阅读说明：本技术 一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法 (Protection method based on action characteristics of direct-current circuit breaker in flexible direct-current power transmission system ) 是由 贾科 赵冠琨 陈金锋 陈淼 陈聪 毕天姝 于 2020-03-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法,首先在柔性直流输电系统发生双极短路故障时,基于直流断路器各换流支路故障电流熄灭特性,获得短路故障电流解析表达式；基于所获得的短路故障电流解析表达式,根据直流断路器动作切断故障电流的过程中电流波形凹凸性会发生改变这一特性来构造保护判据；根据所构造的保护判据进行相应的动作,避免由于直流断路器动作特性而导致的故障电流反复波动,并避免相邻线路的电流微分保护出现误动。上述方法可以避免相邻线路的电流微分保护出现误动,具有较强的抗过渡电阻和噪声的能力,提高了保护的可靠性。(The invention discloses a protection method based on action characteristics of a direct current breaker in a flexible direct current transmission system, which comprises the following steps of firstly, when a bipolar short-circuit fault occurs in the flexible direct current transmission system, obtaining a short-circuit fault current analytical expression based on fault current extinguishing characteristics of each current conversion branch of the direct current breaker; constructing a protection criterion according to the characteristic that the unevenness of a current waveform can be changed in the process of cutting off the fault current by the action of the direct-current circuit breaker based on the obtained short-circuit fault current analytic expression; corresponding action is carried out according to the constructed protection criterion, so that the repeated fluctuation of fault current caused by the action characteristic of the direct current breaker is avoided, and the maloperation of current differential protection of adjacent lines is avoided. The method can avoid the false action of the current differential protection of the adjacent lines, has stronger capability of resisting transition resistance and noise, and improves the reliability of the protection.)

一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护 方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电系统控制与保护技术领域，尤其涉及一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法。

背景技术

目前，直流断路器可以有效的实现故障的快速隔离和切除，因此已经成为柔性直流电网技术发展过程中的重要装备，现有技术中关于直流断路器的研究主要集中于其拓扑结构的优化以及设备参数的选型，很少关注其动作特性对于线路保护的影响，然而直流断路器通过各支路间的换流来切断故障电流时，会导致系统的故障暂态电气量发生变化，因此基于电压电流微分值的直流线路保护的动作性能面临挑战。

现有直流线路的保护根据其保护原理的不同可分为单端量保护和双端量保护，但这些保护在进行原理设计时大都未考虑直流断路器动作特性的影响，而考虑直流断路器动作特性的研究大多是通过仿真的手段来实现的，关于其理论解析推导的研究较少，难以指导保护原理的改进，因此有必要研究柔性直流输电系统中考虑直流断路器动作特性的保护方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法，该方法可以避免相邻线路的电流微分保护出现误动，具有较强的抗过渡电阻和噪声的能力，提高了保护的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法，所述方法包括：

步骤1、在柔性直流输电系统发生双极短路故障时，基于直流断路器各换流支路故障电流熄灭特性，获得短路故障电流解析表达式；

步骤2、基于所获得的短路故障电流解析表达式，根据直流断路器动作切断故障电流的过程中电流波形凹凸性会发生改变这一特性来构造保护判据；

步骤3、根据所构造的保护判据进行相应的动作，避免由于直流断路器动作特性而导致的故障电流反复波动，并避免相邻线路的电流微分保护出现误动。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法可以避免相邻线路的电流微分保护出现误动，具有较强的抗过渡电阻和噪声的能力，提高了保护的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法流程示意图；

图2为本发明所举实例多端柔性直流输电系统拓扑示意图。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。一种柔性直流输电系统中基于直流断路器动作特性的保护方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、在柔性直流输电系统发生双极短路故障时，基于直流断路器各换流支路故障电流熄灭特性，获得短路故障电流解析表达式；

在该步骤中，当柔性直流输电系统发生双极短路故障时，由于直流断路器的开断能够快速切断故障电流，因此换流器无需闭锁，短路故障电流包括电容放电电流分量和交流馈入电流分量2个部分，由于子模块电容快速放电，因此短路故障电流以电容放电电流分量为主，其表达式如下：

其中，R＝R_l+R_f+r(t)；C＝6C₀/N；C₀表示子模块电容；L₀表示桥臂电感；L_l表示直流线路电感；R_l表示直流线路电阻；R_f表示故障点过渡电阻；I₀表示故障时刻保护安装处直流电流瞬时值；U_dcN表示直流线路额定极间电压。

具体实现中，上述直流断路器是通过支路间的可控换流来切断故障电流的，具体来说：

在第一次换流的过程中，由于转移支路电力电子器件的动态电阻特性，因此线路的等效电阻也会发生改变，在此过程中动态电阻的变化主要取决于IGBT，其变化规律可以通过试验曲线开通关断过程的电气量变化进行拟合，拟合表达式如下：

