本发明涉及电力，尤其涉及一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法。
背景技术：
1、随着化石能源的逐渐枯竭和社会生产需求的增加，为保障能源安全可靠供应与资源优化配置，我国提出了构建以新能源为主体的新型电力系统。考虑到我国的能源分布范围与地理特征，跨区域的电能输送能够有效促进国家能源结构调整和节能减排。
2、大容量、长距离的跨区域电能输送要求系统输电方式更为经济、灵活和快捷，混合级联特高压直流(hybrid cascaded ultra-high voltage direct current，hc-uhvdc)输电技术能实现大容量输送、降低成本，有效避免换相失败，提高控制灵活性。hc-uhvdc系统主要由整流站、逆变站和直流输电线路三部分构成，相比于传统直流输电系统，hc-uhvdc系统结构拓扑复杂。送端换流站为整流站，由两个串联的12脉动lcc换流器组成。受端换流站为逆变站，采用电网换相换流器(line-commutated converter,lcc)串联3个并联的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)结构。相比于传统的直流输电方式，hc-uhvdc系统换流器数量增加，出线众多，可能存在的故障位置增加，对于换流站内故障识别提出了不小的挑战。尤其针对受端换流站，多个换流器的串并联结构更加使得换流站保护技术难度提高。
3、作为连接交直流系统的转换装置，换流站的故障识别应覆盖交直流两侧。目前，在实际工程中换流站内直流侧多配置差动保护，站内交流侧多配置过流与差动保护。然而，由于换流器的非线性特性，使得换流站差动保护正常情况下承受较大的谐波电流，影响正常工作。同时，在交流侧或者直流侧发生故障时，换流器的传递特性会使另一侧感应产生低电压或者电流突变等非正常电气量特征，从而影响故障正确识别。传统的故障识别方式对于混合级联特高压直流系统受端换流站的级联结构若要实现较好的适应性，需充分考虑不同位置保护的时限与整定值的配合，并且需要配置大量保护测点，增加成本的同时不利于保护的集成化设计。
4、随着电力电子技术的发展，换流器的控制与保护时间尺度逐渐接近，控制环节与保护配置存在强相关性。针对hc-uhvdc系统，其受端换流站包含两种换流器，故障时大量的控制信号包含了丰富的暂态信息，通过提取故障后的控制信号也可以实现受端换流站保护的构建。本发明充分考虑了hc-uhvdc系统受端换流站的复杂结构与换流器控制特性，提取换流器控制信号构成特征量，提出了利用控制特征量识别受端换流站故障的保护方案。该方案不会改变换流器的控制方式与拓扑结构，实现保护与控制的一体化设计，在受端换流站出线众多的复杂级联结构下能够精准识别故障。现有技术的缺陷：
5、(1)由于换流器的非线性特性，使得换流站保护正常情况下承受较大的谐波电流，现有保护技术难以正常工作。
6、(2)在交流侧或者直流侧发生故障时，换流器的传递特性会使另一侧感应产生低电压或者电流突变等非正常电气量特征，现有保护技术易产生误动。
7、(3)现有保护技术需要在线路多处配置保护测点，线路间需配置通信，保护成本较高。
8、(4)现有保护技术的保护整定一般为定值，对于hc-uhvdc系统而言，控制策略多样。在不同控制策略下，故障特征不同，现有保护技术难以很好适应。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，以解决上述技术问题。
2、为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
3、一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，包括如下步骤：获取触发角、电压、电流以及功率控制信号，利用该控制信号变化量作为启动判据与分区判据，求取控制信号积分值，比较控制信号积分值与整定值来识别交直流侧故障，确定故障线路。
