一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法及系统

1.本发明属于继电保护技术领域，具体涉及一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法及系统。


背景技术：

2.单端电气量全线速动保护，亦称为边界保护，指在线路对端存在边界(响应特征畸变点)的情况下，通过线路本端保护与线路对端边界配合实现全线范围内故障快速识别的单端量保护。因为边界保护具有快速、无需与相邻保护配合、无需通信等优点，是继电保护工作者追求的目标。
3.单端量全线速动保护与对端边界元件配合实现保护线路全长，目前的边界元件主要是无源边界，即通过元件自身阻抗特性响应电网的扰动，其关键机制是对区内外故障下的“特异性响应特征”。根据边界元件拓扑结构，可分为并联接入型、串联接入型和组合接入型3类。并联接入型边界，如交流输电系统中母线对地杂散电容和vsc型柔性直流系统中用于滤波和钳位直流电压的电容器；串联接入型边界，如mmc型直流系统中用于限制短路电流上升速度的串联电抗器；组合接入型边界，如交流系统中用于载波通信的阻波器和母线杂散电容组合的边界，以及高压直流lcc-hvdc系统中直流滤波器和平波电抗器组合的边界。
4.以上边界元件参数设计只为满足一次系统需求，没有考虑与保护配合问题。在大多数情况下直接借用这些边界，保护的性能往往难以满足要求，此外，若无既有边界，也无法实现单端全线速动保护。因此，主动构建与单端量保护具有确定性配合关系的边界是解决以上问题的有效途径。为此，很多学者提出了主动构造线路边界的思想，比如利用铁氧体磁环构造配电线路边界实现全线速动保护。
5.随着以新能源为主体的新型电力系统的建设，电力电子装备在电网中的占比将进一步提高。如果充分利用电力电子装备的高可控性特点，故障时通过向电网注入携带对端保护判别信息的信号，作为一种边界信息，与本端保护进行配合，则可实现基于电力电子装备主动构建有源边界的单端量全线速动保护。目前国内外学者在基于电力电子装置注入特征信号的探测式保护、重合闸、故障判别等方面开展了大量的探索性工作。但目前的研究仍集中于利用本端电力电子装置注入电压电流，以提升本端保护的灵敏度和可靠性方面，尚未发现本端保护与对端电力电子装备配合构造有源边界，以信息的形式实现单端量全线速动保护功能的研究工作。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法及系统，在电网故障时通过对端电力电子装备注入反应故障信息的边界信号，本端保护通过感受到的响应特征实现区内外故障的判别，以解决没有以信息形式实现单端量全线速动保护功能的技术问题。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法，，利用对端电力电子装备的可控性主动构造有源边界，并根据保护灵敏度需求、边界信号注入强度、本端保护检测能力确定整定值，当故障发生后，对端有源边界针对故障情况主动注入预置的边界信号，本端保护检测有源边界发送的信号后，将本端保护检测到的有源边界信号与整定值比较，满足动作要求即为区内故障，进行保护动作，否则为区外故障，保护不动作。
9.具体的，构造对端有源边界具体为：
10.根据电力系统的一次拓扑结构，以及一次拓扑结构中含有的电力电子装备确定注入有源边界信号的设备；根据接入电网的方式，将电力电子装备分为并联型有源边界和串联型有源边界；结合注入有源边界信号的设备特点以及故障类型，选择边界信息注入回路；根据电力系统一次拓扑结构，以及对端方向判据，选择反映不同位置故障的边界信号特征，构造完成对端有源边界。
11.进一步的，有源边界利用电力电子装备主动模拟区内外故障下的特异性响应特征，包括信号的波形、幅值或频率参数。
12.具体的，启动判据具体如下：
13.当对端判别发生正方向故障后，有源边界启动注入预置的代表对端正向故障的边界信号，反之，有源边界注入预置的代表对端反向故障的边界信号。
14.具体的，根据本端保护的响应特征判断是否满足保护动作具体为：
15.当本端保护处判断为正方向发生故障，继续进行保护判断；当本端保护处判断为本端保护反方向发生故障，则直接判别为区外故障。
16.进一步的，继续进行保护判断具体为：
17.将本端保护处提取到的有源边界信号与其整定值进行比较，以此确定区内故障或区外故障。
