CN102255293A - 一种识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统直流输电线路继电保护领域，尤其涉及一种识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，其利用单端换流站直流线路侧电气量的特定频率分量的幅值实现区内故障、区外故障的判别。本发明主要用于电力系统中直流输电线路的单端量全线速动保护，该保护仅需要采用单端电气量，对采样频率要求不高，算法简单，在工程上易于实现；不仅具有动作速度快，选择性好，可靠性高的优点，而且理论完备易于整定。本发明所述的保护方法可以取代现有的行波保护作为直流输电线路的主保护，尤其适合于利用单端电气量实现特/超高压直流输电线路的全线速动保护。

Description

一种识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体来说，是一种利用单端电气量识别高压直流输电线路区内、外故障的全线速动保护方法。 

背景技术

高压直流(HVDC)输电以其传输功率大，线路造价低，控制性能好等优点，在远距离、大功率输电中占有越来越重要的地位，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，在我国也因“西电东送，南北互供，全国联网”而成为电力建设的热点。自1989年葛洲坝至上海采用直流输电以来，我国直流输电工程数量在世界上已名列前茅。 

高压直流输电线路一般作为大区域联网的联络线，它的安全性和可靠性不仅关系到本系统的稳定性，而且将直接影响与其连接的区域电网甚至整个电网的稳定运行。由于直流线路长，发生故障的概率高，因此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具有重要意义。而从某种意义上来讲，直流输电线路主保护的性能标志了直流系统继电保护的运行水平。 

目前，运行中的直流线路多以行波保护作为主保护。行波保护具有动作速度快的优点，但为了有效利用电压、电流的变化率，行波保护对采样率要求极高。为了保证雷电干扰情况下保护的选择性，被迫降低了保护的灵敏度，也增加了保护判据的复杂性。国内外研究表明：行波保护不但易受雷电和干扰的影响，而且不能够识别高阻故障，易误动，动作的可靠性低。综上所述，国内外投运的直流输电工程，其直流输电线路的主保护普遍存在着理论不完备、没有普遍适用的整定原则、整定仅依赖于仿真结果等问题。从而导致了 直流线路继电保护装置对采样率要求高，且存在着选择性差、灵敏度低、可靠性不高的问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高的高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法。从而为直流输电线路提供继电保护。 

为达到上述目的，本发明提供一种识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，其利用单端换流站直流线路侧特定频率电气量的幅值实现区内故障、区外故障的判别。 

进一步的，所述的利用单端换流站直流线路侧特定频率电气量的幅值实现区内故障、区外故障的判别按照以下步骤进行： 

步骤一，在换流站中，从本极直流输电线路侧的传感器中获得电气量信号； 

步骤二，根据本极电流计算单位时间内的电流突变，大于起动门槛值时起动该保护； 

步骤三，利用控制保护系统中的数字滤波器对从步骤一中获得的电气量信号进行滤波，获得特定频率电气量； 

步骤四，计算滤波得到的特定频率电气量的幅值； 

步骤五，比较特定频率电气量的幅值与设定门槛值的大小，实现区内故障、区外故障判别。 

进一步的，所述步骤五中的设定门槛值由平波电抗器外侧(远离直流线路侧)发生金属性故障时线路侧传感器所能感受的电气量进行整定，其值由平波电抗器参数、直流滤波器参数以及线路参数确定。 

进一步的，所述设定门槛值大于平波电抗器外侧发生最严重故障(例如 金属性接地)时由步骤四计算得到的特定频率电气量的幅值，并且该设定门槛值小于直流输电线路区内发生最轻微故障(例如500欧姆过渡电阻接地)时由步骤四得到的特定频率电气量的幅值。 

进一步的，所述步骤三中的电气量信号为电流信号，所述步骤三中的特定频率为特定频率点或特定频率段，所述特定频率点为直流滤波器的调谐频率点，为工频交流频率的12、24、或36倍；所述特定频率段为300Hz以上。其中所述特定频率段优选为300Hz～5kHz。 

进一步的，所述步骤三中的电气量信号为电压信号，所述步骤三中的特定频率为特定频率段，所述特定频率段为300Hz以上。其中所述特定频率段优选为300Hz～5kHz。 

进一步的，所述特定频率按照以下方法获得： 

步骤一：以平波电抗器和直流滤波器构成直流滤波环节，该直流滤波环节与直流输电线路连接的一端设有传感器，该传感器包括分流器和分压器； 

步骤二：获得线路区外故障时从换流站侧看所述直流滤波环节的最小输入阻抗，并获得该最小输入阻抗在不同频率下的阻抗幅值，在此情况下流过直流输电线路侧的分流器的电流最大； 