4、作为本发明的进一步方案，混合级联特高压直流系统拓扑，系统主要由整流站，逆变站和直流输电线路三部分构成，受端换流站为换流器lcc串联三个并联的mmc构成，换流器lcc入口处配置有直流滤波器，换流器lcc以及mmc入口处均配置有平波电抗器，对换流站进行分区，高区表示lcc及其线路区域，低区表示mmc及其线路区域，llm为换流器lcc与mmc之间的连接线路，f1～f6表示不同位置的故障，f1为直流站外故障，f2为站内lcc入口处故障，f3为mmc入口处故障，f4为llm线路上故障，f5、f6分别为换流器lcc与mmc交流侧故障，f1、f2和f5为高区故障，f3、f4和f6为低区故障，其中，由于mmc控制方式不同，f3与f6处故障进一步区分为mmc1入口处f3_1故障、mmc2入口处f3_2故障、mmc1交流侧f6_1故障和mmc2入口处f6_2故障，mmc2与mmc3控制方式相同，以mmc2为例进行分析。
5、作为本发明的进一步方案，换流器lcc的控制方式如下：定直流电压为主要控制方式，后备定关断角与后备定电流控制作为辅助，还包括低压限流环节、电流裕度平滑转换环节和触发角限制环节、定电流、定关断角以及定电流控制均会产生对应的触发角值，定义为βi、βg和βu，其表示为：
6、
7、式中：idci为直流线路流入lcc电流；为lcc端电压；为定直流电流模块计算的参考电流；γ为逆变器熄弧角；γe为电压偏差控制的输出；为端电压参考值；
8、换流器mmc并联结构中，1台mmc采用定直流电压控制，另外2台mmc采用定有功功率控制，定义mmc1为定直流电压控制，mmc2、3为定有功功率控制，外环控制器将产生控制信号直轴电流参考值idref，表示为：
9、
10、式中：idref1为mmc1直轴电流控制信号；idref2/3为mmc 2或3直轴电流控制信号；ummc1为mmc1的端电压；ummc2/3为mmc2或3的端电压；ummcref为端电压参考值；ps2/3为mmc 2或3有功功率；psref2/3为mmc 2或3的有功功率参考值；kdc、kp、kvdc、tdc、tp为控制参数；ummcmax和ummcmin分别为直流电压上限和下限的标幺值，为1.05和0.95；
11、系统正常运行时，触发角信号与直轴电流参考信号均处于稳定状态，故障后，外部电压、电流以及功率等相关参数的瞬间变化，在控制器调节作用下，导致相应的触发角信号与直轴电流参考信号发生突变，不同类型故障下与不同故障程度下的控制信号变化均有所不同。
12、作为本发明的进一步方案，受端换流站故障分析包括直流侧故障及交流侧故障。
13、作为本发明的进一步方案，直流侧故障；
14、系统直流侧发生故障时，系统等效为非故障状态和故障附加状态的叠加，其中故障附加状态包含了系统故障分量，f1、f2、f3和f4为故障点位置；-u0为故障点叠加电压源；rf为过渡电阻；zsn为送端lcc换流器以及直流线路的等效阻抗；zlb为滤波器等效阻抗；zlccn为受端lcc换流器等效阻抗；zp和zd分别为lcc和mmc换流器入口处平波电抗；zmmck为k台mmc换流器等效阻抗；δidci为lcc控制系统输入电流变化量；δudci_lcc为lcc控制系统输入电压变化量；δummck为k台mmc端口电压变化量，对直流侧不同位置故障控制量变化进行具体分析。
15、作为本发明的进一步方案，直流侧故障；
16、(1)站外f1处故障；
17、f1处发生正极接地故障时，lcc控制系统输入电压、电流存在如下关系：
18、
19、式中，um为故障点处故障电压，由式6得到，故障后um为负值。将电压电流标幺化后可得：
20、
21、式中，zlccnn＝udcn/idcn，udcn、idcn分别为lcc电压、电流基准值，f1处发生故障时，母线电压迅速跌落，故障后的lcc控制信号变化量能够表现为：
22、
23、对于f1处正极接地故障而言，由于控制系统调节作用，且存在内部电感续流，lcc端电压的跌落快于电流的跌落，故障后lcc等值阻抗zlccn远小于稳态时等效阻抗zlccnn，由式7得到，和均取值为负，因此远小于δβi极性为正，βi快速上升至限幅上限，对于定关断角控制，关断角主要由γe和γ决定，故障初期，γe变化很小，结合式2得到，的变化量主要与有关，由于远小于远小于由式3得到，γ增大，由于cec环节，δγ取值受限，综上，βg出现一定上升，由于取值为负，βu下降至限幅下限；
24、(2)f2处正极接地；
25、f2发生正极接地故障时，lcc控制系统输入电压、电流存在如下关系：
26、
27、结合式7、9得到，故障后极性为正，极性为负，由式9得到δβu极性为负，βu下降至限幅下限，δβi取值为负，由于限幅环节，因此控制系统中δβi为0，由式2得到，取值为负，同时，极性为正，γ减小，同样的，γe变化很小，故βg减小，由于限幅环节作用，δβg为0；
