基于暂态能量的MMC-HVDC的直流短路故障的检测方法与流程

基于暂态能量的mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法
技术领域
[0001]
本发明涉及柔性直流电网故障保护领域，更具体地说是一种应用于多端柔性直流电网中的直流故障快速检测方法。


背景技术：

[0002]
为了解决日益凸显的能源短缺问题，对太阳能和风能等新能源的开发和利用具有重要意义。而我国幅员辽阔，新能源分布广泛，且能源和负荷分布不均衡，因此需要一种远距离输电损耗小、稳定性高且有较好的新能源吸纳能力的输电技术，而基于模块化多电平换流器的柔性直流电网(mmc-hvdc-grid)技术为这一问题提供了解决方案。
[0003]
而为了实现直流电网的安全稳定运行，对其故障保护系统的设计就成为了关键。直流短路故障是直流电网中的主要故障类型之一，其对于直流电网系统的危害最大。由于直流电网系统具有低阻尼的特性，使得直流短路故障发生后故障电流的发展速度极快，通常故障电流能在几个毫秒内达到数倍于额定电流的水平，若不加以保护会对整个系统造成极大的破坏。故障保护系统检测时间越短，则故障电流越小，故障切除的难度越低，对系统的保护越有利，因此故障检测方法在柔直系统的保护中有着重要的作用。
[0004]
而现有的适用于直流电网的故障检测方法较少，且存在阈值整定困难，对硬件设备要求高等诸多问题。并且多数检测方法需要采集两端的信息，对通信速率要求高，存在检测速度慢的缺陷。


技术实现要素：

[0005]
本发明是为解决上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于暂态能量mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法，以期能利用换流站子模块电容和直流电感的暂态能量构成检测判据，从而在瞬时内即可实现故障检测和故障线路的定位，且易于整定，对雷击等干扰因素的抵抗能力较强。
[0006]
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0007]
本发明一种基于暂态能量的mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法的特点是按如下步骤进行：
[0008]
步骤1、根据mmc-hvdc换流站的桥臂电容以及各支路直流电感的暂态能量构建暂态能量向量和故障检测判据；
[0009]
步骤2、根据所述暂态能量向量的变化是否超过阈值来进行故障判断，若超过阈值，则启动所述故障检测判据并执行步骤3；否则，不启动所述故障检测判据；
[0010]
步骤3、若区间定位判据大于设定值，则判断为区内故障；否则为区外故障；
[0011]
步骤4、对于送端，若线路的故障线路选择判据大于设定值，则判断相应线路发生故障；否则，表示相应线路没有故障；
[0012]
对于受端，若线路的故障线路选择判据小于设定值，则确定相应线路发生故障；否则，表示相应线路没有故障；
[0013]
步骤5、对于送端，若相应线路的直流短路故障识别判据大于设定值，则确定发生直流短路故障；否则，表示发生功率波动或雷击故障；
[0014]
对于受端，若相应线路的直流短路故障识别判据小于设定值，则确定发生直流短路故障；否则，表示发生功率波动或雷击故障。
[0015]
本发明所述的基于暂态能量的mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法的特点是，所述步骤1是按如下过程构建暂态能量向量：
[0016]
步骤1.1、利用式(1)和式(2)分别计算换流站桥臂电容的暂态能量和换流站各支路的直流电感的暂态能量
[0017][0018][0019]
式(1)和式(2)中：u
c
为故障后换流站相桥臂投入的子模块的电容两端的电压；i
dc
为故障后直流侧线路的电流；u
c0
为故障前稳态时换流站相桥臂投入的子模块的电容两端的电压；i
dc0
为故障前稳态时直流侧线路的电流；c
eq
为换流器桥臂等效电容参数；l
dc
为直流电感参数；
[0020]
步骤1.2、以换流站桥臂电容的暂态能量和换流站各支路的直流电感的暂态能量为基向量，利用式(3)构建暂态能量向量e：
[0021][0022]
式(3)中，表示换流站桥臂电容的暂态能量基向量，表示与换流站直接相连的第n个支路的直流电感的暂态能量基向量；n∈[1,n]；n表示与换流站直接相连的支路总数；
