基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方法

摘要

本发明公开了属于电力系统保护技术领域的一种基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方法。该方法在直流电网中每条直流线路两端均安装直流电抗器的基础上，首先对直流线路上的直流电抗器的电压进行测量采样，将测量得到的直流电抗器电压与设定的保护启动阈值比较来判别线路故障；利用单端直流电抗器的电压构造直流线路边界保护，通过单端直流电抗器的电压即可实现对故障的快速检测、识别，无需通讯，而且原理简单、无需复杂的算法、从而快速、可靠地识别直流线路故障，对采样率要求较低，不受线路分布电容影响，易于实现，大大降低了对硬件的要求；为多端柔性直流电网的直流故障识别提供有效方法。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统保护技术领域，特别涉及一种基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流输电，具有高度模块化、有功无功灵活控制、可向无源负荷供电等优点，广泛应用于风电场并网、孤岛和弱电网供电以及城市供电等领域。基于柔性直流输电的多端直流电网技术能很好地解决新能源并网及消纳带来的“弃风”、“弃光”等问题。因此，多端柔性直流电网将在未来的电力系统中发挥更大的作用。

直流故障的快速可靠识别是多端柔性直流电网发展的关键技术之一。直流电网是一个“低阻尼”系统，故障电流发展更快、故障影响范围更广。若不能快速、可靠地识别直流故障线路，将影响整个直流电网的安全、稳定运行。

目前，直流输电线路通常以行波保护和微分欠压保护为主，以电流差动保护作为后备保护。行波保护和微分欠压保护动作速度快，不受线路分布电容的影响，但是对采样率要求高，耐受过渡电阻能力弱，可靠性差；电流差动保护对高阻接地故障有效，但是易受交流故障及各种干扰的影响，只能通过长延时来多个暂态过程，无法满足直流电网保护快速性的要求。

通过对现有技术的检索发现，中国专利CN201610619625.5，公开日为2016年12月21日，公开了基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，其利用小波分解提取出的故障电流高频分量和平波电抗器上的压降共同判断区内、外故障，从而实现对直流故障的快速、可靠识别。但该技术的高频分量需要经过小波变换提取，算法复杂，对硬件的要求较高，且利用多个电气量进行综合判别，不利于故障的快速识别。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在规定的电压正方向下，测量当前采样时刻t下保护所在的端、正极直流电抗器电压u_LTp(t)，当u_LTp(t)大于保护启动阈值U_TH1时，保护启动，该保护所在线路存在故障；

步骤二：测量当前采样时刻t下保护所在的端、负极直流电抗器电压u_LTn(t)，当保护启动后，计算|u_LTp(t)-u_LTn(t)|和延时Δt后的|u_LTp(t+Δt)-u_LTn(t+Δt)|进行故障判断：若|u_LTp(t)-u_LTn(t)|<U_TH2且|u_LTp(t+Δt)-u_LTn(t+Δt)|<U_TH2，则判断为双极短路故障，否则判断为单极接地故障；其中，U_TH2为故障类型判据的整定值；u_LTp(t+Δt)、u_LTn(t+Δt)分别为延时Δt后的正、负极直流电抗器电压；

步骤三：在判断为单极接地故障的情况下，比较正、负极直流电抗器电压值，若u_LTp(t+Δt)>u_LTn(t+Δt)，则判断为正极接地故障，否则判断为负极接地故障。

所述步骤一中规定的电压正方向对正极电抗器来说，电压正方向为从母线指向线路，而对负极电抗器来说，电压正方向为从线路指向母线。

所述步骤一中的保护启动阈值应在非故障线路的最大电抗电压值与故障线路的最小电抗电压值之间选取；而该最小直流电抗电压值由公式u_LTp(0₊)＝(L_T/L)*(U₁-R*I₁)进行计算，其中，L_T为直流电抗值，L为桥臂电抗，R为桥臂等效电阻，U₁、I₁分别为故障瞬间的初始电压和电流；因此，根据计算得到的最小直流电抗电压值为保护启动阈值，并结合全网的仿真进行整定，则直流电抗器线路侧出口处单极接地故障为直流电抗电压值最小的故障。

所述步骤二中的故障类型判据的整定值U_TH2，从理论上分析，稳态运行时直流电流恒定，U_TH2设为0即可；但考虑到实际的直流输电工程稳态运行时，直流电流中会有谐波存在，直流电抗电压的实时值不严格等于零，U_TH2的整定原则为大于稳态时的正极和负极电抗电压差值。

本发明有益效果是本发明的多端柔性直流电网边界保护方案，在直流电网中每条直流线路两端均安装直流电抗器的基础上，利用单端直流电抗器的电压构造直流线路边界保护，为多端柔性直流电网的直流故障识别提供了一种有效方法，利用单端、单一电气量即可实现，无需通讯，从而快速、可靠地识别直流线路故障。而且原理简单、无需复杂的算法、对采样率要求较低，易于实现，大大降低了对硬件的要求。

