CN101697411B - 直流输电线路的暂态能量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明为直流输电线路的暂态能量保护方法，由于线路在各种运行工况和故障情况下所对应的能量传输特性是不同的，且对于直流线路，在低频传输能量上已具有显著的区分特性，本发明利用上述原理，基于直流输电线路低频暂态突变量能量实现区内故障的识别，以进行保护，具有绝对的选择性，不受雷击干扰、两极线路电磁耦合和换相失败的影响，高阻接地故障仍具有足够的灵敏性。

Description

直流输电线路的暂态能量保护方法

技术领域

本发明涉及直流输电线路保护技术，尤其涉及一种利用直流输电线路低频暂态突变量能量实现区内故障的识别，以进行保护的方法。

背景技术

我国地域辽阔，随着经济建设的快速发展，跨区域长距离输电已成为必然。相对于交流输电，直流输电更适合远距离大功率输电系统。因此，近年来，我国大大加快了直流输电工程的建设。直流输电系统能实现快速和多种方式的调节，对整个交直流系统的安全运行起着非常重要的作用。而直流输电线路作为直流输电系统的主要元件之一，超长的送电距离使其发生短路、雷击等事故的概率大大增加，严重威胁直流系统本身的稳定运行，这对直流输电线路的保护提出了很高的要求。

直流输电线路传输直流电气量的固有特点，使得基于行波理论的方法一直以来都是直流线路故障识别的主要方法。目前行波保护作为直流输电线路的主保护已得到了广泛的应用。然而，现有的行波保护易受雷电、换相失败、交流侧故障等暂态现象的干扰，使得线路保护不可靠。，而且在线路高阻抗接地时也存在灵敏度不够的情况。另外，在实际工程中，直流输电线路行波保护动作不正确动作的情况也时有发生。因此亟需性能更为优越的直流输电线路保护方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种基于直流输电线路低频暂态突变量能量的直流输电线路保护方法，本发明保护方法动作可靠且灵敏度高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：直流输电线路的暂态能量保护方法，包括以下步骤：

(1)分别采集直流输电线路极1和极2的M端和N端的电压瞬时值u_M1、u_N1、u_M2和u_N2，并分别计算其突变量Δu_M1、Δu_N1、Δu_M2和Δu _N2 ，若任意一极线路满足 $\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{Mp}}\right|>{\mathrm{\ϵ}}_M\\ \left|\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{Np}}\right|>{\mathrm{\ϵ}}_N\end{array}\right.,$ p＝1或2，则暂态保护启动，其中ε_M和ε_N为暂态保护启动门槛值；

(2)在暂态保护启动后，采集直流输电线路极1和极2两端的电压瞬时值和电流瞬时值，采用数字低通滤波器分别提取极1线路两端电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量中的低频分量Δu′_M1、Δi′_M1、Δu′_N1和Δi′_N1，以及极2线路两端电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量中的低频分量Δu′_M2、Δi′_M2、Δu′_N2和Δi′_N2，并据此分别计算出暂态保护启动后一定时间内极1和极2线路两侧的突变量低频能量之差ΔE₁和ΔE₂：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{E}_1=\mathrm{\Δ}{E}_{M1}-\mathrm{\Δ}{E}_{N1}\\ \mathrm{\Δ}{E}_2=\mathrm{\Δ}{E}_{M2}-\mathrm{\Δ}{E}_{N2}\end{array}\right.;$

式中： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{E}_{M1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_{M1i}^{\′}\mathrm{\Δ}{i}_{M1i}^{\′}\\ \mathrm{\Δ}{E}_{N1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_{N1i}^{\′}\mathrm{\Δ}{i}_{N1i}^{\′}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{E}_{M2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_{M2i}^{\′}\mathrm{\Δ}{i}_{M2i}^{\′}\\ \mathrm{\Δ}{E}_{N2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_{N2i}^{\′}\mathrm{\Δ}{i}_{N2i}^{\′}\end{array}\right.;$

其中，n为数据窗采样点数；

(3)计算出两极线路的突变量能量比 $k=\frac{\min \left\{\right|\mathrm{\Δ}{E}_1|,|\mathrm{\Δ}{E}_2\left|\right\}}{\max \left\{\right|\mathrm{\Δ}{E}_1|,|\mathrm{\Δ}{E}_2\left|\right\}}$ 后，则根据以下判据进行故障判别：

A)当 $\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_1\right|>\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_2\right|\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_1<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ k<k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为极1线路故障；

B)当 $\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_2\right|>\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_1\right|\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_2<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ k<k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为极2线路故障；

C)当 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{E}_1<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_2<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ k>k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则为双极线路故障；