式中，R_on代表IGBT变化的动态电阻；R_onend代表额定电流下IGBT的电阻值；τ为时间常数，t为故障时刻随时变化，t₀为IGBT导通时刻；

在第二次换流过程中，由于IGBT信号的不同步会影响IGBT的关断时间，而IGBT未同步关断相当于与其并联的避雷器是分步投入电路中，此时故障电流表达式如下：

式中，n(t)为不同时刻闭锁的IGBT组数，其为0～N之间的整数；U_var为1组避雷器投入所形成的反电动势值，在此过程中近似为定值。

步骤2、基于所获得的短路故障电流解析表达式，根据直流断路器动作切断故障电流的过程中电流波形凹凸性会发生改变这一特性来构造保护判据；

在该步骤中，曲线的弯曲方向(凹凸性)是曲线的几何属性，反应其一阶导数单调增减区间是否发生变化，因此可根据二阶导数值符号的正负判断凹凸性，当二阶导数值小于0时曲线呈凸型，反之曲线则呈凹型。当柔性直流输电系统发生双极短路故障时，故障后电流迅速上升，在其刚上升的过程中电流波形的凹凸性是一致的不会发生改变；而当直流断路器动作后由于其动态电阻特性，故障电流会发生波动，在波动的过程中电流波形的凹凸性在不同时刻是不同的，会发生改变，因此故障电流波形的凹凸性与其变化趋势紧密相关。

所构造的保护判据具体为：

式中，F表示电流上升率起始门限；Δt_set表示延时时间整定值；t₁，t₂表示采样时间区域的上下边界。

步骤3、根据所构造的保护判据进行相应的动作，避免由于直流断路器动作特性而导致的故障电流反复波动，并避免相邻线路的电流微分保护出现误动。

在该步骤中，由于电流微分保护是通过计算线路电流的微分值与设定值进行比较来判断是否发生故障，其判据如下式所示：

式中，i表示瞬时电流；E表示电流上升率起始门限；

而对上述推导得到的故障电流表达式求导可得：

故障发生后故障线路的电流上升速度一定大于其相邻线路，因此故障线路的保护出口发出命令直流断路器开始动作，然而在其第一次和第二次换流期间故障电流会继续上升，而由于转移支路电力电子器件的动态电阻特性，电流微分值振荡的幅值会随着其等效电阻的减小而增大，便会再次满足保护判据，从而造成相邻线路电流微分保护的误动。

为解决上述问题，本实施例根据所构造的保护判据进行相应的动作，从而避免由于直流断路器动作特性而导致的故障电流反复波动，并避免相邻线路的电流微分保护出现误动。

具体来说，曲线的弯曲方向(凹凸性)是曲线的几何属性，反应其一阶导数单调增减区间是否发生变化，因此基于所构造的保护判据，可根据二阶导数值符号的正负判断凹凸性，当二阶导数值小于0时曲线呈凸型，反之曲线则呈凹型。当柔性直流输电系统发生双极短路故障时，故障后电流迅速上升，在其刚上升的过程中电流波形的凹凸性是一致的不会发生改变；而当直流断路器动作后由于其动态电阻特性，故障电流会发生波动，在波动的过程中电流波形的凹凸性在不同时刻是不同的，会发生改变，因此直流断路器动作切断故障电流的过程中电流波形凹凸性会发生改变，以此作为判据便可以防止相邻线路的电流微分保护出现误动。

下面以具体的实例对上述方法的实施过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例多端柔性直流输电系统拓扑示意图，图2中直流线路额定电压等级为±500kV，系统各端通过基于半桥子模块的模块化多电平换流器(half bridge sub-module basedmodule multilevel converter,HBSM-MMC)与直流线路相连，本系统中MMC1采用定直流电压控制，MMC2采用定有功功率控制，MMC3和MMC4采用孤岛控制，各直流断路器为混合式直流断路器，配置在输电线路的两端以快速隔离故障。故障为双极短路故障，发生在直流线路Line2中点处，如图中F₁所示。

直流断路器在切断故障电流的过程中由于在第一次和第二次换流期间故障电流会继续上升，并且转移支路的动态电阻特性会造成电流出现波动，随着等效电阻的减小电流微分值会再次增大，便会导致相邻线路的电流微分保护出现误动；而采用本实施例所述保护方法，由于直流断路器动作切断故障电流的过程中电流波形凹凸性会发生改变，因此以此作为判据便可以防止相邻线路的电流微分保护出现误动，具体过程如上实施例所述。

针对不同过渡电阻的情况，以相邻线路Line1为例，在四种过渡电阻情况下当直流断路器动作后，虽然电流在第一次和第二次换流期间继续上升满足了电流微分判据，然而由于直流断路器动态电阻特性而导致故障电流波形的凹凸性仍会发生改变，因此过渡电阻的存在不会影响保护方法的性能。

针对不同噪声的情况，以相邻线路Line1为例，由于噪声只会使波形幅值存在波动但并不会改变其弯曲方向，所以电流波形的凹凸性仍然在直流断路器动作的过程中会发生改变，因此噪声的存在也不会影响保护方法的性能。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述保护方法给出了基于直流断路器各换流支路故障电流熄灭特性的短路电流解析表达式，可以从理论上指导保护原理的改进；同时可以避免相邻线路的电流微分保护出现误动，具有较强的抗过渡电阻和噪声的能力，提高了保护的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。