专利名称：一种直流输电继电保护整定预备量的获取方法
技术领域：
本发明属于高压和特高压直流输电系统继电保护技术领域，具体涉及一种直流输电继电保护整定预备量的获取方法，属于提高高压和特高压直流输电系统运行可靠性的创新技术。
背景技术：
为了保障直流一次主设备的安全和交直流互联电网的稳定运行，高压直流输电系统(简称HVDC，High Voltage Direct Current)工程中配置了完备的直流保护系统。在直流保护整定计算过程前，对整定原则中用到的一些关键量，需要在不同交直流系统运行工况、不同故障发生位置以及不同故障发生时刻等的各种组合情况下，对这些关键量的值进行分析计算，然后从中选择最大值或最小值用于整定计算，才能确定出合理正确的保护定值。定义求得的这些关键量最苛刻的值为直流保护整定预备量。与交流保护类似，直流保护在运行中也必须满足可靠性，灵敏性，选择性和速动性的要求。而继电保护装置能否满足电网所提出的“四性”要求，在很大程度上取决于继电保护整定计算工作的正确开展。合理而恰当的保护定值，是预防保护误动和拒动，提高保护可靠性的关键。不合理的直流保护定值，可能造成直流保护误动或者拒动，从而导致直流输电系统强迫停运，严重情况下甚至可能导致直流设备的损坏，降低直流输电系统运行的安全性和可靠性。然而，由于直流保护的特殊性和结构复杂性，直流保护的整定计算缺乏类似于交流保护的普遍适用的整定原则和成熟的整定方法，很多情况下依赖于整定人员的实际经验。为此，工程界投入了大量的人力和物力，结合工程和运行经验，对直流保护的原理、功能、各种功能的实现方法及保护的软硬件设计，进行了深入的分析和研究，提出了大量的改进措施，基本建立直流保护的整定原则。但由于直流保护的特殊性和复杂性，到目前为止， 工程界仍然采用了“根据经验确定整定值、仿真计算修正整定值、现场试验校验整定值”的三步模式进行，所确定的定值存在过于依赖于整定人员的实际经验，没有考虑直流系统运行的所有工况。因此，现有直流保护整定计算方法是一个非常繁琐、工作量极大的工作，其中隐藏的误整定因素不容忽视。随着高压和特高压直流输电工程的广泛应用，直流保护的可靠性对电网的安全稳定运行更显重要。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种充分考虑了交直流系统运行方式、直流系统控制模式、直流系统故障位置和换流器换相时刻对直流保护整定预备量的影响的直流输电继电保护整定预备量的获取方法。本发明方便实用。本发明的技术方案是本发明的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，包括有如下步骤
1)建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型；
2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一直流保护功能保护范围和相应的关键量；
3)确定整流侧和逆变侧每一种直流保护功能需要考虑的交流系统运行工况、直流系统运行工况、不同故障发生位置以及不同故障发生时刻的各种组合；
4)用在步骤1)建立的直流输电系统电磁暂态模型对步骤幻确定的故障工况进行电磁暂态仿真计算，得到该保护测量量的在这些故障工况下的输出数据；
5)在步骤4)得到的每一组测量量输出数据上，找出一段长度为保护延时的区间，该区间内所有测量量均大于区间两端的端点对应的测量量值；区间端点对应的测量量即为整定预备量在当前系统工况下的取值；若输出数据上有多个区间满足上述要求，则找出区间端点对应测量量中最大值或最小值作为整定预备量在当前系统工况下的取值；
6)在步骤5)求取整定预备量时，采用的计时策略要求保护动作延时内所有的动作量采样值均满足保护动作判据，任一采样点不满足保护动作判据计时器就清零；因此，可以采用对应于保护延时长度的时间尺沿着动作量波形曲线作平行于时间轴移动的方法，方便地获取整定预备量在当前系统工况下的取值。上述步骤1)建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型包括建立详细直流控制功能及保护功能的等值电源模型，其中控制功能与实际直流输电工程基本一致，保护功能与实际直流输电工程完全一致，两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，直流主回路可设置为单极大地回线、单极金属回线或双极大地回线三种方式，能够模拟直流系统的所有故障类型。