基于电压行波陡度的柔性直流送出线路快速保护方案.pdf
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1、 :年 月 第 卷第 期基于电压行波陡度的柔性直流送出线路快速保护方案高正创,李凤婷,解超,尹纯亚(新疆大学电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 )摘要:柔性直流技术在灵活解决高比例新能源消纳的问题上具有革命性意义。针对传统线路保护已不能可靠适应柔性直流送出系统高比例电力电子设备脆弱性、故障信息提取难等问题,文中提出一种基于电压行波陡度的柔性直流送出线路快速保护方案。通过分析直流线路故障暂态特性,利用限流电抗器两侧故障电压行波陡度与极性的不同,增加了有效暂态信息量提取范围,实现区内外故障识别;利用故障极与健全极的电压行波变化程度存在明显差异,判别故障类型;同时考虑了雷击干扰并利用其初始变化特性提出了快
2、速识别方法。最后通过仿真验证了该保护方案在各种影响因素下的性能,可以快速可靠地识别故障,具有良好的灵敏性和抗干扰能力。关键词:柔性直流;暂态信息量;电压行波陡度;电压行波极性;雷击干扰;灵敏度中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划资助项目()引言随着节能减碳、能源转型的推进,我国新能源产业迅速发展 。新能源项目工程规模不断扩大,其间歇性和不稳定性的缺点也给安全输电带来了问题。柔性直流输电具有低谐波、大容量、运行灵活、互联方便、无换相失败等优势,备受青睐 。与传统交流系统和常规直流系统相比,柔性直流系统阻尼小、惯量低、非线性强,各种传统保护方案已不
3、完全适用 。因此,需要快速有效的保护方案识别出柔性直流送出线路故障,保障柔性直流系统的安全稳定运行。现有柔性直流线路保护方案根据保护原理可分为单端量保护 和双端量保护 。文献 提出通过比较两端暂态阻抗的大小来判断故障;文献 均利用小波变换得到的两端电压幅值比和两端等效行波信息构成线路保护。以上双端量保护方案存在通信延时的问题,难以满足柔性直流线路保护的速动性要求,适用于短距离直流线路。基于单端量的线路保护方案不受通信影响,动作时间快,可分为频域法 和时域法 。文献 依据电压高频分量的大小判断故障类型,但该保护方案受过渡电阻影响较大。文献 通过小波变换的信号处理方法,提出一种基于初始电压行波衰减
4、速率的线路保护方案,提高了暂态量保护的可靠性。文献 利用电压变化量构造线路保护方法,易于工程实现,有较好的速动性,但未考虑雷击干扰影响。文献 讨论了直流线路近端和远端电流传输特性,提出一种两段式过电流保护方案,能可靠判别故障。文献 利用零模、线模电压反行波传输的时差,提出一种基于反行波的快速保护方案,但在发生双极短路故障且只存在线模分量时无法识别。而柔性直流系统中电力电子器件闭锁快,故障信息难以准确提取,因此有学者提出采用注入信号的方式解决该问题 。文献 通过向非故障极模块化多电平换流器(,)注入信号,检测第一个反行波上升沿进而确定故障类型,但实现比较困难。受自然环境因素的影响,长距离输电线路
5、容易遭受雷电干扰,因此柔性直流线路保护方案有必要考虑雷击干扰。文献 提出一种利用模极大值结合尾波拟合的快速雷击识别的保护方法。文献 提出采用高低频分量的能量比来区分雷击干扰的保护方法,该方法对采样频率要求较高。为此,文中从柔性直流送出线路故障暂态特性着手,推导限流电抗器两侧故障电压行波幅值,并分析了其线路传播特性,得出故障电压行波陡度与极性特征。基于此分析并结合雷击行波初始变化特性,提出一种基于电压行波陡度的快速保护方案。该方案扩大了暂态信息量提取范围,能可靠识别故障类型和雷击干扰,具有较高灵敏性和速动性,且便于实现。在 中搭建柔性直流送出系统模型,验证了所提方案的保护性能。直流送出线路故障分
6、析图 为柔性直流送出系统的某条送出线路拓扑,采用真双极的接线方式,并通过金属回线引出接地极。该接线方式下,当发生单极接地故障时直流送出系统仍可正常输电。送出线路选用架空线,线路两侧配有限流电抗器及直流断路器等保护装置,用于保护柔性直流送出系统的安全稳定运行。图 柔性直流送出系统拓扑 故障暂态特性分析当送出线路发生故障后,交流侧馈入的能量对直流故障影响很小,可以忽略不计 ,只考虑故障前子模块电容所存储的能量。故障后健全极与故障极线路之间存在电磁耦合,进行解耦变换减小其影响 。通过变换矩阵将故障电气量解耦为线模分量和地模分量。槡 ()式中:、分别为电气量的线模分量、地模分量;、分别为正、负极电气量
