计及混合直流馈入的交流系统距离保护性能评价方法与流程

本发明涉及混合多馈入直流输电系统对距离保护评价方法，具体指一种在柔性直流输电系统和常规直流输电系统的混合馈入方式下，交流电网发生故障时距离保护的动作特性分析评价方法，属于电力系统分析技术领域。

背景技术：

近年来随着西电东送，全球互联的能源互联网战略实施，高压直流输电工程在我国得到快速的发展，包含常规直流输电及柔性直流输电的交直流混合输电系统已逐步形成。常规直流输电在实现远距离、大容量、非同步电网互联等方面具有独特的优势，而柔性直流输电在新能源并网、无源系统供电等方面具有应用优点，但由于不同类型直流系统各自特有的运行特性，导致交直流混联电网在故障时会产生复杂的电气特征，从而影响交流电网保护特性，使电力系统故障时电气特征量进一步复杂化，现有电网的继电保护装置在交直流混联系统中的适用性面临挑战。

距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离(或阻抗)，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置，距离阻抗继电器可根据其流过保护安装处的电压和电流计算得到测量阻抗值，若短路点距离保护安装点越近，其距离阻抗就越小；反之，若短路点距离保护安装点越远，其测量阻抗越大。距离保护大量应用于110kV以上线路，作为后备保护使用。

现有关于混合多馈入直流输电系统的研究多基于对其本身控制系统的研究，涉及直流馈入下交流电网侧故障特征研究也只关注于单独一种直流输电系统对交流系统故障特征量的影响，而针对混合直流输电系统共同作用下的交流故障特征量计算和保护动作特性评价则鲜有研究，无法满足混合多馈入交直流混合电网安全运行的需求。对于交流系统的距离保护而言，在两种直流同时馈入的情况下，缺少一种对现有交流系统距离保护动作特性影响分析的评价方法。

技术实现要素：

针对现有技术在两种直流同时馈入情况下不能对现有交流系统距离保护动作特性影响分析评价的不足，本发明的目的在于提出一种含混合多馈入直流的交直流混联电网距离保护动作特性的评价方法，本方法能够计及交流系统故障下常规直流输电和柔性直流输电对距离保护测量阻抗的影响。

本发明的技术方案是这样实现的：

计及混合直流馈入的交流系统距离保护性能评价方法，包括如下步骤：

步骤1：将直流输电线路按其控制特性等效成受控电流源，建立混合直流馈入下交流系统的故障等效电路；

具体按如下方法建立，故障发生前，常规直流输电系统和柔性直流输电系统的注入电流保持恒定，将常规直流输电系统、柔性直流输电系统等效为恒流源，形成故障发生前的正序阻抗网络；故障发生后，将网络分解成正常网络以及故障分量网络；其中，故障后的网络中将常规直流输电系统等效为受其逆变侧交流母线电压控制的受控电流源，将柔性直流输电系统等效为受直流电压和有功无功功率参考值共同控制的受控电流源；则将故障分量网络中的柔性直流输电系统与常规直流输电系统视为故障后等值形成的受控电流源模型减去故障前网络中的恒流源模型；

