基于广义变比的换流站集成保护方法与流程

本发明涉及继电保护技术领域，具体涉及一种基于广义变比的换流站集成保护方法。

背景技术：

随着中国国内“西电东送，南北互供，全国联网”电网发展战略的全面实施，这种交直流并重的输电模式，其工作机理、运行方式、故障电气特征与传统交流电力系统有很大差异。交直流混联系统中换流变压器和换流器是电能在系统中实现交流与直流间进行转换的节点，其可靠安全运行也是直流输电系统安全稳定运行的基础。

目前，换流变压器和换流器主保护均为电流差动保护。由于换流器是非线性元件，对交流侧来说是主要的谐波电流源，使换流变压器差动保护在正常情况要承受较大的谐波电流，从而对其励磁涌流和TA互感器饱和判据产生很大影响。同时两侧交流系统故障时出现的低电压特征以及电流失衡，引发直流保护误动，导致直流闭锁等事故时有发生。由于换流变差动保护和换流器差动保护只在时限上配合，而整定值之间并无配合，当出现交直流暂态入侵时，可能引起换流器保护与换流变压器保护之间权责不清，因此有必要将两个元件进行整体的保护整定与性能分析。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，计算准确，适用性强的换流站集成保护方法。

解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于广义变比的换流站集成保护方法，其特征是，它包括如下步骤：

1)根据集成保护的构想对换流站进行区域划分：

800kV特高压直流输电系统包括换流站和直流输电线路，为两端双极系统，换流站含整流站、逆变站，换流站每极由两个12脉动换流器串联组成，每个12脉动换流器电压等级为400kV，每极中任何一个12脉动换流器退出运行，均不影响剩余换流器构成不完整的单极运行，整流侧换流变压器额定容量760MVA，额定电压为525kV/170kV，接线方式分别为Y/Y、Y/Δ；以换流变压器和换流器构成集成保护区，保护区分为两层，分别为集成层和元件层，换流变压器以及所连接的六脉动换流器划分为集成层，定义为换流区；换流变压器、六脉动换流元件分别划分为元件层；

2)通过利用广义变比实现换流元件异常或故障的实时在线监测：

对于整流站高压桥换流保护区，根据12脉动可控硅晶闸管元件的三相桥式整流电路，得到换流器出口直流电压Ud与换流变压器阀侧电压U2的关系如式(1)、式(2)、式(3)所示，

其中α为换流器导通角，

在非内部故障情况下，换流变压器一次侧电压U1与其二次侧电压，即阀侧电压U2之比等于变压器变比KT，如式(4)、式(5)、式(6)所示，

在换流区非内部故障情况下，由式(1)-式(3)、式(4)-式(6)得到，换流变压器的一次侧电压U1与换流器出口直流电压Ud之间的关系如式(7)、式(8)、式(9)所示，

令K＝U1/Ud，定义K为广义变比，

换流区非内部故障时，考虑特高压直流输电系统实际运行时α＝0°，以及换流变压器实际变比，广义变比K为常数，表示为Kc，如式(10)所示，

K_c＝U₁/U_d＝0.660 (10)

低压桥广义变比同理得到，

定义综合误差δ如式(11)、式(12)、式(13)所示，

根据基尔霍夫电流定律可知，当换流区正常运行或外部故障，除换流器出口故障外时，由于式(10)始终成立，即U1≈K×Ud，则δ近似为0；

当换流区出口故障时，由于Ud降为0，导致式(10)不成立，但由式(11)-式(13)得到此时δ＝1；

当换流区内部故障时，显然式(11)-式(13)不再成立。但由于Ud始终大于0，因此δ应处于0-1。

根据换流区正常运行或外部故障,δ近似为0；换流区出口故障,δ＝1；换流区内部故障δ应处于0-1。可知，利用综合误差δ的大小可以正确判断换流区内外故障。

考虑到电流互感器误差，以及计算换流变压器变比时忽略漏抗产生压降，h1取为0.1，

当换流区内部故障δ应处于0-1可知，利用δ值能够判断换流区故障，但无法判断是换流器还是换流变压器发生故障，因此需要进行进一步故障元件定位。

3)通过利用换流变压器阀侧套管CT电流特征进行故障元件的准确定位

Id为换流变压器阀侧套管CT电流，换流元件正常运行时，Id为共阴极及共阳极换流阀组电流和，当Y/Y换流变压器发生故障时，Id仅为共阴极组换流阀组电流，即降为额定电流的一半；而当换流器发生故障时，Id剧增为额定电流的几倍甚至十几倍，

