CN102237676A - 直流输电线路信号距离保护方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统技术领域的直流输电线路信号距离保护方法，通过计算设置于直流线路两端的电流互感器的电流信号作为离散样本信号并计算得到其之间的距离度Δ_zn(τ)，用以判定直流线路的故障类型。本发明适用于直流输电线路且不受分布电容电流影响，不仅克服了传统高压直流线路差动保护的缺陷，并且耐受过渡电阻能力强，对采样频率无特殊要求，运算简单，易于实现，动作速度快、可靠性高。

Description

直流输电线路信号距离保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统技术领域的方法，具体是一种直流输电线路信号距离保护方法。

背景技术

高压直流(HVDC)输电以其传输功率大，控制性能好等优点，在远距离、大功率输电中占有重要的地位，世界发达国家都把它作为大容量、远距离送电和异步联网的主要手段。在我国，自1987年舟山直流输电工程的竣工以来，我国直流输电工程数量与日俱增。伴随着“西电东送，南北互供，全国联网”的坚强智能电网的建设，今后十年将会是我国直流输电建设的爆发期。

高压直流输电线路一般作为区域电网的联络线，它的安全性和可靠性不仅关系到本区系统的稳定性，而且将直接影响与其相连区域电网甚至整个大电网的稳定运行。高压直流输电线路是直流输电系统中最重要的元件之一，其特点是输电线路长，故障发生概率高，提高直流输电线路继电保护的运行水平对保证直流输电系统的安全性与可靠性意义重大。

在各种直流线路的保护方案中，行波保护和电流差动保护的应用最为广泛。现有直流线路行波保护存在诸多不足之处，如可靠性差、只能用于故障暂态的波过程期间、整定理论不完备等。对于长距离高压直流输电线路而言，在故障发生的暂态过程中，直流线路会产生分布电容电流，可能引起线路差动保护的误动，降低保护的可靠性。因此，有必要对直流输电线路保护进行改进，提升保护动作性能，保证直流线路保护在线路内部故障时可以正确快速动作，外部故障时可靠不动作。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 101577417A，公开日2009-11-11，记载了一种“直流输电线路电流差动保护方法”，该技术根据输电线路分布参数模型，在时域中利用模变换将直流电流、直流电压的采样值转换为模量，然后从线路两端分别利用两端模电压、电流计算出线路某点各个时刻的模电流，用模电流直接构造电流差动保护判据，或者经过极模反变换合成极电流，再根据极电流构造电流差动保护判据。本发明能够提高直流线路保护的灵敏度和可靠性，可控性好，安全性高，具有完备的整定理论，克服了传统行波保护作为高压直流线路主保护的缺点，不需要识别行波波头；而且计算简单。本发明主要用于电力系统中直流输电线路的电流差动保护，尤其是超/特高压直流输电线路的保护。但是该现有技术需要计算保护线路上的模电压和模电流，算法复杂，计算量大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种直流输电线路信号距离保护方法，适用于直流输电线路且不受分布电容电流影响，不仅克服了传统高压直流线路差动保护的缺陷，并且耐受过渡电阻能力强，对采样频率无特殊要求，运算简单，易于实现，动作速度快、可靠性高。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

步骤一，通过直流线路分布参数模型求解微分方程，时域补偿电流行波到线路两端保护装置的时差τ，消除电容电流对直流线路保护的影响。

当直流输电线路上点F处发生故障时，线路上任一点的电压u和电流i可用其在线路上的位置x和时间t为变数的微分方程表示：

$-\frac{\∂u}{\∂x}=L\frac{\∂i}{\∂t}---\left(1\right)$

$-\frac{\∂i}{\∂x}=C\frac{\∂u}{\∂t}---\left(2\right)$

其中：L、C为直流线路单位长度的电感和对地电容，其达朗贝尔解为：

$u=u_1(t-\frac{x}{v})+u_2(t+\frac{x}{v})---\left(3\right)$

$i=\frac{1}{Z_c}[u_1(t-\frac{x}{v})-u_2(t+\frac{x}{v})]---\left(4\right)$

其中：

是沿着x正方向传播的前行波和沿x反方向传播的反行波，

是行波的传播速度，

是波阻抗。

步骤二，在一侧换流站中，对直流线路的本侧和对侧的直流电流、电压进行同步采样，并将对侧直流电流、电压采样瞬时值传输到本侧。

步骤三，当继电保护采集装置采集数据满足 $\left\{\begin{array}{c}\left|\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}\right|>{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{set}1}\\ U_0>U_{\mathrm{set}2}\end{array}\right.$ 时，启动直流线路信号距离保护。其中：U₀为电压下降程度，