上述步骤2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一直流保护功能保护范围和相应的关键量包括，测量数据预处理过程和保护算法与工程完全一致。上述步骤1)等值电源模型中的两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，能够模拟直流系统的所有故障类型。上述步骤；3)的交直流系统运行工况是考虑交流系统等值电源和等值阻抗的变化以及相应的直流运行方式，取三种工况一是交流系统最大运行方式，且直流系统双极额定功率；二是交流系统最小运行方式，且直流系统单极大地返回并输送最小功率；三是交流系统最小运行方式，且直流系统单极金属回线返回并输送0. 5倍额定功率。上述步骤3)的直流系统的典型故障发生位置主要包括阀侧相间短路故障(3)、 阀侧单相接地故障G、5)、阀短路故障(6、8)、换流器中点接地故障(7)、换流器中性点接地故障(9)、换流器高压侧对中点短路故障(10)、换流器中点对中性点短路故障(11)、换流器高压侧对中性点短路故障(12)、换流器高压侧对地故障(13)、直流高压母线接地故障 (14)、直流中性母线接地故障(15)、直流线路接地故障(16)、接地极母线接地故障(17)、接地极开路或者金属返回线开路故障(18)、接地极引线断线故障(19)、接地极引线接地故障 (20)。上述步骤幻研究故障发生在不同时刻对换流阀的通断情况及故障发展过程的影响，换流阀通断情况包括换流器非换相期间、换相期间、换相刚开始和换相刚结束，取最严重和最轻微两种工况。上述换流器非换相期间是两桥中只有4个阀同时导通，每桥两个，换相期间是两桥中只有5个阀同时导通，换相桥三个，非换相桥两个。上述步骤幻对整流站和逆变站分别进行。
上述步骤6)的时间尺指保护延时定值。上述直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于该过程通过直流整定预备量获取程序自动完成，该程序以直流输电系统电磁暂态仿真模型为内核。本发明通过建立包括与实际直流输电工程控制功能基本一致、保护功能完全一致的仿真模型作为内核求取直流保护的整定预备量，能对直流输电系统的所有一次设备元件保护的整定提供预备量，业内人士基于本发明能够开发出类似交流系统整定计算的直流输电继保保护整定计算系统，对直流输电保护自动进行整定，其应用将大大提高直流继电保护的工作效率，降低劳动强度，避免人为失误。本发明可用于高压直流、特高压直流、基于电压源换流器的直流输电系统等场合，具有良好的应用前景。本发明是一种方便实用的直流输电继电保护整定预备量的获取方法。
图1为本发明实施例主接线及故障点示意图。图2为本发明实施例整定预备量获取过程示意图。图3是本发明实施例直流保护整定计算系统总体结构示意图。
具体实施例方式实施例
本发明的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，包括有如下步骤
1)建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型；
2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一直流保护功能保护范围和相应的关键
量；
3)确定整流侧和逆变侧每一种直流保护功能需要考虑的交流系统运行工况、直流系统运行工况、不同故障发生位置以及不同故障发生时刻的各种组合；
4)用在步骤1)建立的直流输电系统电磁暂态模型对步骤幻确定的故障工况进行电磁暂态仿真计算，得到该保护测量量的在这些故障工况下的输出数据；
5)在步骤4)得到的每一组测量量输出数据上，找出一段长度为保护延时的区间，该区间内所有测量量均大于区间两端的端点对应的测量量值；区间端点对应的测量量即为整定预备量在当前系统工况下的取值；若输出数据上有多个区间满足上述要求，则找出区间端点对应测量量中最大值或最小值作为整定预备量在当前系统工况下的取值；