7、。送出线路发生单极接地故障的概率较高。如图 所示,闭锁前 子模块电容迅速放电。故障极对地电压迅速下降,健全极对地电压上升,故障电流迅速上升。图 单极接地故障 单极接地故障网络中,线模网络与地模网络在故障支路端口处呈现串联的关系。故障电压行波幅值表达式 为:槡 槡 ()式中:、分别为 、处的线模电压幅值;、分别为等效波阻抗的地模分量和线模分量;为故障电压幅值;为过渡电阻;、分别为 等效阻抗、线路等效阻抗、限流电抗器电感的线模分量。直流线路发生双极短路故障类似于交流线路发生三相短路故障,较为严重,如图 所示,闭锁前 子模块电容迅速放电。故障极与健全极电压变化趋势一致,故障电流迅速上升。图 双极短路
8、故障 双极短路故障极间是对称的,因此只存在线模分量,没有地模分量。故障电压行波幅值表达式为:槡 槡()故障行波陡度与极性特征分析图 为直流送出线路区内外故障示意。为区内故障,、为区外故障。取送端换流站出口 处、送出线路入口 处、送出线路出口 处、受端换流站入口 处为电气量采样处。图 送出线路区内外故障 线路发生故障后,电压行波在线路传播的过程中会出现畸变和延迟 ,则:()()()式中:()为线路电压;为衰减系数,槡,、分别为单位长度线路的电阻、电导;为线路长度;为传播速度,槡 ,、分别为单位长度线路的电感、电容;()为单位冲激函数。因此,同一故障时间点,可明显区分出线路各采样处的故障行波陡度不
9、同。表现如下:故障前期,处相比于 处、处相比于 处的故障行波陡度较小;故障前期,处相比于 处的故障行波陡度较大,处最小;故障前期,处相比于 处的故障行波陡度较大,处最小。规定换流站流向母线、母线流向线路为行波参考正方向,在送出线路区内外故障情况下行波流向如图 所示,箭头方向为行波参考正方向。与实际流向(送端换流站流向受端换流站)相比,行波参考正方向与实际流向一致时极性为正,反之为负。由图 可知,故障时,限流电抗器两侧采样处的故障行波极性是一致的,限流电抗器内侧采样处的故障高正创 等:基于电压行波陡度的柔性直流送出线路快速保护方案行波极性是不同的;而、故障时,限流电抗器两侧采样处的故障行波极性不
10、同,限流电抗器内侧采样处的故障行波极性一致。图 区内外故障行波流向 由上述分析可知,各采样处故障行波陡度与极性特征如表 所示。表 各采样处故障行波陡度与极性特征 运行工况 处 处 处 处极性陡度极性陡度极性陡度极性陡度故障正小正大负大负小故障正大负中负中负小故障正小正中正中负大 雷击干扰特性长距离柔性直流输电线路容易遭受雷击,从而对线路保护造成影响。这种雷击干扰产生的电流信号多为负极性,可等效为受控电流源 与雷电通道波阻抗 并联的电路模型 ,如图 所示,其中取 。图 雷击等效电路模型 根据 的标准,采用最符合实际雷电流波形的负极性双指数雷电流模型,如式()所示。()()()式中:为雷电流幅值修
11、正系数;为雷电流峰值;、为雷电流波形时间常数。直流线路遭受雷击干扰,行波信号曲线虽与单极接地故障相似,但是两者的衰减特性有显著的差别。两者都具有阶跃式特点,受雷击干扰的行波信号特点与雷击等效电流源相类似,受雷击瞬间表现为陡峭的波头,数微秒内迅速衰落;而故障行波信号故障瞬间呈现上升趋势,不会过快衰减。因此,根据两者初始变化特性不同,可以准确识别雷击干扰。保护方案 启动判据当送出线路发生故障时,线路电压会明显下降,因此利用暂态电压变化量 的大小作为启动判据。正常运行状态下,在允许的范围内,电压波动一般不得超过额定值的 。由于健全极与故障极之间存在的耦合作用,考虑留一定的裕度,可靠系数取 ,则保护启
12、动阈值 取 。为保障线路保护的可靠性和速动性,取 数据窗。以防因电压波动而导致保护频繁启动,采用逐差法实现快速启动判据:()()()式中:为 时间窗内采样总数的一半;()为采样电压;为采样点编号;为额定直流电压。逐差法计算简便,充分利用暂态电压采样数据,具有一定的平滑去噪性能。区内外故障判别结合柔性直流送出线路故障特性分析与表 所示各采样处故障行波陡度与极性特征可知,可以利用区内外故障下各采样处故障电压行波陡度和极性的不同判断送出线路故障位置。设()、()、()、()分别为 、处线模电压;、分别为 处与 处、处与 处线模电压幅值比,以表现电压行波陡度;、分别为 、处电压行波符号函数值,以表现电
13、压行波极性;为电压行波陡度门槛值。()()()()()()()()()()或 ()对于区内故障,限流电抗器两侧的线模电压幅值比、小于 ,考虑留一定裕度,取 。若符合式()所示条件,则初步判断为区内发生故障。为规避电压波动和偶然误差导致保护误动作的情况,提高线路保护的可靠性,采用双判据识别区内外故障。以陡度特征构造主判据,以极性特征构造辅助判据。计、为一个数据窗内、满足式()的采样数据个数,为区内故障阈值。可得区内故障判据如下:或 或 ()理想区内故障情况下,或 大于 即可,防止误判并兼顾保护速动性,取 时间窗内采样总数的一半;且此刻限流电抗器内侧采样电压行波()或()存在负极性,即 或 为 。
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