变化量方向为正，此时式(2)的结果大于0；
[0031]
s＝-1代表电流变化量方向为负，此时式(2)的结果小于0；
[0032]
s＝0代表未检测到电流变化量，此时式(2)的结果等于0；
[0033]
考虑到系统正常运行时直流线路上电流的正常波动情况，当检测到电流变化率的绝对值超过整定值k
set
时，方向指标发生变化，提出以下故障电流变化量方向判据：
[0034][0035]
结合对直流线路故障电流特性的分析，各换流站可根据线路端部测得的故障电流变化量方向指标s进行预跳闸断路器的选择，预跳闸断路器选择判据s
im
、s
in
分别为断路器cb
im
、cb
in
处检测到的故障电流变化量方向指标，对各换流站提出式(4)所示的预跳闸断路器的选择判据：
[0036][0037]
(2)基于换流站闭锁时间的保护动作时间计算
[0038]
在确定了预跳闸断路器的基础上，各换流站的保护动作时间取决于换流站的闭锁时间，在保证换流站不闭锁的前提下，本方案在考虑断路器动作延时以及动作时间裕度的情况下确定保护动作时间，具体计算方法如式(5)所示：
[0039]
t
act
＝t
block-t
cb-t
yd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0040]
式中：t
block
为换流站的闭锁时间；
[0041]
t
cb
为断路器开断延时；
[0042]
t
yd
为保护动作时间裕度；
[0043]
考虑到断路器动作延时及线路两侧断路器配合问题，将t
yd
设置为与t
cb
相等，可以最大程度保证各段保护的配合；
[0044]
考虑到逆变站桥臂电流具有与整流站不同的故障特性，针对逆变站提出统一化处理方法并定义了逆变站的虚拟闭锁时间，其能够良好地反应故障严重程度；假设发生故障后桥臂环流幅值不发生改变，对逆变站桥臂电流的交、直流分量分别进行分析处理；
[0045]
为了使逆变站在故障后表现出接收的有功功率持续增大的效果，对故障后交流电流的变化量作反向处理，即用其二倍正常运行值减去故障后的值，变向处理表达式如式(6)所示：
[0046]iac
'＝2i
ac0-i
ac
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0047]
式中：i
ac’为虚拟交流电流；
[0048]iac0
为正常运行时交流电流；
[0049]iac
为故障后实际交流电流；
[0050]
经变向处理后得到的逆变站虚拟交流侧故障电流在故障后的幅值持续增大，与同样初始电流下的整流站交流侧电流的变化趋势一致；
[0051]
考虑到直流侧功率的传输情况，为了使逆变站的直流电流表现出与整流站相同的持续增大的效果，对i
dc
的处理方法与i
ac
同理，变向处理表达式如式(7)所示：
[0052]idc
'＝2i
dc0-i
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0053]
式中：i
dc’为修改后的直流电流；
[0054]idc0
为故障前的直流电流；
[0055]
s3、基于移动数据窗的波形拟合预测，换流站通过故障数据实时预测换流站闭锁时间；
[0056]
基于对桥臂电流故障特性的分析可知，在直流侧故障发生后，各桥臂电流的变化主要是由于直流分量以及交流分量引起的，桥臂环流的变化较小，即可以认为i
cir
与故障前相同；因此对直流电流i
dc
以及交流电流i
ac
sin(ωt θ1)分别进行拟合预测，即可获得故障后的桥臂电流波形；
[0057]
在直流侧故障发生后，换流站出口的直流电流可以直接测得，因此对于桥臂电流直流分量，可直接根据换流站出口的直流电流测量值进行拟合预测；
[0058]
在直流侧故障发生后，交流侧注入电流的变化不仅仅是幅值i
ac
的变化，其频率ω和相位θ1也会发生一定程度的变化；在换流器的控制环节中，交流电流被转换为d、q轴分量来参与控制，其d、q轴分量的变化情况与直流电流变化情况类似；因此在对交流电流的拟合预测中，可以将测量得到的交流电流通过派克变换转换为交流电流d、q轴分量的形式，然后对id、iq分别进行拟合预测，最后通过派克反变换得到交流侧电流的拟合预测结果；
