本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)直流輸電繼電保護領域，尤其涉及超/特高壓直流輸電線路的電流縱聯(lián)保護。

背景技術：

雙端直流輸電系統(tǒng)在我國發(fā)展日趨成熟，但存在互聯(lián)系統(tǒng)送受端系統(tǒng)位置單一，線路通道緊張等問題。多端直流輸電系統(tǒng)具備了傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)傳輸功率大，線路造價低，控制方式靈活等特點，并且克服了雙端系統(tǒng)存在的問題，是未來直流輸電技術的發(fā)展趨勢。已建成的雙端直流輸電系統(tǒng)有意大利-科西嘉-撒丁島三端直流系統(tǒng)和加拿大魁北克-新英格蘭多端直流系統(tǒng)。雙極多端直流輸電的拓撲結構主要分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型相比串聯(lián)型而言，具有造價更低，系統(tǒng)擴展方式靈活，電壓穩(wěn)定性更好等優(yōu)勢，將成為多端直流輸電系統(tǒng)的主要建設形式。因此，提升多端直流輸電線路的保護原理，使之能夠更好地適應并聯(lián)型雙極多端直流輸電系統(tǒng)的拓撲結構，能夠為多端直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運行保駕護航。

電流差動保護是交流系統(tǒng)中的天然主保護，在傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)中作為延時后備保護存在。傳統(tǒng)差動保護受到分布電容電流的影響，速動性和可靠性不高。中國專利CN200910022923.6和CN201110349980.2分別針對雙端和三端直流輸電系統(tǒng)，提出了基于分布參數模型的直流線路差動保護方法，但這些方法并不適用于多端系統(tǒng)，并且方法本身無法區(qū)分單極故障和極間故障和進行故障選極。對于多端直流系統(tǒng)，由于涉及的送受端更多，因此需要保護能夠快速可靠地區(qū)分故障類型，并識別故障極，使得故障切除及回復系統(tǒng)能夠更快速地動作，以保障多端系統(tǒng)運行的安全性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種適用于并聯(lián)型多端直流輸電系統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護，具備動作速度快，可靠性高，耐過渡電阻能力強等優(yōu)勢，并且能夠直接進行故障類型區(qū)分和故障選極。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

并聯(lián)型雙極多端直流輸電系統(tǒng)電流模量縱差保護方法，實現(xiàn)方法包括以下步驟：

步驟一：對于N端并聯(lián)直流輸電系統(tǒng)，在每一端換流站的直流側保護安裝處，對正負極直流線路電壓、電流以預定采樣速率進行同步采樣，并通過數模轉換得到正負極直流電壓、電流；

步驟二：每一端換流站將采樣得到的正負極直流電壓、電流利用解耦矩陣解耦為線模(1模)和地模(0模)電壓、電流；

步驟三：直流輸電系統(tǒng)模量縱差保護的故障識別判據為：

I_cd1＞I_set1 (1)

式中，I_cd1為N端直流輸電系統(tǒng)的1模差動電流，由各端換流站的1模直流電壓和電流得到；I_set1為故障識別門檻。若判據(1)成立，則為直流線路區(qū)內故障，反之，則為區(qū)外故障。

步驟四：若步驟三的判據(1)成立，進行區(qū)內故障選型。模量縱差保護的故障選型判據為：

I_cd0＞I_set2 (2)

I_cd0＜-I_set2 (3)

式中，I_cd0為N端直流輸電系統(tǒng)的0模差動電流，由各端換流站的0模直流電壓和電流得到；I_set2為故障選型門檻。若判據(2)成立，則為正極直流線路接地故障；若判據(3)成立，則為負極直流線路接地故障；若兩判據均不成立，即-I_set2<I_cd0<I_set2，則為極間短路故障。