6)在步骤5)求取整定预备量时，采用的计时策略要求保护动作延时内所有的动作量采样值均满足保护动作判据，任一采样点不满足保护动作判据计时器就清零；因此，可以采用对应于保护延时长度的时间尺沿着动作量波形曲线作平行于时间轴移动的方法，方便地获取整定预备量在当前系统工况下的取值。上述步骤1)建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型包括建立详细直流控制功能及保护功能的等值电源模型，其中控制功能与实际直流输电工程基本一致，保护功能与实际直流输电工程完全一致，两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，直流主回路可设置为单极大地回线、单极金属回线或双极大地回线三种方式，能够模拟直流系统的所有故障类型。
上述步骤2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一种直流保护功能保护区域和相应的关键量，测量数据预处理过程和保护算法与工程完全一致。上述步骤1)等值电源模型中的两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，能够模拟直流系统的所有故障类型。上述步骤幻的交直流系统运行工况是考虑交流系统等值电源和等值阻抗的变化以及相应的直流运行方式，取三种工况一是交流系统最大运行方式，且直流系统双极额定功率；二是交流系统最小运行方式，且直流系统单极大地返回并输送最小功率；三是交流系统最小运行方式，且直流系统单极金属回线返回并输送0.5倍额定功率。上述步骤3)的直流系统的典型故障发生位置主要包括阀侧相间短路故障(3)、 阀侧单相接地故障G、5)、阀短路故障(6、8)、换流器中点接地故障(7)、换流器中性点接地故障(9)、换流器高压侧对中点短路故障(10)、换流器中点对中性点短路故障(11)、换流器高压侧对中性点短路故障(12)、换流器高压侧对地故障(13)、直流高压母线接地故障 (14)、直流中性母线接地故障(15)、直流线路接地故障(16)、接地极母线接地故障(17)、接地极开路或者金属返回线开路故障(18)、接地极引线断线故障(19)、接地极引线接地故障 (20)。上述步骤幻研究故障发生在不同时刻对换流阀的通断情况及故障发展过程的影响，换流阀通断情况包括换流器非换相期间、换相期间、换相刚开始和换相刚结束，取最严重和最轻微两种工况。上述换流器非换相期间是两桥中只有4个阀同时导通，每桥两个，换相期间是两桥中只有5个阀同时导通，换相桥三个，非换相桥两个。上述步骤幻对整流站和逆变站分别进行。上述步骤6)的时间尺指保护延时定值。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。本发明实施例主接线及故障点示意图如图1所示，本发明实施例整定预备量获取过程示意图如图2所示。本发明实施例直流保护整定计算系统总体结构示意图如图3所示。本实施例中，本发明用于士500kV兴安直流输电工程，其具体步骤如下
1)利用电磁暂态仿真软件(例如EMTDC)建立包括与实际直流输电工程控制功能基本一致、保护功能完全一致的士500kV兴安直流输电工程仿真模型，两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，能够模拟图1所示的直流系统的所有故障类型。2)按照电力系统相关规程的要求，并根据南方电网现有直流输电工程的特点进行优化，形成了换流器保护、直流母线保护、直流线路保护、地极引线保护、高速开关保护、直流滤波器保护、交流滤波器保护和换流变保护等的实际整定原则，故障点如图1所示，测量点包括换流器阀Y侧电流IacY、换流器阀D侧电流IacD、换流器直流高压侧电流IdH、换流器直流低压侧电流IdN、直流线路电流IdL、中性母线电流IdE、接地极引线一分支电流Ideel、接地极引线二分支电流Idee2、高速接地开关电流Idee3、直流母线电压UdL、中性母线电压UdN。例如阀短路保护，其整定原则为Y桥 IacY - MlN(IdHJdhI) >!set,￡ = iM , D 桥为 hcD-M_dH’ IdN) > 泌’ = Μο 需要确定
