專利名稱：一種提高換流器閥短路保護整定性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高壓直流輸電系統(tǒng)繼電保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高換流器閥短
路保護整定性能的方法，屬于提高換流器閥短路保護整定性能的方法的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
為了保障直流一次主設(shè)備的安全和交直流互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，高壓直流輸電系 統(tǒng)(簡稱HVDC(High Voltage Direct Current))工程中配置了完備的直流保護系統(tǒng)。換 流閥的過應(yīng)力是直流輸電系統(tǒng)最嚴(yán)重的事故之一。當(dāng)換流閥短路、換流器交流側(cè)相間短路 或整流側(cè)閥廳直流端出線短路(下文稱這些故障為閥短路保護的指定故障)時，均可能導(dǎo) 致?lián)Q流閥遭受過應(yīng)力。為此，現(xiàn)有的HVDC工程均配置了閥短路保護。當(dāng)上述故障發(fā)生時， 保護動作出口 ，閉鎖換流器、跳開交流斷路器和進行極隔離，以保證換流器的安全。
目前，獲得較廣泛應(yīng)用的閥短路保護動作方程主要有兩類。HVDC工程的兩類主要 閥短路保護均利用指定故障發(fā)生后，換流器交流側(cè)電流的絕對最大值大于直流電流這一現(xiàn) 象作為保護判據(jù)。將動作方程左側(cè)的差動電流函數(shù)稱為動作函數(shù)，右側(cè)的動作定值函數(shù)稱 為制動函數(shù)。這兩類動作方程左側(cè)的動作函數(shù)和右側(cè)的制動函數(shù)均存在一定的差異。 一類 動作方程的左側(cè)取為對應(yīng)橋的交流電流和直流端出線電流的較小者之差，右側(cè)取為常量； 另一類動作方程的左側(cè)取為Y橋和D橋交流電流的較大者和直流端出線電流的較大者之 差，右側(cè)取為直線式函數(shù)。在閥短路保護的指定故障和區(qū)內(nèi)其他故障下，對兩類動作方程的 動作情況進行分析，其特性可以總結(jié)如下 1)兩類閥短路保護采用了不同的動作方程。但是，這兩類閥短路保護在閥短路保 護指定故障下，靈敏性完全相同； 2)在區(qū)內(nèi)非閥短路保護的指定故障下，第一類保護可能動作，而第二類保護可靠 不動作； 3)第一類保護針對Y橋和D橋分別采用了不同的動作方程，具備了在閥短路保護 指定故障下正確定位故障橋的功能。 從以上分析可知，目前廣泛應(yīng)用的閥短路保護動作方程存在以下缺陷①第二類 閥短路保護對整個換流器僅采用了一個動作方程，因而不具備定位故障橋的功能；②兩類 閥短路保護的制動函數(shù)分別為常數(shù)和直線式制動函數(shù)，當(dāng)區(qū)外故障短路電流增大時，由于 進入保護的不平衡電流增加，第一類保護有可能誤動；第二類保護為了保證區(qū)外故障時的 選擇性，要求制動系數(shù)取值較大，有可能在區(qū)內(nèi)活躍故障下拒動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種可以在閥短路保護區(qū)內(nèi)故障發(fā)生時， 兼顧滿足靈敏性和選擇性的要求的提高換流器閥短路保護整定性能的方法。本發(fā)明具備定 位故障橋的功能，能提高保護定值的整體性能。 本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提高換流器閥短路保護整定性能的方法，提出閥短和
路保護動作方程及閥短路保護分段式制動函數(shù)， 其中閥短路保護動作方程是在其左側(cè)動作函數(shù)中分別針對Y橋和D橋采用 ivD，使該保護具備定位故障橋的功能，所提出的動作函數(shù)如式(1)、 (2)所示
idY = iVY-max(idH， ij (1)
