技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统继电保护技术领域，特别是一种适用于多端柔性变电站的保护配置方法。
背景技术
[0002] 随着新
能源技术的快速发展，大规模
风电光电并网运行。多端柔性变电站与原来将新能源逆变后并网的方法相比，可将新能源经过变压之后直接并入直流
电网，省去了建造逆变站的
费用。柔性直流配电网的直
流线路部分有几百千米并只有交流输入输出两个端口，而多端柔性变电站有多个端口，线路长度也只有几千米，这些特点使得多端柔性变电站的保护不能照搬柔性直流配电网，行波保护也不再适用多端
接口的情况。根据柔性变电站的特点，采用纵差保护可保护多端线路，但是这无法
覆盖线路全长，对
电流互感器之外的线路无法保护。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种能够自由接入直流电源，减少风电光电等新能源并网时弃光弃风现象的发生，并且能够对多端口的柔性变电站进行完整保护的适用于多端柔性变电站的保护配置方法。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于多端柔性变电站的保护配置方法，将多端柔性变电站，分为交流前保护区、直流前保护区、DAB保护区、直流后保护区和交流后保护区，其中：
[0005] 交流前保护区，保护范围由交流电源进线到
模块化多电平换流器出线，该保护区的主保护设置为纵差保护，后备保护设置为负序电流保护和过负荷保护；
[0006] 直流前保护区，保护范围由模块化多电平换流器出线到DAB进线，该保护区的主保护设置为纵差保护和横差保护，后备保护设置为过电流保护、
低电压保护和
不平衡电压保护；
[0007] DAB保护区，保护范围由DAB进线到DAB出线，该保护区的保护设置为纵差保护化；
[0008] 直流后保护区，保护范围由DAB出线到逆变器进线，该保护区主保护设置为纵差保护和横差保护，后备保护为过电流保护、低电压保护和不平衡电压保护；
[0009] 交流后保护区，保护范围由逆变器出线到交流负载进线，该保护区主保护设置为纵差保护，后备保护为负序电流保护和过负荷保护。
[0010] 进一步地，所述多端柔性变电站，接口方式采用多端接口方式，系统结构采用三级系统结构；
[0011] 所述多端接口方式，包括电源输入端的直流电源进线和交流电源进线，负载输出端的直流负载出线和交流负载出线；
[0012] 所述三级系统结构，包括输入级、隔离级和输出级，其中输入级采用模块化多电平换流器，且与电网相连，将三相交流电压整流为高压直流电；隔离级采用高频
变压器DAB，且与模块化多电平换流器出线相连，将高压直流电变换为低压直流电；输出级采用三相逆变器，且与高频变压器出线和三相平衡负载连接，将低压直流电逆变为三相交流电。
[0013] 进一步地，所述输入级的控制方法采用电压电流双闭环控制及最近电平逼近调制策略。
[0014] 进一步地，所述输出级的控制方法采用电压外环电流内环双闭环控制策略。
[0015] 进一步地，其特征在于，所述的交流前保护区，保护范围由交流电源进线到模块化多电平换流器出线，该保护区的主保护设置为纵差保护，后备保护设置为负序电流保护和过负荷保护，具体如下：
[0016] 特征电气量取自该保护区内交流电源进线两端电流互感器，通过纵差保护来保护电流互感器之间的交流线路，通过负序电流保护来保护区内交流线路及模块化多电平换流器，通过过负荷保护来保护区内交流线路。
[0017] 进一步地，所述直流前保护区，保护范围由模块化多电平换流器出线到DAB进线，该保护区的主保护设置为纵差保护和横差保护，后备保护设置为过电流保护、低电压保护和不平衡电压保护，具体如下：
[0018] 该保护区的保护范围包括光伏电源进线；
[0019] 特征电气量取自该保护区内直流线路电流互感器及直流线路首端的电压互感器，通过纵差保护来保护电流互感器之间的直流线路，通过横差保护和过电流保护来保护电流互感器之外的直流线路，通过低电压保护和不平衡电压保护来保护区内直流线路。
[0020] 进一步地，所述DAB保护区，保护范围由DAB进线到DAB出线，该保护区的保护设置为纵差保护化，具体如下：
[0021] 该保护区的特征电气量取自直流前保护区直流线路末端和直流后保护区直流线路首端的电流互感器，通过纵差保护来保护电流互感器之间的直流线路和高频变压器。