28、(3)f3处正极接地；
29、以mmc1入口处f3_1故障为例进行分析，由于f3处故障位置相对于lcc而言处在下游，故障发生初始阶段，lcc入口处电压电流不会发生跳变，对lcc控制信号影响很小，主要考虑故障对于mmc控制信号影响；
30、对于mmc而言，由于故障发生在mmc1入口处，此时，mmc1定电压控制无法保证mmc端电压稳定，mmc1端电压迅速跌落，对于mmc2、3而言，故障初期，电感作用使得mmc1的端电压突变对mmc2、3端电压影响较小，ummc2/3没有越限，由式4和5得到，故障后控制信号表示为：
31、
32、δummcl＝um，极性为负，取值较大，δidref1为正值，故障后初始阶段，idref1快速上升，对于idref2/3而言，有功功率是利用交流侧电压电流计算，实际值与参考值取差值结果pi环节到控制器输出，在故障发生初始阶段，交流侧电气量变化较慢，功率变化能够忽略，δidref2/3近似为0；
33、(4)f4处正极接地；
34、故障发生在f4处，位于lcc与mmc连接线上，其对于mmc1和mmc2、3的控制环节均会产生一定影响，对于mmc1而言，由于故障位置与mmc1入口处存在电抗器，mmc1的端电压变化比f3处故障小，但仍然存在较大波动，对于mmc2、3而言，虽然仍然存在电抗器作用，但相比f3处故障，电抗器值较小，ummc2/3出现越限，由式4和5得到，故障后控制信号表示为：
35、
36、式中，δummck代表第k台mmc入口处电压，表示为δummck＝umzmmck/(zmmck+zd)，对比式10能够发现，相比f3处故障，δidref1、δidref2与δidref3均为正值。
37、作为本发明的进一步方案，受端换流站交流出线众多，以三相短路故障为例分析交流侧故障对于换流器控制信号影响，分析过程如下；
38、(1)f5处三相短路；
39、受端lcc熄弧角的计算公式如式12所示：
40、
41、式中β为超前触发角，xic为换相电抗；
42、当变压器f5处发生三相短路故障，故障初期，换流器交流侧三相电压被强制相等，均出现电压跌落，逆变侧控制系统失去对交流侧的控制能力，由于输电线路较长，整流侧尚未检测到故障发生，整流侧的电流指令信号未发生明显变化，初始阶段直流线路故障电流大小仅由线路参数确定，三相短路故障减小了系统阻抗，电流idci在故障初始阶段增大，由于交流三相电压跌落导致逆变侧直流电压δudci_lcc下降，从而根据式8得到，βu减小，超前触发角β相应减小；
43、对于式2而言，idci增加，δudci_lcc下降，cosβ增大，因此，熄弧角γ减小，由于交流侧三相短路对于相比于直流侧故障，idci不会出现较大跳变，βg变化主要与γ有关，在式8中，由上述分析得到，β1下降，由于限幅环节作用，δβi为0；δβg极性为正；δβu极性为负；
44、(2)f6处三相短路；
45、当换流器mmc交流侧发生三相短路故障时，以mmc1举例，mmc1换流站输出的功率瞬间下降，换流站输入与输出功率之间不平衡，直流电压出现抬升，mmc3的直轴电流控制信号变化量能够表示为：
46、
47、根据式13得到，δidref1为负值。对于mmc2、3而言，故障初始阶段，交流侧由于变压器的隔离作用，直流侧电压未发生明显变化情况下，mmc1交流侧故障未能影响到mmc2、3的控制环节，δidref2与δidref3基本不变；
48、可得当故障发生在lcc交流出口处时，控制量变化如下：δβi为0；δβg极性为正，δβu极性为负，当故障发生在第k台mmc交流出口处时，控制量变化如下：对应的δidrefk为负值，其余mmc的δidref基本不变。
49、作为本发明的进一步方案，不同位置故障下控制信号变化；
50、如表1所示，总结不同位置故障时控制信号变化情况，针对控制信号变化与故障位置的对应关系；
51、
52、表1不同位置故障控制信号变化情况。
53、作为本发明的进一步方案，启动判据；
54、高区处于低区的上游，高区内的故障会影响低区入口处电流，mmc控制信号也会出现较大波动，而低区故障在故障初始阶段对高区几乎没有影响，为保证不同区发生交直流侧故障时，保护均能快速启动，结合mmc控制信号与lcc控制信号共同构成保护启动判据；
55、对于lcc而言，利用控制角β的变化率dβ进行保护的启动判据，故障发生在高区满足：