所述步驟一中的直流輸電系統(tǒng)，為雙極兩端直流輸電系統(tǒng)或并聯(lián)雙極多端直流輸電系統(tǒng)。

所述步驟一中的直流電壓、電流，通過換流站直流線路側的分壓器和分流器進行采集。

所述步驟一中的預定采樣速率不小于1Hz。

所述步驟二中的解耦矩陣為如下形式：

式中，a為幅值系數，可以任意確定。

所述步驟三中的N端直流輸電系統(tǒng)1模差動電流I_cd1和步驟四中的N端直流輸電系統(tǒng)0模差動電流I_cd0，利用直流電流全量按式(5)構造，或利用直流電流故障分量按式(6)構造：

式中，n為換流站標號，i_1,n為N端直流系統(tǒng)第n端換流站直流側的1模直流電流全量，i_0,n為N端直流系統(tǒng)第n端換流站直流側的0模直流電流全量；Δi_1,n為N端直流系統(tǒng)第n端換流站直流側的1模直流電流故障分量，Δi_0,n為N端直流系統(tǒng)第n端換流站直流側的0模直流電流故障分量。

上述的第n端換流站直流電流故障分量Δi_1,n和Δi_0,n，其獲取方式為第n端換流站直流電流全量i_1,n和i_0,n分別與第n端換流站穩(wěn)態(tài)正常運行時的模電流i_1sn和i_0sn之差。

所述步驟三中的故障識別門檻I_set1和步驟四中的故障選型門檻I_set2，根據直流輸電系統(tǒng)各換流站的穩(wěn)態(tài)運行電流按下式進行確定：

I_set1＝ak_rk_ek_s max(I_1s1,…I_1sn,…,I_1sN) (7)

I_set2＝ak_rk_ek_s max(I_0s1,…I_0sn,…,I_0sN) (8)

式中，a為解耦矩陣的幅值系數，可以任意確定；k_r為可靠性系數；k_e為分流器測量誤差系數，根據直流輸電線路分流器的精度規(guī)程確定；k_s為穩(wěn)態(tài)差流系數，根據直流輸電系統(tǒng)的控制特性確定；I_1s1,…,I_1sn,…,I_1sN為N端直流輸電系統(tǒng)每一端換流站的1模穩(wěn)態(tài)電流；I_0s1,…,I_0sn,…,I_0sN為N端直流輸電系統(tǒng)每一端換流站的0模穩(wěn)態(tài)電流。

所述的第n端換流站直流電流全量i_1,n和i_0,n，其特征在于：i_1,n和i_0,n為經過分布參數模型計算得到的電氣量。對于并聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)，計算方法如下：

1)在并聯(lián)N端直流輸電系統(tǒng)主干線路上選取一點作為計算終點。對于第n端換流站而言，換流站到計算終點之間存在若干個分支點，令這些分支點將直流線路分為K_n段，則各段直流線路的長度分別為l₁、l₂、…、l_Kn。

2)利用換流站處的測量得到的直流模電壓、模電流，按式(9)和式(10)逐段計算各段直流線路末端的電壓、電流，直至計算到計算終點的電流：

式中，l_Kn為第K_n段直流線路的長度，i(t)、u(t)分別為第K_n段直流線路始端的t時刻的直流模電壓、模電流；i(l_Kn,t)、u(l_Kn,t)分別為第K_n段直流線路末端t時刻的直流模電流；R_Kn為第K_n段直流線路單位長度的電阻，Z_CKn為第K_n段直流線路單位長度的特征阻抗，由第K_n段直流輸電線路的參數確定；τ為數據窗長度，τ＝l_Kn/v_Kn，v_Kn為第K_n段直流輸電線路的波速。

3)對于第n端換流站而言，計算終點處的直流電流作為第n端換流站的直流模電流全量，用于進行權利要求6中差動電流的構造。

4)對于兩端直流輸電系統(tǒng)，K_n＝1，則以換流站為始端按式(9)直接計算直流線路上計算終點處的直流模電流，并作為直流模電流全量構造差動電流。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明主要具有以下優(yōu)點：

