基于abc-αβ变化的交直流互联系统交流差动保护方法

摘要

本发明涉及一种基于abc‑αβ变化的交直流互联系统交流差动保护方法，步骤如下：采集和计算系统正常运行及故障后的逆变侧直流系统等效注入电流，得到正常运行及故障后的合成电流幅值ImN与Im；判断故障后的合成电流幅值Im是否低于辅助判据启动门槛，若低于门槛值则证明整流侧直流控制策略切换至低压限流控制；判断ΔIdiff与ΔIres是否满足传统判据；若满足传统判据，证明此时逆变侧交流线路发生区内故障且传统保护判据能够正确识别故障，应立即出口保护动作；若传统判据未能出口保护动作，若比值较大且同时满足辅助判据条件，证明此时逆变侧交流线路发生区内故障，且等效注入电流受到低压限流环节的限制作用导致传统判据出现拒动，此时将由辅助判据出口故障相保护动作。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统交直流互联电网控制与保护领域，尤其涉及一种基于abc-αβ变化的交流系统电流差动保护方法。

背景技术

我国电能在供需关系方面呈现逆向分布的特征，因此我国对于跨区域、远距离以及大规模的电能传输具有较大需求。交直流互联的电力格局已在我国基本形成。高压直流(high voltagedirectcurrent，HVDC)线路以其输电容量大、距离远、线路走廊占地少等优势，逐渐成为我国跨区间电网的重要骨架。基于故障分量的分相光纤比率制动电流差动保护以其全线速动、抗过渡电阻能力强等优势，广泛用作220kV及以上电压等级的交流线路主保护，对于维护交直流互联大电网安全稳定地运行具有重要意义。

交、直流系统之间的相互影响，尤其是逆变侧交流系统故障所引发的直流系统换相失败，将为互联电网交流系统引入有别于纯交流系统的电气量特征，进而导致传统交流保护原理在应用于交直流互联系统时的适用性有所下降。直流控制系统对于扰动的快速非线性响应，将对故障分量电流差动保护在动作性能及时序配合方面造成一定影响，严重时甚至引发保护不正确动作，对电网的安全稳定运行造成巨大冲击。

针对交直流互联电网交流系统故障后的交流保护适应性分析以及适用于互联系统的保护方法，国内外学者已作出大量研究。但是目前的保护适应性分析多基于仿真现象，在理论性及系统性方面较为薄弱；所提保护方法较少，且现有方法难以兼顾保护动作的选择性与灵敏性。《ImpactofDCgridcontingenciesonAcsystemstability》指出，交流系统的稳定性会受到直流控制系统调节的影响，系统中保护相关的电气量将因此产生波动。《TheResearchon theAffectionoftheQinghai-TibetHVDCTransmissionSystemuponOperatingCharacteristicof theLineProtectioninQinghaiACElectricalPowerSystem》结合工程实例，对交流系统故障后电流差动保护的实际动作情况进行了相应研究，指出直流系统的快速调节将导致交流系统电流差动保护的速动性下降。《基于参数识别的纵联保护在交直流混联电网中的应用研究》基于仿真指出，直流系统的接入将造成电流差动保护在交流系统发生区内高阻接地故障时灵敏性降低，并据此提出一种基于并联电抗器的纵联保护原理，但该原理受限于交流线路长度，对于长度较短的交流线路保护动作速度较慢。《HVDC换相失败暂态特性及其对差动保护的影响分析和对策》提出一种基于交流线路两端电流幅值比值的保护判据方法，该方法能够实现区内故障时保护快速动作，在一定程度上提升了保护动作的灵敏性，但其在选择性及可靠性方面仍有不足，保护整体动作性能受制于判据参数的选取。上述学者所提出的保护适应性分析及相应方法为开展进一步深入研究提供了思路，但整体缺乏系统的理论支撑，且在实际工程中可行性较低。

因此，为保证交流系统故障时保护能够快速正确地动作，系统化地开展交流保护适应性分析，并基于分析结果提出切实可行的保护方法，对于维护交直流互联系统的安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种基于abc-αβ变化的交流系统电流差动保护方法。本发明考虑了直流系统的快速调节对交流系统故障后电气量暂态变化过程的影响，建立了计及直流控制略切换的逆变侧交流系统故障分量电流差动保护方程；结合方程分析得到保护动作性能随故障严重程度的变化趋势，并据此设计一种基于abc-αβ变化的故障分量电流差动保护方法，有效提升了交直流互联电网逆变侧交流系统发生区内故障时故障分量电流差动保护的灵敏性与可靠性，实现了故障的快速隔离与恢复。本方法原理简单有效，能够兼顾保护的选择性与速动性，可以避免因参数选择不当或线路状况改变所导致的保护整体性能下降。本发明的技术方案如下：