上述判据中，k_set和ΔE_set均为暂态保护的整定值，且ΔE_set为一负数；具体整定时，ΔE_set可以实际系统高阻接地时所对应的故障极最小暂态能量值ΔE_Min为基础，结合一定的裕度进行整定，即ΔE_set＝ΔE_Min/K_rel，其中ΔE_Min可通过实际系统的电磁暂态仿真计算获得，K_rel为取值大于1的可靠系数；k_set则可以整定为两极线路的耦合系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：由于线路在各种运行工况和故障情况下所对应的能量传输特性是不同的，且对于直流线路，在低频传输能量上已具有显著的区分特性，本发明利用上述原理，基于直流输电线路低频暂态突变量能量实现区内故障的识别，以进行保护，具有绝对的选择性，不受雷击干扰、两极线路电磁耦合和换相失败的影响，高阻接地故障仍具有足够的灵敏性。

附图说明

图1为特高压直流输电系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1所示为±800kV特高压直流输电系统模型。在该模型中，送电容量为5000MW，整流侧和逆变侧的无功补偿容量分别为3000MVAr和3040MVAr；每极换流单元均采用两个12脉换流器串联组成，整流侧由定电流控制和α_min限制两部分组成，逆变侧配有定电流控制和定关断角控制，此外两侧都配有低压限电流(VDCOL)控制，逆变侧还配有电流偏差控制(CEC)；两极直流线路L1和L2为六分裂导线，设计送电距离为1438km；线路两侧各装设有300mH的平波电抗器L_S；直流滤波器F_dc为12/24双调谐滤波器。对图1所示的特高压直流输电系统，直流输电线路的暂态能量保护方法，包括如下步骤：

第一步：分别采集直流输电线路极1和极2的M端和N端的电压瞬时值u_M2、u_N1、u_M2和u_N2，并分别计算其突变量Δu_M1、Δu_N1、Δu_M2和Δu _N2 ，采样频率取为10kHz，这与现有的直流输电线路保护一致。若任意一极线路满足 $\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{Mp}}\right|>{\mathrm{\&epsiv;}}_M\\ \left|\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{Np}}\right|>{\mathrm{\&epsiv;}}_N\end{array}\right.,$ p＝1或2，则暂态保护启动，暂态保护启动门槛值ε_M和ε_M可根据实际工程选取，以天广工程为例，取为0.14pu/0.15ms；

第二步：在暂态保护启动后，采集直流输电线路极1和极2两端的电压瞬时值和电流瞬时值，采用db4小波对各电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量进行3层小波分解，分别提取极1线路两端电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量中的a3低频分量Δu′_M1、Δi′_M1、Δu′_N1和Δi′_N1(对应频率为0-675Hz)，以及极2线路两端电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量中的a3低频分量Δu′_M2、Δi′_M2、Δu′_N2和Δi′_N2，并据此分别计算出暂态保护启动后一定时间内极1和极2线路两侧的突变量低频能量之差ΔE₁和ΔE₂：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{E}_1=\mathrm{\&Delta;}{E}_{M1}-\mathrm{\&Delta;}{E}_{N1}\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_2=\mathrm{\&Delta;}{E}_{M2}-\mathrm{\&Delta;}{E}_{N2}\end{array}\right.;$

式中： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{E}_{M1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{u}_{M1i}^{\&prime;}\mathrm{\&Delta;}{i}_{M1i}^{\&prime;}\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_{N1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{u}_{N1i}^{\&prime;}\mathrm{\&Delta;}{i}_{N1i}^{\&prime;}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{E}_{M2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{u}_{M2i}\mathrm{\&Delta;}{i}_{M2i}\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_{N2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{u}_{N2i}\mathrm{\&Delta;}{i}_{N2i}\end{array}\right.;$

其中，n为数据窗采样点数，对于10kHz的采样频率，数据窗为5ms时，n取50；

第三步：计算出两极线路的突变量能量比 $k=\frac{\min \left\{\right|\mathrm{\&Delta;}{E}_1|,|\mathrm{\&Delta;}{E}_2\left|\right\}}{\max \left\{\right|\mathrm{\&Delta;}{E}_1|,|\mathrm{\&Delta;}{E}_2\left|\right\}}$ 后，则根据以下判据进行故障判别：

A)当 $\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_1\right|>\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_2\right|\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_1<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ k<k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为极1线路故障；

B)当 $\left\{\begin{array}{c}\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_2\right|>\left|\mathrm{\&Delta;}{E}_1\right|\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_2<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ k<k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为极2线路故障；

C)当 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{E}_1<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ \mathrm{\&Delta;}{E}_2<\mathrm{\&Delta;}{E}_{\mathrm{set}}\\ k>k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为双极线路故障。