i昍=iVD—max(i膽，ij (2) 式中iVY和iVD分別為Y橋三相交流電流iaeYj和D橋三相交流電流iaeDj的絕對最 大值(j = a，b，c) ;i^禾P i⑩分別為換流器的高壓側(cè)和中性線側(cè)直流電流；保護測 和i⑩測點位置詳見附圖4。 閥短路保護分段式制動函數(shù)的表達(dá)式和動作特性分別如式(3) g = max {10， m (ires-Ires0) +I0} (3) 式中1。為啟動電流；1 如附圖1所示、=〗
acYj、
丄acDj 、丄


為拐點電流
右
為制動電流:
或max
Ldj
min
或max'
Ldj
為差動電流。
Ldj
《IresO時，取g二工O;當(dāng)idj)I
這樣，既可降低I。以提高保護的靈敏度，也可提高制動系數(shù)k^
B點對應(yīng)的故障發(fā)生時，必有iMsB < 1. 0，因此可取拐點電流I:
動系數(shù)k
k
。最大制動電流Ir
resmax丄resnmx
m
a
,之間滿足如下關(guān)系
o時，取g = m(ires-Ir_—
以保證保護的選擇性。由于
raB= 1.0。斜率m與最大制
(4) 因此，求取m僅需確定啟動電流I。和最大制動系數(shù)kMsmax。
上述分段式制動函數(shù)中相關(guān)參數(shù)的確定方法如下 采用前述分段式制動函數(shù)時，閥短路保護需要確定啟動電流1。和最大制動系數(shù)
kr，M，這些參數(shù)的確定主要考慮電流互感器的誤差所引起的不平衡電流，考慮到HVDC系統(tǒng)
中測量回路采用冗余化配置，參數(shù)的確定過程中不需考慮正常運行時電流互感器二次斷線
時保護不動作，類比交流輸電系統(tǒng)，得如下參數(shù)確定方法 (1) I。按可靠躲過最大過負(fù)荷工況下的不平衡電流確定，即 I。 = KrelKerKstK。vl (5) 式中Krel為可靠系數(shù)，取1. 3 1. 5 ;KCT為電流互感器的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;Kst 為電流互感器的同型系數(shù)，由于ivi和idj分別由交流電流互感器與直流電流互感器測得，取 Kst = 1 ;K。vl為最大過負(fù)荷倍數(shù);

電流；Ke
(2)kr
丄opm ax
式中
ax按躲過區(qū)外故障時的最大不平衡電流確定，即
為保護的最大動作電賴
'右
流過電流互感器的區(qū)外故障的最大短路
'為電流互感器在itaax下的最大誤差系數(shù)； 考慮到iMSMX = 、 ，根據(jù)制動系數(shù)的定義得到
resnxax
relerst kmax — r r -- el rKst
resmax K^為可靠系數(shù)，取1.3 1.5， Ke
(7)
為電流互感器的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;Ke 5電流互感器在ikmax下的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;kst為電流互感器的同型系數(shù)，由于iVi和idj分別由交流電流互感器與直流電流互感器測得，取Kst = 1 ;K。vl為最大過負(fù)荷倍數(shù)，通常取
1. 5 ; 上述Krel = 1. 5， Ker = 0. 1， Ker' = 0. 1， Kst = 1， K。vl = 1. 5，可取I。 = 0. 3， K—=0. 2。 上述靈敏度校驗的方法如下 閥短路保護亦須在最苛刻方式，即交流系統(tǒng)最小方式、直流系統(tǒng)輸送功率最小)下校驗保護的靈敏度，即應(yīng)滿足如下關(guān)系 K鄉(xiāng)="12^ 2 2 (8)
丄o 式中K，為靈敏度；i^為區(qū)內(nèi)活躍故障發(fā)生時流入保護的最小電流。 本發(fā)明可以在閥短路保護區(qū)內(nèi)故障發(fā)生時，兼顧滿足靈敏性和選擇性的要求的提
高換流器閥短路保護整定性能的方法。本發(fā)明具備定位故障橋的功能，能提高保護定值的
整體性能。是一種設(shè)計巧妙，性能優(yōu)良，方便實用的提高換流器閥短路保護整定性能的方法。


