一种涌流闭锁的直流50Hz保护优化改进方法与流程

本发明涉及高压直流输电技术领域，具体涉及一种涌流闭锁的直流50Hz保护优化改进方法。

背景技术：

高压直流输电是解决远距离输电和大电网互联的有效手段，在我国和世界范围内得到普遍应用。直流系统换流变的合闸操作是直流换流站调试及生产运行阶段的基础性操作，也是考核其制造质量和绝缘性能的重要手段。双极直流输电系统通常会出现一极上的两台变压器空载合闸，另一极正常运行的情况，空载合闸变压器投入系统时，因其内部非线性铁芯饱和，会产生数十倍于额定电流的励磁涌流，同时因高压母线电压波动导致运行变压器出现复杂的和应涌流，和应涌流含有大量的二次谐波正序分量，通过换流器的变换作用，会在直流线路上会产生基频分量，经过线路的传递放大作用引起直流50Hz保护误动。为了防止换流变空投时产生的和应涌流引起直流50Hz保护误动，急需提出一种直流50Hz保护优化改进方法，完善目前所使用的直流50Hz保护。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种涌流闭锁的直流50Hz保护优化改进方法，使得直流50Hz保护的性能更加安全、可靠，为保护设计和研究人员提供一种简单高效的工程实用策略。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种涌流闭锁的直流50Hz保护优化改进方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、通过仿真分析比较励磁涌流、和应涌流以及故障电流特征差异性，利用电流特征差异性形成直流50Hz保护闭锁策略；

步骤2、根据步骤1中的闭锁策略，在PSCAD/EMTDC中自定义建立直流50Hz保护闭锁模型；

步骤3、利用由三个单相模型组成的直流50Hz保护闭锁模型组，在各种不同的工况下对步骤1中所形成的闭锁策略进行可靠性验证。

优选的，所述步骤1具体包括以下几个步骤：

步骤1.1、采集直流输电系统高压断路器处三相交流电流i_A、i_B、i_C，并对其进行傅里叶变换分析，提取各自相的基波分量有效值I_A1、I_B1、I_C1和二次谐波分量有效值I_A2、I_B2、I_C2；

步骤1.2、对所提取的各相基波分量有效值I_A1、I_B1、I_C1和二次谐波分量有效值I_A2、I_B2、I_C2进行平滑处理得到处理后的各相基波分量有效值I_A1D、I_B1D、I_C1D和二次谐波分量有效值I_A2D、I_B2D、I_C2D；

步骤1.3、利用如下的差分公式，求取处理后的各相基波分量有效值I_A1D、I_B1D、I_C1D的变化率kI_A1D、kI_B1D、kI_C1D；

其中m＝A、B、C，I_m1D(t)、I_m1D(t+Δt)分别为t与t+Δt时刻的电流基波分量有效值，Δt为采样间隔；

步骤1.4、利用逐一比较法求取处理后的各相基波分量有效值变化率kI_A1D、kI_B1D、kI_C1D的正向最大值M_kIA1D+、M_kIB1D+、M_kIC1D+和负向最大值M_kIA1D-、M_kIB1D-、M_kIC1D-以及正向最大值与负向最大值的比值R_kIA1D、R_kIB1D、R_kIC1D；

步骤1.5、利用步骤1.2中处理后的各相基波分量有效值I_A1D、I_B1D、I_C1D和二次谐波分量有效值I_A2D、I_B2D、I_C2D求取二次谐波含有率R_IA1D,2、R_IB1D,2、R_IC1D,2；

步骤1.6、取V_k作为处理后的各相基波分量有效值变化率的整定值，R_Mk作为处理后的各相基波分量有效值变化率正向最大值与负向最大值比值的整定值，R_I,2作为二次谐波含有率的整定值；

步骤1.7、根据上述步骤1.4、1.5、1.6，以处理后的各相基波分量有效值变化率正向最大值M_kIA1D+、M_kIB1D+、M_kIC1D+和负向最大值M_kIA1D-、M_kIB1D-、M_kIC1D-及其整定值V_k；处理后的各相基波分量有效值变化率正向最大值与负向最大值的比值R_kIA1D、R_kIB1D、R_kIC1D及其整定值R_Mk；二次谐波含有率R_IA1D,2、R_IB1D,2、R_IC1D,2及其整定值R_I,2三者的组合判据来识别励磁涌流、和应涌流和故障电流。

