一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法

摘要

本发明涉及一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法，所述保护方法的应用场景为三端柔性直流输电网络，该方法通过故障后利用换流器的高可控性，注入特征频率下的特征信号，计算输入阻抗的相角来判断故障区间，有效的提升了保护的性能。化被动为主动，不受换流器非线性影响。同时，利用的半桥型MMC相较于全桥型MMC在识别故障时无需先进行故障穿越，无需额外添加设备，即可创造故障特征能可靠的识别故障区间；提升了保护速动性的同时，也具有更好的经济效益。具有选择性，不会因为单条线路故障而使得整个系统停运。

权利要求

1.一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法，其特征在于，所述保护方法的应用场景为三端柔性直流输电网络，包括以下步骤：S1、当线路发生故障之后，故障点将产生故障行波，向线路两端以光速传播；

S2、当线路两端的测量装置感受到电压急剧变化时，则认为直流系统发生了故障，判别公式如下：|duBus2/dt|>ΔUset  (3)

式中uBus2为限流电抗器线路侧的电压，ΔUset为设置检测故障发生的门槛值；

S3、当识别到故障发生之后，进一步利用公式(4)判断故障发生方向，若限流电抗器线路侧的电压变化率大于换流器侧，则认为是正向故障，发出换流器主动注入控制启动信号，若限流电抗器线路侧电压变化率小于换流器侧，则不会启动主动注入控制；

|duBus2/dt|>|duCon2/dt|   (4)式中，uCon2为换流器侧的电压；

S4、当公式(3)和(4)同时满足后，MMC2换流器将切换到控制模式2，开启主动注入控制，产生的特征信号的频率为600Hz，并持续至少2个周期以上；所述控制模式2为主动注入控制；

S5、提取注入频率下的特征电压、电流信号，计算出电压、电流之间的相角差；并构建故障识别判据：式中， 为输入端注入频率下的特征电压矢量， 为输入端注入频率下的特征电流矢量；

如果计算出的θ大于0，则认为发生了区内故障，如果计算出的θ小于0，则认为发生的是区外故障。

2.如权利要求1所述的基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法，其特征在于：所述三端柔性直流输电网络包括：MMC1换流器、MMC2换流器和MMC3换流器；

所述MMC1换流器、MMC2换流器为控功率站，所述MMC3换流器为控电压站。

说明书

一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法。

背景技术

[0002] 如今柔性直流电网中的换流器通常以半桥子模块或全桥子模块为基本单元，由于子模块数量较多，通常采用最近电平逼近调制技术，具备有功和无功解耦控制、潮流反向、无需滤波和无功补偿设备和可向孤岛供电等优点。在电力系统中，为可再生能源的集中规模化开发和远距离输送、提升电网运行的灵活性和可靠性提供了有效的解决方案，在世界范围内正保持高速发展的趋势。但是，柔性直流系统阻尼很小，电力电子设备耐受过电流能力较弱。当直流侧发生故障时，故障电流快速上升，为保障换流设备的安全，子模块往往会通过闭锁控制或主动限流等策略来降低故障电流对电力电子设备的威胁。而换流器闭锁控制或主动限流控制往往导致原有的故障特性减弱，同时控制过程中带来的非线性又成为保护中的干扰成分，需采用有效的保护方案保障故障区间的有效识别，使得系统能快速隔离故障恢复正常运行，因此，柔性直流电网的保护方案是电网发展的关键技术。

[0003] 目前，为了限制故障电流大致有三种方案。一是分别在线路两侧加装更大的限流电抗器，抑制故障电流上升速率，但是该方案不仅增加了电网的投入成本，还对整个电网的动态特性造成影响。二是设计换流器故障后的限流策略，通过旁通一定数量的桥臂子模块达到抑制故障电流的目的，但是在引入非线性的同时，减小了原有的故障特征，影响了保护的灵敏性与可靠性，可能导致保护拒动。三是利用全桥型MMC的子模块反向投入能力，阻止子模块向故障点继续馈流，虽然故障电流能得到极大的限制，但是故障暂态过程极为短暂，为保护可利用的故障暂态信息极其匮乏，导致保护性能受到影响。