[0059]
在直流侧故障发生后最初的一段时间内，直流电流i
dc
以及交流电流的d、q轴分量id、iq并非严格呈线性增长，其斜率是不断变化的；
[0060]
采取二阶多项式拟合方法分别对桥臂故障电流中的直流电流分量和交流电流分量进行拟合预测，由于故障电流增速的变化具有连贯性，因此采用移动数据窗进行故障电流拟合预测；
[0061]
首先根据最新t
nh
窗长的采样数据进行曲线拟合得到故障电流的表达式，然后根据此表达式得到后续长度为t
yc
的故障电流值；结合式(5)提出的保护动作时间计算公式，将故障电流波形预测时长t
yc
设定为t
yc
＝t
cb
t
yd
，即每次拟合预测得到当前时刻之后时间长度为t
yc
的桥臂电流值；若预测电流值达到了换流站闭锁条件，则应立即发出跳闸信号；若预测波形没有达到换流站闭锁条件，则不发出跳闸信号，等待下一时刻采样数据得到后再进行下一次预测。
[0062]
本发明的优点和有益效果为：
[0063]
本发明适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法，与现有技术相比，基于换流站的闭锁时间计算保护动作时间，进而各保护通过在动作时间上的配合可实现有选择性地切除故障线路；另外，本发明还充分考虑了保护动作与换流站闭锁的配合问题，保证在故障隔离期间不会出现换流站闭锁的情况，有利于故障清除之后电网供电的快速恢复。
附图说明
[0064]
图1为四端直流电网网架结构示意图；
[0065]
图2为不同故障类型下直流线路故障电流变化量方向示意图；
[0066]
图3为半桥mmc换流器拓扑结构示意图；
[0067]
图4为预跳闸断路器选择判据示意图；
[0068]
图5为基于移动数据窗的故障电流预测原理示意图；
[0069]
图6为桥臂故障电流预测值与真实值对比图；
[0070]
图7为基于换流站闭锁时间的保护逻辑流程图。
具体实施方式
[0071]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0072]
本发明针对由模块化多电平换流器构建的多端柔性直流电网，提出一种用于多端柔性直流系统的单端量保护方法，分析了柔性直流电网直流线路发生故障后直流线路电流及桥臂电流的故障特性，提出了故障电流方向判据以选择预跳闸断路器；依据断路器的动作延时整定了保护动作时间裕度，以通过换流站闭锁时间确定合理的保护动作时间。该方法能够在保证换流站不闭锁的前提下，实现故障线路的准确识别及快速隔离，不依赖线路边界元件，具有较强的耐过渡电阻能力。包括以下步骤：
[0073]
s1、分析柔性直流电网故障直流侧发生故障后，直流线路故障电流的方向特性及桥臂电流的故障特性
[0074]
(1)直流线路故障电流方向特性
[0075]
以图1所示的四端柔性直流系统模型为基础进行分析，对于真双极接线的柔性直流电网，无论发生直流侧的双极短路、极对金属回线短路或是单极接地短路故障，在换流站闭锁前，故障极mmc在直流侧均能通过故障极、金属回线或大地来构成故障回路。
[0076]
采用真双极接线方式的多端柔性直流系统中发生故障后，任意一端换流站直流侧线路上故障电流变化量的方向如图2所示。当线路上发生正极接地故障或双极短路故障时，正极线路上的故障电流变化量的方向均为从母线流向线路；当线路上发生负极接地故障或双极短路故障时，负极线路上的故障电流变化量的方向均为从线路流向母线。因此，设正极线路的故障电流变化量的正方向为从母线流向线路，负极线路的故障电流变化量的正方向为从线路流向母线，于是无论正极线路或是负极线路发生故障后，故障线路两侧的故障电流变化量均为正。
[0077]
实际工程中，当直流电网各段线路长度差距不是非常大时，各段线路阻抗差异也不会很大。对于任何一条母线，若故障发生在此母线的某一条出线上，不会出现该母线的两条出线上的故障电流变化量方向相同的情况。对与该母线相连的换流站而言，其测得的故障线路上的故障电流变化量方向必定为正，另一条线路上的故障电流变化量方向必定为负。因此，当某一条母线的两条出线上的故障电流变化量方向相同时，则可认为与该母线相连的线路必定不是故障线路。
[0078]
(2)桥臂电流故障特性
