一种适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法技术方案

本发明专利技术涉及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。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多端柔性直流系统的单端量保护方法


[0001]本专利技术属于电力系统及自动化
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]因此，本专利技术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。

技术实现思路

[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0008]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：
[0009]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；
[0010](1)直流线路故障电流方向特性
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015](2)桥臂电流故障特性
[0016]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；
[0017]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：i
k
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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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：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；(1)直流线路故障电流方向特性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；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；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；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；(2)桥臂电流故障特性典型的半桥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；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：式中：I
ac
为交流侧电流幅值，I
cir
为桥臂环流幅值；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；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；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；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；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；(1)故障电流方向判据及预跳闸断路器的选择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：式中：i
k
与i
k
‑1表示采样间隔ΔT内的相邻电流采样值；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；S＝1代表电流变化量方向为正，此时式(2)的结果大于0；S＝
‑
1代表电流变化量方向为负，此时式(2)的结果小于0；S＝0代表未检测到电流变化量，此时式(2)的结果等于0；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：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：(2)基于换流站闭锁时间的保护动作时间计算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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李博通，李安迪，王文鑫，焦新茹，钟晴，李斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：