一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法

摘要

本发明公开了一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法，首先针对指定的特高压直流分层接入系统，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型；根据所搭建的电磁暂态模型，分析获得换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征；根据突变量方向元件的保护特征，并结合所获得的背侧直流系统的正负零序阻抗特征，获得交流系统输电线路突变量方向保护的特征；针对交流系统输电线路突变量方向保护的特征，并结合零序阻抗特征，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段。上述方法充分考虑直流分层接入的影响，能够在直流系统发生换相失败时，准确地定位出交流系统接地故障位置。

权利要求

1.一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、针对特高压直流分层接入系统，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型；

步骤2、根据所搭建的电磁暂态模型，分析获得换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征；

步骤3、根据突变量方向元件的保护特征，并结合步骤2所获得的背侧直流系统的正负零序阻抗特征，获得交流系统输电线路突变量方向保护的特征；

其中，所述获得交流系统输电线路突变量方向保护特征的过程具体为：突变量方向元件根据原理分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中相突变量方向元件分为相和相差方向元件，表达式分别为下式(1)和(2)：φ＝A,B,C     (1)

φφ＝AB,BC,CA       (2)

序方向突变量元件分为正、负、零序方向元件，表达式分别为下式(3)、(4)和(5)：上式中，下标g表示突变量，下标1，2，0分别表示正序、负序、零序分量，θ表示阻抗相角；

在MN线路上，对于M侧的保护，当正方向K1点故障时，故障分量表示为：上式中，s指代背后交流系统，Z1s为背后交流系统正序等值阻抗，Z2s为背后交流系统负序等值阻抗，Z0s为背后交流系统零序等值阻抗；U、I分别表示M端母线处电压、电流的故障分量，故障分量的电流表示为：分别将式(6)和式(7)减去对应的零序电压和零序电流，以A相为例，则有：当背侧电源系统有Z1S＝Z2S时，则式(8)化简为：对于序方向突变量元件保护而言，由A、B、C三相电压相量，通过相序变化求得正负零序电压相量如下：式中，F为凯伦贝尔相序逆变换矩阵，具体如下式所示：进一步化简式(10)得到：

步骤4、针对交流系统输电线路突变量方向保护的特征，并结合零序阻抗特征，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段。

2.根据权利要求1所述基于零序阻抗的突变量方向保护方法，其特征在于，在步骤1中，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型的过程具体为：在PSCAD仿真平台中搭建±800kV特高压直流分层接入500/1000kV交流系统的单极等值混联系统模型，其中：直流分层采用双12脉动400kV+400kV换流器，额定直流功率为5000MW，额定直流电流为

6.25kA，换流器熄弧角均为22°；

受端两层系统的稳态运行电压分别为520kV、1050kV；

受端交流系统等值阻抗采用戴维南等效模型设计，对应的参数为z1＝10.67+j42.7Ω，z2＝5.335+j21.35Ω，z12＝50+j973.9Ω；其中，z1和z2分别为交流系统E1和E2的等值阻抗；

z12为换流母线1和2之间的等值联系阻抗。

3.根据权利要求1所述基于零序阻抗的突变量方向保护方法，其特征在于，在步骤2中，所获得的换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征具体为：换相失败时逆变侧交流线路发生故障时，故障层背侧直流系统正负序阻抗幅值和相角不相等，非故障层的正负序阻抗也不相等；

对于零序电流，直流系统不会影响交流系统的零序阻抗。

4.根据权利要求1所述基于零序阻抗的突变量方向保护方法，其特征在于，在步骤4中，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段具体包括：针对突变量相方向元件和相差方向元件，设定保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，由此测出背侧系统的正序阻抗；

针对突变量序方向元件，设定背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，并由此判断出故障方向。

说明书

一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及交直流电网系统技术领域，尤其涉及一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法。

