一种基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法与流程

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，特别是涉及基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法。

背景技术：

随着电压源换流器(voltagesourcedconverter，vsc)的发展以及电源和负荷中电流变换中直流环节的增加，柔性直流系统由于其具有控制灵活、便于接纳分布式电源与直流负荷、供电容量大、电能质量好等优点已引起国内外广泛关注。然而缺乏成熟的直流线路保护技术是柔性直流系统面临的主要挑战之一。柔性直流系统线路保护的难点在于既要在短时间内快速识别直流故障以防止设备损坏，又要准确选择故障线路以减少停电范围。

目前柔性直流线路电流差动保护方法包括：

1.单端量保护难以实现清晰的保护边界，不能较好的满足柔性直流线路保护快速性与选择性需求。

2.电流差动保护易受线路分布电容、互感器饱和以及测量误差等因素的影响。

3.方向纵联保护具有通信量小、无需通信同步等优点，但当前关于直流线路方向纵联保护的研究主要基于电流突变量，而柔性直流系统的控制响应速度极快，故障后vsc可在1ms内快速闭锁，系统拓扑发生根本变化，叠加原理将不再适用，由此可以看出基于电流突变量的方向纵联保护从原理上是不适用于柔性直流系统的。

因此希望有一种基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法可以克服或至少减轻现有技术中的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法对整个柔性直流线路的故障过程起保护作用，不受线路分布电容的影响，无需通信同步。

本发明提供一种基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法，包括以下步骤：

步骤一：在被保护柔性直流线路两端的断路器处各装设一个电流传感器；

步骤二：通过电流传感器分别测量被保护柔性直流线路两端电流的瞬时值，并分别利用全电流量判别电流的方向；

步骤三：分别在两个电流传感器处设置保护装置，保护装置之间通过光纤通信，保护装置向对端传递电流方向判别结果，同时接收对端的电流方向判别结果；

步骤四：当被保护柔性直流线路两端的电流方向同时为正时，判定为区内故障，经过保护出口的延时，保护出口跳闸；

步骤五：根据区内故障判据公式，判定是否为本线路区内故障，当判据本线路区内故障满足时，保护出口跳闸。

优选地，所述步骤一中的电流传感器实现宽频域线性传变，安装极性为电流从母线指向所述被保护柔性直流线路为正。

优选地，所述步骤三中的保护装置为继电保护器。

优选地，所述步骤二中的利用全电流量判别电流的方向，其判据为：

式中ip和in分别是正极电流和负极电流的瞬时值；iset为预设的门槛，是一个正数，如果判据满足，则认为电流的方向为正。

优选地，在双极短路情况下，故障电流的全电流量存在方向特征：正极电流从换流器流向故障点，负极电流从故障点流向换流器，所述步骤四利用全电流量的方向特征，判定区内故障。

优选地，所述保护出口延时大于所述保护装置的最大通信延时。

本发明公开了一种基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法，通过本发明的基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法只需采集线路两端电流信息，无需电压采样，该方法不受换流器闭锁后拓扑发生变化的影响，可对整个故障过程起保护作用，不受线路分布电容的影响，无需通信同步。

附图说明

图1是两电平vsc双极短路故障时电流方向示意图；

图2是基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护方法的工作流程图；

图3是基于全电流量的柔性直流线路方向纵联保护系统的保护测量点示意图；

图4是区内故障时的线路两端电流波形图；

图5是区外故障时的线路两端电流波形图；

图6是负荷波动时的线路两端电流波形图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，双极故障发展过程可分为三个阶段：电容放电阶段、二极管自由导通阶段和交流侧馈入阶段。

电容放电阶段，故障电流主要包含并联电容器的放电电流，其等值电路如图1(a)所示。此阶段故障电流的表达式为：

式中，if为正极故障电流，vc为并联电容器两端电压；v0为故障初始时刻电压，ω为电流的振荡角频率，ω0为电容放电电路的谐振角频率，β为电压和电流的振荡相角差；r和l分别为线路电阻和电感。

从上式可知，当ωt在[0,π]时，故障电流if为正；当ωt大于π-β时，电容电压vc将由正变为负。值得注意的是，由于反向并联二极管的存在，并联电容器不会被反向充电，其电压不会出现负值。即当ωt等于π-β时，电容放电阶段将结束，故障电流会通过二极管续流，故障进入二极管自由导通阶段。因此，在电容放电阶段，故障电流的方向为：正极线路流向故障点，负极线路流出故障点。

二极管自由导通阶段，等值电路如图1(b)所示，故障电流的表达式为：

if＝i′0e^-(r/l)t(2)

式中i0ˊ为电容放电阶段结束时的故障电流，即(π-β)/ω时刻的故障电流，因此i0ˊ为大于0的正值。因此，在二极管自由导通阶段，故障电流的方向仍然是：正极线路流向故障点，负极线路流出故障点。

交流侧馈入阶段，交流电源通过二极管整流桥(闭锁后的换流器)向故障点馈入故障电流的过程，其等值电路如图1(c)所示。故障电流方向由交流侧馈入电流主导。由于二极管的导通具有方向性，因此在交流侧馈入阶段，故障电流方向仍为：正极线路流向故障点，负极线路流出故障点。

综上所述，柔性直流系统发生双极短路故障，换流器闭锁后三个故障阶段的电流方向特性具有一致的结论，即在其整个故障过程中，故障电流的方向始终是正极线路流向故障点，负极线路流出故障点。

对于mmc来说，其故障过程只包含电容放电阶段和交流馈入阶段，其故障电流的方向特征与上述分析一致。

因此无论是两电平vsc还是mmc，在双极短路情况下，其电流存在一定的方向特征，利用这一方向特征，本发明提出了基于全电流量的方向纵联线路保护方法。

如图2和3所示，保护方法的工作流程包括如下步骤：

步骤11：在柔性直流线路两端安装电流传感器，测量直流线路的电流瞬时值；

步骤12：将电流瞬时值与预设的门槛值进行比较，判定电流的方向。其判据为：

式中ip和in分别是正极电流和负极电流的瞬时值；in为所保护线路的额定电流值，是一个正数。如果判据满足，则认为电流的方向为正；

步骤13：如图3所示，通过光纤通信，保护装置向对端传递电流方向判别结果，同时接收对端的电流方向判别结果；

步骤14：当两端的电流方向同时为正时，可判定为区内故障，经过一定出口延时，保护出口跳闸。对于20km以内的线路，出口延时可设置0.3ms。

下面给出本发明在pscad/emtdc上搭建的±10kv柔性直流系统的测试结果。

如图4所示，区内故障时，m侧和n侧的正极电流快速突变到0.2in以上，负极电流快速突变到-0.2in以下，保护可快速出口。

如图5所示，区外故障时，n侧的正极电流始终在0.2in以下，n侧的负极电流始终在-0.2in以上，因此n侧的正方向判据不满足，方向纵联保护都不会误动。

如图6所示，当发生负荷波动时，n侧的正极电流始终在0.2in以下，n侧的负极电流始终在-0.2in以上，因此n侧的正方向判据不满足，方向纵联保护都不会误动。

可见，本发明保护具有良好的可靠性、快速性与选择性。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。