[0022] 进一步地，所述直流后保护区，保护范围由DAB出线到逆变器进线，该保护区主保护设置为纵差保护和横差保护，后备保护为过电流保护、低电压保护和不平衡电压保护，具体如下：
[0023] 该保护区的保护范围包括直流负载出线；
[0024] 特征电气量取自保护区内直流线路电流互感器及直流线路首端的电压互感器，通过纵差保护来保护电流互感器之间的直流线路，通过横差保护和过电流保护来保护电流互感器之外的直流线路，通过低电压保护和不平衡电压保护来保护区内直流线路。
[0025] 进一步地，所述交流后保护区，保护范围由逆变器出线到交流负载进线，该保护区主保护设置为纵差保护，后备保护为负序电流保护和过负荷保护，具体如下：
[0026] 该保护区的特征电气量取自保护区内交流负载进线两端电流互感器，通过纵差保护来保护电流互感器之间的交流线路，通过负序电流保护来保护区内交流线路及模块化多电平换流器，通过过负荷保护来保护区内交流线路。
[0027] 本发明与
现有技术相比，其显著优点在于：(1)通过结合纵差保护和横差保护来保护多端短距直流线路，保护原理简单，工程上易实现，保护动作迅速有效，满足柔性变电站毫秒级保护动作的需求；(2)充分考虑到换流器控制策略对动作电流的影响，对多端柔性变电站进行了完整保护，能够灵活适应多端柔性变电站的多电力
电子器件情况；(3)横差保护部分采用原纵差保护的电流互感器，不需要额外增加设备，且能够自由接入直流电源，减少了风电光电等新能源并网时弃光弃风现象的发生。
附图说明
[0028] 图1为本发明适用于多端柔性变电站的保护配置方法中保护区域划分的示意图。
[0029] 图2为本发明中交流前保护区的保护范围及故障点示意图。
[0030] 图3为本发明中直流前保护区的保护范围及故障点示意图。
[0031] 图4为本发明中DAB保护区的保护范围及故障点示意图。
[0032] 图5为本发明中直流后保护区的保护范围及故障点示意图。
[0033] 图6为本发明中交流后保护区的保护范围及故障点示意图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
[0035] 本发明适用于多端柔性变电站的保护配置方法，包括以下几个方面：
[0036] 1、将多端柔性变电站，分为交流前保护区、直流前保护区、DAB保护区、直流后保护区和交流后保护区，具体如下：
[0037] 如图1所示，将多端柔性变电站划分为交流前保护区、直流前保护区、DAB保护区、直流后保护区和交流后保护区五个保护区域，相互之间有重叠的保护范围，增加了电力系统的
稳定性。
[0038] 进一步地，所述多端柔性变电站，接口方式采用多端接口方式，系统结构采用三级系统结构；
[0039] 所述多端接口方式，包括电源输入端的直流电源进线和交流电源进线，负载输出端的直流负载出线和交流负载出线；
[0040] 所述三级系统结构，包括输入级、隔离级和输出级，其中输入级采用模块化多电平换流器，与电网相连，将三相交流电压整流为高压直流电；隔离级采用高频变压器DAB，与模块化多电平换流器出线相连，将高压直流电变换为低压直流电；输出级采用三相逆变器，与高频变压器出线和三相平衡负载连接，将低压直流电逆变为三相交流电；
[0041] 进一步地，所述输入级的控制方法采用电压电流双闭环控制及最近电平逼近调制策略。
[0042] 进一步地，所述输出级的控制方法采用电压外环电流内环双闭环控制策略。
[0043] 2、交流前保护区，保护范围由交流电源进线到模块化多电平换流器出线，其主保护设置为纵差保护，后备保护设置为负序电流保护和过负荷保护，具体如下：
[0044] 如图2所示，纵差保护
采样电流取自电流互感器iA1、iB1、iC1和iA2、iB2、iC2，即纵差保护范围在两组电流互感器之间，有效识别发生在故障点F1的故障，纵差电流计算式为：
[0045]
[0046] 其中，izcA、izcB、izcC为交流电源侧线路的纵差电流，iA1、iB1、iC1和iA2、iB2、iC2为流过电流互感器的电流。
[0047] 纵差电流启动定值为0.2倍的最大负荷电流，即
[0048] izcdz1＝0.2×Iac1N.max (2)
[0049] 其中，izcdz1为交流电源侧线路的纵差保护启动值，Iac1N.max为交流电源侧最大负荷电流。
[0050] 当线路正常时，差动电流为0，纵差保护不启动；当F1处发生故障时，差动电流发生变化，当差动电流超过启动定值，纵差保护动作。