圖1為本發(fā)明閥短路保護分段式制動函數(shù)曲線圖； 圖2為本發(fā)明逆變側(cè)發(fā)生故障4時分別采用兩種動作方程時逆變側(cè)相關(guān)電流的變化曲線； 圖3為本發(fā)明整流側(cè)發(fā)生故障8時分別采用兩種動作方程時整流側(cè)相關(guān)電流的變化曲線； 圖4為本發(fā)明12脈動換流器接線及換流器典型短路故障分布圖。圖4主要顯現(xiàn)了保護動作方程中動作函數(shù)以及制動函數(shù)中算式中所用測點ia。Yj、ia。Dj(J = a，b，c)、idH、idN等的位置，以及故障4等示意。
具體實施方式
實施例 本發(fā)明提高換流器閥短路保護整定性能的方法，提出閥短路保護動作方程及閥短路保護分段式制動函數(shù)， 其中閥短路保護動作方程是在其左側(cè)動作函數(shù)中分別針對Y橋和D橋采用iVY和
ivD，使該保護具備定位故障橋的功能，所提出的動作函數(shù)如式(1)、 (2)所示 idY = iVY—max(i膽，ij (1) i昍=iVD—max(i膽，ij (2) 閥短路保護分段式制動函數(shù)的表達(dá)式和動作特性分別如式(3) g = max {10， m (ires-Ires0) +I0} (3) 圖1中iVi = iVY、 iVD或maxUvY， iVD} ;idj = min{idH， idN}或max(i朋，idN} ;id =iVi_idi為差動電流。當(dāng)idi《IMS。時，取g = I。；當(dāng)idi > IMS。時，取g = m(ires_IMS。)+I。。這樣，既可降低I。以提高保護的靈敏度，也可提高制動系數(shù)k^以保證保護的選擇性。由于B點對應(yīng)的故障發(fā)生時，必有ir^〈 1.0，因此可取拐點電流1_8= 1.0。斜率m與最大制
動系數(shù)kr，^、最大制動電流IMsmax之間滿足如下關(guān)系
kresmax工:resmaxm (Ifesmax 工res0) +工0 (4)
因此，求取m僅需確定啟動電流I。和最大制動系數(shù)kMsmax。
上述分段式制動函數(shù)中相關(guān)參數(shù)的確定方法如下 采用前述分段式制動函數(shù)時，閥短路保護需要確定啟動電流1。和最大制動系數(shù)
kr，^，這些參數(shù)的確定主要考慮電流互感器的誤差所引起的不平衡電流，考慮到HVDC系統(tǒng)
中測量回路采用冗余化配置，參數(shù)的確定過程中不需考慮正常運行時電流互感器二次斷線
時保護不動作，類比交流輸電系統(tǒng)，得如下參數(shù)確定方法 (1) I。按可靠躲過最大過負(fù)荷工況下的不平衡電流確定，即 I。 = KrelKerKstK。vl (5) 式中K^為可靠系數(shù)，取1.3 1.5 ;Ker為電流互感器的最大誤差系數(shù)，取O. 1 ;Kst為電流互感器的同型系數(shù)，由于ivi和idj分別由交流電流互感器與直流電流互感器測得，取Kst = 1 ;K。vl為最大過負(fù)荷倍數(shù); (2)kresmax按躲過區(qū)外故障時的最大不平衡電流確定，即
iopmax — KrelKerKstik隨 (6) 式中i。pmax為保護的最大動作電流；ikmax流過電流互感器的區(qū)外故障的最大短路電流；KCT'為電流互感器在itaax下的最大誤差系數(shù)；
考慮到i_max = ii^，根據(jù)制動系數(shù)的定義得到
<formula>formula see original document page 7</formula>(7) Krel為可靠系數(shù)，取1. 3 1. 5， KCT為電流互感器的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;KCT'為電流互感器在ikmax下的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;Kst為電流互感器的同型系數(shù)，由于iVi和idj分別由交流電流互感器與直流電流互感器測得，取Kst = 1 ;K。vl為最大過負(fù)荷倍數(shù)，通常取1. 5 ;給出了一個特定參數(shù)取值下，根據(jù)(5)和(7)式的計算所得1。和Kr，^，例如若K^ =1. 5， Ker = 0. 1， Ker' = 0. 1， Kst = 1， K。vl = 1. 5，可取I0 = 0. 3， kresniax = 0. 2。