[0004] 故现有技术方案转换思想，从传统的被动利用故障暂态信息构建保护识别故障，转而开发换流器的高可控性，在故障后注入一定的特征信号，以有效识别故障区间。有学者提出在故障后利用全桥型MMC的可控性将故障电流控制在1.2倍额定电流，通过线路两端的电流过零特性来识别故障区间。考虑到换流器的高可控性，可以在全桥型子模块完全将故障电流抑制到零以后，再按一定设计的规律投入子模块，向故障网络注入相应的电压电流信号，再依据线路模式识别的思路，判别线路是否发生故障。也有学者通过注入信号脉冲，比对反射回来的波头特性来判定故障是否消失。上述保护方案不再依赖于易于消失的故障暂态特性与受到换流器控制非线性的影响，利用了电力电子设备的高可控性，主动创造故障特征量辅助保护实现。

[0005] 现有的保护方案有以下的缺点：①基于行波的保护方案中，且易受到过渡电阻和噪声干扰的影响，灵敏性与可靠性受到影响，受到控制非线性影响；②基于边界暂态量保护的方案中，需要在线路两侧同时配置限流电抗器，同时受到换流器控制非线性影响；③基于电流差动的保护方案，易受到线路分布电容的影响，保护的速动性受到影响；④基于全桥型MMC限流控制的过零保护仅适用于双极故障，且耐受过渡电阻能力较弱；⑤基于全桥型MMC主动信号注入的保护方案的实现在故障穿越之后，保护的速动性受到影响。

发明内容

[0006] 随着更高比例分布式能源的接入，高电力电子化新型电力系统的快速发展，使得多端柔性直流电网得到了广泛的应用。柔性直流输电网对有功和无功量分量的独立控制，以及对分布式能源的灵活接入等优点，受到了工程上广泛的关注与深入的科学研究。但是，换流站间往往通过架空线进行远距离连接，接地故障发生率较高，且直流电网系统阻尼小，故障后多个电源向故障点馈流，数毫秒内故障电流将攀升到较大数值，对整个直流电网的安全性造成较大的威胁。因此，快速可靠的线路保护方案是保障柔性直流电网安全稳定运行的关键技术之一。

[0007] 对于大多数现有保护方案，都是被动地探究故障后的暂态特性的差异性，从而实现故障区间的识别。在实际工程中，行波保护与微分欠压保护因其算法简单，保护速动性好得到了广泛的应用。但是，噪声干扰与过渡电阻等因素会影响到保护的灵敏性与可靠性，大大降低了故障被有效识别的概率。随着限流电抗器在柔性直流电网线路两侧配置，部分学者提出了基于限流电抗器构造边界的保护。首先提出的是基于限流电抗器线侧电压变化率的保护方案，然而该保护方案受到过渡电阻的影响极大。为了提升耐受过渡电阻能力，进一步提出了基于限流电抗器两侧暂态电压比的保护方案，但是在作为单端保护时缺乏理论依据，需要构成双端纵联保护以满足选择性需求。在借助通信手段的同时，保护的快速性也受到了影响。上述保护方案不仅存在这些缺陷，在高电力电子化的柔性直流电网中，故障后换流器控制导致故障特性呈现强非线性，传统被动的基于故障暂态分量的保护方案进一步受到影响，大大增加了保护误动或拒动的可能性。

[0008] 针对上述现状，本发明提出了一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法。该方法利用换流器在故障后主动产生特征信号，通过提取该频率下注入的特征量，以识别区内外故障，该保护方法能够解决以下几个问题：1)与传统的被动式保护方案相比，不再依赖于短暂的故障暂态特性；2)主动利用换流器产生特征信号识别故障，化被动为主动，极大减小了换流器非线性的影响；3)在产生特征信号的同时，降低了子模块的投入数量和故障电流的增长速率，可起到保护电力电子元件的作用。

[0009] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

[0010] 一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法，所述保护方法的应用场景为三端柔性直流输电网络，包括以下步骤：

[0011] S1、当线路发生故障之后，故障点将产生故障行波，向线路两端以光速传播；

[0012] S2、当线路两端的测量装置感受到电压急剧变化时，则认为直流系统发生了故障，判别公式如下：

[0013] |duBus2/dt|>△Uset  (3)

[0014] 式中uBus2为UBus2点上的电压，△Uset为设置检测故障发生的门槛值；

[0015] S3、当识别到故障发生之后，进一步利用公式(4)判断故障发生方向，若限流电抗器线侧的电压变化率大于换流器侧，则认为是正向故障，发出换流器主动注入控制启动信号，若限流电抗器线侧电压变化率小于换流器侧，则不会启动主动注入控制；

[0016] |duBus2/dt|>|duCon2/dt|   (4)

[0017] 式中，uCon2为UCon2点上的电压；

[0018] S4、当公式(3)和(4)同时满足后，MMC2换流器将切换到控制模式2，开启主动注入控制，产生的特征信号的频率为600Hz，并持续至少2个周期以上；