步骤三：获得线路区内故障时从直流线路侧看直流滤波环节的最大输入阻抗，并获得该最大输入阻抗在不同频率下的阻抗幅值，在该情况下流过直流输电线路侧分流器的电流最小； 

步骤四：将获得的上述最小输入阻抗的阻抗幅值与最大输入阻抗的阻抗幅值进行对比，最小输入阻抗的阻抗幅值比最大输入阻抗的阻抗幅值大10倍以上或100倍以上所对应的频点或频带即为特定频率点或特定频率带。 

进一步的，所述步骤四中计算滤波得到的特定频率电气量幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、积分法、以及其它求取信号幅值的算法。 

以下是本发明的原理： 

请参照图1，图1为双极直流输电系统的结构简图。直流输电系统由换流站1、2和直流输电线路3构成。换流站1、2都装设有换流阀4。图中f₁、f₂、f₃为故障点，其中f₁发生在直流输电线路3上，称为区内故障点；f₂和f₃发生换流站侧，称为区外故障点。u_jp、i_jp分别是换流站1的正极直流电压和直流电流；u_jn、i_jn分别是换流站1的负极直流电压和直流电流；u_kp、i_kp分别是换流站2的正极直流电压和直流电流；u_kn、i_kn分别是换流站2的负极直流电压和直流电流。图1中虚线部分为平波电抗器和直流滤波器组成的滤波环节5。该直流输电系统还包括设置在直流输电线路3两侧的控制保护系统6，该控制保护系统6通过其中设有的A/D转换器(未图示)可获得本端极电气量的数字信号，并进行数字信号的处理、判别，实现保护功能。 

图2是滤波环节5的电路图。滤波环节5由平波电抗器51和直流滤波器52构成。滤波环节5与直流输电线路3通过传感器8连接，该传感器8包括分流器9和分压器10。滤波环节5与换流站1的换流阀4通过分流器11和分压器12连接。图中u₁、i₁分别是换流站1换流阀4侧的电压和电流，u₂、i₂分别是直流输电线路3侧的电压和电流。从图2的滤波环节5可以看出：当直流输电线路3区外发生故障时，由于平波电抗器51的阻滞作用，使得直流输电线路3侧的分流器9感受到的较高频电流分量很小；当直流输电线路3区内发生故障时，由于没有平波电抗器51的阻挡作用，直流输电线路3侧的分流器9感受到的较高频电流分量很大，该特性可以用来区分直流输电线路区内、外故障，且具有较高的灵敏度和选择性。 

为了充分利用滤波环节5在直流输电线路3区内、区外故障时所表现出的这种差异性，构造具有绝对选择性的继电保护原理，需要分析在哪些频带中，直流输电线路3区外故障时分流器9所感受到的最大电流还远远小于直 流输电线路3区内故障的最小短路电流。为此图3给出了发生区外故障时从换流阀4侧看滤波环节5的最小输入阻抗Z_in，在最小输入阻抗时直流输电线路侧的分流器9感受到的电流最大，图4给出了某直流工程的直流滤波器参数下图3电路的阻抗频率特性。图5给出了线路区内故障时从直流输电线路3侧看滤波环节5的最大输入阻抗Z_in，该情况下直流输电线路侧分流器9感受到的电流最小，图6给出了某直流工程的直流滤波器参数下图5电路的阻抗频率特性。 

从图4的阻抗频率特性可知，在直流线路区外故障时，由平波电抗器51与直流滤波器52构成的滤波环节5对高频具有阻滞作用，频率越高阻滞效果越明显，即频率较高的分量难以从直流线路区外传到直流输电线路上。由图6的阻抗频率特性可知，在直流输电线路区内故障情况时，线路两端的滤波环节5的阻抗特性具有带通性质，其中对600Hz、1200Hz和1800Hz三个频率的信号没有阻滞作用，也就是说这三个频率下的电流将不会受到阻滞，直流输电线路侧的分流器9感受到的这三个频率分量的幅值会较大。与图6对比可知，图4中的阻抗特性在以上三个频点所表现的阻抗远大于1kΩ。也就是说，在区外故障情况下，直流线路侧在以上三个频率的电流分量远小于区内故障情况。因此，可以根据以上三个频率分量的含量来区分直流输电线路区内、外故障。 