为电压突变率。

步骤四，采集设置于直流线路两端的电流互感器的电流信号作为离散样本信号I_z(n)和I_n(n)，信号时限历程为[0，N]，则I_z(n)与I_n(n)的距离度定义为：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{zn}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N+1}\left|\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_z\left(n\right)-I_n(n+\mathrm{\τ}\×f_s))\right|---\left(5\right)$

其中：f_s为采样频率，Δ_zn(τ)表示补偿了时延τ之后高压直流线路两端电流信号的距离度，N为离散信号采集时限历程。

步骤五，将步骤四中所得信号距离度与信号距离度整定值比较，判断被保护线路内部故障是否存在故障，当检测到线路内部故障则信号距离保护动作。

利用信号距离度作为直流线路的主保护，来判定直流线路是否发生接地故障。由(5)式可知，作为两信号距离度Δ_zn(τ)≥0，其大小与两信号的差异程度成正比。由于线路内部故障时，线路两端故障电流信号变化相反，信号相似度较低，距离度较大。而在正常运行与线路外部故障时，线路两端电流信号变化相同，信号相似度较高，距离度较小。因此，可以通过Δ_zn(τ)的大小来判定直流线路是否存在故障，当信号距离保护装置测得保护线路两端信号距离度Δ_zn(τ)达到信号距离保护所设置的整定值，直流线路存在故障，信号距离保护动作。

本发明有效地克服现有直流线路行波保护的不足之处，如可靠性差、只能用于故障暂态的波过程期间、整定理论不完备、仅依靠仿真进行整定等。通过直流输电线路分布参数，进行了时域补偿。克服了传统差动保护可靠性差，容易误动的缺点。采用信号距离这一概念，综合反映了信号中每一频率分量的综合相位关系及幅值信息，有效的克服了仅依靠故障信号的单一频率信息来判断故障的不全面的缺陷；且不需要复杂的频率变换方法，方法简单，可以作为随机信号的统计数字特征。此外，长距离直流输电线路发生高阻接地故障时，电量的突变幅值会降低，对于传统的直流差动保护方法而言，可能无法准确捕捉故障点行波传递至保护侧的波头信号，从而引起保护拒动。由于信号距离旨在表示两个信号之间的差异度，在直流线路内部发生高阻接地故障时，两端电流信号仍存在着明显的差异度，而外部故障时的两端电流信号近似度较高。因此，利用信号距离可以有效抑制高阻接地对线路保护的影响。本发明的信号距离保护具有动作速度快、可靠性高、计算简单等特点，能够取代行波保护和传统差动保护，作为直流线路保护的主保护。

附图说明

图1是实施例中双极高压直流输电线路的系统结构简图。

图2是信号距离保护配置示意图。

图3是信号距离保护的方法实现流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，双极高压直流输电线路的系统结构简图。直流线路两端的保护测量装置对线路两端电流电压量进行实时监控，通过站间通讯交互数据信息。

如图2所示，信号距离保护配置示意图。当信号距离保护启动元件满足条件时，信号距离主保护启动，若信号距离度Δ_zn(τ)达到保护整定值Δ_znset3，保护可靠动作；否则，保护可靠不动作。

如图3所示，信号距离保护的方法实现流程图。安装在直流线路两端的保护测量装置实时数据采集，信号距离保护启动后，直流保护装置计算线路两端信号距离度Δ_zn(τ)，并与整定值比较。