[0019] S5、提取注入频率下的特征电压、电流信号，计算出电压、电流之间的相角差。并构建故障识别判据：

[0020]

[0021] 如果计算出的θ大于0，则认为发生了区内故障，如果计算出的θ小于0，则认为发生的是区外故障。

[0022] 步骤S4中，所述控制模式2为主动注入控制。

[0023] 所述三端柔性直流输电网络包括：MMC1换流器、MMC2换流器和MMC3换流器；

[0024] 所述MMC1换流器、MMC2换流器为控功率站，所述MMC3换流器为控电压站。

[0025] 本发明的有益效果：①利用半桥型换流器在故障后主动注入特征信号，无需额外添加设备，即可创造故障特征能可靠的识别故障区间；②无需等待故障隔离后再进行故障识别，具有快速性优点；③相比于全桥型子模块，所提方法的经济性能更好；④具有选择性，不会因为单条线路故障而使得整个系统停运。

[0026] 本发明提出了一种基于保控协同的直流线路阻抗相位保护方法，该保护方法通过故障后利用换流器的高可控性，注入特征频率下的特征信号，计算输入阻抗的相角来判断故障区间，有效的提升了保护的性能。相比于传统的基于故障暂态特性的保护方法，所提保护方法化被动为主动，不受换流器非线性影响。同时，利用的半桥型MMC相较于全桥型MMC在识别故障时无需先进行故障穿越，提升了保护速动性的同时，也具有更好的经济效益。

附图说明

[0027] 本发明有如下附图：

[0028] 图1换流器内部结构示意图；

[0029] 图2换流器控制框图；

[0030] 图3三端柔性直流输电网络拓扑；

[0031] 图4输电线路分布参数模型；

[0032] 图5区外故障下输入阻抗相角特性图；

[0033] 图6区内故障下输入阻抗相角特性图；

[0034] 图7换流器控制框图；

[0035] 图8区内故障特性图；

[0036] 图9区外故障特性图。

具体实施方式

[0037] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0038] 1、换流器控制方式

[0039] MMC的主要拓扑如图1所示，换流器内部由三个桥臂共同组成，其中Larm为上下桥臂电感，Rarm为桥臂电阻，Ldc为直流侧等效电感，Rdc为直流侧等效电阻。在故障前的稳态运行中，通过子模块中的IGBT元件T1、T2的开通或关断使得子模块电容Carm处于投入或旁路的状态。当T1导通时，子模块电容投入，处于充电或者放电的状态；当T2导通时，子模块电容被旁路。正常情况下控制环节如图2中的模式1(双闭环矢量控制)所示，直流侧通过三相上下桥臂子模块投入个数之和保持相同，以维持电压稳定，交流侧通过双闭环控制产生的交流参考电压分配的上下桥臂开通子模块个数来维持。

[0040] 当线路发生故障以后，故障行波到达线路两端引起电压、电流急剧变化，感应到故障发生后，换流器随即将控制模式切换到控制模式2(主动注入控制)。通过直接改变每个桥臂的开通数量占比，使得上下桥臂子模块数量之和将以正弦的规律变化，同时尽可能的短时间内满足交流侧电压的需求，最终换流器将输出特征频率下的电压，并在直流侧响应。

[0041] 2、主动式注入保护应用场景

[0042] 本发明中示例所应用的场景为三端柔性直流输电网络，如图3所示。该拓扑中MMC1、MMC2与MMC3中前两者为控功率站，后者为控电压站。线路L12与线路L23长度为100km。当直流系统发生故障后，换流站MMC2将切换到主动注入控制模式，出口电压将以正弦的规律呈现。

[0043] 1)注入信号的幅值

[0044] 在正常的调制模式下，MMC每相上下桥臂子模块的数量之和保持不变，且为总数的一半，此时定义投入比为D＝0.5。在换流器切换到主动注入控制的模式2后，此时的投入比呈正弦变化，对应的投入比变化区间为[0,0.5]。由于直流侧额定电压为500kV，实际故障后换流器输出正弦电压的幅值为250kV。

[0045] 2)注入信号的频率

[0046] 根据图3中柔性直流电网的线路长度，可选择换流器产生信号的频率大小。线路的分布参数模型如图4所示，其中L0、R0、G0、C0分别为线路单位长度的电感、电阻、电导、电容，L为线路末端的限流电抗器，Uin、Iin为输入端注入频率下的特征电压和电流，Uend、Iend为线路末端注入频率下的电压和电流。