[0051] 负序电流保护采样电流为iA1、iB1、iC1，对iB1和iC1进行延时处理，iB1延时 的采样时间，iC1延时 的采样时间，求取
三相电流矢量和的模，即为负序电流值，负序电流的求取公式如下：
[0052]
[0053] 其中，ifxdl1为流过交流电源侧线路的负序电流，t为采样时间。
[0054] 当电力系统的负载为对称负载时，正常情况下负序电流为0；当交流前保护区线路发生故障、模块化多电平换流器发生故障或者直流线路发生双极故障时，会产生负序电流。结合电流采样值延时误差的影响，负序电流保护启动定值取为0.5倍的最大负荷电流，即[0055] ifxdz1＝0.5×Iac1N.max (4)
[0056] 其中，ifxdz1为交流电源侧线路负序电流保护启动值。
[0057] 为了使负序电流保护不因线路电压
波动等情况发生误动，可增加时间闭
锁环节，具体实现方式为每个时间采样点之前的一定的时间段内，负序电流超过整定值的时间点达到某个数目才启动负序电压保护，避免误动的发生。
[0058] 过负荷保护电流启动定值为1.2倍的最大负荷电流，即
[0059] igfh1＝1.2×Iac1N.max (5)
[0060] 其中，igfh1为交流电源侧线路过负荷保护启动值。
[0061] 当交流前保护区内发生故障时，流经iA1、iB1、iC1电流互感器的电流达到启动定值，延时发出告警
信号。
[0062] 3、直流前保护区，保护范围由模块化多电平换流器出线到DAB进线，其主保护设置为纵差保护和横差保护，后备保护设置为过电流保护、低电压保护和不平衡电压保护，具体如下：
[0063] 如图3所示，当直流前保护区内直流线路发生单极接地故障时，正负两极的极间电压只是有轻
微波动，由于模块化多电平换流器的控制策略，模块化多电平换流器输出的电流几乎不增加，但是光伏电源与故障点之间存在大量的电流交换，交换电流的大小和光伏电源与故障点的
位置有关，造成极间电压产生较大电压波动，从而使模块化多电平换流器的输出电流的较小的增加。
[0064] 纵差保护采样电流取自电流互感器i1、i2、i3和i4、i5、i6，即纵差保护范围在三组电流互感器之间，有效识别发生在故障点F4的故障，纵差电流计算式为：
[0065]
[0066] 其中，izczj1为直流前保护区正极纵差电流，izcfj1为直流前保护区负极纵差电流，i1、i2、i3和i4、i5、i6为流过电流互感器的电流。
[0067] 纵差电流启动定值为0.2倍的最大负荷电流，即
[0068]
[0069] 其中，izczjdz1为直流前保护区正极纵差保护启动值，izcfjdz1为直流前保护区负极纵差保护启动值，Idc1N.max为直流前保护区最大负荷电流。
[0070] 当线路正常时，差动电流为0，纵差保护不启动；当在F4发生单极接地故障或者双极故障时，差动电流发生变化，当差动电流超过启动定值，纵差保护动作。
[0071] 横差保护采样电流取i2、i6，保护范围为i2、i6所在电流互感器到高频变压器进线之间，有效识别发生在故障点F5的故障，横差电流计算式为：
[0072] ihc1＝i2+i6 (8)
[0073] 其中，ihc1为流过直流前保护区的横差电流。
[0074] 横差电流启动定值为0.5倍的最大负荷电流，即
[0075] ihcdz1＝0.5×Idc1N.max (9)
[0076] 其中，ihcdz1为直流前保护区的横差保护启动值。
[0077] 当F5处发生单极接地故障时，横差电流超过整定值，横差保护动作。
[0078] 过电流保护采样电流取i1、i5，保护范围为i1、i5所在电流互感器到模块化多电平换流器出线之间，有效识别发生在故障点F3的故障。根据直流前保护区发生单相接地故障的故障特性，可在i1、i5处设置过电流保护，当单极接地故障发生在F4、F5时，流经i1、i5电流为模块化多电平换流器提供的
短路电流，其值较小；当单极接地故障发生在F3时，流经i1、i5电流为光伏电源和模块化多电平换流器提供的短路电流，其值较大。据
故障电流来源的不同，可以区分发生在F3和F4、F5的单极接地故障，此外F3、F4、F5发生双极故障时，流过i1、i5的电流非常大，所以将过电流保护作为保护区内的双极故障后备保护。
[0079] 为了躲开负载侧单极接地故障，过电流启动定值为2.2倍的最大负荷电流，即[0080]
[0081] 其中，igdlzjdz1为直流前保护区正极过负荷保护启动值，igdlfjdz1为直流前保护区负极过负荷保护启动值。