1)本發(fā)明原理上基于基爾霍夫電流定律，性能上能夠達到交流系統(tǒng)中差動保護的性能，耐過渡電阻能力強；

2)本發(fā)明基于分布參數模型，計算并聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)的直流電流，不受直流系統(tǒng)的規(guī)模和換流站數量的影響，相比現(xiàn)有的保護原理，適應性更強；

3)本發(fā)明無需輔助判據即能夠區(qū)分單極接地故障和極間短路故障，并且能夠實現(xiàn)故障選極，相比現(xiàn)有的直流線路縱差保護原理，選擇性更強。

附圖說明

圖1為并聯(lián)雙極N端直流輸電系統(tǒng)的示意圖；

圖2為并聯(lián)雙極四端直流輸電系統(tǒng)的示意圖；

圖3為并聯(lián)雙極四端直流輸電系統(tǒng)1模網絡的示意圖；

圖4為實現(xiàn)本發(fā)明所介紹方法的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

請參閱圖1所示，并聯(lián)雙極N端直流輸電系統(tǒng)，直流線路位于各換流站之間，各換流站支路并聯(lián)于高壓直流主干線路。直流分流器位換流站直流側平波電抗器外側。u_Po1、u_Na1、i_Po1、i_Na1；u_Po2、u_Na2、i_Po2、i_Na2；u_Pon、u_Nan、i_Pon、i_Nan；u_PoN、u_NaN、i_PoN、i_NaN分別為第1端、第2端、第n端和第N端換流站保護裝置采樣得到的正負極直流電壓、電流。采樣頻率不小于1Hz。

請參閱圖2所示，以雙極四端直流輸電系統(tǒng)為例，介紹本發(fā)明方法。換流站1、2、3、4直流側保護裝置采樣得到的正負極直流電流分別為i_Po1、i_Na1與i_Po2、i_Na2與i_Po3、i_Na3與i_Po4、i_Na4，正負極直流電壓分別為u_Po1、u_Na1與u_Po2、u_Na2與u_Po3、u_Na3與u_Po4、u_Na4。請參閱圖4所示，本發(fā)明的流程圖，介紹本發(fā)明的步驟。按照式(1)的解耦矩陣，將上述正負極直流電壓、電流解耦的得到1、0模電壓u_1,1、u_0,1與u_1,2、u_0,2與u_1,3、u_0,3與u_1,4、u_0,4以及1、0模電流i_1,1、i_0,1與i_1,2、i_0,2與i_1,3、i_0,3與i_1,4、i_0,4?？紤]解耦前后電流總數值不變，模量幅值系數a取解耦矩陣如式(1)所示：

以換流站1為例，電壓、電流的解耦如下式所示：

請參閱圖3所示，以四端直流輸電系統(tǒng)1模網絡為例，說明分布的參數模型的計算過程。選取四端直流輸電系統(tǒng)主干線路上的一點O為計算終點。

由四端直流輸電系統(tǒng)的拓撲結構可以看出，換流站1、2的支路在分支點O₁₂處相交，換流站3、4的支路在分支點O₃₄處相交。因此，首先利用換流站1、2處的電壓、電流u_1,1、i_1,1、u_1,2、i_1,2和式(3)、(4)計算分支點O₁₂處的電壓、電流u_1,12、i_1,12。

式中，l_Kn為第K_n段直流線路的長度，i(t)、u(t)分別為第K_n段直流線路始端的t時刻的直流模電壓、模電流；i(l_Kn,t)、u(l_Kn,t)分別為第K_n段直流線路末端t時刻的直流模電流；R_Kn為第K_n段直流線路單位長度的電阻，Z_CKn為第K_n段直流線路單位長度的特征阻抗，由第K_n段直流輸電線路的參數確定；τ為數據窗長度，τ＝l_Kn/v_Kn，v_Kn為第K_n段直流輸電線路的波速。

