基于并联电容参数识别的VSC-HVDC 输电线路纵联保护方法

摘要

本发明提出了一种基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护方法。该方法采用时域算法，通过识别VSC-HVDC输电线路两侧的并联电容值来区分区内、区外故障。当直流输电线路发生区内故障时，能同时准确识别出线路两端的电容值；当直流输电线路发生区外故障时，不能同时识别出线路两端的电容值。根据此特征，构造纵联保护判据。该方法原理简单，易于实现，不受过渡电阻，线路分布电容和控制方式的影响，在各种工况下均能快速可靠的区分区内、区外故障。本发明既能作为现有VSC-HVDC输电线路主保护的补充，也能加速后备保护动作。该方法不仅适用于两端VSC-HVDC系统，也适用于多端VSC-HVDC系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统保护方法，具体涉及一种基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护方法。 

背景技术

电压源换流器型直流（Voltage Source Converter HVDC，VSC-HVDC）输电系统采用全控型开关器件和高频PWM调制技术，是一种灵活、高效的直流输配电技术。它具有无源逆变、独立控制有功和无功、潮流反转无需改变电压极性、无需大量的滤波和无功补偿装置等特点，在可再生能源发电并网、孤岛供电、城市供电、异步电网互联、多端直流输电等领域有广阔的应用前景。 

直流输电线路一般较长，故障率高，一套健全可靠的继电保护对保证整个系统的安全运行有重要的意义。然而，目前直流输电线路继电保护存在着理论不完备、没有普遍适用的整定原则、仅依赖于仿真结果进行整定等问题，从而导致了直流线路保护的可靠性不高。 

近年来，光互感器的研究和应用，为参数识别原理的继电保护提供了技术保证，基于参数识别的继电保护原理有了较快的发展。参数识别方法是在已知网络拓扑结构后，通过解微分方程组识别网络元件参数，与实际参数比较得到故障网络内部信息，构成保护判据。该方法采用时域解微分方程组的方法，能利用故障后任一段故障全量信息，不受非周期分量的影响，动作速度快。 

现有VSC-HVDC线路中的主保护大多采用行波保护，行波保护存在对采样频率要求高，高过渡电阻故障下不灵敏的问题；作为检测高过渡电阻接地故障的电流差动保护易受线路分布电容影响，存在动作速度慢的弊端。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种对采样频率要求低，动作速度快，耐过渡电阻能力强，可靠性高的基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护方法。 

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案： 

该纵联保护方法采用时域算法，通过识别VSC-HVDC输电线路两侧的并联电容值来区分区内、区外故障：当用M端和N端的故障分量能同时准确识别出线路对应端的并联电容值时，则判为区内故障，发出动作信号，保护装置可靠动作；当用M端和N端的故障分量不能同时识别出线路两端的并联电容值时，则判为区外故障，不发生动作信号，保护装置可靠不动作。 

所述VSC-HVDC输电线路为两端VSC-HVDC系统或者并联式、串联式以及混合式多端VSC-HVDC系统。 

所述故障分量为极电气量或者经过相模变换得到的模电气量（电力系统自动化，2007，31(24)：57-61）。当采用极电气量构成纵联保护判据时，保护装置分别在正负极线路上动作；纵联保护判据由模电气量构成时，需要故障极选择元件配合动作。本发明仅给出了利用极电气量构成纵联保护的仿真结果，用模电气量也有类似的仿真结果。 

所述纵联保护方法的具体步骤如下： 

步骤一：在换流站中对直流线路端点处的直流电流、直流电压以预定采样速率进行同步采样，然后通过模数转换器将采样得到的直流电压和直流电流转换为数字量，对数字量利用差分算法计算得到对应的故障分量； 

步骤二：对获得的故障分量通过高通滤波处理提取对应的电压高频故障分量和电流高频故障分量，对电压高频故障分量用两点数值微分公式求取导数值，然后利用最小二乘算法识别出输电线路两侧对应的并联电容； 