56、dβ＝d(|βi|+|βu|+|βg|)/dt＞dsef2 (14)；
57、对于mmc而言，udrefk的表达式如式15所示：
58、
59、式中，usdk为k台mmc交流侧电压直轴分量，idk为k台mmc交流侧电流直轴分量，kud和tud为直轴电压控制pi系数；
60、通过式15能够发现，在mmc的交流侧故障后瞬间，usdk和idk发生跳变，udrefk能够对故障实现快速反应，在直流侧故障下，交流侧同样也会由于直流侧故障而产生失压，同时结合式4和5，能够发现idrefk出现上升，从而使得udrefk也会对直流侧故障进行快速反应，采用udref变化量du作为保护启动判据：
61、du＝d(|udref1|+|udref2|+|udref3|)/dt＞dset1 (16)；
62、结合式14与式16共同构建保护判据，当式14满足条件后，即可判定受端换流站高区可能存在故障，满足式16，而式14不满足时，即判定故障发生在低区。
63、作为本发明的进一步方案，1)高区故障识别；
64、结合表1中总结的不同位置故障下控制信号变化，通过求和方式计算触发角积分值，构造受端换流站高区故障识别判据，定义触发角积分值δl为：
65、
66、式中：β(i)为对应控制信号i时刻采样值，β(0)为对应控制信号故障前稳态值，n为积分时间窗的采样点数，取n＝20；
67、对于故障f1而言，相比于站内故障，βi发生较大波动，δli出现显著上升，首先利用δli进行站内外故障的识别，站外故障时δli大于整定值，满足式18，站内故障则不满足；
68、δli＞lset (18)；
69、lcc直流入口处f2故障与lcc交流侧三相短路f5故障发生时，会出现熄弧角βg上升，可利用δlg构成判据识别交直流侧故障，交流侧三相短路故障时，δlg大于整定值，满足式19，直流故障δlg小于整定值，δlu大于整定值；
70、δlg＞lset (19)；
71、高区内部故障均会导致lcc端电压下降，但仅lcc直流入口处f2故障时，βi与βg由于限幅作用不会发生变化，故障发生在lcc直流入口处f2故障的判据满足式20；
72、
73、整定值大小需考虑躲开功率大幅度波动下的最大值，同时保留一定裕量，换流器lcc出现功率跳变时，端电压也会出现相应变化。通过仿真验证，换流器lcc发生1/3功率跳变时，体现在控制环节最大值约为5％，因此lset为：
74、
75、式中，krel为可靠系数，取1.3；d1为角度转化系数，取53；
76、(2)低区故障识别；
77、通过表1控制信号变化情况得到，直轴参考电流的极性区分交直流侧故障，直流侧故障时短时间内存在mmc的控制信号ldref由负值跳变至正值，mmc交流侧发生三相故障时，idref仍极性为负，幅值出现上升，但变化率小于直流侧故障，采用直轴参考电流积分值δm区分交直流侧故障；
78、
79、式中：idrefk(i)为i时刻第k台mmc直轴参考电流，idrefk(0)为故障第k台mmc前直轴参考电流稳态值，δmk为第k(k＝1.2.3)台mmc的直轴参考电流积分值；
80、由于mmc侧为三台mmc并联结构，各台mmc线路均存在发生故障的可能，利用δmk判别故障位于哪台mmc线路上，式23中仅存在某一个等式满足条件时，即判定故障发生在对应mmc入口处，由于控制方式不同，保护整定值不同，定电压控制的mmc1保护整定值为mset1，定有功控制的mmc2、mmc3保护整定值为mset2；
81、
82、直流侧故障还包括lcc与mmc连接线处故障，其识别判据为式23中两个及两个以上等式满足条件时，判断故障发生在连接线处；
83、mset1和mset2的设置参考如下规则：即当故障发生在k台mmc入口处时，另外两台mmc的控制特征量不应大于整定值，通过仿真验证非本条mmc线路故障时，1ms内电压跌落最大约为7％，则mset1和mset2表示为：
84、
85、式中，d2为直轴电流基准值；
86、当式22中所有等式均不成立时，说明直流侧无故障发生，进入交流侧故障判别；第k台mmc交流侧发生三相故障δmk取值为负，设置整定值mset3进行交直流侧的判断，故障发生在第k台交流侧判据为：
87、δmk＞mset3 (25)；
88、满足式25，即为交流故障，不满足式25，保护复位；
89、mset3的设置需躲过mmc功率波动，设定mmc发生1/3功率波动，整定值mset3的设置如下：