[0047] 当线路发生区外故障的时候，线路末端的大电感依然连接着线路，此时注入频率下的输入阻抗幅值Zin表达式为：

[0048]

[0049] 式中， 为输入端注入频率下的特征电压矢量， 为输入端注入频率下的特征电流矢量，ω为输入端注入频率下的角频率，Zc为波阻抗，l为输电线路长度。

[0050] 带入线路参数后，可得到输入阻抗的相频特性，如图5所示。随着频率的增大，相位在‑90度与90度之间交替变化。其中ωep1为第一个并联谐振点，ωes1为第一个串联谐振点。

[0051] 当线路发生故障的时候，线路末端的大电感被短路掉，此时注入频率下的输入阻抗幅值Zin表达式为：

[0052]

[0053] 带入线路参数后，可得到输入阻抗的相频特性，如图6所示。随着频率的增大，相位在‑90度与90度之间交替变化。其中ωip1为第一个并联谐振点，ωis1为第一个串联谐振点。

[0054] 通过对比区内故障与区外故障的阻抗相角差异性，可知在区间[ωep1,ωip1]内区外故障相角为90度，区外故障为‑90度。因此，带入此线路参数，可得注入频率区间为[459Hz,683Hz]。最终，将注入频率取值为600Hz。

[0055] 3、主动式注入保护实现原理

[0056] 以图3的柔性直流系统为例，假设发生金属性接地故障，以此来阐述主动注入式保护的实施过程与工作原理。本发明的保护流程如图7所示：

[0057] 1)阶段1

[0058] 当线路发生故障之后，故障点将产生故障行波，向线路两端以光速传播。

[0059] 2)阶段2

[0060] 当线路两端的测量装置感受到电压急剧变化时，则可认为直流系统发生了故障，判别公式如下：

[0061] |duBus2/dt|>△Uset   (3)

[0062] 式中，uBus2为UBus2点上的电压，△Uset为设置的门槛值。

[0063] 3)阶段3

[0064] 当识别到故障发生之后，进一步利用公式(4)判断故障发生方向，如若限流电抗器线侧的电压变化率大于换流器侧，则认为是正向故障，发出换流器主动注入控制启动信号，如若限流电抗器线侧电压变化率小于换流器侧，则不会启动主动注入控制

[0065] |duBus2/dt|>|duCon2/dt|   (4)

[0066] 式中，uCon2为UCon2点上的电压。

[0067] 4)阶段4

[0068] 当公式(3)和(4)都同时满足后，MMC2换流器将切换到控制模式2(主动注入控制)，开启主动注入控制，产生的特征信号的频率为600Hz，并持续至少2个周期以上。

[0069] 5)阶段5

[0070] 提取注入频率下的特征电压、电流信号，计算出电压、电流之间的相角差。并构建故障识别判据：

[0071]

[0072] 当计算出的角度θ大于0，则可认为发生了区内故障，如果计算出的角度θ小于0，则可认为发生的是区外故障。

[0073] 4、故障案例仿真实验

[0074] 1)区内故障

[0075] 设置金属性接地故障f1在1s时发生，其故障特性如图8所示，当行波到达线路端口后，测量元件感受到电压迅速跌落，且同时满足公式(3)和(4)，换流器MMC2将控制模式切换到模式2，主动控制桥臂子模块的投切产生提前设计好的正弦特征信号。通过测量提取出口处的电压、电流在注入频率下的相位角可知，电压Ubus2的初始相角为3.3°，电流IM的初始相角为‑88.2°，电流IN的初始相角为93.1°，故可计算出线路L12的输入阻抗初始相角为91.5°，线路L23的输入阻抗初始相角为‑89.8°，通过判据(5)可得，线路L12发生了内部故障，线路L23内部无故障发生，可有效识别故障区间。

[0076] 2)区外故障

[0077] 设置金属性接地故障f2在1s时发生，其故障特性如图9所示，当行波到达线路端口后，测量元件同样感受到电压迅速跌落，且同时满足公式(3)和(4)，换流器MMC2将控制模式切换到模式2，主动控制桥臂子模块的投切产生提前设计好的正弦特征信号。通过测量提取出口处的电压、电流在注入频率下的相位角可知，电压Ubus2的初始相角为‑1.1°，电流IM的初始相角为89.5°，电流IN的初始相角为89.2°，故可计算出线路L12的输入阻抗初始相角为‑90.6°，线路L23的输入阻抗初始相角为‑90.3°，通过判据(5)可得，线路L12和线路L23内部都无故障发生，可判定为发生了区外故障。

[0078] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。

[0079] 本说明书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。