基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法技术

本发明专利技术公开一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。本发明专利技术能够快速区分永久性故障与瞬时性故障，当判别为永久性故障时能准确判断故障距离，实现快速熄弧故障的快速重启与永久性故障不予重启的功能；本发明专利技术在直流架空线实现了自适应重启，实现故障性质自适应判别和快速熄弧故障的快速重启，确保直流系统安全可靠运行，减少停电损失，直接效益和间接效益十分显著。

DC line fault protection method based on converter injected characteristic signal

The invention discloses a DC line fault protection method based on the injected characteristic signal of the converter, which comprises the following steps: step 1, establishing a full bridge modular multilevel converter; step 2, when a DC line fault occurs, starting the injected characteristic signal after a certain time of starting the fault clearance strategy, injecting the characteristic signal; The characteristic signal injection strategy generates the identifiable characteristic signal in the circuit; step 3, after the injection characteristic signal strategy starts, the fault is judged by the traveling wave reentry. The invention can quickly distinguish permanent faults from instantaneous faults, accurately judge the fault distance when distinguished as permanent faults, and realize the functions of quick restart of fast arc extinguishing fault and non-restart of permanent faults; the invention realizes adaptive restart on DC overhead lines, and realizes the adaptive identification and fast speed of fault properties. Rapid restart of quick arc extinguishing fault ensures safe and reliable operation of DC system and reduces power loss. The direct and indirect benefits are remarkable.

【技术实现步骤摘要】
基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法
本专利技术属于直流线路故障保护领域，特别涉及一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法。
技术介绍
电力系统大多数故障来自于架空线。运行经验表明，线路故障具有单相(极)、瞬时性的特点，线路故障切除后经固定时限重合成功的概率为60％～90％，电压等级越高重合成功率越高。自动重合闸在交流线路中广泛采用，提高了供电可靠性，具有巨大的社会经济效益。但若重合于永久性故障，会使电力系统短时间内连续遭受两次故障冲击，会降低电气设备绝缘、减少其使用寿命。目前柔性直流输电重启时不区分瞬时性故障和永久性故障：在闭锁换流器清除故障电流并经历一段时间的去游离过程以后，重新解锁换流器，通过判断能否建立直流电压实现对故障性质的判断。若能够建立直流电压，表明故障已经消失，为瞬时性故障，可以恢复系统的正常运行；若直流电压无法建立，则为永久性故障，应立即重新闭锁换流站。这种重启方法能够可靠判断故障性质，但是重启于永久性故障时会对系统造成二次危害，不利于系统的安全、可靠运行。因此构建自适应重启方案，对故障类型进行预判，提高重启成功率，减少对换流设备的冲击，对于保障直流输电系统安全稳定运行至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，旨在解决现有直流输电无选择性重启的问题。本专利技术首先在PSCAD软件下搭建了真双极全桥换流器模型，并实现了直流架空线故障时换流器通过控制策略达到故障清除的目的；通过在附加控制策略实现换流器向直流线路注入特征信号，利用特征信号在故障线路和健全线路的传播特性差异进行直流故障线路的故障性质判别，该专利技术对直流架空输电线路的供电可靠性和抗干扰能力的提升具有重要意义。为实现上述目标，本专利技术采用的技术方案：基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括以下步骤：步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。进一步的，注入的特征信号的幅值采取Narm＝±X，即每相上下桥臂正向投入的子模块总数目为X个，反向投入的子模块总数目为X个，依次交替进行；特征信号的特征频率以行波在线路全长中折反射时间的两倍为最低限值；每相上下桥臂正/反向投入的子模块总数目X为全桥模块化多电平换流器电平数的2％～10％。进一步的，步骤三中，判据如下:正向注入特征信号到达测点时，电压明显上升，按式(1)判断注入信号到达保护测点的时间：其中，u(n)、u(n+1)、u(n+2)和u(n+3)为电压采样值，kset是为了消除过零点影响的门槛值，k1、k2和k3为前后电压采样的比值绝对值，k11set、k12set和k13set为电压前行波比值整定值，要求三个值依次增大，本专利技术分别取1.5、2、2.5；注入特征信号传播至故障点或者线路末端时发生反射，反射波到达测点时电压下降，按式(2)判断注入信号反射波到达时间：其中，k21set、k22set和k23set为电压反射波比值整定值，要求三个值依次减小，本专利技术分别取0.95、0.9、0.85；当注入信号前行波到达时间tf、反射波到达时间tb和行波传播线路全长所需时间tl满足式(3)，则判断为本段线路故障未消失，反之则判断为故障消失：tb-tf≤2tl(3)在一个特征周期内，若判断故障存在且判断次数小于设定值nset，则继续注入特征信号；若判断故障存在且判断次数大于nset，计算故障距离，系统不重启并结束判断；若判断故障不存在，再注入两个特征信号辅助判断，若后续两次行波判据均判为故障消失，则系统重启，切换为正常控制策略，否则返回继续判断故障是否消失。进一步的，步骤二中一定时间为1-200ms。进一步的，步骤二中一定时间为200ms。进一步的，步骤一中所建立全桥模块化多电平换流器为250电平；步骤二中注入的特征信号的幅值采取Narm＝±10。进一步的，特征信号脉宽选取为10ms，占空比为50％。本专利技术一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，包括：步骤一，充分研究换流器的故障控制策略和换流器在故障控制阶段向线路注入特征信号的可行性；步骤二，通过故障控制策略使得故障线路的直流电压和直流电流降低至0.1p.u以下，该稳定时间取决于控制器策略和瞬时性故障的熄弧时间，一般不超过200ms，在直流线路电压和电流稳定后换流器附加控制策略启动，附加控制策略向故障线路注入特征信号；步骤三，选取特征信号的原则：为了供电可靠性，换流站应尽快重启以恢复供电，此时特征信号频率应尽可能高，这样才能在较短的周期内判断出瞬时性故障并快速重启，考虑到采样频率、线路长度和换流器子模块投切控制周期，特征信号频率应尽可能低以确保判断的可靠性；为了可靠识别出行波折返射过程，注入特征信号幅值应尽可能大，考虑到电力电子器件的耐受能力和系统冲击的要求，注入特征信号幅值应尽可能小；步骤四，特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异进行直流故障线路的故障性质判别。本专利技术一种基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，在直流线路故障清除后与换流器重启前的间隔内，利用换流器附加控制策略向直流故障线路注入特征信号，特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异实现直流故障线路的故障性质判别。换流器为基于全桥子模块的模块化多电平换流器。特征信号的频率选取应考虑检测装置、线路长度和换流器子模块投切控制周期等多种限制，特征信号的幅值选取应兼顾电力电子器件的耐受能力和系统冲击的要求。故障清除时间取决于控制器策略和瞬时性故障的熄弧时间，一般不超过200ms，在直流线路故障清除后换流器附加控制策略启动，附加控制策略通过控制全桥子模块电容的投切实现特征信号注入。直流线路为永久性故障时的电路拓扑与直流线路为瞬时性故障时的电路拓扑不同，故特征信号在故障线路和健全线路的传播特性存在差异，利用该差异实现直流故障线路的故障性质判别，当判断为故障持续存在，换流器不重启，当判断为故障消失，换流器重启。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所提出的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，能够快速区分永久性故障与瞬时性故障，当判别为永久性故障时能准确判断故障距离，实现快速熄弧故障的快速重启与永久性故障不予重启的功能；本专利技术在直流架空线实现了自适应重启，实现故障性质自适应判别和快速熄弧故障的快速重启，确保直流系统安全可靠运行，减少停电损失，直接效益和间接效益十分显著。所提出的重启方案具有快速性和可靠性，且无高采样率要求。附图说明图1为真双极全桥换流器输电系统模型简图；图2为故障清除策略与特征信号注入策略；图3为Narm＝5时线路注入的不同频率方波信号；图4为Narm＝15时线路注入的不同频率方波信号；图5为注入方波在故障线路和健全线路传播特性示意图；图6为距离保护100km处不同过渡电阻故障注入方波传播示意图；图7为距离保护250km处不同过渡电阻故障注入方波传播示意图。具体实施方式下面结合附图对换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法进一步说明：本专利技术的目的在于提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。