一种基于abc-αβ变化的交直流互联系统交流差动保护方法，在传统判据基础上进行改进，步骤如下：

(1)设定改进判据参数，包括改进判据启动门槛值k_c；改进判据启动整定系数m；检测次数上限值n；并对计数器N清零，各个参数设定需兼顾保护动作可靠性与速动性，同时判据性能应不受系统运行方式影响；

(2)采集和计算系统正常运行及故障后的逆变侧直流系统等效注入电流，利用全周傅式算法提取等效注入电流工频分量，基于基尔霍夫电流定律对逆变侧交流系统故障分量网络进行分析，得到差动电流故障分量幅值ΔI_diff、制动电流故障分量幅值ΔI_res；同时将采集和计算得到的逆变侧直流系统等效注入电流进行abc-αβ变化，得到逆变侧直流系统等效注入电流在αβ坐标系下的分量i_α、i_β，由此得到正常运行及故障后的合成电流幅值I_mN与I_m；

(3)判断故障后的合成电流幅值I_m是否低于辅助判据启动门槛m·I_mN，若低于门槛值则证明整流侧直流控制策略切换至低压限流控制，系统处于非正常运行状态或故障状态，为防止数据误差导致保护误判，设定检测次数上限值n，若连续n次判定结果均符合>m<m·I_mN，则认为此时满足辅助判据条件；否则将计数器N置零，重复步骤(3)；

(4)判断ΔI_diff与ΔI_res是否满足传统判据ΔI_diff＞k_res·ΔI_res，k_res为比例制动系数，需依据工程实际整定；若满足传统判据，证明此时逆变侧交流线路发生区内故障且传统保护判据能够正确识别故障，应立即出口保护动作；

若传统判据未能出口保护动作，则判定ΔI_diff与ΔI_res比值与判据启动门槛值k_c的关系，若比值大于k_c且同时满足辅助判据条件，证明此时逆变侧交流线路发生区内故障，且等效注入电流受到低压限流环节的限制作用导致传统判据出现拒动，此时将由辅助判据出口故障相保护动作；

若ΔI_diff与ΔI_res比值未达到门槛值，则闭锁保护防止保护误动。

m取值范围应该在(0.55,0.973)区间。

本发明针对交直流互联电网逆变侧交流系统故障后，故障分量电流差动保护性能在故障严重程度较高时出现灵敏性下降甚至拒动的缺陷，提出了一种基于abc-αβ变化的交流系统电流差动保护方法。与现有技术相比具有以下优点：

(1)本方法的启动判据仅采用逆变侧交流母线端数据，方法实现无需电源端数据或两侧数据同步，因而方法响应速度较快。

(2)本发明提方法不受电流过零点以及数据窗长的影响，能够降低数据采集所带来的误差与时延，所采用的方法理论成熟、效果可靠。

(3)与现有方法相比，本发明方法能够兼顾保护动作的可靠性与灵敏性，更有利于故障的快速隔离及恢复。

附图说明

图1为交直流互联系统模型主电路。

图2为计及直流系统影响的故障分量网络等值电路。

图3为abc-αβ变化原理框图。

图4为故障分量电流差动保护动作流程图。

图中标号说明：

图1中，α_N为整流侧额定触发角；γ_N为逆变侧额定关断角；U_LL为测量的逆变侧换流变压器阀侧线电压，即换相电压；U_dN、I_dN为直流输电线上额定电压、电流。

图2中，为逆变侧直流系统等效注入电流故障分量；为逆变侧交流系统电源端的电流故障分量；为计及直流系统影响后的故障电压分量；Z_m、Z_n分别为故障点到逆变侧交流母线处、故障点到逆变侧交流电源端的线路阻抗；R_g为故障点过渡电阻。

图3中，i_{eqm_a}、i_{eqm_b}、i_{eqm_c}分别为A、B、C三相逆变侧直流系统等效注入电流瞬时值；i_α、i_β为逆变侧直流系统等效注入电流瞬时值经abc-αβ变化后，分别在α坐标轴与β坐标轴下的瞬时值分量；I_m为i_α、i_β合成电流的幅值。

图4中，ΔI_diff为差动电流故障分量幅值；k_res为制动系数；ΔI_res为制动电流故障分量幅值；k_c为辅助判据启动门槛值；N为计数器；m为辅助判据启动整定系数；I_mN为系统正常运行时经abc-αβ变化后的逆变侧直流系统等效注入电流幅值；n为检测次数上限。

具体实施方式

首先对本发明创造的过程进行分析。

交直流混联电网逆变侧交流系统后，整流侧直流系统的控制策略将由定电流控制转换为低压限流控制(VDCOL)，通过抑制逆变侧交流电流上升从而防止发生换相失败或连续换相失败。VDCOL的控制方程如下：