优选的，所述步骤1.7具体包括以下几个步骤：

步骤1.7.1、根据励磁涌流、和应涌流和故障电流的变化特征形成判据，其中m＝A、B、C；

对于励磁涌流有：

对于和应涌流有：

对于故障电流有：

步骤1.7.2、考虑到励磁涌流的特殊性，即三相之间存在相位差导致励磁涌流并不是同时达到最大值，因此需增加附加判据，其中m＝A、B、C。

优选地，步骤1中，所述电流特征差异性是指：励磁涌流波形存在间断角，二次谐波含量较大，合闸时刻瞬间增大并逐渐衰减至稳定；和应涌流波形不存在间断角，二次谐波含量较小，合闸后先缓慢增大随后逐渐衰减至稳定；故障电流波形不存在间断角，二次谐波含量较小，故障时刻瞬间增大并保持至故障恢复。

优选地，步骤1中，形成直流50Hz保护闭锁策略利用电流的基波分量幅值变化率作为主闭锁判据，二次谐波含量和电流基波分量幅值变化率正向最大值与反向最大值的比值作为附加闭锁判据，两者结合起来作为直流50Hz保护闭锁判据，闭锁判据中设置了三个整定值：基波分量有效值变化率的整定值，基波分量有效值变化率正向最大值与负向最大值比值的整定值和二次谐波含有率的整定值。

优选地，步骤1.7中，m＝A、B、C的三个直流50Hz保护闭锁模型必须同时满足闭锁条件，闭锁出口有效。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用了一种波形识别的技术方案，该方案具体通过提取换流变网侧电流中的基波分量、二次谐波分量，以基波分量变化率作为主判据，二次谐波含量作为辅助判据，来达到识别励磁涌流、和应涌流、故障电流的目的；

2、本发明在直流50Hz保护的基础上，增加了基于波形识别的涌流闭锁判据，有效地避免了目前实际直流输电工程中换流变空载合闸时励磁涌流导致直流50Hz保护误动的事故发生；

3、本发明增加的闭锁判据是一种全新的直流50Hz保护闭锁判据，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC实现自定义建模并通过仿真验证。

附图说明

图1为本发明直流50Hz保护PSCAD/EMTDC闭锁模型，其中I为直流高压断路器采集电流接入端口，SE和FU分别为采集电流二次谐波分量有效值和基波分量有效值，Sy、In、Fa分别为和应涌流闭锁信号输出端口、励磁涌流闭锁信号输出端口和故障电流闭锁输出信号，其它端口均为调试端口。

图2为本发明直流50Hz保护PSCAD/EMTDC闭锁模型闭锁逻辑图，其中i_m为直流高压断路器采集电流，其中m＝A、B、C。

图3为本发明直流50Hz保护闭锁模型与50Hz保护时间配合示意图。

图4为本发明直流50Hz保护闭锁模型组与50Hz保护接口示意图，即优化改进直流50Hz保护。

图5为本发明高压直流输电模型示意图，其表示极1换流变空载合闸，极2正常运行的运行情况。

图6为本发明的仿真结果，其中图6(a)为励磁涌流基波分量有效值波形，图6(b)为和应涌流基波分量有效值波形，图6(c)为故障电流基波分量有效值波形。

图7为本发明直流50Hz保护PSCAD/EMTDC闭锁模型仿真输出结果，其中图7(a)为励磁涌流基波分量有效值变化率波形，图7(b)为和应涌流基波分量有效值变化率波形，图7(c)为故障电流基波分量有效值变化率波形，图7(d)为正常情况下电流变化率波形。

图8为本发明直流50Hz保护PSCAD/EMTDC闭锁模型仿真中输出的闭锁出口信号，其中图8(a)中出现励磁涌流闭锁出口信号，图8(b)中出现和应涌流闭锁出口信号，图8(c)中出现故障电流闭锁出口信号。