从图4和图6还可以看出，对于300Hz以上频率信号，图4的阻滞能力则比图6高出100倍以上。 

考虑到直流输电线路3区内故障时，直流滤波器52调谐频率对信号的阻滞作用最小，调谐频率点的电流分量将较大，可以可靠的进行区内、外故障的判别。考虑到故障信号的能量主要集中在低频带，以及输电线路参数的分布特性和频变特性对高频信号的滤波和阻滞作用增加等因素，输电线路故障时高频分量含量其实较小，该结论从直流输电线路故障的录波中也得到了证 实。因此，虽然前面分析了300Hz以上的信号都具有区内、外故障的区分能力，但从可靠性的角度和信号处理能力与硬件装置关系的角度考虑，利用300Hz以上频率分量中低频带进行故障判别，对提高动作可靠性和降低硬件成本有更为显著的技术效果。 

本发明具有以下有益效果： 

1、本方法采用单端电气量作为判据的原始信息，仅需提取直流输电线路的单端特定频率点或特定频率带的电气量即可实现区内、外故障的判别。与利用双端电气量的保护相比，不受通信通道的影响可靠性高、动作速度快； 

2、本发明是基于直流输电线路区内、外故障时直流滤波环节阻抗特性差异，提出直流输电线路单端量保护方法，构造的继电保护理论完备、选择性好、灵敏度高； 

3、与现有方法相比，本发明方法对保护装置的采样频率要求低、易于实现。克服了现有直流输电线路行波保护对采样频率要求高、选择性差、灵敏度低、可靠性不高等问题，可以取代现有的行波保护作为直流输电线路的主保护，尤其适合于利用单端电气量实现特/超高压直流输电线路的全线速动保护； 

4、利用与平波电抗器和直流滤波器有关的特征频率信号进行故障识别，由于这些信号频率相对较低，且具有幅值高、能量大的特点，因此利用该频率信号的继电保护将具有对采样率低、可靠性高的特点。 

附图说明

图1为双极直流输电系统结构示意图； 

图2是图1所示的双极直流输电系统的平波电抗器和直流滤波器构成的直流滤波环节的电路图； 

图3是线路区外故障时从换流站侧看直流滤波环节的最小输入阻抗； 

图4是图3中的最小输入阻抗的频率特性； 

图5是线路区内故障时从直流线路侧看直流滤波环节的最大输入阻抗； 

图6是图5中的最大输入阻抗的频率特性； 

图7是根据特定频率段电流判别区内故障(直流输电线路中点金属性接地)的仿真图； 

图8是根据特定频率点电流判别区内故障(直流输电线路中点金属性接地)的仿真图； 

图9是根据特定频率段电流判别区内故障(直流输电线路中点经500欧姆过渡电阻接地)的仿真图； 

图10是根据特定频率点电流判别区内故障(直流输电线路中点经500欧姆过渡电阻接地)的仿真图； 

图11是根据特定频率段电流判别区外故障(整流侧发生金属性接地)的仿真图； 

图12是根据特定频率点电流判别区外故障(整流侧发生金属性接地)的仿真图； 

图13是根据特定频率段电流判别区外故障(逆变侧发生金属性接地)的仿真图； 

图14是根据特定频率点电流判别区外故障(逆变侧发生金属性接地)的仿真图； 

图15是根据特定频率段电压判别区内故障(直流输电线路中点金属性接地)的仿真图； 

图16是根据特定频率段电压判别区内故障(直流输电线路中点经500欧姆过渡电阻接地)的仿真图； 

图17是根据特定频率段电压判别区外故障(整流侧发生金属性接地)的仿真图； 

图18是根据特定频率段电压判别区外故障(逆变侧发生金属性接地)的 仿真图。 

具体实施方式

实施例1： 

识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，主要利用单端换流站直流线路侧特定频率电气量的幅值实现区内故障、区外故障的判别。 

按照以下步骤进行： 

1)在换流站中，从本极直流输电线路侧的传感器中获得本极电流信号； 

2)根据本极电流计算单位时间内的电流突变，大于起动门槛值时起动保护； 

3)利用控制保护系统中的数字滤波器对从步骤一中获得的本极电流进行滤波，获得特定频率电流量； 

4)计算滤波得到的特定频率电流的幅值； 

5)比较特定频率电流的幅值与设定门槛值的大小，实现直流输电线路区内故障、区外故障判别。 

其中步骤2)可按照以下方法进行： 

根据公式(1)用本端电流计算单位时间内的电流突变，大于起动门槛值时起动该保护； 

$\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δi}>k_r{\mathrm{NI}}_{\mathrm{set}}---\left(1\right)$