18.更进一步的，当本端保护满足正方向发生故障后，本端保护提取到的代表对端正方向故障的有源边界信号满足整定值条件，而本端保护提取到的代表对端反方向故障的有源边界信号不满足整定值条件，即判别为区内故障，保护动作。
19.更进一步的，当本端保护满足正方向发生故障后，本端保护提取到的代表对端反方向故障的有源边界信号满足整定条件，即判别为区外故障，保护不动作。
20.第二方面，本发明实施例提供了一种基于有源边界的单端量全线速动保护系统，包括：
21.附加控制模块，用于利用对端电力电子装备的可控性主动构造有源边界；
22.整定模块，用于根据保护灵敏度需求、边界信号注入强度、本端保护检测能力确定整定值，
23.注入模块，当故障发生后，对端有源边界针对故障情况主动注入预置的边界信号，本端保护检测有源边界发送的信号；
24.保护模块，用于将本端保护检测到的有源边界信号与整定值比较，满足动作要求即为区内故障，进行保护动作，否则为区外故障，保护不动作。
25.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
26.本发明一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法，在传统边界元件参数服务于一次系统需求，保护的性能往往难以满足要求，且电力电子设备性能提升带来传统边界
元件弱化的情况下，主动构建与单端量保护具有确定性配合关系的边界，发明无需与其他保护配合即可具备全线范围的故障识别能力，适用于电力电子化电力系统的电网保护。
27.进一步的，对端有源边界是利用电力电子装备灵活可控、调节速度快，具备模拟传统边界元件的能力，主动根据不同故障产生不同的响应，这保证并提高了边界特性和边界保护的性能。
28.进一步的，对端启动判据需要和方向元件进行配合，以此获取所有送出线状态，根据判别得到的正方向或反方向故障结果选择有源边界信号特征，并通过有源边界注入有源边界信号；
29.进一步的，本端保护启动识别，判断发生故障的方向，特别的，对于本端保护处的反向故障直接判别为区外故障，无需等待对端有源边界信号。
30.进一步的，当本端保护满足正方向发生故障后，需要进一步判断故障发生位置是在线路中还是线路外，此时即需要有源边界信号提供信息，将本端保护处有源边界信号与整定值进行比较，以信息的形式实现单端量全线速动保护。
31.进一步的，根据有源边界信号提供的信息进行分析和处理，若提取出的信息满足对端正方向故障，则满足区内故障动作要求，保护动作。
32.进一步的，根据有源边界信号提供的信息进行分析和处理，若提取出的信息满足对端反方向故障，则满足区外故障，不动作。
33.可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
34.综上所述，本发明充分利用电力电子化电力系统中电力电子设备的高可控性，在一次系统中主动模拟传统边界元件特性，根据不同故障产生不同的特异性响应，进一步提升边界保护的灵敏度和可靠性，以信息的形式实现单端量全线速动保护功能的研究工作。
35.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
36.图1为有源边界保护的具体流程图；
37.图2为双端mmc直流输电系统图；
38.图3为利用pscad/emtdc搭建直流电网模型图；
39.图4为对端mmc2注入正弦有源边界信号波形图；
40.图5为单极接地故障下本端保护有源边界信号波形图，其中，(a)为正极接地故障下本端保护正极接收波形图，(b)为矩阵束算法下提取的本端保护正极接受到的有源边界信号；
41.图6为区外故障下本端保护有源边界信号波形图，其中，(a)为区外故障下本端保护正极接收波形图，(b)为矩阵束算法下提取的本端保护正极接受到的有源边界信号。
具体实施方式
42.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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
44.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
45.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