因此可利用Id大小准确定位故障元件，即若满足式(14)-式(16)则判为换流器故障，否则判为换流变压器故障，

Id_a＞h₂ (14)

Id_b＞h₂ (15)

Id_c＞h₂ (16)

工程上通常将h₂取为额定电流。

本发明的基于广义变比的换流站集成保护方法是根据换流站交流母线电压和换流器输出直流电压之间的换流关系，以及换流变压器阀侧套管CT电流特征而提出的。该方法可实现换流元件异常或故障的实时在线监测，并进行故障元件的准确定位；经大量仿真结果表明：该方法简单，故障特征明显，在各种工况下，均能快速、灵敏、可靠动作，从而提高特直流输电系统的供电可靠性。

附图说明

图1为基于广义变比的换流站集成保护方法框图；

图2为特高压直流输电系统图示意图

图3为整流站高压桥换流保护区示意图；

图4为基于广义变比的换流站集成保护方法的故障判别原理示意图；

图5为换流区正常运行状态输出信号的仿真图；

图6为共阴极组换流阀V1短路故障时输出信号的仿真图；

图7为换流变压器一次侧发生A相接地故障时输出信号的仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照图1-图3，本发明的基于广义变比的换流站集成保护方法，包括如下步骤：

1)根据集成保护的构想对换流站进行区域划分：

800kV特高压直流输电系统包括换流站和直流输电线路，为两端双极系统，换流站含整流站、逆变站，换流站每极由两个12脉动换流器串联组成，每个12脉动换流器电压等级为400kV，每极中任何一个12脉动换流器退出运行，均不影响剩余换流器构成不完整的单极运行，整流侧换流变压器额定容量760MVA，额定电压为525kV/170kV，接线方式分别为Y/Y、Y/Δ；以换流变压器和换流器构成集成保护区，保护区分为两层，分别为集成层和元件层，换流变压器以及所连接的六脉动换流器划分为集成层，定义为换流区；换流变压器、六脉动换流元件分别划分为元件层；

2)通过利用广义变比实现换流元件异常或故障的实时在线监测：

对于整流站高压桥换流保护区，根据12脉动可控硅晶闸管元件的三相桥式整流电路，得到换流器出口直流电压Ud与换流变压器阀侧电压U2的关系如式(1)、式(2)、式(3)所示，

其中α为换流器导通角，

在非内部故障情况下，换流变压器一次侧电压U1与其二次侧电压，即阀侧电压U2之比等于变压器变比KT，如式(4)、式(5)、式(6)所示，

在换流区非内部故障情况下，由式(1)-式(3)、式(4)-式(6)得到，换流变压器的一次侧电压U1与换流器出口直流电压Ud之间的关系如式(7)、式(8)、式(9)所示，

令K＝U1/Ud，定义K为广义变比，

换流区非内部故障时，考虑特高压直流输电系统实际运行时α＝0°，以及换流变压器实际变比，广义变比K为常数，表示为Kc，如式(10)所示，

K_c＝U₁/U_d＝0.660 (10)

