适用新能源接入的直流输电网区域保护系统及实现方法与流程

本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种适用新能源接入的直流输电网区域保护系统。

背景技术：

多端直流输电(Multi-terminal HVDC，MTDC)是直流电网发展的初级阶段，是由 3个以上换流站，通过串联、并联或混联方式连接起来的输电系统，能够实现多电源供电和多落点受电。多端直流输电系统可以解决多电源供电或多落点受电中电力传输、无功电压控制等技术问题，还可以联络多个交流系统或将交流系统分成多个孤立运行的电网对电力系统的灵活运行具有十分重要的意义。

多电压等级多端直流输电网包含换流站、交流系统、直流变压器和直流输电线路四大部分，其中任何一部分发生故障都有可能影响到整个直流输电系统运行的可靠性及有关设备的安全。当直流输电系统所连接的交流输电系统或者直流输电系统发生故障时，系统中各个设备或组件都有可能承受过电压、过电流、过热等不正常应力。如果没有及时有效的保护，可能会迫使整个系统退出运行，甚至会损坏换流站及直流变换器中最昂贵的全控电力电子器件或其他重要部件，由此造成系统不能快速恢复运行，给用户造成更大的经济损失。

多电压等级直流输电网中任何一部分发生故障都有可能影响设备安全，及整个直流输电系统运行的可靠性。必要的继电保护配置方法可保证直流输电网的安全、稳定运行。在故障后能及时检测并故障定位，进行故障处理或清除，缩小事故范围。

但由于直流电网和传统交流电网在故障后的系统响应特性上有很大不同。首先，由于直流电网中的关键设备均为具有调节能力的电力电子装置，其响应特性对系统的整体响应特性影响较大；而交流电网中，除了发电机是旋转设备外，其余均为静止设备，FACTS装置的应用只是改善了系统的潮流分布，动态调节响应特性，而不能改变交流系统自身的响应惯性；其次，直流电网中快速调节的电力电子装置使得整个系统故障后能以毫秒级乃至微秒级的速度快速响应，最后，直流电网的各个装置在控制策略上均已协调控制，从而在故障后的输出能参照其他元件的状态，进行基于全网安全稳定的协调响应。基于以上直流电网的特点，决定了直流电网的保护和交流电网有很大的不同：

（1）故障后，直流电网各个关键设备根据系统功能定位，能快速根据装置控制策 略进行快速调节；

直流电网自身的系统特点及故障特性，要求相应的相关保护装置能以微秒级 的速度响应启动保护；

为了保证保护的快速性和可靠性，加快就地保护装置和区域直流电网之间的信息交互，保护层数不宜过多。

另外直流输电网和传统电网一样，电网中关键设备的元件保护一般均以清除内部故障为主要目的，通过保护动作实现故障隔离，各电力设备的主保护相互独立，不顾及元件故障被切除以后，剩余电力系统中的潮流转移引起的不良后果。目前的两端及多端直流系统的继电保护装置控制判据，大都是基于本地量构成，反映的只是本地换流站或者线路的运行状态，不能反映较大区域电网的安全运行水平情况。

综上原因，现有的成熟的交流系统的保护策略与方法已经不适用直流输电网，现急需一种适用于新能源接入的多电压等级直流输电网的保护方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有问题的不足，本发明提出了一种适用新能源接入的直流输电网区域保护系统及实现方法，提出了基于分层、分区、开放式的直流输电网区域保护方法。

本发明的技术方案是：一种适用新能源接入的直流输电网区域保护系统，包括相互通信的系统监控层、区域决策层、本地元件保护及测量单元层，所述区域决策层位于所述系统监控层下部，所述本地元件保护及测量单元层位于所述系统监控层下部。

优选的，所述本地元件保护及测量单元层包括若干变电站和与所述变电站连接的本地测量单元，所述本地测量单元用于实时采集就地保护信息，保护相关算法的运算，得出故障的基本测量信息，并将这些中间测量结果向上层所述区域决策层传送，接受并执行上层决策单元的决策结果。

优选的，所述区域决策层包括区域决策单元，所述区域决策单元用于监控本区域内本地测量单元的运行状态，同时接收另外相邻区域决策单元所传递的信息。

优选的，所述区域决策单元与所述本地测量单元通过光纤连接。

优选的，所述系统监控层包括系统监控中心模块，用于负责实时协调和监控各保护区域间关键联络线各电气量的实时显示、故障事件的记录以及各保护定值的修改，实时掌握区域电网的关键保护信号，同时将这些关键信息进行处理后，下传至各地的区域决策单元。