背景技术

[0002] 目前，我国能源消费与资源禀赋之间存在严重的空间异质性，大规模、远距离的输电要求促进了超\特高压直流工程的不断建设和发展，目前华东和华南已经形成了多馈入直流系统，受端电网的支撑能力面临严峻考验，为了从电网结构上解决这一问题，国内学者率先提出一种特高压直流分层接入交流电网的方式，即直流逆变站高、低端换流器通过换流变压器分别接入500kV/1000kV的受端电网。

[0003] 针对这一全新模式的研究还比较少，主要集中在分层接入系统的方式介绍，多馈入分层短路比的适用性，直流控制系统的整体设计以及功率的协调控制等方面，与多馈入直流相比，受端分层混联系统的拓扑结构更为复杂，交直流系统间的耦合更加严重，受端混联系统间的交互影响可能导致连锁故障的发生，这也是目前我国部分电网“强直弱交”现状的症结所在。因此，研究直流系统提供暂态电流的故障特征及现有突变量方向保护的适应性情况，提出更适合直流分层接入的保护方案成为亟待解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法，该方法充分考虑直流分层接入的影响，能够在直流系统发生换相失败时，准确地定位出交流系统接地故障位置，保护正确动作，不受直流系统控制方式的影响。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种基于零序阻抗的突变量方向保护方法，所述方法包括：

[0007] 步骤1、针对指定的特高压直流分层接入系统，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型；

[0008] 步骤2、根据所搭建的电磁暂态模型，分析获得换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征；

[0009] 步骤3、根据突变量方向元件的保护特征，并结合步骤2所获得的背侧直流系统的正负零序阻抗特征，获得交流系统输电线路突变量方向保护的特征；

[0010] 步骤4、针对交流系统输电线路突变量方向保护的特征，并结合零序阻抗特征，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段。

[0011] 在步骤1中，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型的过程具体为：

[0012] 在PSCAD仿真平台中搭建±800kV特高压直流分层接入500/1000kV交流系统的单极等值混联系统模型，其中：

[0013] 直流分层采用双12脉动400kV+400kV换流器，额定直流功率为5000MW，额定直流电流为6.25kA，换流器熄弧角均为22°；

[0014] 受端两层系统的稳态运行电压分别为520kV、1050kV；

[0015] 受端交流系统等值阻抗采用戴维南等效模型设计，对应的参数为Z1＝10.67+j42.7Ω，Z2＝5.335+j21.35Ω，Z12＝50+j973.9Ω；其中，Z1和Z2为交流系统等值阻抗；Z12为换流母线1和2之间的等值联系阻抗。

[0016] 在步骤2中，所获得的换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征具体为：

[0017] 换相失败时逆变侧交流线路发生故障时，故障层背侧直流系统正负序阻抗幅值和相角不相等，非故障层的正负序阻抗也不相等；

[0018] 对于零序电流，直流系统不会影响交流系统的零序阻抗。

[0019] 在步骤3中，获得交流系统输电线路突变量方向保护的特征的过程具体为：

[0020] 突变量方向元件根据原理分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中相突变量方向元件分为相和相差方向元件，表达式分别为下式(1)和(2)：

[0021]

[0022]

[0023] 序方向突变量元件分为正、负、零序方向元件，表达式分别为下式(3)、(4)和(5)：

[0024]

[0025]

[0026]

[0027] 上式中，下标g表示突变量，下标1，2，0分别表示正序、负序、零序分量，θ表示阻抗相角；

[0028] 在MN线路上，对于M侧的保护，当正方向K1点故障时，故障分量表示为：

[0029]

[0030] 上式中，U、I均表示M端母线处电压、电流的故障分量，故障分量的电流表示为：

[0031]

[0032] 分别将式(6)和式(7)减去对应的零序电压和零序电流，以A相为例，则有：

[0033]

[0034] 当背侧电源系统有Z1S＝Z2S时，则式(8)化简为：

[0035]

[0036] 对于序方向突变量元件保护而言，由A、B、C三相电压相量，通过相序变化求得正负零序电压相量如下：

[0037]

[0038] 式中，F为凯伦贝尔相序逆变换矩阵，具体如下式所示：

[0039]