低压桥广义变比同理得到，

定义综合误差δ如式(11)、式(12)、式(13)所示，

根据基尔霍夫电流定律可知，当换流区正常运行或外部故障，除换流器出口故障外时，由于式(10)始终成立，即U1≈K×Ud，则δ近似为0；

当换流区出口故障时，由于Ud降为0，导致式(10)不成立，但由式(11)-式(13)得到此时δ＝1；

当换流区内部故障时，显然式(11)-式(13)不再成立。但由于Ud始终大于0，因此δ应处于0-1。

根据换流区正常运行或外部故障,δ近似为0；换流区出口故障,δ＝1；换流区内部故障δ应处于0-1。可知，利用综合误差δ的大小可以正确判断换流区内外故障，

考虑到电流互感器误差，以及计算换流变压器变比时忽略漏抗产生压降，h1取为0.1，

当换流区内部故障δ应处于0-1可知，利用δ值能够判断换流区故障，但无法判断是换流器还是换流变压器发生故障，因此需要进行进一步故障元件定位。

3)通过利用换流变压器阀侧套管CT电流特征进行故障元件的准确定位

Id为换流变压器阀侧套管CT电流，换流元件正常运行时，Id为共阴极及共阳极换流阀组电流和，当Y/Y换流变压器发生故障时，Id仅为共阴极组换流阀组电流，即降为额定电流的一半；而当换流器发生故障时，Id剧增为额定电流的几倍甚至十几倍，

因此可利用Id大小准确定位故障元件，即若满足式(14)-式(16)则判为换流器故障，否则判为换流变压器故障，

Id_a＞h₂ (14)

Id_b＞h₂ (15)

Id_c＞h₂ (16)

工程上通常将h₂取为额定电流。

实施例1：参照图3和图4，实施例1是对换流区正常运行状态，当分别给出换流器出口直流电压Ud(如图3电压曲线虚线所示)以及换流变压器一次侧电压U1(如图3电压曲线实线所示)、综合误差δ以及换流变压器阀侧套管CT电流Id保护的动作输出信号的仿真分析。

当换流区正常运行，包括如下步骤：

S1：根据集成保护的构想对换流站进行区域划分：

步骤S1包括对换流站区域划分，具体包括：

S11：以换流变压器和换流器构成集成保护区，保护区分为两层，分别为集成层和元件层；

S12：换流变压器以及所连接的六脉动换流器划分为集成层，定义为换流区；

S13：换流变压器、六脉动换流元件分别划分为元件层。

参照图2，根据步骤S11、S12和S13划分集成层和元件层，

S2：通过利用广义变比实现换流元件异常或故障的实时在线监测,作为本实施例的一种优选实施方式，具体包括:

通过测量换流器出口直流电压U_d(如图3电压曲线虚线所示)以及换流变压器一次侧电压U₁(实线所示)、综合误差δ以及换流变压器阀侧套管CT电流Id、保护的动作输出信号，

S21测量换流器出口直流电压U_d，当换流区正常运行时直流电压为800kV；

S22测量换流变压器一次侧电压U₁，当换流区正常运行时交流电压为525kV；

S23测量综合误差δ，当换流区正常运行时，U₁与U_d之比即广义变比近似为常数Kc，综合误差δ为0；

S3：通过利用换流变压器阀侧套管CT电流特征进行故障元件的准确定位：

S31测量换流变压器阀侧套管CT电流Id，当换流区正常运行时Id为额定电流；

S32测量保护的动作输出信号，当换流区正常运行时为零，保护可靠不动作。

实施例2：参照图5，实施例2是对换流器的共阴极组换流阀V1短路故障时，换流变压器一次侧电压U1、换流器出口直流电压Ud、综合误差δ、换流变压器阀侧套管CT电流Id波形以及保护的动作输出信号的仿真分析。

换流器的共阴极组换流阀V1短路故障时，包括如下步骤：

S1：根据集成保护的思想对换流站进行区域划分：

步骤S1包括对换流站区域划分，具体包括：

S11：以换流变压器和换流器构成集成保护区，保护区分为两层，分别为集成层和元件层；

S12：换流变压器以及所连接的六脉动换流器划分为集成层，定义为换流区；

S13：换流变压器、六脉动换流元件分别划分为元件层。

如图2所示，根据上述步骤S11、S12和S13划分集成层和元件层。

S2：通过利用广义变比实现换流元件异常或故障的实时在线监测,作为本实施例的一种优选实施方式，具体包括:

