基于限流电抗器测量功率的柔性直流线路保护方法

摘要

本发明公开了一种基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，包括：对于一条直流线路，获得其测量电流；对于安装于直流线路一端的限流电抗器，根据其电感以及测量电流，计算得到限流电抗器上产生的感应电压和限流电抗器的测量功率；若测量功率大于整定门槛值，则通过直流线路同一端的继电保护装置切断直流线路；否则，直流线路同一端的继电保护装置不动作；对于直流线路两端的限流电抗器均执行相同的判定并控制相应的继电保护装置动作；对于两条直流线路，执行相同的线路保护操作。本发明能够有效提高线路保护的速动性和可靠性，并为整定门槛值提供可靠的整定依据。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化领域，更具体地，涉及一种基于限流电抗器测量功率的柔性直流线路保护方法。

背景技术

柔性直流系统的结构与运行机理使得其线路故障特征比传统的高压交、直流系统故障更为复杂，因此，柔性直流系统的线路保护是柔性直流系统发展的关键要素之一。目前，柔性直流线路保护主要借鉴于传统高压直流系统中的行波保护。行波保护利用故障后线路故障后产生的行波信号通过仿真构造保护判据。故障后根据叠加定理可等效认为故障点处叠加一反向故障分量，电压和电流行波以近似光速的速度向线路两端传播，此行波为反行波。行波保护多数作为主保护运用于柔性直流输电线路。行波保护利用暂态量信息构成，可在故障后迅动作，但在整定时缺乏完整严密的理论依据，并且会受到过渡电阻影响，此外，对保护装置采样率还有较高的要求。

柔性直流系统换流器中的全控电力电子器件由于受到技术水平限制，无法承受较大的故障短路电流。因此运用于传统高压直流线路的行波保护在速动性及可靠性方面均存在缺陷，无法完全满足柔性直流系统线路保护的性能要求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，旨在解决现有的柔性直流系统线路保护方法速动性和可靠性不足且整定门槛值缺乏可靠的整定依据的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，包括如下步骤：

(1)对于一条直流线路，获得其测量电流

(2)对于安装于直流线路一端的限流电抗器，根据其电感L以及测量电流计算得到限流电抗器上产生的感应电压并进一步计算得到限流电抗器的测量功率

(3)若测量功率大于整定门槛值s_set，则判定故障位于所述直流线路的内部；若测量功率小于或等于整定门槛值s_set，则判定故障位于直流线路的外部；

(4)若经过判定，故障位于直流线路的内部，则通过与限流电抗器安装于直流线路同一端的继电保护装置切断直流线路；否则，与限流电抗器安装于直流线路同一端的继电保护装置不动作；

(5)对于安装于直流线路两端的限流电抗器，分别执行步骤(2)～(4)；

(6)对于柔性直流系统的正极直流线路和负极直流线路，分别执行步骤(1)～(5)，从而实现对两条直流线路的保护。

进一步地，步骤(3)中，整定门槛值s_set的整定依据为：

s_set＝k_rel×s_end；

其中，k_rel为可靠系数，s_end为直流线路末端直流母线故障时限流电抗器测量功率的最大值，且测量功率最大值s_end是通过对直流线路故障后的放电回路进行建模分析得到的。

更进一步地，根据经验，可靠系数k_rel的取值范围为1.1～1.3。

进一步地，步骤(2)中，感应电压的计算公式为：

进一步地，步骤(2)中，测量功率的计算公式为：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，从故障后功率转移的角度出发，根据限流电抗器的测量功率判断线路故障点的位置，并控制相应的继电保护装置动作以实现对直流线路的保护。一方面，直流线路内部故障形成后的放电回路时间常数极小，限流电抗器的功率在极短的时间内即可达到峰值，因此，该方法能够在线路故障发生后迅速判断故障点的位置，有效提高了线路保护的速动性。另一方面，直流线路内部故障和外部故障时，所对应的限流电抗器的测量功率由明显的差异，根据限流电抗器的测量功率判断故障点的具体位置，能够有效提高故障判断的准确性，并进一步提高了线路保护的可靠性。

(2)本发明提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，通过对对直流线路故障后的放电回路进行建模分析得到直流线路末端直流母线故障时限流电抗器测量功率的最大值，并由此构造整定门槛值的整定依据，由此为整定门槛值的整定提供了可靠的理论依据，并进一步提高了线路保护的可靠性。