图9为本发明不同系统阻抗下50Hz保护闭锁校验图，其中：√表示识别正常，×表示识别异常。

图10为本发明不同换流变空载合闸角下50Hz保护闭锁校验图，其中：√表示识别正常，×表示识别异常。

图11为本发明不同剩磁下50Hz保护闭锁校验图，其中：√表示识别正常，×表示识别异常。

图12是本发明优化改进方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

首先，对本发明做一些原理性分析：

一、直流50Hz保护与闭锁模型

50Hz保护又称基频保护，其通过检测换流器中性端电流I_dN、高压直流母线电流I_dH或直流线路电流I_dL中的50Hz分量，来检测换相失败故障、换流器阀短路故障、换流器交流侧相对地短路故障、换流阀的误开通和不开通故障。

对应于同一故障，直流线路电流越大，50Hz的谐波有效值越大，为增强保护的灵敏性，一般采用浮动门槛的保护定值，其保护判据如下：

I_dL(50Hz)>I_setmin+K_setI_dL

其中I_setmin为最小启动电流，其整定主要考虑躲开滤波误差，一般取0.02左右，K_set为比率系数，一般取0.05左右。

50Hz保护闭锁模型与50Hz保护是相互独立的，50Hz保护时间定值完全按照故障情况进行整定，不会受到50Hz保护闭锁模型闭锁时间影响，区内故障和区外故障由50Hz保护本身的选择性进行区分，故障电流与和应涌流由闭锁模型进行识别，两者相互配合则可以有效的防止和应涌流导致50Hz保护误动的情况。

保护闭锁模型识别出励磁涌流、和应涌流和阀区故障电流的时间大约为0.2s，而考虑到50Hz保护动作时间为3s，因此在识别出电流类型之前保护是不会动作的，两者的时间配合情况如图3所示。

二、直流50Hz保护闭锁原理分析

1、电流特征差异性比较分析

从电流波形变化角度：和应涌流的产生包括暂态增大阶段和逐渐衰减阶段，即其幅值先逐渐增加到最大值，后再缓慢衰减至稳定状态。对和应涌流进行FFT分析，发现其基波分量也是先增大到最大而后逐渐减小至稳定；励磁涌流及其基波分量均持续衰减至稳定；当发生换流器交流侧故障时，换流变网侧电流基波分量近似保持不变。

从电流二次谐波含量角度：励磁涌流以及故障电流的二次谐波含量很大，而和应涌流的二次谐波含量较小。

从电流波形间断角的角度：励磁涌流波形含有间断角，但和应涌流和故障电流波形中不存在间断角。

2、闭锁判据形成

根据上述电流特征差异性比较分析，从间断角的有无、二次谐波含量很难区分电流类型，实现和应涌流闭锁，但是其电流变化情况不尽相同，因此基于上述规律，可以通过判断换流变网侧电流的变化过程来识别和应涌流，即采集换流变网侧电流并经过FFT处理后取基波分量幅值变化速率(利用差分求取)。对于数字保护，可以定义换流变网侧电流基波幅值变化速率M(t)：

其中I_b(t)、I_b(t+Δt)分别为t与t+Δt时刻的电流基波分量幅值，Δt为采样间隔。

若找到一个M_ref定值，对于和应涌流，在其暂态增加过程中总有|M(t)|＜M_ref，在其稳定衰减过程中总保持有M(t)＜0；对于励磁涌流，在其发生时刻存在有|M(t)|>M_ref，在衰减过程中总保持有M(t)＜0；对于故障电流，在其发生时刻和恢复时刻都存在有|M(t)|>M_ref，在故障过程中总保持有M(t)≈0；对于正常电流，在整个过程中总有|M(t)|＝0。经仿真验证，M_ref在这里大概可以取100kA/s。

基于以上分析，如图12所示，本实施例提供了一种涌流闭锁的直流50Hz保护优化改进方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过仿真分析比较励磁涌流、和应涌流以及故障电流特征差异性，利用电流特征差异性形成直流50Hz保护闭锁策略；