【技术特征摘要】
1.基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立全桥模块化多电平换流器；步骤二，直流线路故障时，在故障清除策略启动一定时间后启动特征信号注入策略注入特征信号；特征信号注入策略在线路中产生能够识别的特征信号；步骤三，注入特征信号策略启动后，由行波折返射判断故障存在与否。2.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，注入的特征信号的幅值采取Narm＝±X，即每相上下桥臂正向投入的子模块总数目为X个，反向投入的子模块总数目为X个，依次交替进行；特征信号的特征频率以行波在线路全长中折反射时间的两倍为最低限值；每相上下桥臂正/反向投入的子模块总数目X为全桥模块化多电平换流器电平数的2％～10％。3.根据权利要求1所述的基于换流器注入特征信号的直流线路故障保护方法，其特征在于，步骤三中，判据如下:正向注入特征信号到达测点时，电压明显上升，按式(1)判断注入信号到达保护测点的时间：其中，u(n)、u(n+1)、u(n+2)和u(n+3)为电压采样值，kset是为了消除过零点影响的门槛值，k1、k2和k3为前后电压采样的比值绝对值，k11set、k12set和k13set为电压前行波比值整定值；注入特征信号传播至故障点或者线路末端时发生反射，反射波到达测点时电压下降，按式(2)判断注入信号反射波到达时间：其中，k21set、k22set和k23set为电压反...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国兵，王婷，张晨浩，吴磊，韩伟，刘超，
申请(专利权)人：西安交通大学，国网河南省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61