[0040] 进一步化简式(10)得到：

[0041]

[0042] 在步骤4中，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段具体包括：

[0043] 针对突变量相方向元件和相差方向元件，设定保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，由此测出背侧系统的正序阻抗；

[0044] 针对突变量序方向元件，设定背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，并由此判断出故障方向。

[0045] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法充分考虑直流分层接入的影响，能够在直流系统发生换相失败时，准确地定位出交流系统接地故障位置，保护正确动作，不受直流系统控制方式的影响，从而解决交流系统输电线路在直流系统换相失败时突变量方向保护误动的问题。

附图说明

[0046] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

[0047] 图1为本发明实施例提供的基于零序阻抗的突变量方向保护方法流程示意图；

[0048] 图2为本发明所举实例中某实际±800kV特高压直流分层接入工程的示意图；

[0049] 图3为本发明所举实例中为该特高压直流分层接入方式下受端混联电网的单极模型示意图；

[0050] 图4为本发明所举实例中500kV交流线路发生故障时背侧500kV层和1000kV层直流系统正负序阻抗示意图；

[0051] 图5为本发明所举实例中500kV交流线路发生故障时背侧500kV层和1000kV层直流系统零序阻抗示意图；

[0052] 图6本发明所举实例中工频突变量方向元件原理示意图；

[0053] 图7为本发明实施例所述500kV和1000kV线路背侧直流系统侧的正序、负序阻抗示意图；

[0054] 图8为本发明实施例所述500kV和1000kV线路对侧交流系统侧的正序、负序阻抗示意图；

[0055] 图9为本发明实施例所述500kV和1000kV线路背侧直流系统侧的零序阻抗示意图；

[0056] 图10为本发明实施例所述500kV和1000kV线路对侧交流系统侧的零序阻抗示意图。

具体实施方式

[0057] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0058] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于零序阻抗的突变量方向保护方法流程示意图，所述方法包括：

[0059] 步骤1、针对指定的特高压直流分层接入系统，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型；

[0060] 在该步骤中，在PSCAD仿真平台中搭建该系统的电磁暂态模型的过程具体为：

[0061] 在PSCAD仿真平台中搭建±800kV特高压直流分层接入500/1000kV交流系统的单极等值混联系统模型，其中：

[0062] 直流分层采用双12脉动400kV+400kV换流器，额定直流功率为5000MW，额定直流电流为6.25kA，换流器熄弧角均为22°；

[0063] 受端两层系统的稳态运行电压分别为520kV、1050kV；

[0064] 受端交流系统等值阻抗采用戴维南等效模型设计，对应的参数为Z1＝10.67+j42.7Ω，Z2＝5.335+j21.35Ω，Z12＝50+j973.9Ω；其中，Z1和Z2为交流系统等值阻抗；Z12为换流母线1和2之间的等值联系阻抗。

[0065] 举例来说，如图2所示为本发明所举实例中某实际±800kV特高压直流分层接入工程的示意图，在该接入方式下，直流逆变侧双低端换流器(TZ-C1)通过高压换流变接入1000kV交流电网，双高端换流器(TZ-C2)通过低压换流变接入500kV交流电网，并通过多回超/特高压交流线路将大规模电能进行疏散。其中直流线路额定电压为±800kV，额定电流为6.25kA，额定容量为10000MW，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制。

[0066] 如图3所示为本发明所举实例中为该特高压直流分层接入方式下受端混联电网的单极模型示意图，图3中采用2组12脉动换流器串联的形式分别与三绕组变压器相连并接往不同电压等级母线上；Id为直流电流；Ud1与Ud2分别为回路1和2的逆变侧直流电压；Ud为整个逆变侧直流电压，即Ud1与Ud2之和；U1和U2为不同电压等级逆变侧交流母线线电压有效值；T1和T2为变压器变比；Z1和Z2为交流系统等值阻抗；Z12为换流母线1和2之间的等值联系阻抗；Iac1与Iac2分别为特高压直流分层接入方式下从1 000kV和500kV直流换相母线注入受端电网的交流电流；E1∠ζ1、E2∠ζ2为受端系统恒压源；Bc1、Bc2分别为回路1和回路2的无功补偿设备；Pd1、Pd2分别为输送到回路1、2的直流有功功率；Pac1、Pac2分别为输送到交流受端系统回路1、2的有功功率；P12为换流母线间联络线上功率；Pd为直流输电线路上有功功率。

