CN102288873A - 一种基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法，属于直流输电线路区内外故障识别保护技术领域。利用短数据窗内，直流输电线路发生区内故障时线路两侧电压电流故障分量均满足平波电感元件性能方程（VCR），发生区外故障时故障侧的电压电流故障分量则不满足平波电感元件的VCR的原理，提出着眼于电流响应求解的区内外故障识别的测后模拟时域方法。运用线路两侧实测电流由平波电感元件VCR分别模拟计算两侧的电压，再与实测电压波形的相关性进行比较，从而判断识别直流输电线路区内外故障。具有对于区内故障识别灵敏、区外故障识别可靠等优点，适宜在直流输电线路系统中推广使用。

Description

一种基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法。

背景技术

现有的直流线路保护采用以变化率为判据的行波保护作为主保护，电流差动保护作为后备保护。采用du/dt为核心的行波保护既能作为故障启动判据，又能正确识别区内外故障，实用性强。但若直流线路发生高阻接地故障时，电压行波幅值和波头陡度都减小，易造成保护拒动。差动保护作为检测高阻故障的后备保护，为躲避交流故障，需延时500ms，另外为避免由于各种干扰而引起的数据采样值波动，需与65ms前采样值做比较，如果其差值大于其整定值，做延迟600ms的处理。可见，差动保护最长延时可达到1.1s，在此阶段若阀组保护动作，将导致该极停运。利用延时提高可靠性的差动保护，极大降低了保护的速动性，受控制系统的影响大，往往起不到后备保护的作用。

直流系统的平波电抗器和直流滤波器构成了天然的物理边界，对高频分量呈阻带特性。发生区内故障或是区外故障，量测端得到的高频分量差异很大，据此利用量测端高频含量的不同构成了区内外故障识别判据。但由于判据可靠性依赖于物理边界频率特性，在实际应用中会存在整定值不好设定的问题。利用行波波头的极性构成的直流行波保护能正确的识别区内外故障，但由于行波信号的不易捕捉性和不可重复性限制了行波保护的可靠性。

通过对直流输电线路区内外故障分量附加网络的分析发现：当直流输电线路发生区内故障时，于短数据窗内，线路两侧电压电流故障高频分量均满足平波电感元件性能方程（Voltage Current Relation ）；当发生区外故障时，故障侧的电压电流故障高频分量不满足平波电感元件的VCR。藉此，提出着眼于电流响应求解的区内外故障识别的测后模拟时域方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有直流输电线路故障识别和保护技术存在的问题，提出一种基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法，通过分析直流输电线路区内外故障分量附加网络特性，实现对直流输电线路区内外故障的快速、可靠的判断识别。

本发明的技术方案是：当直流输电线路发生故障时，在短数据窗内，实测输电线路两端整流侧和逆变侧的M和N点两侧的电压u _M 、u _N 和电流i _M 、i _N ，然后分析直流输电线路区内外故障分量附加网络特性，利用平波电感元件性能方程VCR，分别模拟计算线路M和N点的侧电压                                                

、

，再计算出模拟电压波形与实测电压波形的相关系数r _x ，将模拟电压

、

与实测电压u _M 、u _N 相比较，根据模拟电压波形与实测电压波形的相似程度和相关系数r _x ，判断识别直流输电线路区内外故障。

该测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法的具体步骤是：

（1）直流线路发生故障后，在短数据窗内，实测直流输电线路两端整流侧和逆变侧的M点和N点两侧的电压u _M 、u _N 和电流i _M 、i _N ，然后根据实测得到的侧电流i _M 、i _N 和平波电抗器电感值L，利用平波电感元件性能方程

和

，分别模拟计算出线路两端M和N点的侧电压

、

；

（2）根据测量数据长度N和公式

（其中，x表示M侧或N侧），计算模拟电压波形与实测电压波形的相关系数r _x （r _M 和r _N ）；r _x 的取值区间为[-1，+1]，+1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关；

（3）根据计算出的相关系数r _M 和r _N ，判断识别直流输电线路区内外故障：r _M ＞0且r _N ＞0时，为区内故障；r _M ≤0或r _N ≤0时，为M侧或N侧区外故障；r _M ≤0且r _N ≤0时，为M侧和N侧两侧区外故障。

本发明中，测量输电线路两端侧电流时，短数据窗的长度为3ms，采样频率为10kHZ。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）利用测后模拟的时域算法进行区内外故障识别，在原理上不受过渡电阻的影响，能够正确识别线路远端高阻故障。

（2）采用测后模拟的区内外故障识别的时域方法，综合利用了每一频率分量的相位关系和幅值信息，克服了单一信息检测故障的缺陷。

（3）采用测后模拟的区内外故障识别算法实质是边界元件算法，传递的对端信息仅为相关系数之极性。动作可靠性和灵敏性明显优于现有的差动保护，用它可加速直流线路的后备保护。

附图说明

图1为本发明直流输电系统结构示意图；图中，L为平波电感器，Z_ss为交流系统等效阻抗，Z_M为M端平波电抗器背后含换流器的系统等效阻抗, Z_N为N端平波电抗器背后含换流器的系统等效阻抗；