上述判据中，k_set和ΔE_set均为暂态保护的整定值，且ΔE_set为一负数。具体整定时，ΔE_set可以实际系统高阻接地时所对应的故障极最小暂态能量值ΔE_Min为基础，结合一定的裕度进行整定，即ΔE_set＝ΔE_Min/K_rel，其中ΔE_Min可通过实际系统的电磁暂态仿真计算获得，在本实施例中考虑500Ω过渡电阻时，取ΔE_set＝-3000×10⁶；k_set则可以整定为两极线路的耦合系数，本实施例中取0.2。

上述实施例为本发明典型的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.直流输电线路的暂态能量保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别采集直流输电线路极1和极2的M端和N端的电压瞬时值u_M1、u_N1、u_M2和u_N2，并分别计算其突变量Δu_M1、Δu_N1、Δu_M2和Δu_N2，若任意一极线路满足 $\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Mp}}\right|>{\mathrm{\&epsiv;}}_M\\ \left|{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Np}}\right|>{\mathrm{\&epsiv;}}_N\end{array}\right.,$ p＝1或2，则暂态保护启动，其中ε_M和ε_N为暂态保护启动门槛值；

(2)在暂态保护启动后，采集直流输电线路极1和极2两端的电压瞬时值和电流瞬时值，采用数字低通滤波器分别提取极1线路两端电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量中的低频分量Δu′_M1、Δi′_M1、Δu′_N1和Δi′_N1，以及极2线路两端电压瞬时值突变量和电流瞬时值突变量中的低频分量Δu′_M2、Δi′_M2、Δu′_N2和Δi′_N2，并据此分别计算出暂态保护启动后一定时间内极1和极2线路两侧的突变量低频能量之差ΔE₁和ΔE₂；

(3)计算出两极线路的突变量能量比 $k=\frac{\min \left\{\right|{\mathrm{\&Delta;E}}_1|,|{\mathrm{\&Delta;E}}_2\left|\right\}}{\max \left\{\right|{\mathrm{\&Delta;E}}_1|,|{\mathrm{\&Delta;E}}_2\left|\right\}}$ 后，则根据以下判据进行故障判别：

A)当 $\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&Delta;E}}_1\right|>\left|{\mathrm{\&Delta;E}}_2\right|\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_1<{\mathrm{\&Delta;E}}_{\mathrm{set}}\\ k<k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为极1线路故障；

B)当 $\left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&Delta;E}}_2\right|>\left|{\mathrm{\&Delta;E}}_1\right|\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_2<{\mathrm{\&Delta;E}}_{\mathrm{set}}\\ k<k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则判为极2线路故障；

C)当 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;E}}_1<{\mathrm{\&Delta;E}}_{\mathrm{set}}\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_2<{\mathrm{\&Delta;E}}_{\mathrm{set}}\\ k>k_{\mathrm{set}}\end{array}\right.,$ 则为双极线路故障；

其中，k_set和ΔE_set均为暂态保护的整定值，且ΔE_set为一负数；

步骤(2)所述计算暂态保护启动后一定时间内极1和极2线路两侧的突变量低频能量之差ΔE₁和ΔE₂，其具体方法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;E}}_1={\mathrm{\&Delta;E}}_{M1}-{\mathrm{\&Delta;E}}_{N1}\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_2={\mathrm{\&Delta;E}}_{M2}-{\mathrm{\&Delta;E}}_{N2}\end{array}\right.;$

式中： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;E}}_{M1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;u}}_{M1i}^{\&prime;}{\mathrm{\&Delta;i}}_{M1i}^{\&prime;}\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_{N1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;u}}_{N1i}^{\&prime;}{\mathrm{\&Delta;i}}_{N1i}^{\&prime;}\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;E}}_{M2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;u}}_{M2i}^{\&prime;}{\mathrm{\&Delta;i}}_{M2i}^{\&prime;}\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_{N2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;u}}_{N2i}^{\&prime;}{\mathrm{\&Delta;i}}_{N2i}^{\&prime;}\end{array}\right.;$ 其中，n为数据窗采样点数。

2.根据权利要求1所述的直流输电线路的暂态能量保护方法，其特征在于：步骤(3)所述ΔE_set在具体整定时，以实际系统高阻接地时所对应的故障极最小暂态能量值ΔE_Min为基础，结合一定的裕度进行整定，即ΔE_set＝ΔE_Min/K_rel，其中ΔE_Min通过实际系统的电磁暂态仿真计算获得，K_rel为可靠系数。

3.根据权利要求2所述的直流输电线路的暂态能量保护方法，其特征在于：k_set整定为两极线路的耦合系数。

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