步骤一，通过直流线路分布参数模型求解微分方程，时域补偿电流行波到线路两端保护装置的时差τ，消除电容电流对直流线路保护的影响。

当直流输电线路上点F处发生故障时，线路上任一点的电压u和电流i可用其在线路上的位置x和时间t为变数的微分方程表示：

$-\frac{\∂u}{\∂x}=L\frac{\∂i}{\∂t}---\left(1\right)$

$-\frac{\∂i}{\∂x}=C\frac{\∂u}{\∂t}---\left(2\right)$

式(1)，(2)中，L、C为直流线路单位长度的电感和对地电容，其达朗贝尔解为：

$u=u_1(t-\frac{x}{v})+u_2(t+\frac{x}{v})---\left(3\right)$

$i=\frac{1}{Z_c}[u_1(t-\frac{x}{v})-u_2(t+\frac{x}{v})]---\left(4\right)$

式中，

是沿着x正方向传播的前行波和沿x反方向传播的反行波，是行波的传播速度，

是波阻抗。

由式(3)，(4)可得正反向电压与电流行波：

$u_1(t-\frac{x}{v})=\frac{1}{2}(u+Z_{c}i)---\left(5\right)$

$u_2(t+\frac{x}{v})=\frac{1}{2}(u-Z_{c}i)---\left(6\right)$

$i_1(t-\frac{x}{v})=\frac{1}{2}(i+\frac{u}{Z_c})---\left(7\right)$

$i_2(t+\frac{x}{v})=\frac{1}{2}(-i+\frac{u}{Z_c})---\left(8\right)$

则直流线路上a、b点的正反向电流行波的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{a+}\left(t\right)=\frac{1}{2}(i_a\left(t\right)+\frac{u_a\left(t\right)}{Z_c})\\ i_{a-}\left(t\right)=\frac{1}{2}(-i_a\left(t\right)+\frac{u_a\left(t\right)}{Z_c})\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{b+}\left(t\right)=\frac{1}{2}(-i_b\left(t\right)+\frac{u_b\left(t\right)}{Z_c})\\ i_{b-}\left(t\right)=\frac{1}{2}(i_b\left(t\right)+\frac{u_b\left(t\right)}{Z_c})\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{a+}(t-\mathrm{\τ})=i_{b+}\left(t\right)\\ i_{a-}(t+\mathrm{\τ})=i_{b-}\left(t\right),\mathrm{\τ}=\frac{l_0}{v}\end{array}\right.$

综合式(9)及(10)，可知线路两端的电流向量和如式(11)所示：

$i_a\left(t\right)+i_b\left(t\right)=i_c\left(t\right)=[i_{a+}\left(t\right)-i_{a-}\left(t\right)]+[i_{a-}(t+\mathrm{\τ})-i_{a+}(t-\mathrm{\τ})]$

$=i_a\left(t\right)-\frac{1}{2}[i_a(t-\mathrm{\τ})+i_a(t+\mathrm{\τ})]-\frac{1}{2Z_c}[u_a(t-\mathrm{\τ})-u_a(t+\mathrm{\τ})]---\left(11\right)$

由式(11)可知得，在暂态过程中，理论上若直流输电线路越长，则行波传递到线路两端保护的时间差τ越大，从而分布电容电流i_c(t)也越大。即当直流线路外部发生故障时，在故障发生的暂态过程中i_a(t)+i_b(t)＝i_c(t)≠0，两端保护接收到故障电流行波的时刻将存在较大的延时，从而导致分布电容电流i_c(t)超过保护起动值i_op，引起直流差动保护的误动作。因此要在时域内补偿电容电流及电流行波到线路两端保护装置的时差τ。

步骤二，在一侧换流站中，对直流线路的本侧和对侧的直流电流、电压进行同步采样，并将对侧直流电流、电压采样瞬时值传输到本侧。

步骤三，根据直流线路故障特点，利用整流侧的电压突变率与电压下降程度U₀作为直流线路保护的启动值。当下述启动条件满足时，启动直流线路保护。

$\left\{\begin{array}{c}\left|\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}\right|>{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{set}1}\\ U_0>U_{\mathrm{set}2}\end{array}\right.$

步骤四，利用信号距离定义及方法计算两端电流的信号距离度。

定义：设离散样本信号I_z(n)和I_n(n)分别来自直流线路两端的电流互感器，信号时限历程为[0，N]，则I_z(n)与I_n(n)的距离度定义为：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{zn}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N+1}\left|\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_z\left(n\right)-I_n(n+\mathrm{\τ}\×f_s))\right|---\left(12\right)$