[0079]
典型的半桥mmc换流器拓扑结构如图3所示，半桥mmc换流器由三个对称的相单元
组成，每相包含上、下桥臂，每条桥臂由若干个相同的子模块和桥臂电抗器串联而成。
[0080]
已有研究表明，mmc桥臂电流在正常运行时由三部分构成，即交流侧电流，直流侧电流以及桥臂环流。上、下桥臂电流i
jp
、i
jn
(j＝a,b,c)可以分别表示为：
[0081][0082]
式中：i
ac
为交流侧电流幅值，i
cir
为桥臂环流幅值。
[0083]
故障后各个换流站中的子模块电容向故障点快速放电，导致直流线路的故障电流急剧上升，桥臂电流直流分量迅速增大。同时，子模块电容放电导致桥臂等效电压改变，进而引起交流侧注入电流发生变化。
[0084]
在直流侧故障发生后，换流站各桥臂电流的变化主要是由于直流分量的变化以及交流侧注入电流变化而引起的。桥臂环流相对于直流电流和交流侧电流而言在桥臂电流中的占比较小，且其在故障前后短时间内的幅值变化不大，因此在故障发生后的几个毫秒时间内可近似认为桥臂环流的幅值不发生改变。
[0085]
在直流侧发生故障后，整流站与换流站表现出不同的故障特性：整流站在故障后的直流电流与交流电流的幅值均持续增大，逆变站故障后的直流电流和交流电流的幅值均要经历先变小再反向增大的过程。
[0086]
s2、针对多端柔性直流电网发生的直流线路故障，提出一种基于换流站闭锁时间的单端量保护方案
[0087]
第一，根据故障电流变化量方向选择预跳闸断路器；第二，根据换流站闭锁时间确定保护的动作时间。在正确选定预跳闸断路器的基础上，各段线路的保护可通过动作时间上的配合完成故障线路的切除。
[0088]
(1)故障电流方向判据及预跳闸断路器的选择
[0089]
采用电流变化量反应故障电流的变化情况，其正方向选取与电流流经线路极性有关，即正极线路的电流变化量正方向为从母线流向线路，负极线路的电流变化量正方向为从线路流向母线。定义电流变化率如下：
[0090][0091]
式中ik与i
k-1
表示采样间隔δt内的相邻电流采样值。
[0092]
定义电流变化量方向指标s，其代表直流线路端部测得的故障电流变化量方向。
[0093]
s＝1代表电流变化量方向为正，此时式(2)的结果大于0；
[0094]
s＝-1代表电流变化量方向为负，此时式(2)的结果小于0；
[0095]
s＝0代表未检测到电流变化量，此时式(2)的结果等于0。
[0096]
考虑到系统正常运行时直流线路上电流的正常波动情况，当检测到电流变化率的绝对值超过整定值k
set
时，方向指标发生变化，故提出以下故障电流变化量方向判据：
[0097]
[0098]
结合对直流线路故障电流特性的分析，各换流站可根据线路端部测得的故障电流变化量方向指标s进行预跳闸断路器的选择，预跳闸断路器选择判据示意图如图4所示。图4中，s
im
、s
in
分别为断路器cb
im
、cb
in
处检测到的故障电流变化量方向指标，对各换流站提出式(4)所示的预跳闸断路器的选择判据：
[0099][0100]
(2)基于换流站闭锁时间的保护动作时间计算
[0101]
在确定了预跳闸断路器的基础上，各换流站的保护动作时间取决于换流站的闭锁时间。在保证换流站不闭锁的前提下，本保护算法在考虑断路器动作延时以及动作时间裕度的情况下确定保护动作时间，具体计算方法如式(5)所示：
[0102]
t
act
＝t
block-t
cb-t
yd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0103]
式中：t
block
为换流站的闭锁时间，t
cb
为断路器开断延时，t
yd
为保护动作时间裕度。
[0104]
考虑到断路器动作延时及线路两侧断路器配合问题，将t
yd
设置为与t
cb
相等，可以最大程度保证各段保护的配合。
[0105]
考虑到逆变站桥臂电流具有与整流站不同的故障特性，针对逆变站提出了一下统一化处理方法并定义了逆变站的虚拟闭锁时间，其能够良好地反应故障严重程度。假设发生故障后桥臂环流幅值不发生改变，对逆变站桥臂电流的交、直流分量分别进行分析处理。
[0106]