[0023]
步骤1.3、利用式(3)构建暂态能量e的模值|e|：
[0024][0025]
步骤1.4、当故障发生时，则利用式(5)得到暂态能量e的变化程度δe的模值|δe|：
[0026][0027]
步骤1.5、利用式(6)得到换流站第n个支路的直流电感暂态能量基向量的余弦值
[0028][0029]
式(6)中，e
′
为暂态能量向量e投影到与换流站直接相连的相邻两条支路的暂态能量基向量构成的平面所得的分量；为直流电感暂态能量基向量与分量e
′
的夹角；
[0030]
步骤1.6、利用式(7)得到电容的暂态能量基向量的余弦值cosθ：
[0031][0032]
式(7)中，θ为暂态能量基向量与暂态能量向量e的夹角；
[0033]
步骤1.7、利用换流站桥臂电容的暂态能量和换流站各个支路的直流电感暂态能量以及式(5)、式(6)、式(7)构建故障检测判据。
[0034]
所述步骤2中，若故障后流过电感的电流方向发生改变，则利用式(8)来判断所述暂态能量向量的变化是否超过阈值；
[0035]
若故障后流过电感的电流方向未发生改变，则利用式(9)来判断所述暂态能量向量的变化是否超过阈值；
[0036][0037][0038]
式(8)和式(9)中，和分别表示与换流站直接相连的第n个支路的直流电感暂态能量的上限阈值和下限阈值。
[0039]
所述步骤3中，若满足式(10)，则表示发生区内故障，否则，表示发生区外故障：
[0040]
δ|δe|＝|δe|
2-|δe|1＞δ|δe|
th
ꢀꢀꢀ
(10)
[0041]
式(10)为区间定位判据，其中，δ|δe|表示暂态能量向量e的变化程度δe的模值|δe|的变化率，δ|δe|
th
是变化率的阈值。
[0042]
所述步骤4中，若故障后流过电感的电流方向发生改变，则当式(11)成立时，表示相应线路的电流大于其他线路的电流，并判断相应线路发生故障；
[0043]
若故障后流过电感的电流方向未发生改变，则当式(11)不成立时，表示相应线路的电流大于其他线路的电流，并判断相应线路发生故障：
[0044][0045]
式(11)为故障线路选择判据，其中，cls表示故障线路选择判断式；m表示故障后数据采样总数；表示第k次采样所得k∈[1,m]；cls0为稳定状态下的cls的值，并有：
[0046][0047]
式(12)中，r是连接到dc母线的分支数量。
[0048]
所述步骤5中，对于送端，若满足式(13)，则表示相应线路发生直流短路故障；否则，表示发生功率波动或雷击故障；
[0049]
对于受端，若满足式(13)，则表示发生功率波动或雷击故障；否则，表示相应线路发生直流短路故障；
[0050]
[0051]
式(13)为直流短路故障识别判据，其中，csf表示直流短路故障判断式；m表示故障后数据采样总数；θ
k
表示第k次采样所得θ；k∈[1,m]；csf0为稳定状态下csf的值，并有：
[0052][0053]
式(14)中，r表示连接到dc母线的分支数量。
[0054]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0055]
1、本发明基于暂态能量，利用换流站内的电容暂态能量和直流线路电感暂态能量的变化共同判断故障。通过构建暂态能量向量及相应的故障检测判据，依次确定故障所在区间、故障所在线路，并排除功率波动和雷击故障。克服了现有技术中阈值整定困难，对硬件设备要求高等问题，提高了检测速度，降低了对采样设备的要求，且原理简单，可靠性高，不易受到雷击等因素干扰，适用于复杂的多端直流电网。
[0056]
2、本发明是基于单端量的故障检测，不需要站间通信，既可以减少故障保护动作时间，又可以简化故障保护系统。
附图说明
[0057]
图1为现有技术中mmc-hvdc示意图；
[0058]
图2为本发明暂态能量向量图；
[0059]
图3为本发明电感暂态能量变化范围图；
[0060]
图4为本发明不同线路故障时换流站1的|δe|的变化率图；
[0061]
图5为本发明线路故障时直流电感的角度的余弦值图；
[0062]
图6为本发明mmc-hvdc直流短路故障的检测流程图；
[0063]
图7为本发明故障点设置图；
[0064]
图8为本发明检测总时间图。
具体实施方式
[0065]
