[发明专利]一种多端柔性直流电网直流线路快速保护方法及系统

说明书

本发明公开了一种多端柔性直流电网直流线路快速保护方法及系统，包括以下步骤：采集与直流输电线路正、负极相连的保护元件处的电压和电流；输电线路发生短路故障，保护装置启动，提取故障后设定时间的电压和电流采样值；利用故障后提取的电压采样值计算FPT，利用故障后提取的电流采样值计算采样数据窗中最初和最末的正极电流差值和负极电流差值的比值；将计算得到的FPT与设定的FPT门槛值比较，判别区内外故障；将计算得到的正极电流差值和负极电流差值的比值与设定的门槛值比较，判别故障极。本发明保护方法的动作速度快，只利用被保护线路的单端电压和电流，可以满足多端柔性直流电网对保护的快速性要求。

技术领域

本发明涉及电力系统多端柔性直流电网直流线路故障判别技术领域，具体涉及一种多端柔性直流电网直流线路快速保护方法及系统。

背景技术

半桥模块化多电平换流器(HB-MMC)与传统线换相换流器(LCC)及两电平电压源型换流器(VSC)相比，因为具备显著优势而被逐渐应用在两端柔性直流输电工程中，并且将要在即将建设的诸多多端柔性直流电网工程中得到广泛应用。多端柔性直流电网与两端直流输电系统相比具有显著优势，如输电线路拥有更多冗余而提高了供电可靠性，所需换流站数量减少而降低了建设成本和整体的功率传输损耗等。然而，保护系统很大程度上限制了基于HB-MMC直流电网的发展。

在多端柔性直流电网中，当直流侧发生短路故障时，与利用交流断路器或者具备故障限流能力的换流站相比，采用连接在输电线路两端的直流断路器对故障区段进行隔离可以保证非故障部分的正常运行，是最好的保护方式。然而，由于直流系统的低阻尼特性，直流侧发生短路故障时，故障电流上升迅速且峰值极高，危及换流站半导体器件安全的同时，给直流断路器的开断带来较大压力。鉴于目前故障限流和直流断路器技术水平的限制，研究基于单端信息的快速保护原理很有必要。

现有技术提出基于限流电感两侧电压变化率的保护方式以及利用限流电感直流线路侧的电压变化率来判别区内外故障。基于电压变化率的保护方式无需输电线路两端间的通信，且保护速度可以满足直流电网对保护速动性的要求，然而，当故障电阻较大时，保护的灵敏性和可靠性会大大降低。

现有技术提出基于入射行波的单端量保护方法，该保护方法具有不受线路边界影响的优势。现有技术还提出基于电流行波首波头的保护方法。然而，当输电线路长度较短时，以上两种保护方法的可靠性较低，此外，行波保护的可靠性受故障点过渡电阻的影响较为严重。

现有技术详细分析了基于VSC的直流系统发生短路故障时的故障特征，进而提出一种通过故障定位判别区内外故障的的保护方法。然而，该保护方法受故障电阻的影响较为严重，此外，该保护方法没有考虑多端柔性直流电网对保护速动性的要求。

通过以上分析可知，目前存在的基于电压变化率、行波和参数识别的直流电网保护方式受故障电阻的影响较为严重，而且有些保护方式不能满足直流系统对保护速度的要求。此外，目前多数保护方式只能应用到对称单极直流系统，而很少有适用于对称双极系统的保护方式。

发明内容

为了解决上述问题，本发明分析了基于HB-MMC的对称双极直流电网中直流线路区内外故障时的故障暂态电压，并据此提出了一种基于单端信息的多端柔性直流电网直流线路快速保护方法及系统。在故障电压的分析过程中，输电线路采用分布参数模型，并应用叠加原理和拉氏变换的分析方法；定义FPT为故障电压波形的突变点到首个极值点之间的时间间隔，区内故障时的FPT远远小于区外故障时的FPT，据此可以判别出区内外故障；此外，提出一种基于正负极故障电流的故障极判别方法。该保护方法快速灵敏，且不需要输电线路两端之间的数据传输，基本不受过渡电阻的影响。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

本发明的第一目的是公开了一种多端柔性直流电网直流线路快速保护方法，包括以下步骤：

采集与直流输电线路正、负极相连的保护元件处的电压和电流；