式中，为整流侧电流指令值；为直流线路中点电压标幺值。由故障严重程度决定：

式中，t为逆变侧换流变压器变比；S_u为电压开关函数；为逆变侧电压源电压；为逆变侧交流系统等效注入电流；Z_s为逆变侧电源内阻抗；Z_m、Z_n分别为故障点到逆变侧交流母线处、故障点到逆变侧交流电源端的线路阻抗；R_g为故障点过渡电阻。其中，R_g、>m共同反映了故障严重程度，R_g、Z_m越小则故障严重程度越高。

式(1)中，决定了逆变侧交流系统等效注入电流的大小：

式中，S_i为电流开关函数。

将式(2)、(3)代入式(1)可知，逆变侧交流系统故障后，随着故障严重程度逐渐增强， VDCOL达到启动门槛且对限制作用逐渐增强，直到故障严重程度到达一定程度后，VDCOL的限流作用不再随故障严重程度的增加而改变。因此，随着故障严重程度的增强，在保护关注时段内，逆变侧直流系统等效注入电流故障分量呈现先减小后增加的变化趋势，即反映了直流系统对交流电流的调节作用。

计及直流系统影响后的故障分量电流差动保护判据如下：

式中，ΔI_diff为差动电流故障分量幅值；k_res为制动系数；ΔI_res为制动电流故障分量幅值。差动电流与制动电流计算如下：

式中：计及直流系统影响后的故障电压分量：

联立式(4)-(6)可知，计及直流系统影响的故障分量电流差动保护判据与故障严重程度 (R_g、Z_m)及有关。结合VDCOL在不同故障严重程度下对的调节作用可分析得到，随着故障严重程度增大，保护动作灵敏性呈现先降低后提升的非单调变化趋势，在故障严重程度较高时，VDCOL对限制程度较大，保护动作灵敏性下降幅度较大甚至可能出现拒动。因此，本发明从VDCOL对的限制作用出发，通过检测故障后跌落趋势对故障位置进行判断，保证区内故障时保护动作的灵敏性与可靠性。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的故障分量电流差动保护方法包括以下步骤：

(1)设定判据参数，具体包括辅助判据启动门槛值k_c；辅助判据启动整定系数m；检测次数上限值n；同时应对计数器N清零。

(2)如图1所示，建立交直流互联系统的仿真分析模型，并通过该模型测量得到系统正常运行及故障后的逆变侧直流系统等效注入电流。利用全周傅式算法提取等效注入电流工频分量。

(3)如图2所示，由逆变侧交流系统故障分量网络建立计及直流系统影响的故障分量电流差动保护方程。将步骤(1)所得到的等效注入电流工频分量代入式(5)-(6)得到计及直流系统影响后差动电流故障分量幅值ΔI_diff、制动电流故障分量幅值ΔI_res，并输入至判别流程。

(4)如图3所示，经abc-αβ变化得到逆变侧直流系统等效注入电流在αβ坐标系下的分量 i_α、i_β，并由式(7)得到合成电流幅值I_m并输入至判别流程：

(5)如图4所示，比较ΔI_diff与ΔI_res之间的幅值关系是否满足式(4)，若满足立即出口保护动作；若不满足则比较ΔI_diff与ΔI_res的比值是否满足式(8)：

若不满足式(8)，则证明系统未发生区内故障，此时闭锁保护防止误动；若满足式(8)，同时计数器N的值达到检测次数上限值n，则出口保护动作。计数器N累加条件如下：

I_m＜m·I_mN(9)

式中，I_mN为系统正常运行时经abc-αβ变化后的逆变侧直流系统等效注入电流幅值。改进判据启动整定系数m取值范围可根据整流侧控制策略整定，当逆变侧交流系统故障引发直流系统换相失败时，整流侧控制策略将切换至低压限流控制。结合直流系统换相失败边界条件及低压限流控制特性方程^[1]，得到m取值范围应限定在(0.55,0.973)区间内。若I_m满足条件，证明此时整流侧直流控制策略切换至低压限流控制，系统处于非正常运行状态或故障状态。改进判据启动整定系数m需根据整流侧是否切换至。若I_m不满足条件(9)，则计数器清零。因此，仅当连续n次检测的I_m均满足条件(9)时，所提判据将出口保护动作。

经过abc-αβ变化检测等效注入电流幅值变化趋势后，由于低压限流环节对等效注入电流的限制作用所导致的传统故障分量电流差动保护灵敏性降低或拒动问题得到解决，且经 abc-αβ变化后的电流幅值检测速度较快、不受电流过零点带来的数据采集误差影响，能够实时检测系统等效注入电流变化趋势，因而能够辅助传统保护快速准确动作，有利于故障快速隔离与恢复，并维持系统正常稳定运行。综上所述，本发明所提方法能够有效提升交直流互联电网故障分量电流差动保护的灵敏性，同时兼顾保护的选择性与可靠性，有利于阻遏交流系统故障的传播与发展，实现故障的快速隔离与恢复，对于交直流互联系统控制与保护技术的发展和电网安全稳定运行具有一定指导意义。

参考文献

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