本实施例中，mmc-hvdc是模块化多电平换流器型(modular multilevel converter，mmc)的高压直流输电系统(high voltage direct current grid，hvdc)，具有可控性好、电能质量高等诸多优点，相比于传统直流输电技术更适合用于发展多端直流电网。以2020年投运的张北mmc-hvdc为例，其直流电网结构如图1所示。由于直流输电系统的低阻尼特性，保护系统需要在极短的时间内迅速完成故障检测和故障切除。因此，保护难度更大，对保护设备的要求更高。
[0066]
一种基于暂态能量的mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法是按如下步骤进行：
[0067]
步骤1、根据mmc-hvdc换流站的桥臂电容以及各支路直流电感的暂态能量构建暂态能量向量和故障检测判据；
[0068]
具体实施中，是如下过程构建暂态能量向量：
[0069]
步骤1.1、利用式(1)和式(2)分别计算换流站桥臂电容的暂态能量和换流站各支路的直流电感的暂态能量
[0070][0071][0072]
式(1)和式(2)中：u
c
为故障后换流站相桥臂投入的子模块的电容两端的电压；i
dc
为故障后直流侧线路的电流；u
c0
为故障前稳态时换流站相桥臂投入的子模块的电容两端的电压；i
dc0
为故障前稳态时直流侧线路的电流；c
eq
为换流器桥臂等效电容参数；l
dc
为直流电感参数；
[0073]
步骤1.2、以换流站桥臂电容的暂态能量和换流站各支路的直流电感的暂态能量为基向量，利用式(3)构建暂态能量向量e，如图2所示：
[0074][0075]
式(3)中，表示换流站桥臂电容的暂态能量基向量，表示与换流站直接相连的第n个支路的直流电感的暂态能量基向量；n∈[1,n]；n表示与换流站直接相连的支路总数；
[0076]
步骤1.3、利用式(3)构建暂态能量e的模值|e|：
[0077][0078]
步骤1.4、当故障发生时，则利用式(5)得到暂态能量e的变化程度δe的模值|δe|：
[0079][0080]
步骤1.5、利用式(6)得到换流站第n个支路的直流电感暂态能量基向量的余弦值
[0081][0082]
式(6)中，e
′
为暂态能量向量e投影到与换流站直接相连的相邻两条支路的暂态能量基向量构成的平面所得的分量，如图2所示；为与e
′
的夹角。
[0083]
步骤1.6、利用式(7)得到换流站桥臂电容的暂态能量基向量的余弦值cosθ：
[0084][0085]
式(7)中，θ为与e的夹角。
[0086]
步骤1.7、利用换流站桥臂电容的暂态能量和换流站各个支路的直流电感暂态能量以及式(5)、式(6)、式(7)构建故障检测判据。
[0087]
步骤2、根据暂态能量向量的变化是否超过阈值来进行故障判断，若超过阈值，则
启动故障检测判据并执行步骤3；否则，不启动故障检测判据；
[0088]
具体实施中，是按如下过程启动故障判据：
[0089]
若故障后流过电感的电流方向发生改变，则利用式(8)来判断暂态能量向量的变化是否超过阈值；
[0090]
若故障后流过电感的电流方向未发生改变，则利用式(9)来判断暂态能量向量的变化是否超过阈值；
[0091][0092][0093]
式(8)和式(9)中，和分别表示与换流站直接相连的第n个支路的直流电感暂态能量的上限阈值和下限阈值。
[0094]
启动标准应该能够区分非故障状态。根据gb/t 37015.1-2018的标准，柔性直流输电系统必须具有以额定直流输出功率的1.1倍工作至少1分钟的能力。对于大多数灵活的传输系统，如果可以很好地控制直流电压，则在稳态下其直流电流不应超过1.1pu。因此，将
±
10％用作电流波动界限，然后根据式(2)，可获得相应的电感暂态能量极限作为故障检测启动的阈值。一旦超过这个值，就立即启动故障判断流程，其示意图如图3所示。
[0095]
步骤3、若区间定位判据大于设定值，则判断为区内故障；否则为区外故障；
[0096]
本实施例中是按如下过程判断区内外故障：
[0097]
发生故障后，在不同线路故障下换流站的|δe|如图4所示。
[0098]
若满足式(10)，则表示发生区内故障，否则表示发生区外故障：
[0099]
δ|δe|＝|δe|
2-|δe|1＞δ|δe|
th
ꢀꢀꢀ
(10)
[0100]
式(10)为区间定位判据，其中，δ|δe|表示暂态能量向量e的变化程度δe的模值|δe|的变化率，δ|δe|
th
是变化率的阈值。
[0101]
步骤4、对于送端，若某线路的故障线路选择判据大于设定值，则判断该线路发生故障；否则，该线路没有故障；