46.应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
47.取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
48.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
49.本发明提供了一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法，采用电力电子装备主动构造有源边界，涉及有源边界的构造和单端量全线速动保护判据的实现两部分。
50.请参阅图1，本发明一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法的具体步骤如下：
51.s1、在对端构造有源边界；
52.s101、根据电力系统的一次拓扑结构，以及其中含有的电力电子装备确定注入有源边界信号的设备；根据接入电网的方式，将电力电子装备分为并联型有源边界和串联型有源边界。
53.并联型边界指电力电子装备出口母线上含有多条线路，比如辐射状或环状柔性直流电网中mmc就可以认为是并联型边界；
54.串联型边界指电力电子装备出口母线上仅有一条线路，比如高压直流断路器dccb、智能软开关sop。
55.s102、结合注入有源边界信号的设备特点以及故障类型，选择边界信息注入回路；
56.s103、根据电力系统一次拓扑结构，以及对端保护判据，选择反映不同位置故障的边界信号特征，即利用电力电子装备主动模拟区内外故障下的“特异性响应特征”，边界信
号特征为信号的波形、幅值或频率参数，或者是上述参数的组合；
57.s104、根据不同的注入设备、注入回路和特征信号，设计电力电子装备有源边界信号附加控制策略。
58.s2、单端量全线速动保护判据实现。
59.s201、分析故障最严重情况下预设的边界信号注入后本端保护感受到的响应特征，综合考虑保护灵敏度需求、边界信号注入强度、本端保护检测能力设置整定值；
60.s202、故障发生后，对端有源边界根据预设的启动判据开始注入有源边界信号，本端保护启动开始检测边界信号，同时判断故障方向；
61.s203、当对端判别发生正方向故障后，有源边界启动注入预置的代表对端正向故障的边界信号，反之，有源边界注入预置的代表对端反向故障的边界信号。
62.s204、当本端保护处判断为正方向发生故障，将继续进行保护判断；当本端保护处判断为本端保护反方向发生故障，则直接判别为区外故障。
63.s205、当本端保护满足正方向发生故障后，本端保护提取到的代表对端正方向故障的有源边界信号满足整定条件，而本端保护提取到的代表对端反方向故障的有源边界信号不满足整定值条件，即判别为区内故障，保护动作。
64.当本端保护满足正方向发生故障后，本端保护提取到的代表对端反方向故障的有源边界信号满足整定值条件，即判别为区外故障，保护不动作。
65.本发明再一个实施例中，提供一种基于有源边界的单端量全线速动保护系统，该系统能够用于实现上述基于有源边界的单端量全线速动保护方法，具体的，该基于有源边界的单端量全线速动保护系统包括附加控制模块、整定模块、注入模块以及保护模块。
66.其中，附加控制模块，用于利用对端电力电子装备的可控性主动构造有源边界；
67.整定模块，用于根据保护灵敏度需求、边界信号注入强度、本端保护检测能力确定整定值，
68.注入模块，当故障发生后，对端有源边界针对故障情况主动注入预置的边界信号，本端保护检测有源边界发送的信号；
69.保护模块，用于将本端保护检测到的有源边界信号与整定值比较，满足动作要求即为区内故障，进行保护动作，否则为区外故障，保护不动作。
70.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
71.请参阅图2，以双端mmc直流输电系统为例，有源边界保护的具体实施步骤如下：
72.1、根据电力系统的一次拓扑结构，以及其中含有的电力电子装备确定注入有源边界信号的设备为mmc。
73.2、在被保护线路单极接地故障下，选择故障极作为注入有源边界信号的回路；在极间短路故障下，只选择其中一极作为注入有源边界信号的回路。
74.3、选择正弦信号注入有源边界信号，具体频率选择为：