适用新能源接入的直流输电网区域保护系统的实现方法，包括如下步骤，

S1：在个枢纽站之间设置 DC/DC 变换器及断路器；

S2：应用就地的电流互感器检测流过断路器和换流器的桥臂电流；

S3：如果故障电流超过预设定值，快速动作断路器将延时10ms后断开，当桥臂电流超过保护定值门槛值时，换流器将立即闭锁；

S4：故障区域隔离后，非故障区域将快速重启进入正常运行模式。

本发明提出的适用新能源接入的直流输电网区域保护系统及实现方法有以下有益效果：1、目前的两端及多端直流系统的继电保护装置控制判据，大都是基于本地量构成，反映的只是本地换流站或者线路的运行状态，不能反映较大区域电网的安全运行水平情况， 装置之间也缺乏相互协调和配合，因而难以对系统进行优化控制。本发明弥补了这一缺点，通过本地测量单元(LMU local measureunit)、区域决策单元(RDU region decision unit)和系统监控中心(SMC system monitor center)三者进行协调配合控制，避免了由于部分区域内继电保护和安全自动装置的误动作，造成直流输电网的中关键设备过流、过载损坏电力电子装置，以及潮流转移带来的电网故障。

2、多电压等级直流输电网的区域保护系统以关键设备自身的元件保护为基础，与主、后备保护的配合，达到加强第一道防线的目的。其保护速度在主保护和后备保护之间。在主保护功能失效或退出的时候能够略慢于主保护但明显快于后备保护的动作速度切除区内故障，对主保护起一个很好的补充支撑作用。而且区域保护区域范围外的任何故障都能被有效闭锁，杜绝由于保护失配造成的后备保护无选择动作而扩大事故范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的多电压等级直流输电网区域保护系统结构图；

图2为本发明的多电压等级直流输电网区域电网保护实现方式图；

其中，1-系统监控层，2-区域决策层，3-本地元件保护及测量单元层，4- DC/DC 变换器及断路器。

具体实施方式

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清楚、完整地描述。

本发明提出了一种适用新能源接入的直流输电网区域保护系统，包括相互通信的系统监控层1、区域决策层2、本地元件保护及测量单元层3，所述区域决策层2位于所述系统监控层1下部，所述本地元件保护及测量单元层3位于所述系统监控层1下部。

其中，所述本地元件保护及测量单元层3包括若干变电站和与所述变电站连接的本地测量单元，所述本地测量单元用于实时采集就地保护信息，保护相关算法的运算，得出故障的基本测量信息，并将这些中间测量结果向上层所述区域决策层2传送，接受并执行上层决策单元的决策结果。

其中，所述区域决策层2包括区域决策单元，所述区域决策单元用于监控本区域内本地测量单元的运行状态，同时接收另外相邻区域决策单元所传递的信息。

其中，所述区域决策单元与所述本地测量单元通过光纤连接。

其中，所述系统监控层1包括系统监控中心模块，用于负责实时协调和监控各保护区域间关键联络线各电气量的实时显示、故障事件的记录以及各保护定值的修改，实时掌握区域电网的关键保护信号，同时将这些关键信息进行处理后，下传至各地的区域决策单元。

基于直流输电网的结构特点，设计多电压等级直流输电网区域保护系统如图1 所示，该配置方案总共分为3层，位于最底层的是本地元件保护及测量层，由本地测量单元(LMU local measureunit)组成，安装在本保护区域（PR Protect region）内各相关变电站内。LMU负责实时采集就地保护信息，保护相关算法的运算，得出故障的一些基本测量信息，负责将这些中间测量结果向上层决策单元传送，接受并执行上层决策单元的决策结果。中间层是区域决策层2，由区域决策单元(RDU region decision unit)组成，一个PR内保护系统将配备一台RDU，其与此PR内的 LMU 通过光纤连接。在正常运行时，RDU监控本区域内LMU的运行状态，同时接收另外相邻RDU所传递的关键信息。

在扰动发生后，本地RDU对LMU上传信息和相邻的RDU传递的关键信息进行综合分析并做出相应的决策；决策做出后，一方面下传至 LMU，由LMU执行，进行相应的保护动作；另一方面，将判断结果送至位于最顶层的系统监控层1。

系统监控层1由系统监控中心(SMC system monitor center)组成，作为最后一级保护防线，负责实时协调和监控各PR间关键联络线各电气量的实时显示、故障事件的记录以及各保护定值的修改，实时掌握区域电网的关键保护信号，同时将这些关键信息进行处理后，下传至各地RDU，作为RDU做出决策的判据之一。

在时间尺度上，本地LMU最先以微秒级速度进行动作，RDU做出综合决策后，相对于本地微秒级的元件保护，会具有一定的延时，但仍是微秒级的，从而形成一个多时间尺度的区域直流电网保护配置模式。同时加上对直流电网中关键设备（如LCC型、VSC型等各类型的换流站，直流变电站等）中不同测量元件的保护、整定范围的设计及其结果的逻辑配合，先进行快速优先调节控制，取长补短，形成不同时间尺度的区域直流输电网保护配置方案。