保护区内故障时差电流的最小值，用其进行保护的灵敏度校验。3)确定各保护整定预备量必须考虑的工况。例如整流站阀短保护范围为图1故障点3、故障点6、故障点8和故障点12，整流站阀短保护范围为图1故障点3、故障点6和故障点8，考虑短路容量、直流主回路接线和运行方式后，整流站和逆变站阀短保护需要考虑的工况如表1-4所示。4)采用VB. NET语言作为基本程序编制语言，使用Microsoft公司的Visual Mudio. Net作为主要的程序开发环境，开发出如图3所示“直流输电系统保护整定计算系统”，其显著特点是实现了 EMTDC电磁仿真程序与图形化程序的对接。开发出的“直流输电继电保护自动整定计算系统”基本结构如图3所示。该系统由以下模块构成(1)直流输电系统管理；(2)直流输电系统电磁暂态模型；(3)直流保护整定原则参数管理；(4)故障预备量计算；(5)直流保护整定计算；(6)结果输出。各模块功能是直流输电系统管理模块对直流系统进行管理，包括图形管理、一次系统参数管理、二次系统参数管理、程序设置及用户管理等；直流输电系统电磁暂态模型对给定的各个工况下各故障点故障过程进行仿真计算，并对结果自动进行存储；直流保护整定原则及参数管理模块管理直流输电系统各种保护整定计算原则所需的参数；整定预备量管理模块管理直流输电系统各种保护整定计算所需的预备量；直流整定计算模块实现直流输电系统各种保护的自动整定计算、整定结果查看和调整等；结果输出模块实现直流输电系统各种保护整定计算结果的输出。5)对需要整定的直流保护功能进行整定预备量计算-ι在不同交直流系统运行
工况、不同故障发生位置以及不同故障发生时刻等的各种组合情况下，对直流输电系统进
行电磁暂态仿真，得到多组该保护测量量的输出数据；0在每一组测量量输出数据上，找
出一段长度为保护延时的区间，该区间内所有测量量均大于区间两端的端点对应的测量量值。区间端点对应的测量量即为整定预备量在当前系统工况下的取值。若输出数据上有多个区间满足上述要求，则找出区间端点对应测量量中最大值或最小值作为整定预备量在当
前系统工况下的取值；^人φ得到的多个整定预备量取值值中，选择其中的最大值或者最
小值用于整定计算，获得正确合理的保护定值。对于阀短路保护，由预备量的定义可知预备量的计算需要差电流波形数据，比如图 1 中饱 M = IacY -MiN(idH, MN),或 M = IacD - MlNiJdH，IdN),可见要得到差电流就
必须获得保护测量通道值等；还要获得“时间尺”的大小Δ ，一般考虑 ΔΙ的大小即为保护的动作时间定值；最后与实际保护运行一样，故障预备量计算需要一个启动的门槛值，这个值一般比较小，但是得躲过正常情况下差电流的测量值。利用3)中建立的直流输电系统电磁暂态仿真模型对表1-4所示故障和工况进行仿真计算，在每一组差电流波形上，找出一段长度为阀短路保护延时的区间，该区间内所有差电流均大于区间两端的端点对应的差电流值，则区间端点对应的差电流大小Δ Imax即为所求。所有工况中最苛刻的值(这里为最大值)用于整定计算，获得正确合理的保护定值。
权利要求
1.一种直流输电继电保护整定预备量的自动获取方法，其特征在于包括有如下步骤1)建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型；2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一种直流保护功能保护范围和相应的关键量；3)确定整流侧和逆变侧每一种直流保护功能需要考虑的交流系统运行工况、直流系统运行工况、不同故障发生位置以及不同故障发生时刻的各种组合；4)用在步骤1)建立的直流输电系统电磁暂态模型对步骤幻确定的故障工况进行电磁暂态仿真计算，得到该保护测量量的在这些故障工况下的输出数据；5)在步骤4)得到的每一组测量量输出数据上，找出一段长度为保护延时的区间，该区间内所有测量量均大于区间两端的端点对应的测量量值；区间端点对应的测量量即为整定预备量在当前系统工况下的取值；若输出数据上有多个区间满足上述要求，则找出区间端点对应测量量中最大值或最小值作为整定预备量在当前系统工况下的取值；6)在步骤5)求取整定预备量时，采用的计时策略要求保护动作延时内所有的动作量采样值均满足保护动作判据，任一采样点不满足保护动作判据计时器就清零；因此，可以采用对应于保护延时长度的时间尺沿着动作量波形曲线作平行于时间轴移动的方法，方便地获取整定预备量在当前系统工况下的取值。