为了使逆变站在故障后表现出接收的有功功率持续增大的效果，对故障后交流电流的变化量作反向处理，即用其二倍正常运行值减去故障后的值，变向处理表达式如式(6)所示：
[0107]iac
'＝2i
ac0-i
ac
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0108]
式中：i
ac’为虚拟交流电流，i
ac0
为正常运行时交流电流,i
ac
为故障后实际交流电流。
[0109]
经变向处理后得到的逆变站虚拟交流侧故障电流在故障后的幅值持续增大，与同样初始电流下的整流站交流侧电流的变化趋势一致。
[0110]
考虑到直流侧功率的传输情况，为了使逆变站的直流电流表现出与整流站相同的持续增大的效果，对i
dc
的处理方法与i
ac
同理，变向处理表达式如式(7)所示：
[0111]idc
'＝2i
dc0-i
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0112]
式中：i
dc’为修改后的直流电流，i
dc0
为故障前的直流电流。
[0113]
s3、基于移动数据窗的波形拟合预测，各换流站通过故障数据实时预测换流站闭锁时间
[0114]
基于对桥臂电流故障特性的分析可知，在直流侧故障发生后，各桥臂电流的变化主要是由于直流分量以及交流分量引起的，桥臂环流的变化较小，即可以认为icir与故障前相同。因此对直流电流idc以及交流电流iacsin(ωt θ1)分别进行拟合预测，即可获得故障后的桥臂电流波形。
[0115]
在直流侧故障发生后，换流站出口的直流电流可以直接测得，因此对于桥臂电流直流分量，可直接根据换流站出口的直流电流测量值进行拟合预测。
[0116]
在直流侧故障发生后，交流侧注入电流的变化不仅仅是幅值iac的变化，其频率ω
和相位θ1也会发生一定程度的变化。在换流器的控制环节中，交流电流被转换为d、q轴分量来参与控制，其d、q轴分量的变化情况与直流电流变化情况类似。因此在对交流电流的拟合预测中，可以将测量得到的交流电流通过派克变换转换为交流电流d、q轴分量的形式，然后对id、iq分别进行拟合预测，最后通过派克反变换得到交流侧电流的拟合预测结果。
[0117]
在直流侧故障发生后最初的一段时间内，直流电流idc以及交流电流的d、q轴分量id、iq并非严格呈线性增长，其斜率是不断变化的。因此采取二阶多项式拟合方法分别对桥臂故障电流中的直流电流分量和交流电流分量进行拟合预测。由于故障电流增速的变化具有连贯性，因此采用移动数据窗进行故障电流拟合预测。
[0118]
本方法的基本原理为随着采样数据的更新实时调整用作预测的基本数据窗，根据最新数据窗内的故障电流数据进行后续波形的拟合预测，然后进行闭锁条件判断以决定保护的动作时间。
[0119]
本方法的示意图如图5所示。首先根据最新t
nh
窗长的采样数据进行曲线拟合得到故障电流的表达式，然后根据此表达式得到后续长度为t
yc
的故障电流值。结合式(5)提出的保护动作时间计算公式，将故障电流波形预测时长t
yc
设定为t
yc
＝t
cb
t
yd
，即每次拟合预测得到当前时刻之后时间长度为t
yc
的桥臂电流值。若预测电流值达到了换流站闭锁条件，则应立即发出跳闸信号；若预测波形没有达到换流站闭锁条件，则不发出跳闸信号，等待下一时刻采样数据得到后再进行下一次预测。
[0120]
如图6a)、b)、c)所示为分别在故障后的3ms、5ms、7ms时，采用基于移动数据窗的预测方法得到的桥臂电流预测值与真实值的对比。图中可以看出当预测时刻越接近于闭锁时刻，桥臂电流预测值越准确。与采取固定数据窗进行长时间预测的方法相比，基于移动数据窗的预测方法精度更高，能够得到更准确的闭锁时间及保护动作时间。并且当出现断路器动作等情况导致故障电流增速发生变化时，这种基于移动数据窗的故障电流预测方法能够有效地根据最新的故障电流增速进行预测。
[0121]
将基于变化数据窗的故障电流波形拟合预测方法与前文的基于换流站闭锁时间的保护方案以及对逆变站的故障电流波形的处理方法结合，得到保护逻辑流程图如图7所示。
[0122]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。