其中：m＝1，2，...，N；N为单位时间内采样点数，也就是起动元件数据窗所对应的采样点数，数据窗长度可取5～10ms；电流突变Δi＝i-I_n，i为本极当前电流采样值，I_n为本极故障前正常运行电流值；k_r为可靠系数，k_r≥1，一般可取1.2～1.5；I_set＝0.1I_n，I_n为直流输电线路的额定电流。 

步骤4)所采用的特定频率包括特定频率段和特定频率点。所述特定频 率点为直流滤波器的调谐频率点，为工频交流频率的12、24、或36倍(即600Hz、1200Hz和1800Hz)；所述特定频率段为300Hz以上。 

若从可靠性的角度和信号处理能力与硬件装置关系的角度考虑，利用300Hz以上频率分量中低频带进行故障判别，对提高动作可靠性和降低硬件成本有更为显著的技术效果，则采用特定频率段300Hz～5kHz为优选方案。 

步骤4)中计算滤波得到的特定频率电流幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、积分法、以及其它求取信号幅值的算法。 

步骤5)中所述的设定门槛值由平波电抗器外侧(远离直流线路侧)发生金属性故障时线路侧传感器所能感受的电气量进行整定，其值由平波电抗器参数、直流滤波器参数以及线路参数确定。所述设定门槛值大于平波电抗器外侧发生最严重故障(例如金属性接地)时由步骤四计算得到的特定频率电流的幅值，并且该设定门槛值小于直流输电线路区内发生最轻微故障(例如500欧姆过渡电阻接地)时由步骤四得到的特定频率电流的幅值。 

本实施例中对不同的区内、区外故障进行了仿真验证。请参照图7至图14，其中图7和图8对直流输电线路区内中点金属性接地故障进行了验证；图9和图10对直流输电线路区内中点经500欧姆过度电阻接地故障进行了验证；图11和图12是直流输电线路区外、整流侧发生金属性接地故障的验证结果；图13和图14是直流输电线路区外、逆变侧发生金属性接地故障的验证结果。其中图7、图9、图11、图13均是是根据特定频率段为500Hz-4.8KHz的电流所作出的判别结果。其中起动门槛值为0.1In，特定频段信号的门槛值设定为0.005In。图8、图10、图12及图14均是根据特定频率点600Hz的电流所作出的判别结果。其中起动门槛值为0.1In，特定频点信号的门槛值设定为0.002In。 

根据图7至图14的验证结果，可以显著地显示本发明的方法对于区内、区外故障判别的灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高。从而为直流 输电线路提供可靠的继电保护。 

实施例2： 

识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，主要利用单端换流站直流线路侧特定频率电气量的幅值实现区内故障、区外故障的判别。 

按照以下步骤进行： 

1)在换流站中，从本极直流输电线路侧的传感器中获得本极电压信号和本极电流信号； 

2)根据本极电流信号计算单位时间内的电流突变，大于起动门槛值时起动保护； 

3)利用控制保护系统中的数字滤波器对从步骤一中获得的本极电压信号进行滤波，获得特定频率电压量； 

4)计算滤波得到的特定频率电压量的幅值； 

5)比较特定频率电压量的幅值与设定门槛值的大小，实现区内故障、区外故障判别。

其中步骤2)采用的具体步骤与实施例1中的一致。不再重复。在此也可以采用电压量起动方法，如采用电压量起动，本实施例仅用电压即可实现。 

步骤4)所采用的特定频率为特定频率段。所述特定频率段为300Hz以上。若从可靠性的角度和信号处理能力与硬件装置关系的角度考虑，利用300Hz以上频率分量中低频带进行故障判别，对提高动作可靠性和降低硬件成本有更为显著的技术效果，则采用特定频率段为300Hz～5kHz为优选方案。 

步骤4)中计算滤波得到的特定频率电压幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、积分法、以及其它求取信号幅值的算法。 

步骤5)中所述的设定门槛值由平波电抗器外侧(远离直流线路侧)发 生金属性故障时线路侧传感器所能感受的电气量进行整定，其值由平波电抗器参数、直流滤波器参数以及线路参数确定。所述设定门槛值大于平波电抗器外侧发生最严重故障(例如金属性接地)时由步骤四计算得到的特定频率电压的幅值，并且该设定门槛值小于直流输电线路区内发生最轻微故障(例如500欧姆过渡电阻接地)时由步骤四得到的特定频率电压的幅值。 