步骤2：计算混合直流馈入对距离保护性能的评价指标，确定距离保护动作性能；

对于网络中任一线路ij上的距离保护，混合直流馈入对距离保护性能评价指标的计算流程为：

步骤2.1：故障发生前，母线i处距离保护测量阻抗为：

母线电压由下式计算：

由此可解得故障发生前母线i,j的电压；

步骤2.2：当网络中任意母线节点k发生三相金属性短路时，根据步骤1得到的混合直流馈入下交流系统的故障等效电路，计算保护安装处测量阻抗的值；

其中故障分量网络中母线电压由下式计算：

其中，由暂态分析原理计算得到短路电流大小为：

由此解得故障分量网络中，节点i，j处电压变化量；

故障分量网络中线路ij上电流的变化量表示为：

因此，系统发生三相金属性短路后线路ij上i处距离保护测量阻抗为：

步骤2.3：混合直流馈入对距离保护性能的评价指标为：

当k_Zr＞1时，即Z_r1＞Z_r2，故障后测量阻抗的值减小，测量阻抗更容易落在阻抗整定值内，混合直流馈入可能造成距离保护误动；反之则距离保护可能拒动；

上述公式中各参数的含义是：

Z_r1：故障发生前母线i处保护测量阻抗；

故障发生前常规直流系统输出电流；

故障发生前柔性直流输出电流；

交流电网电动势；

Z_eq：交流电网等效阻抗；

Z₂：线路ij的线路阻抗；

Y_ii：网络节点i处自导纳；

Y_jj：网络节点j处自导纳；

Y_kk：网络节点k处自导纳；

Y_ij：网络节点ij间的互导纳；

Y_ik：网络节点ik间的互导纳；

Y_kj：网络节点kj间的互导纳；

节点i处电压矢量；

节点j处电压矢量；

节点k处电压矢量；

线路ij上的电流矢量；

节点i处电压变化量；

节点j处电压变化量；

节点k处电压变化量；

线路ij上电流变化量；

故障后常规直流系统输出电流；

故障后柔性直流系统输出电流；

短路电流；

故障发生前瞬间故障点电压；

x_Σ：发生短路时网络对短路点的等值电抗；

Z_r2：故障发生后母线i处测量阻抗；

混合直流馈入对距离保护性能评价指标。

在步骤1中，柔性直流输电系统和常规直流输电系统的等效受控电流源模型分别由如下方法得到：

(1)柔性直流输电系统等效受控电流源模型

对于柔性直流输电线路，在电网故障下等值为一个由换流站控制模式决定的交流侧电压控制的电流源，其控制方程为：

其中，p：柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率；

q：柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率；

u_d：d轴以电网电压向量定位时的d轴电压；

i_d：两相旋转坐标系下的d轴电流；

i_q：两相旋转坐标系下q轴电流；

(2)常规直流输电系统等效受控电流源模型

独立单馈入常规直流输电系统输出电流受其交流母线电压及直流输电系统本身相关参数控制，其数学模型描述为：

当不计换相影响时，常规直流输电系统逆变侧基波电流有效值为

其中，I_d1：常规直流系统输出电流；

U₁：常规直流输电系统交流母线电压；

γ₁：关断角；

u₁：换相重叠角；

T₁：换流变压器变比；

X_T1：换流变压器漏抗；

当交流系统发生扰动或故障时，直流控制系统应尽量使直流功率或直流电流稳定在设定值；根据其调节方式，对于逆变侧交流系统而言，常规直流输电系统可以等效为一个由换流变压器交流测母线电压控制的可控电流源。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明根据不同直流输电系统的特点将两种直流输电系统等效成不同的受控电流源，形成含混合直流馈入的交流电网等值模型，根据叠加原理计算出交流系统各保护安装处电压与电流的变化，得到各个保护安装处的测量阻抗，为现有保护安装处的距离保护动作特性提供评价方案。

本发明提供了一种在柔性直流输电系统与常规直流输电系统的共同作用下，交流系统发生故障时的故障分析网络，弥补了当前混合多馈入直流输电系统等值电路模型的欠缺。本方法考虑了柔性直流输电、常规直流输电以及故障电流对保护安装处测量阻抗的影响，反映了故障时电气特征量在多种不同类型直流馈入作用下的变化情况。常规直流输电系统和柔性直流输电系统经过对其数学模型的等值，便于与传统交流系统等值电路模型互联，便于采用叠加定理求解发生故障时保护安装处电压电流的变化量，计算得到距离保护继电器所测得的阻抗有较高的精度，能够为交流系统距离保护动作特性提供可靠的评价方案。

附图说明

图1-混合多馈入直流输电系统与交流系统相连时的故障分析网络图。其中图1(a)为故障发生前系统等效网络图；图1(b)为故障发生后系统等效网络图；图1(c)为故障分量网络图。

