本發(fā)明屬于柔性直流輸電系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流短路故障保護方法及裝置。

背景技術(shù)：

目前，采用模塊化多電平換流器(MMC)的高壓柔性直流輸電是解決大規(guī)模新能源集中外送的重要途徑。以我國的張北地區(qū)為例，要將張北和康保地區(qū)的風電通過柔性直流輸電集中外送至北京和冀北的豐寧，需要建設(shè)四端柔性直流輸電網(wǎng)。采用柔性直流電網(wǎng)進行遠距離輸電時，考慮到經(jīng)濟性，換流站之間不宜采用直流電纜，而應(yīng)采用直流架空線路，但直流架空線路的應(yīng)用增大了直流側(cè)發(fā)生短路故障的概率。

現(xiàn)有的柔性直流輸電線路保護主要針對雙端或多端系統(tǒng)，目前還沒有可行的區(qū)別方法，將直流線路上斷路器與電抗器之間的短路故障保護、和斷路器與換流器之間的短路故障保護區(qū)別開來，現(xiàn)有技術(shù)中，當換流器和電抗器之間的線路上(包括斷路器與電抗器之間、和斷路器與換流器之間的線路)任意一處發(fā)生短路故障時，都會啟動相應(yīng)的保護動作，例如，如圖2所示的直流線路上b點發(fā)生短路故障時，現(xiàn)有的保護不僅斷開上述直流線路上的斷路器，如斷路器①，還會斷開與換流器MMC相連的其他線路上的斷路器，如斷路器②，而實際上當b點發(fā)生短路故障時只需斷開b點所在直流線路上的斷路器，即隔離b點所在的直流線路，其他線路可繼續(xù)正常運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流短路故障保護方法及裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中換流器和電抗器之間的短路故障保護切斷無故障線路的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流短路故障保護方法，對于一條直流線路，將其一側(cè)換流器與近端線路電抗器之間的部分分為第一、第二兩個保護區(qū)域，第一保護區(qū)域包括近端線路的電抗器與直流斷路器之間的區(qū)域，第二保護區(qū)域包括直流斷路器與換流器之間的區(qū)域；

對于第一保護區(qū)域，以直流斷路器電流和近端線路電抗器電流作為差動輸入，執(zhí)行差動保護，若第一保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障，則至少發(fā)出對應(yīng)線路近端直流斷路器跳閘指令；

對于第二保護區(qū)域，以換流閥出口直流母線電流、與換流器相連的所有線路的近端直流斷路器電流為差動輸入，執(zhí)行差動保護，若第二保護區(qū)域內(nèi)故障，則至少發(fā)出與換流器相連的所有線路近端斷路器的跳閘指令。

進一步，所述第一保護區(qū)域、第二保護區(qū)域的差動保護是以差動電流變化率為判據(jù)的差動保護。

進一步，所述第一、第二保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障時，還向所述直流線路上對應(yīng)的遠端直流斷路器發(fā)出跳閘指令。

進一步，對于所述一條直流線路，還包括近端線路電抗器與遠端線路電抗器之間的第三保護區(qū)域，對于第三保護區(qū)域，執(zhí)行行波保護和電壓突變量保護，若區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障，則發(fā)出對應(yīng)線路兩端直流斷路器跳閘指令。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流短路故障保護裝置，包括以下單元：

用于對一條直流線路，將其一側(cè)換流器與近端線路電抗器之間的部分分為第一、第二兩個保護區(qū)域，第一保護區(qū)域包括近端線路的電抗器與直流斷路器之間的區(qū)域，第二保護區(qū)域包括直流斷路器與換流器之間的區(qū)域的單元；

用于對第一保護區(qū)域，以直流斷路器電流和近端線路電抗器電流作為差動輸入，執(zhí)行差動保護，若第一保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障，則至少發(fā)出對應(yīng)線路近端直流斷路器跳閘指令的單元；

用于對第二保護區(qū)域，以換流閥出口直流母線電流、與換流器相連的所有線路的近端直流斷路器電流為差動輸入，執(zhí)行差動保護，若第二保護區(qū)域內(nèi)故障，則至少發(fā)出與換流器相連的所有線路近端斷路器的跳閘指令的單元。

進一步，所述第一保護區(qū)域、第二保護區(qū)域的差動保護是以差動電流變化率為判據(jù)的差動保護。

進一步，所述第一、第二保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障時，還包括用于向所述直流線路上對應(yīng)的遠端直流斷路器發(fā)出跳閘指令的單元。

進一步，對所述一條直流線路，還包括用于將近端線路電抗器與遠端線路電抗器之間的部位定義為第三保護區(qū)域，對于第三保護區(qū)域，執(zhí)行行波保護和電壓突變量保護，若區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障，則發(fā)出對應(yīng)線路兩端直流斷路器跳閘指令的單元。