[0102]
对于受端，若某线路的故障线路选择判据小于设定值，则确定该线路发生故障；否则，该线路没有故障；
[0103]
本实施例中按如下过程判断发生故障的线路：
[0104]
用于识别故障线路。对于连接到同一换流站的不同支路，当在其中一条线路发生直流短路故障时，余弦值的变化如图5所示。
[0105]
若故障后流过电感的电流方向发生改变，则当式(11)成立时，表示相应线路的电流大于其他线路的电流，并判断相应线路发生故障；
[0106]
若故障后流过电感的电流方向未发生改变，则当式(11)不成立时，表示相应线路的电流大于其他线路的电流，并判断相应线路发生故障：
[0107][0108]
式(11)为故障线路选择判据，其中，cls表示故障线路选择判断式；m表示故障后数据采样总数；表示第k次采样所得k∈[1,m]；cls0为稳定状态下的cls的值，并有：
[0109][0110]
式(12)中，r是连接到dc母线的分支数量。对于一条直流母线上连接有两个分支的高压直流输电系统，cls0为0.707。
[0111]
步骤5、对于送端，若该线路的直流短路故障识别判据大于设定值，则确定发生直流短路故障；否则，表示发生功率波动或雷击故障；
[0112]
对于受端，若该线路的直流短路故障识别判据小于设定值，则确定发生直流短路故障；否则，表示发生功率波动或雷击故障。
[0113]
本实施例中是按如下过程排除故障干扰：
[0114]
对于送端，若满足式(13)，则表示相应线路发生直流短路故障；否则，表示发生功率波动或雷击故障；
[0115]
对于受端，若满足式(13)，则表示发生功率波动或雷击故障；否则，表示相应线路发生直流短路故障；
[0116][0117]
式(13)为直流短路故障识别判据，其中，csf表示直流短路故障判断式；m表示故障后数据采样总数；θ
k
表示第k次采样所得θ；k∈[1,m]；csf0为稳定状态下csf的值，并有：
[0118][0119]
式(14)中，r表示连接到dc母线的分支数量。对于有两条支路与直流母线直接相连的系统，csf0为0.577。
[0120]
本实施例中故障检测过程如图6所示。
[0121]
本实施例中针对图1所示的四端柔性直流电网进行仿真，过程如下：
[0122]
用pscad平台基于张北mmc-hvdc项目的系统参数构建了一个4端pscad仿真模型，设置了14个单极对地短路故障来测试所提出的方法，如图7所示。
[0123]
针对图1所示四端柔性直流电网，以换流站1作为实验对象，设计其故障检测启动阈值和区间定位判据的整定值并验证基于暂态能量的mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法的快速性和可靠性。采用pscad作为仿真实验平台，实施方法如下：
[0124]
故障启动阈值整定及检测系统的设置如表2所示，区间定位判据整定原则如表3所示，其中，λ表示判据的阈值，m1～m14表示从故障1到故障14发生故障后6ms内δ|δe|的最大值。区间定位判据的设定结果如表4所示。
[0125]
表2检测系统设置
[0126]
采样频率20khz故障启动阈值(0,0.81)∪(1.21,+∞)采样次数15
[0127]
表3系统区间判据整定原则
[0128]
换流站线路1整定原则线路2整定原则cs1m14<λ<m4m2<λ<m12
cs2m1<λ<m5m13<λ<m3cs3m4<λ<m14m12<λ<m2cs4m5<λ<m1m3<λ<m13
[0129]
表4区间判据整定
[0130]
换流站线路1判据整定线路2判据整定cs10.080.50cs21.460.03cs30.150.02cs40.050.14
[0131]
本实施例的检测结果如图8所示：
[0132]
图8中f1～f14表示14个故障点，对应于图7中1～14。b1～b3是其他类型的故障，对应于线路1的雷击故障，功率波动和交流短路故障。从图8可以看出，两端均成功识别了全部14个故障，并且大多数检测都在故障发生后1.5毫秒内完成。b1～b3的对应值全部为0，这意味着系统没有跳闸。因此，其他类型的故障(如雷击故障)不会影响检测系统。
[0133]
本发明基于暂态能量向量构建了故障检测判据，建立了基于暂态能量的mmc-hvdc的直流短路故障的检测方法。张北系统pscad仿真模型的仿真结果表明，该方法具有检测速度快，适应多端直流电网复杂结构，设备要求低，易于实现的特点。