通过测量换流器出口直流电压U_d(如图3电压曲线虚线所示)以及换流变压器一次侧电压U₁(实线所示)、综合误差δ以及换流变压器阀侧套管CT电流Id、保护的动作输出信号。

S21测量换流器出口直流电压U_d，当换流器发生故障时直流电压下降；

S22测量换流变压器一次侧电压U₁，当换流器发生故障时交流电压下降；

S23测量综合误差δ，当换流器发生故障时，U₁与U_d之比即广义变比K增大，误差综合值δ增大，超过槛值h₁；

S3：通过利用换流变压器阀侧套管CT电流特征进行故障元件的准确定位：

S31测量换流变压器阀侧套管CT电流Id，当换流器发生故障时Id剧增；

S32测量保护的动作输出信号，当换流器发生故障时为1，保护可靠动作。

由图5可知，当换流器发生故障时,直流电压Ud和换流变压器一次侧电压U₁均下降，广义变比K增大，误差综合值δ增大，超过槛值h₁，判断为换流区内部故障；由于Id剧增，近似为额定电流的16倍，判断为换流器故障，保护在故障后2ms动作。

实施例3：参照图6，实施例3是对换流变压器一次侧发生A相接地故障时，换流变压器一次侧电压U1、换流器出口直流电压Ud、综合误差δ、换流变压器阀侧套管CT电流Id波形以及保护的动作输出信号的仿真分析。

换流变压器一次侧发生A相接地故障时，包括如下步骤：

S1：根据集成保护的思想对换流站进行区域划分：

步骤S1包括对换流站区域划分，具体包括：

S11：以换流变压器和换流器构成集成保护区，保护区分为两层，分别为集成层和元件层；

S12：换流变压器以及所连接的六脉动换流器划分为集成层，定义为换流区；

S13：换流变压器、六脉动换流元件分别划分为元件层。

如图2所示，根据上述步骤S11、S12和S13划分集成层和元件层。

S2：通过利用广义变比实现换流元件异常或故障的实时在线监测,作为本实施例的一种优选实施方式，具体包括:

通过测量换流器出口直流电压U_d(如图3电压曲线虚线所示)以及换流变压器一次侧电压U₁(实线所示)、综合误差δ以及换流变压器阀侧套管CT电流Id、保护的动作输出信号。

S21测量换流器出口直流电压U_d，当换流变压器发生故障时直流电压为衰减正弦波形；

S22测量换流变压器一次侧电压U₁，当换流变压器发生故障时时交流电压下降；

S23测量综合误差δ，当换流器发生故障时，U₁与U_d之比即广义变比K增大，误差综合值δ增大，超过槛值h₁；

S3：通过利用换流变压器阀侧套管CT电流特征进行故障元件的准确定位：

S31测量换流变压器阀侧套管CT电流Id，当换流变压器发生故障时Id降为额定电流的一半；

S32测量保护的动作输出信号，当换流器发生故障时为1，保护可靠动作。

由图7可知，当换流变压器发生故障，换流变压器一次侧电压U₁下降，由于交流功率穿越，直流电压U_d波形为衰减正弦波形，广义变比增大，综合误差δ增大，超过槛值h₁，判断为换流区内部故障；而换流变压器阀侧套管CT电流降为额定电流的一半，判断为换流变压器故障，保护在故障后3ms可靠动作。

各种故障类型的综合误差δ范围，以及保护动作情况如表1所示。

表1

对表1的分析可知，当换流区内部故障时，广义变比不再为常数Kc，综合误差值δ均增大，集成保护能够正确可靠动作且实现故障元件的准确定位，均在故障发生5ms内迅速动作。

根据换流站交流母线电压和换流器输出直流电压之间的换流关系，以及换流变压器阀侧套管CT电流特征，提出基于广义变比的换流站集成保护新方法。该方法可实现换流元件异常或故障的实时在线监测，并进行故障元件的准确定位。大量仿真结果表明：该方法简单，故障特征明显，在各种工况下，均能快速、灵敏、可靠动作，从而提高特直流输电系统的供电可靠性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。