本發(fā)明的有益效果是：將直流線路一側(cè)換流器與近端線路電抗器之間的部分分為第一、第二保護區(qū)域，其中，近端線路的電抗器與直流斷路器之間區(qū)域為第一保護區(qū)域，直流斷路器與換流器之間為第二保護區(qū)域，并對第一、第二保護區(qū)域內(nèi)的短路故障進行相應(yīng)的保護。該方法能有效識別直流線路上斷路器與電抗器之間(第一保護區(qū)域)的短路故障保護，以及斷路器與換流器之間(第二保護區(qū)域)的短路故障保護，當任一保護區(qū)域發(fā)生短路故障，都不會影響另一保護區(qū)域的正常運行，保證了無故障線路不被錯切的問題，實現(xiàn)直流線路上短路故障準確和快速隔離。

附圖說明

圖1是本發(fā)明柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流短路故障保護配置方案示意圖；

圖2是換流器直流側(cè)短路故障分區(qū)示意圖；

圖3是第一保護區(qū)域的短路故障隔離示意圖；

圖4是第二保護區(qū)域的短路故障隔離示意圖；

圖5是第三保護區(qū)域的短路故障隔離示意圖；

圖6是保護動作邏輯示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

本發(fā)明一種柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)直流短路故障保護方法的實施例：

對于一條直流線路，將其一側(cè)換流器與近端線路電抗器之間的部分分為第一、第二兩個保護區(qū)域，第一保護區(qū)域包括近端線路的電抗器與直流斷路器之間的區(qū)域，第二保護區(qū)域包括直流斷路器與換流器之間的區(qū)域；將近端線路電抗器與遠端線路電抗器之間的部位定義為第三保護區(qū)域。

對于第一保護區(qū)域，以直流斷路器電流和近端線路電抗器電流作為差動輸入，執(zhí)行差動保護，若第一保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障，則至少發(fā)出對應(yīng)線路近端直流斷路器跳閘指令。對于第二保護區(qū)域，以換流閥出口直流母線電流、與換流器相連的所有線路的近端直流斷路器電流為差動輸入，執(zhí)行差動保護，若第二保護區(qū)域內(nèi)故障，則至少發(fā)出與換流器相連的所有線路近端斷路器的跳閘指令。對于第三保護區(qū)域，執(zhí)行行波保護和電壓突變量保護，若區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障，則發(fā)出對應(yīng)線路兩端直流斷路器跳閘指令。

具體的，如圖2所示的換流器，采用MMC拓撲結(jié)構(gòu)，以直流斷路器①所在的第一直流線路為例，將第一直流線路的近端線路上的電抗器與直流斷路器①設(shè)為第一保護區(qū)域，將直流斷路器①與換流器MMC之間的區(qū)域設(shè)為第二保護區(qū)域，將第一直流線路的近端線路上的電抗器與遠端線路上的電抗器之間設(shè)為第三保護區(qū)域。采集第一保護區(qū)域兩側(cè)進出線的電流i₂、i₃，執(zhí)行差動保護：當i₂、i₃的差動電流變化率的絕對值超過第一整定值時，判定第一保護區(qū)域發(fā)生短路故障(例如b點發(fā)生短路)，判定公式如下：

式中，di_bset為第一整定值，識別第一保護區(qū)域發(fā)生短路故障后，觸發(fā)第一直流線路近端線路上的直流斷路器①，以及遠端線路上的直流斷路器，如圖3所示，實現(xiàn)該短路故障快速隔離。

采集第一保護區(qū)域兩側(cè)進出線的電流i₂、i₃的同時，還需采集第二保護區(qū)域中換流器MMC出線側(cè)電流i₁，以及與換流器MMC相連的另一線路上直流斷路器②進線端的電流i₄，執(zhí)行差動保護：當i₁、i₂、i₄的差動電流變化率的絕對值超過第二整定值時，判定第二保護區(qū)域發(fā)生短路故障(例如a點發(fā)生短路)，判定公式如下：

式中，di_aset為第二整定值，識別第二保護區(qū)域發(fā)生短路故障后，觸發(fā)第一直流線路近端線路上的直流斷路器①、另一線路近端線路上的直流斷路器②，以及第一直流線路和另一線路的遠端線路上的直流斷路器，如圖4所示，實現(xiàn)快速隔離該短路故障。

對于第一直流線路上近端線路電抗器與遠端線路電抗器之間的第三保護區(qū)域，執(zhí)行行波保護和電壓突變量保護，若區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障(例如c點短路)，則發(fā)出對應(yīng)線路兩端直流斷路器跳閘指令，如圖5所示。其中，行波保護原理為：

式中，P_dif為直流側(cè)極模波；G_com為直流側(cè)地模波；Z_dif為直流側(cè)極模波阻抗；Z_com為直流側(cè)地模波阻抗；I_dif、U_dif為系統(tǒng)差模分量；I_com、U_com為系統(tǒng)共模分量；△1為極波變化率整定值；△2為極波整定值；△3為地模波整定值。