图2-本发明的交流系统距离保护动作特性评价方案计算流程图。

图3-一个含柔性直流输电系统和常规直流输电系统的简单3节点网络发生交流系统短路时的系统图。其中图3(a)为故障发生前系统等效电路图；图3(b)为故障发生后系统等效电路图；图3(c)为故障分量网络图。

具体实施方式

本发明包含混合多馈入直流系统作用下交流系统距离保护动作特性的评价方法，首先将常规直流输电系统和柔性直流输电系统分别按其各自运行特性等效成受控电流源，再利用暂态分析原理计算交流系统故障处短路电流，然后得到交流系统发生故障时的等效电路图，由故障分量网络图计算发生故障时保护安装处特征量的变化量。最后基于叠加定理来求解距离保护安装处的故障特征量并给出对距离保护动作特性的评价。

其中柔性直流输电系统和常规直流输电系统的等效受控电流源模型分别由如下方法得到：

(1)柔性直流输电系统等效受控电流源模型

对于柔性直流输电线路，在电网故障下等值为一个由换流站控制模式决定的交流侧电压控制的电流源，其控制方程为：

上述受控源等值模型能够动态反应换流站指令值的影响，不仅可以反应正常故障初始状态的作用，还能计及换流站控制对电网故障特征量的改变。

(2)常规直流输电系统等效受控电流源模型

独立单馈入常规直流输电系统输出电流受其交流母线电压及直流输电系统本身相关参数控制，其数学模型可描述为：

当不计换相影响时，常规直流输电系统逆变侧基波电流有效值为

当交流系统发生扰动或故障时，直流控制系统应尽量使直流功率或直流电流稳定在设定值。根据其调节方式，对于逆变侧交流系统而言，常规直流输电系统可以等效为一个由换流变压器交流测母线电压控制的可控电流源。

上述公式中各参数的含义是：

p：柔性直流输电系统与交流系统交换的有功功率；

q：柔性直流输电系统与交流系统交换的无功功率；

u_d：d轴以电网电压向量定位时的d轴电压；

i_d：两相旋转坐标系下的d轴电流；

i_q：两相旋转坐标系下q轴电流；

I_d1：常规直流系统输出电流；

U₁：常规直流输电系统交流母线电压；

γ₁：关断角；

u₁：换相重叠角；

T₁：换流变压器变比；

X_T1：换流变压器漏抗。

图1是混合多馈入直流输电系统与交流系统相联时的故障分析网络图；其中图1(a)为故障发生前系统等效网络图；图1(b)为故障发生后系统等效网络图；图1(c)为故障分量网络图。

图2评价混合多馈入直流输电系统对距离保护影响特性的计算流程图。

图3是一个含柔性直流输电系统和常规直流输电系统的简单3节点网络发生交流系统短路时的系统图。其中图3(a)为故障发生前系统等效电路图；图3(b)为故障发生后系统等效电路图；图3(c)为故障分量网络图。

下面结合图2所示的计算流程对图3所示的含柔性直流输电系统和常规直流输电系统的简单3节点网络母线i处安装的距离保护动作特性进行评价。

1、输入常规直流输电系统参数、柔性直流输电系统参数及交流电网结构参数

常规直流输电系统参数包括换流变压器漏抗、换流变压器变比、换流器换相重叠角、关断角、换流变压器电抗标么值、直流线路额定电流、越前触发角；柔性直流输电系统参数包括电压利用系数、系统直流电压、换流站输出电压与系统电压夹角；输入交流电网系统参数包括各节点间的互阻抗、额定电压、额定电流、额定容量、正序阻抗之和。

2、输入电力系统故障位置：故障位置可为网络任意位置。

3、计算柔性直流、常规直流及交流系统单独作用下短路电流大小，形成故障分析网络图，计算保护安装处电压、电流的变化量。

4、计算含柔性直流输电系统和常规直流输电系统的交流系统母线i处测量阻抗。

计算故障发生前，母线i处距离保护测量阻抗：

母线电压可由下式计算：

由此可解得故障发生前母线i,j的电压为：

当网络中任意母线k发生三相短路，将网络分解成图3(b)所示的正常网络以及图3(c)所示的故障分量网络。然后求取母线k发生三相金属性短路之后，保护安装处测量阻抗的值。

