CN102279309A - 一种特高压直流线路保护启动判据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用极波变化率作为特高压直流线路保护启动判据的方法。本发明为：当直流线路发生故障，根据保护安装处测得的直流电压和电流，求出极波，采样率为10kHz，时窗为5ms。采用Daubechies小波系的db4小波对极波进行一维小波分解得到模极大值，选取首个模极大值作为电压变化率启动判据。该判据所用的电气量为极波表征区分度较高，易于判断。采用Daubechies小波系的db4小波对故障信号进行一维小波分解，在很大程度上能够消除噪声的影响。大量仿真结果表明，本发明效果良好。

Description

一种特高压直流线路保护启动判据的方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体是一种利用极波变化率作为特高压直流线路保护启动判据的方法。

背景技术

目前如何提高直流线路运行的安全性和可靠性已成为急需解决的问题，能否对直流线路故障做出正确判断是直流线路保护的关键。目前，世界上广泛采用行波保护作为高压直流线路保护的主保护，其快速的单端量保护是依据电压行波的突变量、电压行波变化率和电流变化梯度作为判据的。它具有超高速动作特性，不受电流互感器饱和、系统振荡和长线分布电容影响等优点。但根据国内外实际运行的相关资料显示，目前使用的直流线路行波保护（主要由ABB和SIEMENS两家公司提供）却受存在因线路末端平波电抗器和直流滤波器的影响，导致电压变化率减小；电压变量和地模波受故障距离影响；方向行波变化率受过渡电阻影响等问题。正是因为这些影响因素的存在，有时会导致现有的直流保护装置拒动。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用极波变化率作为特高压直流线路保护启动判据的方法。

直流输电线路故障后，保护安装处量测的极波电压首波头幅值比其对应的极线电压、线模电压和零模电压首波头幅值大，且更为陡峭，据此可以提出利用极波电压变化率构造启动判据。

本发明的特高压直流线路保护启动判据的方法按以下步骤进行：

（1）直流线路发生故障后，根据测量端的极线电压、极线电流求出极波                                                

  (j=+,-)                        (1)

式中，为极波波阻抗，为极线电压，

为极线电流，+表示为正极线，-表示为负极线，n=1、2、3….N，N=50为采样序列长度；

（2）采用Daubechies小波系的db4小波对极波电压进行一维小波分解得到模极大值K _m ；

（3）选取首个模极大值作为电压变化率启动判据，即

                   Km　>　Kset                                (2)

式中: Kset已选取Kset=100。

以下是本发明的设计原理：

1.物理边界元件的频率特性

以云广±800kV直流输电系统中的直流滤波器和平波电抗器构成的物理边界进行分析。其结构如图2所示，B₁、B₂、B₃、B₄为直流滤波器避雷器，D₁和D₂分别平波电抗器避雷器和直流母线避雷器，因此 B₁、B₂、B₃、B₄、D₁、D₂统称为边界。避雷器。B₁、B₂额定电压为150kV，B₃、B₄额定电压为75kV，D₁、D₂额定电压为824kV。图2中，L=400 mH、L₁=39.09 mH、L₂= 26.06 mH、L₃=19.545 mH、L₄=34.75 mH、C₁=0.9 μF、C₂=0.9 μF、C₃=1.8 μF、C₄=0.675 μF。

               (5)

式(1)中，为直流滤波器阻抗，

为平波电抗器阻抗。由式(1)可得，边界元件传递函数

的幅频特性，如图3所示。

由图3可知：当，

；当1kHz<f<2kHz时，H(jω)频谱曲线有振荡，当f>2kHz时，H(jω) <-30dB，可见边界元件对高频分量有衰减作用，呈阻带特性。

2.极波物理本质

单极直流线路故障分量附加网络如图4所示，它实为“极线-地”传输模式。在图4中：,

 为M端量测的故障点第一次正向行波和反向行波；

,

为N端量测的故障点第一次的正向行波和反向行波；

为M端量测的故障点第二次反向行波；为N端量测故障点第二次反向行波。

测量端M量测的故障(点)第二次反向行波到达之前的电压行波和电流行波为

                 (6)

式(2)中，

为线路衰减参数，

为故障点到测量端的故障距离，

为M端边界元件的反射系数，

为故障行波从故障点传到测量端的时间，

为故障电源，一般取为阶跃信号。极波为

                         

              (7)