上述靈敏度校驗的方法如下 閥短路保護亦須在最苛刻方式，即交流系統(tǒng)最小方式、直流系統(tǒng)輸送功率最小)下校驗保護的靈敏度，即應(yīng)滿足如下關(guān)系<formula>formula see original document page 7</formula> 式中K，為靈敏度；imin為區(qū)內(nèi)活躍故障發(fā)生時流入保護的最小電、》
下面以CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)為例，對上述動作方程的進行驗證。在測點idH靠近線路側(cè)直流端出線短路時，得到區(qū)外故障的最大短路電流ikmax。區(qū)外故障的不平衡電流通過對測量電流加入電流幅值10%大小的噪聲干擾來模擬。采用時間常數(shù)為2ms的一階低通濾波器后，ikmax = 2. 124， imin = 1. 8，沿用前述參數(shù)選取方法，得m = 0. 11， Ksen =1. 8/0. 3 > 2。帶入式(3)后，結(jié)合前述動作函數(shù)得到如下兩類采用分段式制動函數(shù)的閥短路保護動作方程 iVY(iVD)-min(idH， ij >max{0.3，0. ll(min(i朋，idN)-1. 0]+0. 3}
(9)
iVY(iVD)-max(idH， ij >max{0.3，0. ll(max(i朋，idN)-1. 0]+0. 3}
(10) 分別采用基于動作方程(9)和(10)的閥短路保護，對CIGRE測試系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的區(qū)內(nèi)12種故障和一些區(qū)外故障下，保護的動作情況進行了測試。為了簡化分析，略去保護的動作策略仿真(如移相，投旁通對等)，即保護動作后立即清除故障。限于篇幅，僅給出逆變側(cè)發(fā)生故障4和整流側(cè)發(fā)生故障8時，采用兩種閥短路保護時各個測量點的電流變化曲線，如圖2和圖3所示。由圖2可見，當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生故障4時，基于動作方程(9)和(10)的閥短路保護均正確動作，測量點電流的變化情況相同，故僅給出了一組電流變化曲線。由圖3可見，當(dāng)整流側(cè)發(fā)生故障8時，基于動作方程(9)的閥短路保護正確動作，基于動作方程(10)的閥短路保護正確不動作。 仿真結(jié)果表明(l)在所有故障下，采用分段式制動函數(shù)的閥短路保護的動作情況與目前廣泛應(yīng)用的閥短路保護一致，表明所提出的方法在理論方面的正確性；(2)所提出的分段式制動函數(shù)使得閥短路保護兼有良好的選擇性和靈敏性。
權(quán)利要求
一種提高換流器閥短路保護整定性能的方法，其特征在于提出閥短路保護動作方程及閥短路保護分段式制動函數(shù)，其中閥短路保護動作方程是在其左側(cè)動作函數(shù)中分別針對Y橋和D橋采用iVY和iVD，使該保護具備定位故障橋的功能，所提出的動作函數(shù)如式(1)、(2)所示idY＝iVY-max(idH，idN)(1)idD＝iVD-max(idH，idN)(2)式中iVY和iVD分別為Y橋三相交流電流iacYj和D橋三相交流電流iacDj的絕對最大值(j＝a，b，c)；idH和idN分別為換流器的高壓側(cè)和中性線側(cè)直流電流；閥短路保護分段式制動函數(shù)的表達(dá)式和動作特性分別如式(3)g＝max{I0，m(ires-Ires0)+I0} (3)式中I0為啟動電流；IresB為拐點電流；ires為制動電流；iVi＝iVY、iVD或max{iVY，iVD }；idj＝min{idH，idN}或max{idH，idN}；id＝iVi-idj為差動電流，當(dāng)idj≤Ires0時，取g＝I0；當(dāng)idj＞Ires0時，取g＝m(ires-Ires0)+I0。這樣，既降低I0以提高保護的靈敏度，也提高制動系數(shù)kres以保證保護的選擇性，由于B點對應(yīng)的故障發(fā)生時，必有iresB＜1.0，因此取拐點電流IresB＝1.0。斜率m與最大制動系數(shù)kresmax、最大制動電流Iresmax之間滿足如下關(guān)系kresmaxIresmax＝m(Iresmax-Ires0)+I0 (4)因此，求取m僅需確定啟動電流I0和最大制動系數(shù)kresmax。