由叠加定理可知，节点k发生三相金属性短路后，可将网络分解成图3(b)所示的正常网络以及图3(c)所示的故障分量网络。由于发生故障后，网络节点电压发生变化，由两种直流输电系统的系统特性可知，可在故障后的网络中将常规直流输电系统等效为受其逆变侧交流母线电压控制的受控电流源，将柔性直流输电系统等效为受直流电压和有功无功功率参考值共同控制的受控电流源。

故障后的网络可以视作正常网络与故障分量网络的叠加，所以故障分量网络中的柔性直流输电系统与常规直流输电系统可视为故障后等值形成的受控电流源模型减去故障前网络中的恒流源模型。

因此，在图3(c)所示的故障分量网络中，可以将式(5)改写为：

其中，由暂态分析原理可计算得到短路电流大小为：

由此可解得故障分量网络中，节点i，j处电压变化量如下：

又因为故障分量网络中线路ij上电流的变化量可表示为：

因此，系统发生三相金属性短路后线路ij上i处距离保护测量阻抗可写成：

上述按故障分量网络分别计算故障前后保护安装处的测量阻抗的方法，不仅从原理上简单易行，同时也计及了常规直流输电系统与柔性直流输电系统馈入时，对距离保护安装点故障特征量的影响。

5、计算混合直流馈入对距离保护影响的评价指标为：

当k_Zr＞1时，即Z_r1＞Z_r2，故障后测量阻抗的值减小，直流馈入可能造成距离保护误动；反之则可以拒动。此外，k_Zr除了能够直接反应直流馈入对距离保护的影响，节点i、j的故障分量电压决定于直流系统的故障响应，还能计及直流系统控制和保护的作用。

上述公式中各参数的含义是：

Z_r1：故障发生前母线i处保护测量阻抗；

故障发生前常规直流系统输出电流；

故障发生前柔性直流输出电流；

交流电网电动势；

Z_eq：交流电网等效阻抗；

Z₂：线路ij的线路阻抗；

Z₃：线路ik的线路阻抗；

节点i处电压矢量；

节点j处电压矢量；

节点k处电压矢量；

线路ij上的电流矢量；

节点i处电压变化量；

节点j处电压变化量；

节点k处电压变化量；

线路ij上电流变化量；

故障后常规直流系统输出电流；

故障后柔性直流系统输出电流；

交流电网短路电流；

故障发生前瞬间故障点电压；

x_Σ：发生短路时网络对短路点的等值电抗；

Z_r2：故障发生后母线i处测量阻抗；

混合直流馈入对距离保护性能评价指标。

若在交流系统有柔性直流输电与常规直流输电馈入后，若保护安装处测量阻抗有所减小，则其距离保护灵敏度计算结果有所上升，测量阻抗更容易落在阻抗整定圆内，作为非故障线路的后备保护，距离保护容易发生误动。

本发明利用混合多馈入直流输电系统本身的特性将故障前的常规直流输电系统、柔性直流输电系统等效为恒流源，将故障后常规直流输电系统、柔性直流输电系统等效为受控电流源，并在故障分量网络中将常规直流输电系统、柔性直流输电系统等效成故障后正常情况网络中的受控电流源模型减去故障前网络中的恒流源模型。并在故障点用暂态原理求得短路电流，从而利用叠加定理来求解故障分量网络中保护安装处电压、电流的变化量，进一步求得其测量阻抗，校验保护灵敏度，可弥补传统电力系统等效模型中对混合多馈入直流输电系统模型以及与之相连的交流系统中距离保护动作特性评价方案的欠缺。

本发明以混合多馈入直流输电系统为对象，考虑了柔性直流输电灵活的功率调节特性，计及了常规直流输电系统逆变侧交流母线电压对其输出电流的影响。保护安装处电压电流的变化量由常规直流输电系统、柔性直流输电系统以及交流系统故障电流共同作用产生，从而可以进一步求得保护安装处测量阻抗，根据其灵敏度对保护的动作特性给出评价。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。