[0082] 当F3发生单极接地故障或者直流前保护区发生双极故障时，流过故障极电流互感器的电流超过整定值，启动故障极的过电流保护。
[0083] 低电压保护电压采样值取自模块化多电平换流器出线处，当线路发生故障时，故障极电压迅速跌落至0，采用低电压保护能够有效保护线路，低电压定值可整定为正常线路电压的80％。
[0084] 不平衡电压保护采用和低电压保护相同的电压采样值，正常时，正极电压绝对值和负极电压绝对值的比值为1；当线路发生单极接地故障时，其比值不再为1。不平衡电压保护可以设置比值系数为Cset，Cset为一个大于1的常数。当 (Vp为线路正极电压，Vn为线路负极电压)时，证明正极发生接地故障；当 时，证明负极发生接地故障，其误动可能性很低，比低电压保护动作快。
[0085] 4、DAB保护区，保护范围由DAB进线到DAB出线，其保护设置为纵差保护化，具体如下：
[0086] 如图4所示，线路及高频变压器正常时，受电流波动和高频变压器内部电感的影响，高频变压器两端电流比值应该在变比的反比附近波动；区内故障时，直流电压发生较大波动，导致光伏电源和模块化多电平换流器输出电流发生较大变化。
[0087] 纵差保护采样电流取自电流互感器i2、i6和i′1、i′5，有效识别发生在故障点F5、F6和高频变压器内部的故障，当线路或者高频变压器发生故障时，其比值会发生变化。纵差电流计算式为：
[0088]
[0089] 其中，izczj2为DAB保护区正极纵差电流，izcfj2为DAB保护区负极纵差电流，K为高频变压器变比。
[0090] 纵差电流启动定值为0.3倍的低压侧最大负荷电流，即
[0091]
[0092] 其中，idabzczjdz为DAB保护区正极纵差保护启动值，idabzcfjdz为DAB保护区负极纵差保护启动值，K为高频变压器变比，Idc2N.max为直流后保护区最大负载电流。
[0093] 由于故障时电流发生较大波动，造成正负极的纵差保护都动作，所以纵差保护并不能区分故障极，设置两个纵差保护可增加继电保护的可靠性。考虑到高频变压器存在电感，输出电流受高压直流侧电压波动的影响，设置时间闭锁，具体实现方式为每个时间采样点之前的一定的时间段内，纵差电流超过整定值的时间点达到某个数目才启动纵差保护，避免误动的发生。
[0094] 5、直流后保护区，保护范围由DAB出线到逆变器进线，其主保护设置为纵差保护和横差保护，后备保护为过电流保护、低电压保护和不平衡电压保护，具体如下：
[0095] 如图5所示，当保护区内F6、F7、F8发生单极接地故障时，高压直流侧的极间电压几乎不受影响，同时由于单极接地，逆变器及交流负载的功率依靠正常极输入。在控制策略的限制下，模块化多电平换流器正负极输出电流的对称增加一倍左右。
[0096] 纵差保护采样电流取自电流互感器i′1、i′2、i′3和i′4、i′5、i′6，即纵差保护范围在三组电流互感器之间，有效识别发生在故障点F7的故障，纵差电流计算式为：
[0097]
[0098] 其中，izczj3为直流后保护区正极纵差电流，izcfj3为直流后保护区负极纵差电流，i′1、i′2、i′3和i′4、i′5、i′6为流过电流互感器的电流。
[0099] 纵差电流启动定值为0.2倍的最大负荷电流，即
[0100]
[0101] 其中，izczjdz2为直流后保护区纵差保护正极启动值，izcfjdz2为直流后保护区纵差保护负极启动值。
[0102] 当线路正常时，差动电流为0，纵差保护不启动；当F7发生单极接地故障或者双极故障时，差动电流发生变化，当差动电流超过启动定值，纵差保护动作。
[0103] 横差保护采样电流取i′1、i′5，保护范围为i′1、i′5所在电流互感器到高频变压器出线之间，有效识别发生在故障点F6的故障，横差电流计算式为：
[0104] ihc2＝i′′1i′5 (15)
[0105] 其中，ihc2为流过直流后保护区的横差电流。
[0106] 横差电流启动定值为0.5倍的最大负荷电流，即
[0107] ihcdz2＝0.5×Idc2N.max (16)
[0108] 其中，ihcdz2为直流后保护区的横差保护启动值。
[0109] 当F6处发生单极接地故障时，由于模块化多电平换流器正负极的输出电流对称增加，而故障极的电流从故障点F6流出，造成i′1、i′5的电流不再对称，从而产生横差电流，横差电流超过整定值，横差保护动作，而电流较大的一极即为正常极。
