[发明专利]架空线柔性直流电网中直流线路故障快速保护方法和装置

说明书

本发明提供一种架空线柔性直流电网中直流线路故障快速保护方法和装置，通过引入直流欠压保护、直流电压行波保护和直流电流行波保护等保护构成多重保护判据，提升了快速保护算法的可靠性；并采用小波变换来增强保护算法的过渡电阻耐受能力和噪声抗干扰能力。此外，为了进一步压缩保护时间，采用雷击干扰与故障保护判别并行处理方式，适用于任意端点数的直流电网，不会因直流电网线路结构的复杂化、换流器类型的改变以及直流电压等级的改变而降低其适用性。

技术领域

本发明涉及电力系统柔性直流电网技术领域，具体涉及一种架空线柔性直流电网中直流线路故障快速保护方法和装置。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和环境承载能力的日益增加，世界各国已逐步调整再生能源在以传统化石能源为主的能源结构中的比例。风力和光伏发电是可再生能源开发和利用的主要形式，我国可再生电力能源大多位于远离中东部负荷聚集的西部、北部等地区，如青藏高原柴达木地区的风电、光伏等。同时，鉴于这些地区的可再生能源发电系统具有区域分散性的特点，所以通常以“风火打捆”方式送出来消除可再生能源发电对电网稳定性的影响，这种交流消纳方式存在着火电配比和建设难度大等局限性，使得这些地区大规模开发和有效利用可再生能源陷入困境。

基于柔性直流输电技术的柔性直流电网(以下简称“直流电网”)由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统，国际大电网会议(CIGRE)组织对于直流电网的定义为由多个网状和辐射状联接的变换器组成的直流网络。直流电网中直流线路间可自由连接，互为冗余，并可实现多电源供电、多落点受电，为多种形式的大规模可再生能源发电的广域互联和送出消纳提供了一个高效传输平台，实现了能源资源在广域大范围内的互补优化配置、高比例的可再生能源电力的可靠接入以及对现有电力系统运行稳定性的提升，是解决电网薄弱导致的大规模可再生能源汇集与送出困难问题的有效技术手段，具有广泛应用前景。

直流电网与交流电网的显著区别在于其“低阻尼”特性。这种“低阻尼”特性在便于直流电网功率灵活控制与快速转移的同时也带来了一定的问题。其中最值得关切的问题之一即直流故障影响范围显著增大。事实上，一旦发生双极短路故障，会在几十个毫秒内扩散到整个直流系统，快速上升的过电流或过电压会造成换流阀、直流断路器等设备出现瞬时过应力，影响设备正常运行甚至危机设备安全。以500kV直流系统为例，故障发生0.5ms后距故障点100km的换流器的桥臂电流急剧增加，其电流上升率可达3kA/ms，峰值电流可达30kA。

同时，从输电距离、电压等级等技术问题以及由此带来的成本的角度考虑，架空线输电仍然将是未来直流电网构建的主要形式。然而，架空线输电方式必然会导致直流电网线路故障概率的显著增加，据估计，到2008年，国家电网公司所属的直流输电系统因直流线路故障引起系统的单双极闭锁高达44％，由此说明直流线路故障已在直流输电系统故障中占有的比例相当惊人。对于直流电网而言，由于冗余线路的存在，可以预见直流线路故障概率所占比例将进一步增加，直流电网线路保护的需求日益强烈。

国内外学者针对直流电网线路故障保护的问题提出了多种系统级保护方案，如Open Grid、分区保护等策略，这些系统级保护策略的实现依赖于快速可靠的线路保护策略。然而，限于目前IGBT的通流能力，若要保证故障后的系统持续不间断运行，保护系统需在3～5ms内对故障线路实现快速切除。世界上目前设计参数最高的200kV直流断路器的电流分断时间为3ms，分断电流为15kA，即便通过优化，未来直流断路器的关键部件及开断策略，其分断电流的极限时间也要2ms，这样留给继电保护装置的响应时间仅有1～3ms，现有直流线路保护技术(常规直流线路保护典型值10ms左右)显然不能满足技术需求。国内外学者还就此提出了一些保护替代方案，如采用具备故障电流闭锁能力的AC-DC、DC-DC变换器来阻断故障电流在交直流系统、不同直流系统之间的故障电流传递。但上述保护措施仅适用于小规模直流电网，其保护理念并不符合直流电网的发展方向。此外，现有的直流电网大多基于电缆输电方式，而架空线柔性直流电网的研究尚属空白。

发明内容