式(12)中f_s为采样频率，Δ_zn(τ)表示补偿了时延τ之后高压直流线路两端电流信号的距离度。

采用信号距离这一概念，综合反映了信号中每一频率分量的综合相位关系及幅值信息，有效的克服了仅依靠故障信号的单一频率信息来判断故障的不全面的缺陷；且不需要复杂的频率变换方法，方法简单，可以作为随机信号的统计数字特征。此外，长距离直流输电线路发生高阻接地故障时，电量的突变幅值会降低，对于传统的直流差动保护方法而言，可能无法准确捕捉故障点行波传递至保护侧的波头信号，从而引起保护拒动。由于信号距离旨在表示两个信号之间的差异度，在直流线路内部发生高阻接地故障时，两端电流信号仍存在着明显的差异度，而外部故障时的两端电流信号近似度较高。因此，利用信号距离可以有效抑制高阻接地对线路保护的影响。

步骤五，将上述计算所的信号距离度Δ_zn(τ)与整定值Δ_znset3比较，若Δ_zn(τ)＞Δ_znset3，线路内部故障被识别，信号距离保护动作。

基于上述分析，可以利用信号距离度作为直流线路的主保护，来判定直流线路是否发生接地故障。由(12)式可知，作为两信号距离度Δ_zn(τ)≥0，其大小与两信号的差异程度成正比。由于线路内部故障时，线路两端故障电流信号变化相反，信号相似度较低，距离度较大。而在正常运行与线路外部故障时，线路两端电流信号变化相同，信号相似度较高，距离度较小。因此，可以通过Δ_zn(τ)的大小来判定直流线路的故障类型。

Claims (3)

1.一种直流输电线路信号距离保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过直流线路分布参数模型求解微分方程，时域补偿电流行波到线路两端保护装置的时差τ；

步骤二，在一侧换流站中，对直流线路的本侧和对侧的直流电流、电压进行同步采样，并将对侧直流电流、电压采样瞬时值传输到本侧；

步骤三，当继电保护采集装置采集数据满足电压下降程度大于电压下降阈值以及电压突变率大于电压突变率阈值时，启动直流线路信号距离保护；

步骤四，采集设置于直流线路两端的电流互感器的电流信号作为离散样本信号I_z(n)和I_n(n)，信号时限历程为[0，N]，则I_z(n)与I_n(n)的距离度定义为：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{zn}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{N+1}\left|\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_z\left(n\right)-I_n(n+\mathrm{\τ}\×f_s))\right|---\left(5\right)$

其中：f_s为采样频率，Δ_zn(τ)表示补偿了时延τ之后高压直流线路两端电流信号的距离度，N为离散信号采集时限历程；

步骤五，将步骤四中所得信号距离度与信号距离度整定值比较，判断被保护线路内部故障是否存在故障，当检测到线路内部故障则信号距离保护动作。

2.根据权利要求1所述的直流输电线路信号距离保护方法，其特征是，所述的微分方程是指：当直流输电线路上点F处发生故障时，线路上任一点的电压u和电流i可用其在线路上的位置x和时间t为变数的微分方程表示：

$-\frac{\∂u}{\∂x}=L\frac{\∂i}{\∂t}---\left(1\right)$

$-\frac{\∂i}{\∂x}=C\frac{\∂u}{\∂t}---\left(2\right)$

其中：L、C为直流线路单位长度的电感和对地电容，其达朗贝尔解为：

$u=u_1(t-\frac{x}{v})+u_2(t+\frac{x}{v})---\left(3\right)$

$i=\frac{1}{Z_c}[u_1(t-\frac{x}{v})-u_2(t+\frac{x}{v})]---\left(4\right)$

其中：

是沿着x正方向传播的前行波和沿x反方向传播的反行波，是行波的传播速度，

是波阻抗。

3.根据权利要求1所述的直流输电线路信号距离保护方法，其特征是，所述的判断是指：当信号距离保护装置测得保护线路两端信号距离度Δ_zn(τ)达到信号距离保护所设置的整定值，直流线路存在故障，信号距离保护动作。

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