步骤三：计算识别出的电容的相对误差，然后与相对误差的整定值进行比较，从而判断故障类型，若为区内故障，保护快速发出动作信号。 

所述故障类型的判断方法为： 

若公式（9）中两个不等式同时成立，为区内故障；反之，若公式（9）中任意一个不等式不成立，为区外故障，公式（9）如下所示： 

$\left(\begin{array}{c}{\xi }_M=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{|C_{\mathrm{Mj}}\left(i\right)-C_{\mathrm{Ml}}|}{C_{\mathrm{Ml}}}\le {\xi }_{\mathrm{set}}\\ {\xi }_N=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{|C_{\mathrm{Nj}}\left(i\right)-C_{\mathrm{Nl}}|}{C_{\mathrm{Nl}}}\le {\xi }_{\mathrm{set}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

公式（9）中，K为5ms内的采样点个数；C_Mj，C_Nj分别为识别得到的M侧和N侧的电容值；C_M1，C_N1分别为系统M侧和N侧并联电容的实际值；ξ_M，ξ_N分别为M侧和N侧所识别出电容值的平均相对误差；ξ_set为设定的电容值平均相对误差整定值，ξ_set一般取为0.2-0.5。 

本发明的有益效果为： 

本发明在时域中进行，克服了传统行波保护对采样频率要求高、高过渡电阻不灵敏，电流差动保护易受分布电容电流影响、动作速度慢的缺点，在各种工况下都能够快速、灵敏、可靠地区分区内故障和区外故障，快速可靠切除故障线路，保证直流输电的可靠性。 

附图说明

图1为VSC-HVDC输电线路的结构原理图；图1中：M为整流端（简称M端或M侧），N为逆变端（简称N端或N侧）；u_Mp、u_Mn分别为M端所测的正、负极电压；i_Mp、i_Mn分别为M端所测的正、负极电流；u_Np、u_Nn为N端所测的正、负极电压；i_Np、i_Nn为N端所测的正、负极电流；G1、G2分别为M端和N端的交流电源；T1、T2分别为M端和N端的换流变压器；电压电流参考方向如图1所示。 

图2为VSC-HVDC线路区内金属性接地故障（区内故障）附加网络图；图2中：C_Ml、C_Nl分别为M端和N端的并联大电容；R_M，L_M分别为M端与故障点之间的线路等效电阻和电感；R_N，L_N分别为N端与故障点之间的线路等效电阻和电感；ΔU_f为故障点附加的直流电压源，Δi_f为故障点的对地电流。 

图3为VSC-HVDC线路M侧区外金属性接地故障（区外故障）附加网络图；图3中：C_Ml、C_Nl分别为M端和N端的并联大电容；R，L分别为M端与N端之间的线路等效电阻和电感；ΔU_f为故障点附加的直流电压源，Δi_f为故障点的对地电流。 

图4为区内正极距M端270km处经300Ω过渡电阻故障时采用 正极电气量的仿真结果（典型区内故障）。 

图5为区内正极距M端270km处经300Ω过渡电阻故障时采用负极电气量的仿真结果。 

图6为M端区外发生金属性接地故障时采用正极电气量的仿真结果（M端区外故障）。 

图7为N端区外发生金属性接地故障时采用正极电气量的仿真结果（N端区外故障）。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。 

VSC-HVDC输电系统由VSC整流站、VSC逆变站和直流输电线路三部分构成。整流站将交流电能变换为直流电能，输电线路将直流电能传输到对端的逆变站，逆变站将直流电能变换为交流电能。本发明的核心内容是为直流输电线路提供快速可靠的继电保护。 

本发明提供了一种VSC-HVDC输电线路纵联保护的新方法。VSC-HVDC输电线路两端并联有大电容，在故障发生瞬间，对高频故障分量系统侧可等效为并联大电容。为此本发明中的保护原理采用时域算法，通过识别VSC-HVDC输电线路两侧的并联电容值来区分区内、区外故障。当直流输电线路发生区内故障时，能同时准确识别出线路两端的并联电容值；当直流输电线路发生区外故障时，不能同时识别出线路两端的并联电容值。根据此特征，构造纵联保护判据。该方法用极电气量，0模电气量或1模电气量都可准确的识别，且不受过渡电阻，线路分布电容电流和控制方式的影响，在各种工况下均 能快速可靠的区分区内、区外故障，而且该方法计算简单，易于实现。本发明主要用于VSC-HVDC输电线路纵联保护。本发明既能作为现有VSC-HVDC输电线路主保护的补充，也能加速后备保护动作。该方法不仅适用于两端VSC-HVDC系统，也适用于多端VSC-HVDC系统。 