图2为本发明实施例直流输电系统的直流物理边界示意图；图中，Z _G 为直流滤波器对地阻抗，L为平波电感器，L ₁、L ₂、L ₃、L ₄为直流滤波器电感，C ₁、C ₂、C ₃、C ₄为直流滤波器电容，B₁、B₂、B₃、B₄为直流滤波器避雷器，D₁为平波电抗器避雷器、D₂为直流母线避雷器；

图3为本发明实施例平波电抗器背后含换流器的系统等值阻抗Z _M 、Z _N 频率特性图； 图中，f/kHz为频率单位；

图4为本发明区实施例内故障分量附加网络示意图；图中，(Z _c , γ)表示为分布参数输电线路， i _M ，i _N 是取用极母线差动保护量测电流，Z_ss为交流系统等效阻抗，Z_M为M端平波电抗器背后含换流器的系统等效阻抗, Z_N为N端平波电抗器背后含换流器的系统等效阻抗，Z _G 为直流滤波器对地阻抗，i _f 为故障电流激励，G  _f 为过渡电导；

图5为本发明实施例区外故障分量附加网络示意图；图中，(Z _c , γ)表示为分布参数输电线路， i _M ，i _N 是取用极母线差动保护量测电流，Z_ss为交流系统等效阻抗，Z_M为M端平波电抗器背后含换流器的系统等效阻抗, Z_N为N端平波电抗器背后含换流器的系统等效阻抗，Z _G 为直流滤波器对地阻抗，i _f 为故障电流激励，G  _f 为过渡电导；

图6为本发明实施例1线路区内故障极线电压的M侧实测波形和模拟波形图；图中，为实测电压，

为模拟电压，t/s为时间/秒，u/kV为电压/千伏；

图7为本发明实施例1线路区内故障极线电压的N侧实测波形和模拟波形图；图中，为实测电压，

为模拟电压，t/s为时间/秒，u/kV为电压/千伏；

图8为本发明实施例1区外故障极线电压的M侧实测波形和模拟波形图；图中，为实测电压，

为模拟电压，t/s为时间/秒，u/kV为电压/千伏；

图9为本发明实施例区外故障极线电压的N侧实测波形和模拟波形图；图中，

为实测电压，为模拟电压，t/s为时间/秒，u/kV为电压/千伏；

图10为本发明实施例1全线长范围内区内正极线L-G型故障时，M侧模拟电压与实测电压的相关系数图；

图11为本发明实施例1全线长范围内区内正极线L-G型故障时，N侧模拟电压与实测电压的相关系数图；

图12本发明实施例1整流侧（M侧）区外故障的相关系数图；图中，1^#为正极线平波电抗器出口故障，2^#为交流侧故障为A-G故障，3^#为AB两相故障，4^#为AB-G故障，5^#为ABC-G三相故障；

图13为本发明实施例1逆变侧（N侧）区外故障的相关系数图；图中，1^#为正极线平波电抗器出口故障，2^#为交流侧故障为A-G故障，3^#为AB两相故障，4^#为AB-G故障，5^#为ABC-G三相故障。

具体实施方式

实施例1：±800kV直流输电线路（输电系统结构如图1）。送电容量为5000MW，整流侧和逆变侧的无功补偿容量为3000Mvar和3040Mvar；每极换流单元由2个12脉冲换流器组成；直流线路侧装有400mH的平波电抗器；直流滤波器为12/24/36三调谐滤波器；线路为六分裂导线，采用J.Marti依频率线路模型，线路全长为取1500km，直流的物理边界如图1(b)，其中，L=400mH、L ₁=39.09mH、L ₂=26.06mH、L ₃=19.545mH、L ₄=34.75mH、C ₁=0.9μF、C ₂=0.9μF、C ₃=1.8μF、C ₄=0.675μF。

直流输电线路正极接地故障距M端为100km，过渡电阻为10Ω，时间窗长度取3ms，采样频率为10kHz。

（1）直流线路发生故障后，启动元件启动，根据直流输电线路两端整流侧和逆变侧的M点和N点两侧的实测电压u _M 、u _N 和电流i _M 、i _N ，再根据公式：

和

，计算模拟电压波形；然后根据公式

，计算其与实测电压波形的相关系数；

(2)   根据相关系数识别区内外故障

通过计算，得到M侧和N侧实测电压与模拟电压的相关系数为正，

= 0.9984﹥0、=0.9941﹥0，据此判断为区内故障。

实施例2：直流输电线路系统同例1。直流线路整流侧和逆变侧平波电抗器出口同时发生故障，过渡电阻为10Ω，时间窗长度取3ms，采样频率为10kHz。

直流线路发生故障后，按实施例1相同的方法，计算模拟电压波形

、

及其与实测电压波形的相关系数，得到

=- 0.367<0、

=-0.245<0，判断为两侧区外故障。

实施例3：直流输电线路系统同例1。直流线路整流侧交流系统A相接地故障(A-G)，过渡电阻为10Ω，时间窗长度取3ms，采样频率为10kHz。

直流线路发生故障后，按实施例1相同的方法，计算模拟电压波形

、

及其与实测电压波形的相关系数，得到

=- 0.1842<0、

=0.9657﹥0，判断为M侧区外故障。

本发明的原理是：

1、直流线路区内外故障特征的短窗描述

(1)直流线路区内故障

假设正极线路发生区内故障，故障分量附加网络如图4所示。图中， (Z _c , γ)表示为分布参数输电线路，量测点电流i _M ，i _N 是取用极母线差动保护量测电流。