(3)本发明提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，对于一条直流线路上的所有限流电抗器均执行相同的故障判定并根据判定结果控制相对应的继电保护装置动作。同一直流线路上多个限流电抗器的判定结果基本一致，因而能够以冗余的方式对同一直流线路进行保护，进一步保障了线路保护的可靠性。

总体而言，本发明提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，有效提高了线路保护的速动性和可靠性，并为整定门槛值提供了可靠的整定依据。

附图说明

图1为现有的柔性直流输电系统的结构示意图；

图2为现有的柔性直流系统的两种换流器的拓扑对照图；(a)为两电平VSC-HVDC的换流器拓扑结构图；(b)为MMC-HVDC的换流器拓扑图；

图3为本发明实施例提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法的流程图；

图4为柔性直流系统线路内部故障后的等效放电回路图；

图5为柔性直流系统线路内部故障后限流电抗器测量功率变化三维图；

图6为柔性直流系统直流母线故障后的等效放电回路图；

图7为柔性直流系统直流母线故障后限流电抗器测量功率变化曲线图；

图8为MMC-HVDC故障后等效电路图；(a)为初步化简的等效电路图；(b)为进一步化简后放电回路的等效电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

目前使用的柔性直流输电系统根据换流器拓扑的不同可分为基于电压源换流器的VSC-HVDC和基于模块化多电平换流器的MMC-HVDC。典型VSC-HVDC柔性直流系统结构示意图如图1所示，其中，G_N和G_M为柔性直流系统中的交流电源，T_N和T_M为换流变压器，C₁～C₄为直流母线并联电容器，L为直流线路限流电抗器，TL₁和TL₂分别为柔性直流输电线路的正极和负极线路。MMC-HVDC与VSC-HVDC换流器拓扑差异对比图如图2所示。图2(a)表示两电平VSC-HVDC的换流器拓扑结构图，交流每一相对应的上下桥臂均只有一个IGBT全控器件，每一个IGBT与一个二极管并联组成，通过触发信号对其开断进行控制。直流母线侧并联两个大电容，有利于输出直流电压的稳定。图2(b)为MMC-HVDC的换流器拓扑图，SM表示换流器桥臂的子模块，每个桥臂由若干个子模块串联组成，此外桥臂上还串联有电抗器。不同于VSC-HVDC，MMC-HVDC的直流母线上无并联大电容。除换流器结构和母线处并联电容外，二者直流线路结构相同。

在每一条直流线路的两端，均安装有一个限流电抗器和一个继电保护装置；限流电抗器是柔性直流线路的物理边界，发生于线路两端限流电抗器之间的故障即为内部故障，需跳开线路两端断路器实现故障清除。其他故障为柔性直流线路外部故障，线路两端断路器不应动作。

本发明提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，如图3所示，包括如下步骤：

(1)对于一条直流线路，获得其测量电流

(2)对于安装于直流线路一端的限流电抗器，根据其电感L以及测量电流计算得到限流电抗器上产生的感应电压并进一步计算得到限流电抗器的测量功率

(3)若测量功率大于整定门槛值s_set，则判定故障位于所述直流线路的内部；若测量功率小于或等于整定门槛值s_set，则判定故障位于直流线路的外部；

(4)若经过判定，故障位于直流线路的内部，则通过与限流电抗器安装于直流线路同一端的继电保护装置切断直流线路；否则，与限流电抗器安装于直流线路同一端的继电保护装置不动作；

(5)对于安装于直流线路两端的限流电抗器，分别执行步骤(2)～(4)；

(6)对于柔性直流系统的正极直流线路和负极直流线路，分别执行步骤(1)～(5)，从而实现对两条直流线路的保护。

线路发生故障后，以VSC-HVDC为例，等效放电回路如图4所示。其中R₁和L₁分别为故障点至M侧直流母线之间的正极等效电阻和电感(包含限流电抗器电感和线路电感)，R₂和L₂分别为负极线路等效电阻和电感(包含限流电抗器电感和线路电感)，R₃和L₃分别为故障点至N侧直流母线之间的正极线路等效电阻和电感(包含限流电抗器电感和线路电感)，R_f为故障点处的过渡电阻，R_G1和R_G2分别为大地电阻，U_c1～U_c4为直流线路两侧正负极母线并联电感上的电压，直流线路内部单极故障后可将放电回路分为如图4中所示的三部分。以柔性直流线路M侧的正负极电流为例进行分析，正极电流和负极电流主要有放电回路1和放电回路2中的回路电流决定。求解回路1和回路2的回路电流需对三个放电回路全部列写微分方程，对于回路1可列写方程：