2.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤1)建立直流输电系统的电磁暂态仿真模型包括建立详细直流控制功能及保护功能的等值电源模型，其中控制功能与实际直流输电工程基本一致，保护功能与实际直流输电工程完全一致，直流主回路可设置为单极大地回线、单极金属回线或双极大地回线三种方式， 两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，能够模拟直流系统的所有故障类型。
3.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一种直流保护功能保护区域和相应的关键量，测量数据预处理和保护算法与实际工程完全一致。
4.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤1)等值电源模型中的两端交流电源包括最大短路容量和最小短路容量两种方式，直流主回路可设置为单极大地回线、单极金属回线或双极大地回线三种方式，能够模拟直流系统的所有故障类型。
5.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤幻的交直流系统运行工况是考虑交流系统等值电源和等值阻抗的变化以及相应的直流运行方式，取三种工况一是交流系统最大运行方式，且直流系统双极额定功率；二是交流系统最小运行方式，且直流系统单极大地返回并输送最小功率；三是交流系统最小运行方式，且直流系统单极金属回线返回并输送0.5倍额定功率。
6.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤幻的直流系统的典型故障发生位置包括阀侧相间短路故障(3)、阀侧单相接地故障 0、5)、阀短路故障(6、8)、换流器中点接地故障(7)、换流器中性点接地故障(9)、换流器高压侧对中点短路故障(10)、换流器中点对中性点短路故障(11)、换流器高压侧对中性点短路故障(12)、换流器高压侧对地故障(13)、直流高压母线接地故障(14)、直流中性母线接地故障(15)、直流线路接地故障(16)、接地极母线接地故障(17)、接地极开路或者金属返回线开路故障(18)、接地极引线断线故障(19)、接地极引线接地故障00)。
7.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤幻研究故障发生在不同时刻对换流阀的通断情况及故障发展过程的影响，换流阀通断情况包括换流器非换相期间、换相期间、换相刚开始和换相刚结束，取最严重和最轻微两种工况。
8.根据权利要求7所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述换流器非换相期间是两桥中只有4个阀同时导通，每桥两个，换相期间是两桥中只有5个阀同时导通，换相桥三个，非换相桥两个。
9.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤幻对整流站和逆变站分别进行。
10.根据权利要求1所述的直流输电继电保护整定预备量的获取方法，其特征在于上述步骤6)的时间尺指保护延时定值。
全文摘要
本发明是一种直流输电继电保护整定预备量的自动获取方法。包括如下步骤1)建立输电系统的电磁暂态仿真模型；2)根据直流输电继电保护整定原则确定每一种直流保护功能保护范围和相应的关键量；3)确定整流侧和逆变侧每一种直流保护功能需要考虑的工况以及不同故障发生时刻的各种组合；4)对步骤3)确定的故障工况进行电磁暂态仿真计算，得到该保护测量量的在这些故障工况下的输出数据；5)在步骤4)得到的每一组测量量输出数据上，找出区间端点对应测量量中最大值或最小值；6)在步骤5)求整定预备量时，采用的计时策略要求保护动作延时内所有的动作量采样值均满足保护动作判据。基于该发明可开发继电保护整定计算软件，实现继电保护整定计算的计算机化。
文档编号H02H7/26GK102195276SQ201110129860
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者傅闯, 刘登峰, 左剑, 李红鑫, 李银红, 饶宏, 黎小林 申请人:华中科技大学, 南方电网科学研究院有限责任公司