75.对于被保护线路区内故障，边界信号选为2000hz正弦波，对于区外故障(母线故障或母线的阀侧线路故障)，边界信号选为2500hz正弦波。
76.4、基于mmc产生正弦波的附加控制策略，结合mmc限流控制和有源边界附加控制策略，实现如式(1)所示的有源边界信号电压指令，实现有源边界的构建，如图3所示；
77.注入有源边界信号电压指令u
sig
为：
[0078][0079]
其中，k
sig
为注入有源边界信号电压指令幅值，本发明选择在直流参考电压中注入0.1额定电压幅值的有源边界信号，ω
sig
为注入有源边界信号电压指令的角频率，根据有源边界信号不同，选择的角频率不同，t为时间，为注入有源边界信号电压指令的初相位。
[0080]
5、根据构建的有源边界，对于本端保护装置，分析边界信号注入后本端保护感受到的响应特征；根据本端保护范围内故障时最严重情况设置保护整定值u
set
。考虑测量精度、mmc注入分量幅值并保留一定阈值后，保护整定值为0.02u
dc
。
[0081]
6、对端有源边界根据预设的启动判据开始注入有源边界信号后，本端保护启动检测边界信号，采用矩阵束算法提取本端保护处各参考频率下的正极和负极电压u
p
(ω
2000
)、u
p
(ω
2500
)、un(ω
2000
)、un(ω
2500
)；
[0082]
7、本端保护根据式(2)判断故障方向，若本端保护处满足方向判据电流突变率为正变化且大于其方向判据的阈值，则判断为本端保护正方向发生故障；反之，若满足方向判据电流突变率为负变化且小于其判据阈值的负值，则判断为本端保护反方向发生故障；
[0083][0084]
其中，i
l
为本端保护处所测电流，δseti为方向判据的阈值。若满足反方向判据，则直接判别为区外故障；若满足正方向故障，则进一步依靠有源边界信号进行判别。
[0085]
8、本端保护判断满足正方向故障后，将u
p
(ω
2000
)、u
p
(ω
2500
)、un(ω
2000
)、un(ω
2500
)依次与有源边界信号的整定值进行比较。当本端保护处任意极满足式(3)即代表接收到对端为反向故障的信息，判别为区外故障。本端保护处任意极满足式(4)即代表接收到对端正方向故障的信息，判别为区内故障。
[0086]up
(ω
2500
)》u
set
||un(ω
2500
)》u
set
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0087]up
(ω
2000
)》u
set
||un(ω
2000
)》u
set
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0088]
请参阅图2，利用pscad/emtdc搭建直流电网模型，仿真结果如下：
[0089]
1)注入效果验证
[0090]
以mmc2注入15ms2500hz正弦有源边界信号为例，其注入的时域波形如图4所示，从图4观察到：注入10ms后正弦有源边界信号基本稳定注入。
[0091]
2)区内故障验证
[0092]
以线路正极中点处发生过渡电阻r＝100ω单极接地故障为例，仿真结果如图5所示。本发明首先本端保护通过方向元件判断发生正向故障，同时其本端保护处正极接收到2000hz信息的幅值超过整定值，可以可靠识别出线路发生区内故障。
[0093]
3)区外故障验证
[0094]
以mmc2处发生过渡电阻r＝100ω母线单极接地故障为例，仿真结果如图6所示。本发明首先本端保护通过方向元件判断发生正向故障，其本端保护处正极接收到2500hz信息的幅值超过整定值，因此可以判断线路发生区外故障。仿真结果证明了本发明的有效性，本发明能够在500ω过渡电阻情况下可靠识别出故障线路/母线，且在高阻故障下具有高灵敏性。
[0095]
综上所述，本发明一种基于有源边界的单端量全线速动保护方法及系统，在传统边界元件保护的性能难以满足要求，且边界元件弱化的情况下，利用电力电子装备灵活可控、调节速度快的性能，模拟传统边界元件的能力，根据不同故障主动产生不同的预置响应，保证并提高了边界特性和边界保护的性能，据此构建基于有源边界信息的单端全线速动保护，发明无需与其他保护配合即可具备全线范围的故障识别能力，且在高阻故障下具有高灵敏性。
[0096]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。