当发生线路区内故障时，由图4可得到，量测端M、N的电压电流故障高频分量的关系分别可表示为：

；

。

式中，L为平波电抗器电感值，L _M 、L _N 为平波电抗器背后含换流器的系统等值阻抗（如图1所示）。 

观察上述方程式，其L为已知，而L _M，N 与两侧换流器控制系统的调节特性有关，一般，L _M，N 表现为时变电感特性，但于某一运行点的高频范围L _M，N 为某一定常电感（其频率特性如图3所示）。在采样频率为10kHz、数据窗长度为3ms的短时窗内，可将上述方程式改写为平波电感元件性能方程：

；

。

直流线路发生区内故障时，运用线路两侧实测电流i _M 、i _N ，由平波电感元件性能方程分别模拟计算出两侧电压

、

，该模拟所得的电压波形与实测电压波形相正相关（如图6、7所示）。

 (2)直流线路区外故障

当整流侧(或逆变侧)发生线路区外故障时，故障附加分量网络如图5所示。

当线路发生区外故障位于整流侧时，M侧用i _M 模拟计算的电压

：

；

     当线路发生区外故障位于逆变侧时，N侧用i _N 模拟计算的电压

：

；

直流线路发生区外故障时，故障侧的电压电流故障分量不满足平波电抗器元件性能方程（如图8、9所示）。

2、利用测后模拟进行区内外故障识别的相关系数

利用相关系数来刻划模拟电压和实测电压的相关程度，构造直流线路区内外故障的识别判据。

信号f(t)和g(t)的互相关函数的严格定义如下：

；

式中，T是平均时间。互相关函数表征两个信号的乘积的时间平均。

如果f(t)和g(t)是周期为T ₀的周期信号，则上式可以表示为：

；

将相关函数离散化，并排除信号幅度的影响，对相关运算做归一化。对于离散实测电压信号u(n)和模拟电压

，相关函数可以表示为：

；

当j取零时，上式可以表示为:

；

模拟电压值与实测电压值的相关系数可表示为:

；

式中，N为数据长度，x表示M侧或N侧，r _x 为互相关系数。r _x 的取值区间为[-1，+1]， +1表示两个信号100%正相关，-1表示两个信号100%负相关。

3、基于测后模拟的区内、区外故障的甄别

假设发生区内故障，采用线路实测电流值i _M，N 由平波电感元件性能方程模拟计算电压

与实测电压u _M，N 相比较，若假设为真，实测电压波形和模拟电压波形正相关；而当假设为假时，实测电压波形和模拟电压波形差异较大，且表现为负相关。

（1）若r _M ＞0且r _N ＞0，则为区内故障；

（2）若r _M ≤0或r _N ≤0，则为M侧或N侧(区外)故障；

（3）若r _M ≤0且r _N ≤0，则为M侧和N侧两侧(区外)故障。

Claims (3)

1.一种基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法，其特征在于：当直流输电线路发生故障时，在短数据窗内，实测输电线路两端整流侧和逆变侧的M和N点两侧的电压u _M 、u _N 和电流i _M 、i _N ，然后分析直流输电线路区内外故障分量附加网络的特性，利用平波电感元件性能方程VCR，分别模拟计算输电线路M和N点的侧电压                                                

、

，再计算出模拟电压波形与实测电压波形的相关系数r _x ，将模拟电压

、

与实测电压u _M 、u _N 相比较，根据两者波形的相似程度和相关系数r _x ，判断识别直流输电线路区内外故障。

2.根据权利要求1所述的基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法，其特征在于监测识别方法的具体步骤如下：

（1）直流线路发生故障后，在短数据窗内，实测直流输电线路两端整流侧和逆变侧的M点和N点两侧的电压u _M 、u _N 和电流i _M 、i _N ，然后根据实测得到的侧电流i _M 、i _N 和线路中的平波电抗器的电感值L，利用平波电感元件性能方程

和

，分别模拟计算出线路两端M和N的侧电压、

；

（2）根据测量数据的长度n和公式

，计算模拟电压波形与实测电压波形的相关系数r _M 和r _N ，x表示M侧或N侧；

（3）根据计算出的相关系数r _M 和r _N ，判断识别直流输电线路区内外故障；r _M ＞0且r _N ＞0时，为区内故障；r _M ≤0或r _N ≤0时，为M侧或N侧区外故障；r _M ≤0且r _N ≤0时，为M侧和N侧两侧区外故障。

3.根据权利要求1或2所述的基于平波电感元件性能方程测后模拟识别直流输电线路区内外故障的方法，其特征在于：测量输电线路两端侧电流时，短数据窗的长度为3ms，采样频率为10kHZ。

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