[0067] 在PSCAD仿真平台中搭建如图3所示的±800kV特高压直流分层接入500/1000kV交流系统的单极等值混联系统模型，直流系统采用双12脉动400kV+400kV换流器，额定直流功率为5000MW，额定直流电流为6.25kA，换流器熄弧角均为22°，受端两层系统的稳态运行电压分别为520kV、1050kV，受端交流系统等值阻抗采用戴维南等效模型设计，对应的参数为Z1＝10.67+j42.7Ω，Z2＝5.335+j21.35Ω，Z12＝50+j973.9Ω。其中，线路L1发生A相接地故障，直流系统换相失败，故障发生时刻为0s，故障持续时间50ms，采样频率为4000Hz，由于采用全周傅里叶算法求取突变量阻抗，20ms后才有数据。

[0068] 步骤2、根据所搭建的电磁暂态模型，分析获得换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征：

[0069] 在该步骤中，所获得的换相失败时背侧直流系统的正负零序阻抗特征具体为：

[0070] 换相失败时逆变侧交流线路发生故障时，故障层背侧直流系统正负序阻抗幅值和相角不相等，非故障层的正负序阻抗也不相等；

[0071] 而对于零序电流，虽然换相失败会导致某一晶闸管始终处于导通状态，三相电流也不再对称，但是由于换流阀的导通特性和换流变的接线方式，直流系统不会影响交流系统的零序电流分布，也就是说不会影响交流系统的零序阻抗。

[0072] 举例来说，如图4所示为本发明所举实例中500kV交流线路发生故障时背侧500kV层和1000kV层直流系统正负序阻抗示意图，序阻抗计算公式为：

[0073]

[0074] 式中：m＝1、2、0分别表示正序、负、零序分量；ΔUm(k)、ΔIm(k)分别为换流器交流侧k次谐波电压、电流故障分量；对保护而言，仅关心工频量，即k＝1。

[0075] 由图4可知，逆变侧交流线路发生故障时，计算所得不仅故障层背侧系统正负序阻抗幅值和相角不相等，非故障层的正负序阻抗也不相等。这是由于换相失败时直流侧控制系统的作用将同时影响到交流系统三相线路中的电流分布，从而改变正、负序阻抗的幅值和相位关系。对于特高压直流分层接入系统，当交流系统故障时引起直流系统发生换相失败，由于电力电子的非线性和控制系统的作用，从交流系统侧看过去的直流系统正、负序阻抗幅值和相角相差很大。

[0076] 如图5所示为本发明所举实例中500kV交流线路发生故障时背侧500kV层和1000kV层直流系统零序阻抗示意图，由图5可知：交流系统故障时，背侧直流系统感受到零序阻抗幅值和相角都保持稳定，不随直流系统换相失败发生变化。500kV层零序阻抗幅值21Ω，相角为90°，1000kV层零序阻抗幅值82Ω，相角为90°。而对于零序电流，虽然换相失败会导致某一晶闸管始终处于导通状态，三相电流也不再对称，但是由于换流阀的导通特性和换流变的接线方式，直流侧不会影响交流系统的零序电流分布，也就是说不会影响交流系统的零序阻抗。

[0077] 步骤3、根据突变量方向元件的保护特征，并结合步骤2所获得的背侧直流系统的正负零序阻抗特征，获得交流系统输电线路突变量方向保护的特征；

[0078] 在该步骤中，为保证纵联方向保护在交直流混联系统中的正确动作，根据突变量方向元件的原理，对突变量方向元件在直流分层接入方式下的特征进行分析，具体来说：