電壓突變量保護原理為：

式中，du_set為電壓變化率整定值；U_set為直流電壓整定值；di_set為直流電流變化率整定值。

本發(fā)明直流斷路器的快速觸發(fā)方案如下：當?shù)诙Ｗo區(qū)域故障時，需要同時斷開與故障換流站相連的所有直流線路兩端的直流斷路器才能夠?qū)崿F(xiàn)故障線路的準確隔離，如圖4所示；當?shù)谝槐Ｗo區(qū)域、直流線路上近端線路電抗器與遠端線路電抗器之間的區(qū)域發(fā)生故障時，僅需要斷開故障點所在直流線路兩端的直流斷路器，即可準確隔離故障線路，如圖3所示；當?shù)谝槐Ｗo區(qū)域、第二保護區(qū)域故障時，遠端換流站將檢測不到故障，但又必須觸發(fā)直流斷路器斷開，因此就必須接受近端故障的檢測與定位結(jié)果并觸發(fā)斷路器動作。

由此可知，直流斷路器的開斷動作受四個指令控制，近端線路故障檢測結(jié)果、近端直流斷路器與線路電抗之間故障檢測結(jié)果、近端直流斷路器閥側(cè)短路故障檢測結(jié)果，以及遠端直流斷路器動作指令。

(1)近端線路故障檢測結(jié)果：當近端直流線路故障檢測裝置檢測到第三保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障時，指示該故障并觸發(fā)近端直流斷路器斷開，同時遠端故障檢測裝置檢測到線路故障并觸發(fā)遠端直流斷路器斷開，實現(xiàn)故障線路的隔離。

(2)近端直流斷路器與線路電抗之間故障檢測結(jié)果：當檢測裝置檢測到第一保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障時，指示該位置發(fā)生故障，并觸發(fā)近端直流斷路器斷開，但此時遠端故障檢測裝置無法檢測到該故障，無法觸發(fā)遠端直流斷路器斷開，因此需要將近端故障檢測結(jié)果傳輸至遠端來觸發(fā)遠端直流斷路器斷開，實現(xiàn)故障線路的隔離。

(3)近端直流斷路器閥側(cè)短路故障檢測結(jié)果：當檢測裝置檢測到第二保護區(qū)域內(nèi)發(fā)生短路故障時，指示該區(qū)域發(fā)生故障，并觸發(fā)所有與故障換流站相連的直流線路近端直流斷路器斷開，但此時其它遠端故障檢測裝置無法檢測到該故障，無法觸發(fā)遠端直流斷路器斷開，因此需要將近端故障檢測結(jié)果傳輸至遠端來觸發(fā)遠端直流斷路器斷開，實現(xiàn)故障線路的隔離。

(4)遠端直流斷路器動作指令：與上述(2)、(3)的分析類似，當遠端直流斷路器與線路電抗之間線路或遠端直流母線發(fā)生故障時，近端保護裝置檢測不到故障，需要將遠端的直流斷路器動作指令傳輸至近端，觸發(fā)近端斷路器斷開實現(xiàn)故障線路的隔離。

上述四種情況均應(yīng)觸發(fā)直流斷路器動作開斷，因此直流斷路器開斷指令由四者共同發(fā)出，當至少一個檢測結(jié)果有效時，直流斷路器即動作開斷，如圖6所示。

本發(fā)明基于行波保護原理與突變量保護原理，通過對電流變化率、電壓變化率和變化量，以及差動電流變化率，并根據(jù)故障位置的不同，將故障分為三個區(qū)域的故障：直流電抗線路側(cè)故障、直流斷路器與直流電抗器之間的故障和近端直流斷路器閥側(cè)的故障。

當直流電抗器線路側(cè)故障(指直流線路上兩個直流電抗器之間所發(fā)生的故障)時，線路兩端所配置的行波保護、電壓突變量保護策略均能夠檢測到故障，并觸發(fā)斷路器動作。

當直流斷路器與直流電抗器之間部分直流線路發(fā)生故障時，遠端所配置保護策略無法檢測到故障，而近端通過檢測直流電抗線路側(cè)、直流斷路器線路側(cè)的兩個測點的差動電流變化率實現(xiàn)故障檢測與定位，進而觸發(fā)直流斷路器動作，并將斷路器動作信號傳輸至遠端直流斷路器。

當近端直流斷路器閥側(cè)故障(指直流斷路器與換流器之間直流線路的故障)時，遠端所配置保護策略同樣無法檢測到故障，而近端通過檢測換流閥出口直流母線電流，與換流器相連的所有線路的近端直流斷路器電流的變化率實現(xiàn)故障檢測與定位，進而觸發(fā)直流斷路器動作，并將斷路器動作信號傳輸至遠端直流斷路器。

綜上所述，本發(fā)明提出的短路故障保護方法針對柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)，在直流線路的任意處發(fā)生短路故障時，都能實現(xiàn)故障的快速檢測與定位。