3．基于极波电压变化率的启动元件

极线电压波形是由故障附加分量激励和末端边界的反射波作用的行波响应之叠加。由图3可知，在行波频率范围内，平波电抗器抗值很大，可视为开路。直流滤波器阻抗值线性增加，呈感抗特性，因此反射系数β _m接近为1，极线电压故障分量可表示为

，与极波幅值相等；当频率下降时，物理边界不能再等效为纯电抗值，反射系数不再是1，因此极线电压故障分量波头不再是阶跃，而极波主要是由故障附加分量激励决定的反行波，无末端边界的反射波相叠加，故波头陡峭。

极波波头幅值比与其对应的极线电压都要大，且波头更为陡峭，使用极波变化率作为启动判据其性能将优于采用极线电压变化率的启动判据。

于线路全长范围内遍历L-G型故障。对量测的极波电压求小波变换，取首个模极大值，其沿线分布如图7所示。

现分析变流侧故障对测量端M量测的极波电压变化率的影响。整流侧换流母线电压降到零时，由于控制系统的调节作用，在故障持续期间未出现换相失败；逆变侧换流母线电压降到零，在故障持续期间会出现连续换相失败。现考虑逆变侧各种交流故障引起的换相失败。对最不利的情况做重点分析，各种区外故障小波变换首个模极大值如图5所示。其中A-G故障记为1^#； AB两相故障记为2^#；AB-G故障记为3^#；ABC三相故障记为4^#；图6所示的F₁正极接地故障记为5^#；图1所示的F₂负极接地故障记为6^#。

至此，利用极波电压的小波变换首个模极大值作为电压变化率启动判据。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、该判据所用的电气量为极波表征区分度较高，易于判断。

2、本判据采用Daubechies小波系的db4小波对故障信号进行一维小波分解，在很大程度上能够消除噪声的影响。大量仿真结果表明，本发明效果良好。

附图说明

 图1 为云广±800kV直流输电系统结构图，图中M为保护安装处，区外故障分别记为如图1所示的F₁、F₂。

图2 为±800kV直流输电系统中的直流滤波器和平波电抗器构成的物理边界，B₁、B₂、B₃、B₄为直流滤波器避雷器，D₁和D₂分别平波电抗器避雷器和直流母线避雷器，

为直流滤波器阻抗，为平波电抗器阻抗。

图3为边界元件的频谱特性图，f为频率，Hz为频率的单位，H(jω)为频谱的幅值。

图4为直流线路故障附加分量网络图，图中

,

为M端量测的故障点第一次正向行波和反向行波；

,

为N端量测的故障点第一次的正向行波和反向行波；

为M端量测的故障点第二次反向行波；

为N端量测故障点第二次反向行波。

图5为直流线路正极接地故障距离M端100km，过渡电阻为100，M端极波波形图（属于本发明）。

图6 为量测端的正极波在小波变换3尺度下的模极大值（属于本发明）。

图7为本发明的（云广）直流输电线路正极线故障时，线路全长范围内的正极波的小波变换首个模极大值。

图8为本发明的各种区外故障小波变换首个模极大值图，A-G故障记为1^#； AB两相故障记为2^#；AB-G故障记为3^#；ABC三相故障记为4^#；图6所示的F₁正极接地故障记为5^#；图1所示的F₂负极接地故障记为6^#。

具体实施方式

仿真模型如图1所示，距离保护安装处100km处分别发生正极接地故障，故障过渡电阻为0.1Ω，时间窗长度取5ms，采样频率为10kHz。

（1）直流线路发生故障后，根据测量端的极线电压、极线电流求出正极线极波

                         (1)

式中， 

为极波波阻抗，为极线电压，为极线电流， n=1、2、3….N，N=50为采样序列长度；

（2）采用Daubechies小波系的db4小波对极波电压进行一维小波分解得到模极大值K _m =625；

（3）根据启动判据K _m =625>Kset，启动元件启动。

                

Claims (1)

1.一种特高压直流线路保护启动判据的方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）直流线路发生故障后，根据测量端的极线电压、极线电流求出极波

                                                

 (j=+,-)                      (1)

式中， 

为极波波阻抗，

为极线电压，

为极线电流，+表示为正极线，-表示为负极线，n=1、2、3….N，N=50为采样序列长度；

（2）采用Daubechies小波系的db4小波对极波电压进行一维小波分解得到模极大值K _m ；

（3）选取首个模极大值作为电压变化率启动判据，即

              Km　>　Kset                                     (2)

式中: Kset已选取Kset=100。

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