[0110] 过电流保护采样电流取i′2、i′6，保护范围为i′2、i′6所在电流互感器到逆变器进线之间，有效识别发生在故障点F8的单极接地故障。当线路在F8发生单极接地故障或者双极故障时，流过i′2、i′6电流对称增加，所以在i′2、i′6处设置过电流保护。
[0111] 过电流启动定值为1.8倍的最大负荷电流，即
[0112]
[0113] 其中，igdlzjdz2为直流后保护区正极过电流启动值，igdlfjdz2为直流后保护区负极过电流启动值。
[0114] 当F8处发生故障时，流过i′2、i′6电流都超过整定值，过电流保护触发动作。
[0115] 低电压保护电压采样值取自高频变压器出线处，当线路发生故障时，故障极电压迅速跌落至0，采用低电压保护能够有效保护线路，低电压定值可整定为正常线路电压的80％。
[0116] 不平衡电压保护采用和低电压保护相同的电压采样值，正常时，正极电压绝对值和负极电压绝对值的比值为1；当线路发生单极接地故障时，其比值不再为1。不平衡电压保护可以设置比值系数为Cset2，Cset2为一个大于1的常数。当 (Vp2为线路正极电压，Vn2为线路负极电压)时，证明正极发生接地故障；当 时，证明负极发生接地故障，其误动可能性很低，比低电压保护动作快。
[0117] 6、交流后保护区，保护范围由逆变器出线到交流负载进线，其主保护设置为纵差保护，后备保护为负序电流保护和过负荷保护，具体如下：
[0118] 如图6所示，纵差保护采样电流取自电流互感器ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2，即纵差保护范围在这两组电流互感器之间，有效识别发生在故障点F10的故障，纵差电流计算式为：
[0119]
[0120] 其中，izca、izcb、izcc为交流电源侧线路的纵差电流，ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2为流过电流互感器的电流。
[0121] 纵差电流启动定值为0.2倍的最大负荷电流，即
[0122] izcdz2＝0.2×Iac2N.max (19)
[0123] 其中，izcdz2为交流负荷侧线路的纵差保护启动值，Iac2N.max为交流负荷侧最大负荷电流。
[0124] 当线路正常时，差动电流为0，纵差保护不启动；当在F10发生故障时，差动电流发生变化，当差动电流超过启动定值，纵差保护动作。
[0125] 负序电流保护采样电流为ia1、ib1、ic1，对ib1和ic1进行延时处理，ib1延时 的采样时间，ic1延时 的采样时间，求取三相电流矢量和的模，即为负序电流值，负序电流的求取公式如下：
[0126]
[0127] 其中，ifxdl2为流过交流负荷侧线路的负序电流。
[0128] 当电力系统的负载为对称负载时，正常情况下负序电流为0；当交流后保护区线路发生故障或者交流前保护区线路发生三相故障、逆变器发生故障、直流后保护区线路发生故障或者直流前保护区线路发生双极故障时，会产生负序电流。结合电流采样值延时的误差，负序电流保护启动定值取为0.3倍的最大负荷电流，即
[0129] ifxdz2＝0.3×Iac2N.max (21)
[0130] 其中，ifxdz2为交流负荷侧线路负序电流保护启动值。
[0131] 为了使负序电流保护不因线路电压波动等情况发生误动，增加时间闭锁环节，具体实现方式为每个时间采样点之前的一定的时间段内，负序电流超过整定值的时间点达到某个数目才启动负序电压保护，避免误动的发生。
[0132] 过负荷保护电流启动定值为1.2倍的最大负荷电流，即
[0133] igfh2＝1.2×Iac2N.max (22)
[0134] 其中，igfh2为交流负荷侧线路过负荷保护启动值。
[0135] 当交流后保护区内发生故障时，流经ia1、ib1、ic1电流互感器的电流达到启动定值，延时发出告警信号。
[0136] 对于保护动作出口方式，交流前保护区保护动作于断开交流电源侧交流
断路器，直流前保护区、直流后保护区和DAB保护区的保护动作于闭锁模块化多电平换流器和断开交流电源侧交流断路器，此外以上保护区故障均需要断开光伏电源，交流后保护区的保护动作需要断开交流负载侧交流断路器。
[0137] 综上所述，本发明适用于多端柔性变电站的保护配置方法，能够对多端口的柔性变电站进行完整保护，且本发明综合考虑了换流器控制策略，能够灵活适应于多端柔性变电站的多电力电子器件情况。