本发明是基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护方法，其特点在于仅需要识别线路两端的并联电容值，即满足 

${\mathrm{\Delta i}}_p=C\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_p}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

具体包括以下步骤： 

步骤一：在换流站中，对直流线路端点处的直流电流、直流电压以预定采样速率进行同步采样，并在本端通过模数转换器A/D将所采集的直流电压和直流电流转换为数字量，然后利用差分算法计算对应的故障分量。考虑到采样时的不确定性可能造成的数据坏点和数值微分带来的误差，判据采用故障后一段时间T内的平均相对误差来进行参数识别。为了保证保护动作的快速性，又能躲过雷击干扰，T可取为5ms。 

步骤二：对获得的故障分量进行高通滤波处理，提取出来高频分量Δu、Δi，利用两点数值微分公式求取再利用公式（1）结合最小二乘算法识别出电容C。两点数值微分公式如下： 

$f^{\left(1\right)}\left(t\right)=\frac{f(t+h)-f(t-h)}{2h}---\left(2\right)$

其中，f(t)为采样得到的t时刻电压电流值，f⁽¹⁾(t)为f(t)的一阶导数，h为采样步长。 

识别电容的最小二乘公式，具体如下： 

$C_{\mathrm{pj}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta i}}_p\left(i\right)*\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_p}{\mathrm{dt}}\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_p}{\mathrm{dt}}{\left(i\right)}^2}$

公式中，K为最小二乘所需点数，C_pj为识别得到的电容值，p为M或者N，表示M端或者N端。 

参见图2，由电路基本原理可知： 

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta i}}_M=-C_{\mathrm{Ml}}\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_M}{\mathrm{dt}}\\ {\mathrm{\Delta i}}_N=-C_{\mathrm{Nl}}\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_N}{\mathrm{dt}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

整理可得： 

$\left(\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{Mj}}=-\frac{{\mathrm{\Delta i}}_M}{\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_M}{\mathrm{dt}}}=C_{\mathrm{Ml}}\\ C_{\mathrm{Nj}}=-\frac{{\mathrm{\Delta i}}_N}{\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_N}{\mathrm{dt}}}=C_{\mathrm{Nl}}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中：C_Mj，C_Nj分别为M端和N端识别得到的电容值。 

由以上分析可知，VSC-HVDC直流线路区内发生正极接地故障时，M端和N端都能够用本端正极电压、电流故障分量准确识别出本端的电容。同理，VSC-HVDC直流线路区内发生负极接地故障时，M端和N端都能够用本端负极电压、电流故障分量准确识别出本端的电容。 

参见图3，对于N侧，由电路基本原理可知： 

${\mathrm{\Delta i}}_N=-C_{\mathrm{Nl}}\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_N}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

从而可得： 

$C_{\mathrm{Nj}}=-\frac{{\mathrm{\Delta i}}_N}{\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_N}{\mathrm{dt}}}=C_{\mathrm{Nl}}---\left(6\right)$

对于M侧，由电路基本原理可知： 

${\mathrm{\Delta u}}_M={\mathrm{R\Delta i}}_M+L\frac{{\mathrm{d\Delta i}}_M}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C_{\mathrm{Nl}}}\int {\mathrm{\Delta i}}_M\mathrm{dt}---\left(7\right)$

式中，R，L为直流线路全长等效集中参数电阻和电感。 

从而可得： 

$C_{\mathrm{Mj}}=-\frac{{\mathrm{\Delta i}}_M}{\frac{{\mathrm{d\Delta u}}_M}{\mathrm{dt}}}=-\frac{{\mathrm{\Delta i}}_M}{R\frac{{\mathrm{d\Delta i}}_M}{\mathrm{dt}}+L\frac{d^2{\mathrm{\Delta i}}_M}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{{\mathrm{\Delta i}}_M}{C_{\mathrm{Nl}}}}$