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高換流器閥短路保護整定性能的方法，其特征在于上述分 段式制動函數(shù)中相關(guān)參數(shù)的確定方法如下采用前述分段式制動函數(shù)時，閥短路保護需要確定啟動電流I。和最大制動系數(shù)kresmax， 這些參數(shù)的確定主要考慮電流互感器的誤差所引起的不平衡電流，考慮到HVDC系統(tǒng)中測 量回路采用冗余化配置，參數(shù)的確定過程中不需考慮正常運行時電流互感器二次斷線時保 護不動作，類比交流輸電系統(tǒng)，得如下參數(shù)確定方法(1) I。按可靠躲過最大過負(fù)荷工況下的不平衡電流確定，即工o — KreiKerKstK0Vi (5)式中Krel為可靠系數(shù)，取1. 3 1. 5 ;KCT為電流互感器的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;Kst為電流互感器的同型系數(shù)，由于iVi和idj分別由交流電流互感器與直流電流互感器測得，取Kst =1 ;K。vl為最大過負(fù)荷倍數(shù)；(2) kMsmax按躲過區(qū)外故障時的最大不平衡電流確定，即i 。pmaxKrelKer Kst ikmax (6)式中i。p,為保護的最大動作電流；i一流過電流互感器的區(qū)外故障的最大短路電流； KCT'為電流互感器在itaax下的最大誤差系數(shù)；考慮到"，《 = ik^，根據(jù)制動系數(shù)的定義得到= ArelAerAsttkmax = ^ j^' ^ esmax i el rAstresmaxK^為可靠系數(shù)，取1.3 1.5，1( 為電流互感器的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;KCT'感器在i一下的最大誤差系數(shù)，取0. 1 ;Kst為電流互感器的同型系數(shù)，由于iVi和(7)為電流互Ldj分別由交流電流互感器與直流電流互感器測得，取Kst = 1 ;K。vl為最大過負(fù)荷倍數(shù)，通常取1. 5 ;
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高換流器閥短路保護整定性能的方法，其特征在于上述 Krel = 1. 5， Ker = 0. 1， Ker' = 0. 1， Kst = 1， K。vl = 1. 5， I0 = 0. 3， kresniax = 0. 2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的提高換流器閥短路保護整定性能的方法，其特征 在于上述靈敏度校驗的方法如下閥短路保護亦須在最苛刻方式，即交流系統(tǒng)最小方式、直流系統(tǒng)輸送功率最小)下校驗保護的靈敏度，即應(yīng)滿足如下關(guān)系<formula>formula see original document page 3</formula> (8)式中K，為靈敏度；imin為區(qū)內(nèi)活躍故障發(fā)生時流入保護的最小電流。
全文摘要
本發(fā)明是一種提高換流器閥短路保護整定性能的方法。本發(fā)明的閥短路動作函數(shù)，使其具備定位故障橋的功能，提高閥短路保護定值的整體性能。且本發(fā)明針對已有閥短路保護制動函數(shù)的缺陷，提出了一種能夠兼顧選擇性與靈敏性要求的分段式制動函數(shù)；并結(jié)合高壓直流輸電系統(tǒng)的運行特性，針對分段式函數(shù)提出了實用的參數(shù)確定方法。本發(fā)明對于高壓直流輸電系統(tǒng)閥短路保護，可以在故障發(fā)生時，兼顧滿足靈敏性和選擇性的要求。
文檔編號H02H3/08GK101752839SQ20101905002
公開日2010年6月23日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者傅創(chuàng), 劉登峰, 左劍, 李銀紅, 李鴻鑫, 梅念, 饒宏, 黎小林 申請人:南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心