附图说明

图1为直流线路双极短路故障时的放电回路转换成MMC等值放电电路示意图。

图中R_e、L_e和C_e分别为双极短路故障下MMC换流器等值电阻、电感和电容，L_arm为桥臂电抗，L_T为直流电抗器，n为MMC每个桥臂的子模块数目，u_C为直流电压，i_L为直流电流。

图2为直流线路单极接地故障时的放电回路转换成MMC等值放电RLC电路示意图。

图中R_e'、L_e'和C_e'分别为单极接地故障下MMC换流器等值电阻、电感和电容，R_g为交流侧的接地电阻，L_g为交流侧的接地电感。

图3为保护方案流程图。

具体实施方式

本发明提出一种基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方法，下面将结合附图，对本发明的实施例作详细说明。

图1、2所示，分别表示直流输电线路发生双极短路故障和单极接地故障时的故障放电回路；其中，图1所示为直流线路双极短路故障时的放电回路转换成MMC等值放电电路示意图。图中R_e、L_e和C_e分别为双极短路故障下MMC换流器等值电阻、电感和电容，L_arm为桥臂电抗，L_T为直流电抗器，n为MMC每个桥臂的子模块数目，SM1～SMn为MMC换流器每个桥臂中的子模块，u_C为直流电压，i_L为直流电流，u_LT为直流电抗器电压。图2所示为直流线路单极接地故障时的放电回路转换成MMC等值放电电路示意图。图中R_e'、L_e'和C_e'分别为单极接地故障下MMC换流器等值电阻、电感和电容，R_g为交流侧的接地电阻，L_g为交流侧的接地电感。

在故障线路的电流迅速变化时，使直流电抗器的电压迅速增大。无论柔性直流系统发生双极短路还是单极接地故障，直流电抗器的电压变化都一致，即故障线路两端的直流电抗器电压会突变增大而达到峰值，而非故障线路两端的直流电抗电压最大值远低于故障线路两端的直流电抗电压。因此，根据直流电抗器上的电压值这一特征，采用边界保护方法来实现柔性直流系统中直流故障的检测。

采集图1、图2中的直流电抗器电压u_LT，按图3中的流程图进行直流故障的检测。

如图3所示的多端柔性直流电网边界保护方法的步骤描述如下：

步骤一：规定正极电抗电压正方向为从母线指向线路，负极电抗电压正方向为从线路指向母线。在规定的电压正方向下，测量当前采样时刻t下保护所在端、正极直流电抗器电压u_LTp(t)，当u_LTp(t)大于保护启动阈值U_TH1时，保护启动，该保护所在线路存在故障；

步骤二：测量当前采样时刻t下保护所在端、负极直流电抗器电压u_LTn(t)，当保护启动后，计算|u_LTp(t)-u_LTn(t)|和延时Δt后的|u_LTp(t+Δt)-u_LTn(t+Δt)|，判断故障类型：若|u_LTp(t)-u_LTn(t)|<U_TH2且|u_LTp(t+Δt)-u_LTn(t+Δt)|<U_TH2，其中，U_TH2为故障类型判据的整定值，则判断为双极短路故障，否则判断为单极接地故障；

步骤三：在判断为单极接地故障的情况下，比较正、负极直流电抗器电压值，若u_LTp(t+Δt)>u_LTn(t+Δt)，则判断为正极接地故障，否则判断为负极接地故障。

所述步骤一中规定的电压正方向对正极电抗器来说，电压正方向为从母线指向线路，而对负极电抗器来说，电压正方向为从线路指向母线。

所述步骤一中的保护启动阈值应在非故障线路的最大电抗电压值与故障线路的最小电抗电压值之间选取；而该最小直流电抗电压值由公式u_LTp(0₊)＝(L_T/L)*(U₁-R*I₁)进行计算，其中，L_T为直流电抗值，L为桥臂电抗，R为桥臂等效电阻，U₁、I₁分别为故障瞬间的初始电压和电流；因此，根据计算得到的最小直流电抗电压值启动阈值保护，并结合全网的仿真进行整定，则直流电抗器线路侧出口处单极接地故障为直流电抗电压值最小的故障。

所述步骤二中的故障类型判据的整定值U_TH2，从理论上分析，稳态运行时直流电流恒定，U_TH2设为0即可；但考虑到实际的直流输电工程稳态运行时，直流电流中会有谐波存在，直流电抗电压的实时值不严格等于零，U_TH2的整定原则为大于稳态时的正极和负极电抗电压差值。

上述为本发明提出的多端柔性直流电网边界保护方案，在直流电网中每条直流线路两端均安装直流电抗器的基础上，利用单端直流电抗器的电压构造直流线路边界保护，为多端柔性直流电网的直流故障识别提供了一种有效方法，利用单端、单一电气量即可实现，无需通讯，从而快速、可靠地识别直流线路故障。而且原理简单、无需复杂的算法、对采样率要求较低，易于实现，大大降低了对硬件的要求。