S2、根据步骤1中的闭锁策略，在PSCAD/EMTDC中自定义建立直流50Hz保护闭锁模型，如图1所示，其闭锁逻辑如图2所示；

S3、利用由三个单相模型组成的直流50Hz保护闭锁模型组，如图4所示，在各种不同的工况下对步骤S1中所形成的闭锁策略进行可靠性验证。

仿真软件PSCAD/EMTDC中高压直流输电模型极1换流变空载合闸操作、极2正常运行，如图5所示，利用电流互感器分别采集高压断路器K1、K2处的三相电流i_m1k、i_m2k，其中m＝A、B、C，经过FFT处理后得到基波分量有效值I_m1k,1、I_m2k，1以及二次谐波分量有效值I_m1k,2、I_m2k，2，其中m＝A、B、C，基波分量有效值波形如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，根据电流基波分量有效值波形，以及二次谐波含量，分析比较电流特征差异性，并利用其差异性在PSCAD/EMTDC中自定义建立直流50Hz保护闭锁模型，将基波分量有效值I_m1k,1、I_m2k，₁以及二次谐波分量有效值I_m1k,2、I_m2k，₂，其中m＝A、B、C，接入到直流50Hz保护闭锁模型输入端口，可输出基波分量有效值变化率波形，如7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)所示，输出出口信号如8(a)、图8(b)、图8(c)所示。

改变系统的运行工况，即分别改变交流系统强弱、换流变空载合闸角、换流变剩磁等，验证所获得一种涌流闭锁的直流50Hz保护优化改进策略的可靠性，验证结果如图9、图10、图11所示。

其中，所述步骤1具体包括以下几个步骤：

步骤1.1、采集直流输电系统高压断路器处三相交流电流i_A、i_B、i_C，并对其进行傅里叶变换分析，提取各自相的基波分量有效值I_A1、I_B1、I_C1和二次谐波分量有效值I_A2、I_B2、I_C2；

步骤1.2、对所提取的各相基波分量有效值I_A1、I_B1、I_C1和二次谐波分量有效值I_A2、I_B2、I_C2进行平滑处理得到处理后的各相基波分量有效值I_A1D、I_B1D、I_C1D和二次谐波分量有效值I_A2D、I_B2D、I_C2D；

步骤1.3、利用如下的差分公式，求取处理后的各相基波分量有效值I_A1D、I_B1D、I_C1D的变化率kI_A1D、kI_B1D、kI_C1D；

其中m＝A、B、C，I_m1D(t)、I_m1D(t+Δt)分别为t与t+Δt时刻的电流基波分量有效值，Δt为采样间隔；

步骤1.4、利用逐一比较法求取处理后的各相基波分量有效值变化率kI_A1D、kI_B1D、kI_C1D的正向最大值M_kIA1D+、M_kIB1D+、M_kIC1D+和负向最大值M_kIA1D-、M_kIB1D-、M_kIC1D-以及正向最大值与负向最大值的比值R_kIA1D、R_kIB1D、R_kIC1D；

步骤1.5、利用步骤1.2中处理后的各相基波分量有效值I_A1D、I_B1D、I_C1D和二次谐波分量有效值I_A2D、I_B2D、I_C2D求取二次谐波含有率R_IA1D,2、R_IB1D,2、R_IC1D,2；

步骤1.6、取V_k作为处理后的各相基波分量有效值变化率的整定值，R_Mk作为处理后的各相基波分量有效值变化率正向最大值与负向最大值比值的整定值，R_I,2作为二次谐波含有率的整定值；

步骤1.7、根据上述步骤1.4、1.5、1.6，以处理后的各相基波分量有效值变化率正向最大值M_kIA1D+、M_kIB1D+、M_kIC1D+和负向最大值M_kIA1D-、M_kIB1D-、M_kIC1D-及其整定值V_k；处理后的各相基波分量有效值变化率正向最大值与负向最大值的比值R_kIA1D、R_kIB1D、R_kIC1D及其整定值R_Mk；二次谐波含有率R_IA1D,2、R_IB1D,2、R_IC1D,2及其整定值R_I,2三者的组合判据来识别励磁涌流、和应涌流和故障电流。

其中，所述步骤1.7具体包括以下几个步骤：

步骤1.7.1、根据励磁涌流、和应涌流和故障电流的变化特征形成判据，其中m＝A、B、C；

对于励磁涌流有：

对于和应涌流有：

对于故障电流有：

步骤1.7.2、考虑到励磁涌流的特殊性，即三相之间存在相位差导致励磁涌流并不是同时达到最大值，因此需增加附加判据，其中m＝A、B、C。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。