（8） 

$=-\frac{C_{\mathrm{Nl}}}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{Nl}}\frac{\frac{{\mathrm{d\Delta i}}_M}{\mathrm{dt}}}{{\mathrm{\Delta i}}_M}+{\mathrm{LC}}_{\mathrm{Nl}}\frac{\frac{d^2{\mathrm{\Delta i}}_M}{{\mathrm{dt}}^2}}{{\mathrm{\Delta i}}_M}+1}$

由公式（8）可知区外故障时识别得到的C_Mj是一个严重偏离实际电容值的且不稳定的值。 

由上述分析可知，VSC-HVDC直流线路M侧区外发生接地故障时，能够用N侧的故障分量准确识别N侧的电容，而用M侧的故障分量识别出来的是一个严重偏离实际电容值的且不稳定的值。 

同理，可知N端区外发生接地故障时，能够用M侧的故障分量准确识别M侧的电容，而用N侧的故障分量识别出来的是一个严重偏离实际电容值的且不稳定的值。 

步骤三：计算识别出的电容的平均相对误差，并与整定值进行比较，从而判断故障。算法如公式（9）所示： 

$\left(\begin{array}{c}{\xi }_M=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{|C_{\mathrm{Mj}}\left(i\right)-C_{\mathrm{Ml}}|}{C_{\mathrm{Ml}}}\le {\xi }_{\mathrm{set}}\\ {\xi }_N=\frac{1}{K}\underset{i=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{|C_{\mathrm{Nj}}\left(i\right)-C_{\mathrm{Nl}}|}{C_{\mathrm{Nl}}}\le {\xi }_{\mathrm{set}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

公式（9）中，K为5ms内的采样点个数；C_Mj，C_Nj分别为识别得到的M侧和N侧的电容值；C_M1，C_N1分别为系统M侧和N侧并联电容的实际值；ξ_M，ξ_N分别为M侧和N侧所识别出电容值的平均相对误差；ξ_set为设定的电容值平均相对误差整定值，ξ_set一般取为0.2-0.5。若公式（9）中两个不等式同时成立，说明为区内故障；反之，若公式（9）中任意一个不等式不成立，为区外故障。 

本发明仅需测量端电气量之后再进行处理计算来识别对应的电容，进而判断区内外故障。概括为以下几点： 

（1）在换流站中，对直流线路的端点处的直流电流、直流电压以预定采样速率进行同步采样，利用差分算法计算对应的故障分量。 

（2）对获得的故障分量进行高通滤波处理，根据公式（1）、（2）并用最小二乘算法识别出对应的电容值。 

（3）根据公式（9）计算识别出的电容的平均相对误差，并与整定值进行比较，从而判断区内区外故障，保护快速发出动作信号。 

仿真实验 

±60kV双极VSC-HVDC输电系统仿真模型如图1所示，系统容量为60MW，线路长度为300km，用PSCAD进行电磁暂态仿真，用MATLAB进行数据处理。 

仿真模型中，线路采用J.Marti频变参数电缆模型。控制系统为 基于“直接电流控制”的双闭环串级PI控制器，M侧采用定有功功率和定无功功率控制策略，N侧采用定直流电压和定无功功率的控制策略。正负极的并联大电容均取为1000μF，数据采样率为10kHz。系统在2.5s时发生故障，故障持续时间为0.1s。取50Hz以上的高频故障分量进行参数识别。为了保证可靠性，采用最小二乘法计算电容值，计算点数取20点（对应本采样频率下的2ms），采用5ms的数据窗计算识别出电容的平均相对误差，ξ_set设定为0.3。 

区内正极距M端270km处经300Ω过渡电阻故障时采用正极电气量和负极电气量的仿真结果，参见图4以及图5；M端和N端区外发生金属性接地故障时采用正极电气量的仿真结果，参见图6以及图7，从以仿真结果可以看出线路区内故障时，保护均能快速可靠动作；线路区外故障时，保护均能可靠不动作。直流线路负极故障时，可以得到相同的结果。从图中可以看出无论区内故障还是区外故障，本方法都能快速的识别，有很好的动作性能。