对于回路2可列写方程：

对于回路3可列写方程：

其中，i_p为直流线路M侧的正极电流，i_N为直流线路M侧负极电流，i_pN为直流线路N侧正极电流；

为简化计算，在过渡电阻和大地电阻为零的情况下，可分别得到正极故障后直流线路M侧的正极电流通解为：

其中：

放电回路1的初始条件为：

U_c1(0^-)为故障前电容C1电压初始值，I_p(0^-)为正极线路故障前电流初始值。

进而可以得到A₁、A₂的表达式：

将A₁、A₂带入式(4)，由此可得到正极线路电流i_P解析表达式为：

其中：

对于图4所示的放电回路建立模型，以验证本发明所提供的线路保护方法中整定门槛值整定依据的可靠性，具体参数如表1所示：

表1系统参数

在表1所示的系统参数中，U_c1(0)、U_c2(0)、U_c3(0)和U_c4(0)分别为U_c1～U_c4在故障前的初始值。

基于所建立的模型，直流线路内部故障发生后的限流电抗器上功率变化情况的三维曲面图如图5所示。时间轴为直流线路内部故障发生后的时间变化。由图5可知，当柔性直流系统中无故障发生时，电流电抗器上的功率为零。当直流线路内部故障发生后，限流电抗器上的功率可在短时间内达到峰值。故障点与线路首端保护安装处的距离越近，限流电抗器上所产生功率的最大值越大。当直流线路内部故障发生于线路首端时，限流电抗器上产生的最大功率为600MVA。当直流线路内部故障发生于直流线路末端时，限流电抗器的测量功率为73MVA。

以正极直流线路N侧母线故障为例，故障后的等效放电回路如图6所示，R_e1和L_e1分别为故障点至M侧直流母线之间的正极等效电阻和电感(包含限流电抗器电感和线路电感)，R_e2和L_e2分别为负极线路等效电阻和电感(包含限流电抗器电感和线路电感)，R_eG为大地电阻。可列写与直流线路内部故障相似的微分方程组对直流母线故障后限流电抗器测量功率进行计算。以图1所示柔性直流输电系统的正极线路左侧限流电抗器为例，正极线路分别发生左侧和右侧直流母线短路后，其测量功率变化情况如图7中的两条曲线所示。直流线路外部故障时，限流电抗器测量功率最大值在40MVA左右。明显小于直流线路内部故障后限流电抗器测量功率最小值(73MVA)。因此可利用此差异构造线路保护判据。

对于MMC-HVDC，直流故障后等效电路图如图8所示。初步化简等效电路图如图8(a)所示，C_L1-C_L6为故障发生时各相上下桥臂的等效电电容，与各半桥臂所投入的子模块个数有关，但各相桥臂的等效总电容相同。L₁～L₆为桥臂限流电抗器，L_p，L_n分别为正极和负极线路限流电抗器，Z_L为线路等效阻抗。进一步化简后放电回路仍可等效为RLC电路，如图8(b)所示，其中，C_eq为简化电路中的等效电容，L_eq为简化电路中的等效电感。通过求解已知初始条件的微分方程可求解出故障后线路限流电抗器测量功率。故障点位置不同时，图7所示等效放电回路中等效线路阻抗发生变化，而其他参数则是固定的，由MMC-HVDC系统参数决定。对比前文分析的VSC-HVDC故障后放电回路，仍从故障后电容能量转移的角度来看。虽然MMC-HVDC系统的放电回路中增加了桥臂电抗器，会对故障后线路限流电抗器上获得的分配功率值造成影响，但二者之间的比例关系固定。直流线路区内和区外故障后限流电抗器上测量功率有明显差异，与VSC-HVDC分析结果一致。

基于上述分析，可知本发明所提供的基于限流电抗器测量功率的柔性直流系统线路保护方法，通过对对直流线路故障后的放电回路进行建模分析得到直流线路末端直流母线故障时限流电抗器测量功率的最大值，并由此构造整定门槛值的整定依据，能够可靠的判定柔性直流系统中故障点的位置，从而提高线路保护的可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。