[0079] 突变量方向元件根据原理分为相突变量方向元件和序方向突变量元件，其中相突变量方向元件分为相和相差方向元件，表达式分别为下式(1)和(2)：

[0080]

[0081]

[0082] 序方向突变量元件分为正、负、零序方向元件，表达式分别为下式(3)、(4)和(5)：

[0083]

[0084]

[0085]

[0086] 上式中，下标g表示突变量，下标1，2，0分别表示正序、负序、零序分量，θ表示阻抗相角；

[0087] 如图6所示本发明所举实例中工频突变量方向元件原理示意图，在MN线路上，对于M侧的保护，当正方向K1点故障时，相当于故障附加状态的等效网络中在K1点接入一个新电源，变化量即有k1点的新电源产生，这时继电器所感受的电压变化即故障分量表示为：

[0088]

[0089] 上式中，U、I均表示M端母线处电压、电流的故障分量，故障分量的电流表示为：

[0090]

[0091] 分别将式(6)和式(7)减去对应的零序电压和零序电流，以A相为例，则有：

[0092]

[0093] 当背侧电源系统有Z1S＝Z2S时，则式(8)可以化简为：

[0094]

[0095] 对于序方向突变量元件保护而言，由A、B、C三相电压相量，通过相序变化求得正负零序电压相量如下：

[0096]

[0097] 式中，F为凯伦贝尔相序逆变换矩阵，具体如下式所示：

[0098]

[0099] 化简式(10)得到：

[0100]

[0101] 由式(9)和式(12)可知，对于方向元件(1)、(2)，若实际系统中正、负序阻抗相等，其与方向元件(3)、(4)、(5)具有相同的相位性能，都能明确区分正、反方向故障。若实际系统中正、负序阻抗不相等，方向元件(1)、(2)将会产生相位误差，其性能必将会受到严重影响。另外实际系统中假设元件序阻抗角度与线路对应的序阻抗角度相等，在此基础上，正方向故障和反方向故障时阻抗角将差180°，方向性很明确。若系统中各元件之间序阻抗角度相差较大，此时正方向故障和反方向故障方向将会不明确，进而有可能出现保护误判的问题。

[0102] 步骤4、针对交流系统输电线路突变量方向保护的特征，并结合零序阻抗特征，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段。

[0103] 在该步骤中，设计基于零序阻抗的突变量方向保护手段具体包括：

[0104] 首先针对突变量相方向元件和相差方向元件，设定保护安装处背侧系统的正、负序阻抗相等，由此测出背侧系统的正序阻抗；

[0105] 针对突变量序方向元件，可以准确测出保护安装处背侧系统的正、负、零序阻抗，设定背侧系统的正、负、零序阻抗的相角与线路序阻抗的相角相等，并由此判断出故障方向。

[0106] 举例来说，如图7所示为本发明实施例所述500kV和1000kV线路背侧直流系统侧的正序、负序阻抗示意图，由图可知逆变侧出口的正序、负序方向元件出现了不正确判断情况。这是由于逆变侧的正序、负序网络均需将直流系统考虑在内，而直流系统对逆变侧出口电压、电流是暂态调节控制的，因此逆变侧等效交流系统正序、负序阻抗也是暂态变化的，且其性质与纯交流系统正、负序阻抗会有不同。

[0107] 如图8所示为本发明实施例所述500kV和1000kV线路对侧交流系统侧的正序、负序阻抗示意图，由图可知，对侧交流系统的负序方向元件出现了误判，正序方向元件可以正确判断。

[0108] 如图9所示为本发明实施例所述500kV和1000kV线路背侧直流系统侧的零序阻抗示意图，由图可知，逆变侧出口处零序方向元件方向判断正确，这是由直流系统馈入不会影响交流系统的零序电流所决定的。

[0109] 如图10所示为本发明实施例所述500kV和1000kV线路对侧交流系统侧的零序阻抗示意图，由图可知，对侧交流系统的零序方向元件可以正确判断，零序突变量方向保护正确动作。

[0110] 值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

[0111] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。