本实施例中对不同的区内、区外故障进行了仿真验证。请参照图15至图18，其中图15对直流输电线路区内中点金属性接地故障进行了验证；图16对直流输电线路区内中点经500欧姆过度电阻接地故障进行了验证；图17是直流输电线路区外、整流侧发生金属性接地故障的验证结果；图18是直流输电线路区外、逆变侧发生金属性接地故障的验证结果。其中图15至图18均是根据特定频率段为500Hz-4.8kHz的电流所作出的判别结果。其中起动门槛值为0.1In，特定频段信号的门槛值设定为0.005Un，其中Un为直流输电线路的额定电压。 

根据图15至图18的验证结果，可以显著地显示本发明的方法对于区内、区外故障判别的灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高。从而为直流输电线路提供可靠的继电保护。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。 

Claims (10)

1.一种识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，其特征在于：利用单端换流站直流线路侧特定频率电气量的幅值实现区内故障、区外故障的判别。

2.根据权利要求1所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，其特征在于：所述的利用单端换流站直流线路侧特定频率电气量的幅值实现区内故障、区外故障的判别按照以下步骤进行：

步骤一，在换流站中，从本极直流输电线路侧的传感器中获得电气量信号；

步骤二，根据本极电流计算单位时间内的电流突变，大于起动门槛值时起动该保护；

步骤三，利用控制保护系统中的数字滤波器对从步骤一中获得的电气量信号进行滤波，获得特定频率电气量；

步骤四，计算滤波得到的特定频率电气量的幅值；

步骤五，比较特定频率电气量的幅值与设定门槛值的大小，实现区内故障、区外故障判别。

3.根据权利要求2所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动检测方法，其特征在于：所述换流站包括换流阀及直流滤波环节，该直流滤波环节设有平波电抗器和直流滤波器，所述步骤五中的设定门槛值由所述平波电抗器外侧发生金属性故障时直流输电线路侧的传感器所能感受的电气量进行整定，其值由平波电抗器参数、直流滤波器参数以及线路参数确定。

4.根据权利要求3所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动检测方法，其特征在于：所述设定门槛值大于平波电抗器外侧发生最严重故障时由步骤四计算得到的特定频率电气量的幅值，并且该设定门槛值小于直流输电线路区内发生最轻微故障时由步骤四得到的特定频率电气量的幅值。

5.根据权利要求2所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动检测方法，其特征在于：所述步骤三中的电气量信号为电流信号，所述步骤三中的特定频率为特定频率点或特定频率段，所述特定频率点为直流滤波器的调谐频率点，为工频交流频率的12、24、或36倍；所述特定频率段为300Hz以上。

6.根据权利要求5所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动检测方法，其特征在于：所述特定频率段为300Hz～5kHz。

7.根据权利要求2所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动检测方法，其特征在于：所述步骤三中的电气量信号为电压信号，所述步骤三中的特定频率为特定频率段，所述特定频率段为300Hz以上。

8.根据权利要求7所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动检测方法，其特征在于：所述特定频率段为300Hz～5kHz。

9.根据权利要求2、3、4、5、6、7或8所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，其特征在于：所述特定频率按照以下方法获得：

步骤一：以平波电抗器和直流滤波器构成直流滤波环节，该直流滤波环节与直流输电线路连接的一端设有传感器，该传感器包括分流器和分压器；

步骤二：获得线路区外故障时从换流站侧看所述直流滤波环节的最小输入阻抗，并获得该最小输入阻抗在不同频率下的阻抗幅值，在此情况下流过直流输电线路侧的分流器的电流最大；

步骤三：获得线路区内故障时从直流线路侧看直流滤波环节的最大输入阻抗，并获得该最大输入阻抗在不同频率下的阻抗幅值，在该情况下流过直流输电线路侧分流器的电流最小；

步骤四：将获得的上述最小输入阻抗的阻抗幅值与最大输入阻抗的阻抗幅值进行对比，最小输入阻抗的阻抗幅值比最大输入阻抗的阻抗幅值大10倍以上或100倍以上所对应的频点或频带即为特定频率点或特定频率带。

10.根据权利要求2所述的识别高压直流输电线路区内、外故障的单端电气量全线速动保护方法，其特征在于：所述步骤四中计算滤波得到的特定频率电气量幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、积分法、以及其它求取信号幅值的算法。

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