根據上式，令利用換流站1處u_1,1、i_1,1計算得到的O₁₂處電壓、電流為u(l₁₁,t)_1,1、i(l₁₁,t)_1,1，利用換流站2處u_1,2、i_1,2計算得到的O₁₂處電壓、電流為u(l₁₂,t)_1,2、i(l₁₂,t)_1,2，則在O₁₂處有：

同理，在O₃₄處有：

下一步，令利用O₁₂處電壓、電流u_1,12、i_1,12和O₃₄處電壓、電流u_1,34、i_1,34和式(3)分別計算得到的O點處的電流i(l₂₁,t)_1,12、i(l₂₃,t)_1,34，在O點處有：

則O點處的1模差動電流為：

I_cd1＝i_1,O12+i_1,O34 (8)

根據圖4各支路的路徑長度，有：

結合式(5)(6)(7)(8)(9)可以得出：

式(10)中，i(l₂₁,t,i(l₁₁,t)_1,1)_1,12為利用換流站1處的電壓和電流，延路徑l₁₁->l₂₁計算得到的O點處電流。同理，式(10)中其它三項分別為利用換流站2處的電壓和電流，延路徑l₁₂->l₂₂計算得到的O點處電流、利用換流站3處的電壓和電流，延路徑l₁₃->l₂₃計算得到的O點處電流和利用換流站4處的電壓和電流，延路徑l₁₄->l₂₄計算得到的O點處電流。

由式(10)可以看出，計算終點O處的差動電流相當于利用并聯(lián)系統(tǒng)每個換流站的電壓、電流，逐段計算各換流站至O點之間各段直流線路末端的直流電壓、電流，直至計算到O點的直流電流，并疊加。將式(10)推廣至N端并聯(lián)系統(tǒng)，差動電流可以寫成下式的形式：

式中，i_1,n為N端直流系統(tǒng)第n端換流站經過分布參數模型計算得到的直流側1模直流電流全量。同理，對于0模網絡，計算終點O處的差動電流為：

若利用故障分量構造差動電流，則利用下式：

上式中，i_1sn、i_0sn分別為第n端換流站穩(wěn)態(tài)正常運行時的模電流，其余變量同上。本實例采用直流電流全量構造差動電流。

下一步，根據各換流站的穩(wěn)態(tài)運行電流進行整定。1、0模的整定方法如下式：

I_set1＝ak_rk_ek_s max(I_1s1,…I_1sn,…,I_1sN) (15)

I_set2＝ak_rk_ek_s max(I_0s1,…I_0sn,…,I_0sN) (16)

式中，a為解耦矩陣的幅值系數，本實例取k_r為可靠性系數，一般取1.1～1.2；k_e為分流器測量誤差系數，根據直流輸電系統(tǒng)的分壓器、分流器測量精度，可以取0.005～0.01；k_s為穩(wěn)態(tài)差流系數，根據直流輸電系統(tǒng)的控制特性參數，不大于電流裕度，可以取0.03～0.1；I_1s1,…,I_1sn,…,I_1sN為N端直流輸電系統(tǒng)每一端換流站的1模穩(wěn)態(tài)電流；I_0s1,…,I_0sn,…,I_0sN為N端直流輸電系統(tǒng)每一端換流站的0模穩(wěn)態(tài)電流。

整定計算完成后，首先進行故障識別，識別門檻如下：

I_cd1＞I_set1 (17)

若式(17)成立則為區(qū)內故障，反之為區(qū)外故障。當保護判定為區(qū)內故障后，進行故障選型，選型門檻如下：

I_cd0＞I_set2 (18)

I_cd0＜-I_set2 (19)

若式(18)成立，則為正極直流線路接地故障；若式(19)成立，則為負極直流線路接地故障；若兩判據均不成立，即-I_set2<I_cd0<I_set2，則為極間短路故障。