区域保护方法工作原理如下：

考虑到保护的快速性和可靠性的要求，区域保护系统在决策过程中应该避免复杂的 逻辑判断，其过程分2步完成：

（1）第1步：当故障发生后，直流输电网本地设备快速进行调节控制，启动必要的保护装置（测量元件的保护），同时RDU通知各LMU进入故障计算状态，各LMU将测量结果上传至RDU；由RDU汇集比较这些结果，再综合考虑相邻的RDU和上层SMC传递的关键信息，综合判断并定位故障信息，进入决策过程第2步；若RDU判定故障不在此区域内，RDU通知LMU跳出故障处理流程，不再进入下一步决策。

（2）第2步：RDU根据故障线路所在的综合信息及相邻的RDU综合分析，给出判断结果及必要的动作信息。然后，RDU将决策信息传至各LMU和SMC，由LMU闭锁、改变相应输出或操作相应的断路器。考虑到交流系统会存在重合闸的操作或线路可能发生复故障等情况，此时RDU不应该停止决策，而应该返回决策的第1步，直到确定本区域内线路不再有故障为止。 SMC作为系统监控层1，实时采集各个区域 RDU上传的关键量，同时下发至RDU作为决策判断依据之一。

区域保护方法保护区域（PR）划分规则：

根据多电压等级直流输电网特性进行保护区域划分，在多电压等级直流输电网中，对于某条发生故障的线路来说，与其紧密关联的线路只包含在一个小区域内，与整个电网大部分线路只存在很弱的耦合关系，对局部区域内的故障线路定位不需要获取整个电网的信息，而多电压等级直流输电网中可能存在若干个能量交汇集中区域，根据这些能量流交汇集中区域，将整个电网进行划分切割成同等数量的若干PR保护区域。

区域保护配置可在合理的技术经济指标范围内，提高某些关键枢纽变电站或系统联系薄弱环节,所有的区域保护范围的并集也无需完全覆盖整个电力系统。

另外如今大部分交流变电站已有条件铺设环网光纤，通信速率已可达到 2Mbit/s，可以在保留传统的主保护和后备保护的前提下，在两者之间增设一道新的防线,为RDU保护区域之间的信息共享提供链路。

区域保护方法各区域隔离故障的实施方式：

对于直流电网，可用于进行故障特征提取的电气量有三个：电流、电压和功率，分析直流故障特性可知，单极对地或极间短路故障往往造成过电流， 直流电网关键设备退出运行或直流线路断线故障往往引起过电压。 这些特征可作为故障诊断和定位的关键信息。为了实现区域电网的保护，基于不同时间尺度的区域直流电网保护，可以通过在区域电网互联的关键站，通过快速的直流断路器快速隔离故障部分，避免了大量电能的继续馈入，从而弱化故障对于靠近故障点和故障区域电网的危害，从而保障正常区域电网的正常运行。对于故障部分可以通过一般的开关或者常规的交流断路器进行故障隔离，从而保证了保护的选择性和快速性，同时具有很大的运行灵活性。

以下提出一种区域电网保护实现方式如图2所示： 在枢纽站设置 DC/DC 变换器及断路器4，两者协调动作的保护配置方案。 枢纽站设置快速动作断路器需要考虑断路器的占地、成本和加大的通态损耗；选择 DC/DC 变换器主要是考虑到其快速的故障自阻断能力、 潮流方向控制能力及连接两个不同电压等级直流电网的能力。

适用新能源接入的直流输电网区域保护系统的实现方法，包括如下步骤，

S1：在个枢纽站之间设置 DC/DC 变换器及断路器4；

S2：应用就地的电流互感器检测流过断路器和换流器的桥臂电流；

S3：如果故障电流超过预设定值，快速动作断路器将延时10ms后断开，当桥臂电流超过保护定值门槛值时，换流器将立即闭锁；

S4：故障区域隔离后，非故障区域将快速重启进入正常运行模式。

目前的两端及多端直流系统的继电保护装置控制判据，大都是基于本地量构成，反映的只是本地换流站或者线路的运行状态，不能反映较大区域电网的安全运行水平情况， 装置之间也缺乏相互协调和配合，因而难以对系统进行优化控制。本发明弥补了这一缺点，通过本地测量单元(LMU local measureunit)、区域决策单元(RDU region decision unit)和系统监控中心(SMC system monitor center)三者进行协调配合控制，避免了由于部分区域内继电保护和安全自动装置的误动作，造成直流输电网的中关键设备过流、过载损坏电力电子装置，以及潮流转移带来的电网故障。

多电压等级直流输电网的区域保护系统以关键设备自身的元件保护为基础，与主、后备保护的配合，达到加强第一道防线的目的。其保护速度在主保护和后备保护之间。在主保护功能失效或退出的时候能够略慢于主保护但明显快于后备保护的动作速度切除区内故障，对主保护起一个很好的补充支撑作用。而且区域保护区域范围外的任何故障都能被有效闭锁，杜绝由于保护失配造成的后备保护无选择动作而扩大事故范围。

对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。