90、
91、与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所提保护方案在受端换流站出线众多的复杂级联结构下能够精准识别故障，对交直流侧的故障能够有效区分，避免换流器传递特性影响。
92、保护自适应整定，保护的整定值均为动态整定，在整定值中引入控制参数，对换流器的不同控制策略和参数均有较好的适应性。
93、抗过渡电阻，不受功率波动影响；充分考虑保护需要躲过的非本段线路故障情况，保护方案通过控制信号之间配合构建，过渡电阻不会改变控制信号变化量的极性特征，因此在大过渡电阻故障下保护仍然能够动作。对于功率波动，换流器内部控制的pi环节的调节作用能够平抑功率波动，使得控制信号变化较小，不会使得保护误动。
94、抗噪声能力；噪声为高频的正负波动信号，长时间尺度下其积分值为零。本发明所采用的保护是通过积分的形式进行计算，可以很大程度上消除噪声对于保护影响，因此具备较强的抗噪声能力。
95、无需新增保护测点；故障识别所需的保护信号，均由换流站原有的电流电压测点以及控制信号采集，无需新增保护测点，不会改变换流器的控制方式与拓扑结构，能够实现保护与控制的一体化设计。
1.一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，其特征在于，包括如下步骤：获取触发角、电压、电流以及功率控制信号，利用该控制信号变化量作为启动判据与分区判据，求取控制信号积分值，比较控制信号积分值与整定值来识别交直流侧故障，确定故障线路。
2.如权利要求1所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，其特征在于，混合级联特高压直流系统拓扑，系统主要由整流站，逆变站和直流输电线路三部分构成，受端换流站为换流器lcc串联三个并联的mmc构成，换流器lcc入口处配置有直流滤波器，换流器lcc以及mmc入口处均配置有平波电抗器，对换流站进行分区，高区表示lcc及其线路区域，低区表示mmc及其线路区域，llm为换流器lcc与mmc之间的连接线路，f1～f6表示不同位置的故障，f1为直流站外故障，f2为站内lcc入口处故障，f3为mmc入口处故障，f4为llm线路上故障，f5、f6分别为换流器lcc与mmc交流侧故障，f1、f2和f5为高区故障，f3、f4和f6为低区故障，其中，由于mmc控制方式不同，f3与f6处故障进一步区分为mmc1入口处f3_1故障、mmc2入口处f3_2故障、mmc1交流侧f6_1故障和mmc2入口处f6_2故障，mmc2与mmc3控制方式相同，以mmc2为例进行分析。
3.如权利要求2所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，其特征在于，换流器lcc的控制方式如下：定直流电压为主要控制方式，后备定关断角与后备定电流控制作为辅助，还包括低压限流环节、电流裕度平滑转换环节和触发角限制环节、定电流、定关断角以及定电流控制均会产生对应的触发角值，定义为βi、βg和βu，其表示为：
4.如权利要求1所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，其特征在于，受端换流站故障分析包括直流侧故障及交流侧故障。
5.如权利要求4所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，其特征在于，直流侧故障；
6.如权利要求5所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，直流侧故障；
7.如权利要求5所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，受端换流站交流出线众多，以三相短路故障为例分析交流侧故障对于换流器控制信号影响，分析过程如下；
8.如权利要求7所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，不同位置故障下控制信号变化；
9.如权利要求8所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，启动判据；
10.如权利要求9所述的一种混合级联特高压直流系统受端换流站保护方法，其特征在于；
