CN102403699A - 直流线路自适应电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流线路自适应电流差动保护方法。该方法适用于两端和多端直流输电系统中的直流输电线路。对于两端系统，由两端电气量分别计算整定点的电流，实现电流差动保护；对于多端系统，由换流站线路端电压、电流量分别计算分支点的电流，实现电流差动保护。提出自适应故障严重程度的整定方法，利用电压变化率实现对差流门槛的自适应调整，兼顾了保护的快速性和灵敏性。本发明能够提高直流线路保护的灵敏度和可靠性，该方法适用于双端和多端的电流源换流器型和电压源换流器型直流输电系统。

Description

直流线路自适应电流差动保护方法

【技术领域】

本发明涉及一种电力系统线路继电保护方法，具体来说是一种直流输电线路自适应电流差动保护方法。

【背景技术】

我国能源资源与生产力呈逆向分布，大型电源基地远离负荷中心，为将部分优质电源在受端电力市场进行优化配置，以及加强电网间的互联，双端直流输电和多端直流输电在我国具有广阔的应用前景。因此，提高直流输电线路运行的安全与可靠性已成为迫切需要解决的问题。

目前运行中的直流线路多以行波保护作为主保护，行波保护在直流输电中得到了广泛的应用，但存在可靠性不高的问题。据统计资料分析，输电线路故障是导致直流输电系统停运的主要原因，其中直流线路保护的不正确动作导致直流系统停运的比例较高。因此，提高线路保护动作性能，对于两端和多端直流输电系统的稳定可靠运行意义重大。

电流差动保护性能优良，在交流输电线路中是天然的主保护，然而由于种种原因，其在直流输电线路中保护动作速度慢，性能不佳。运行中的直流线路多以行波保护作为主保护，行波保护动作速度快，不受过渡电阻、负载、长线分布电容等因素的影响，但可靠性不高，易误动。因此，有必要对直流输电线路的差动保护进行改进，使其不受电容电流影响，并能根据故障严重程度自适应的调整定植，兼顾灵敏度和快速性。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种直流输电线路自适应电流差动保护方法，该方法不需要识别行波波头，仅需实时计算电流瞬时值，方法简单、动作速度快、可靠性高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流线路自适应电流差动保护方法，其特征在于，该方法建立在时域分布参数模型基础上，该直流线路为两端直流系统或T型接线三端直流系统；两端直流系统包括N端和K端；三端直流系统包括J端、K端和M端，具体包括下列步骤：

步骤一，在换流站中，对直流线路的电流、电压以预定采样速率进行同步采样，并在本端通过模数转换器A/D将所采集的直流电压和直流电流转换为数字量；根据公式(1)、(2)将测得的电压电流转换为模电压、电流量瞬时值：

u_m＝S^-1·u    (1)

i_m＝S^-1·i    (2)

式中 $S=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right],$ S^-1＝S^T，是双极性直流输电线路的解耦矩阵及其逆矩阵；u_m，i_m分别是模电压、模电流矩阵；u、i分别是从直流输电换流站线路侧电压、电流传感器所采集得到的直流电压、电流瞬时值；

步骤二，在分布参数模型中，对于两端系统根据公式(3)计算中间某点的电流；对于三端系统根据公式(3)计算分支点的电流；

$i(x,t)=\frac{1}{2Z_c}\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]-$

$\frac{1}{2Z_c}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(3\right)$

$\frac{1}{2Z_c}\frac{\mathrm{rx}}{2Z_c}[u_M\left(t\right)-i_M\left(t\right)\left(\frac{\mathrm{rx}}{4}\right)]$

式中i(x，t)为t时刻距本端保护安装处距离为x处的电流值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，v为波速度；分别用直流线路各端所采集的直流电压、直流电流的瞬时值计算两端系统中间某点的电流或三端系统分支点处的模电流瞬时值；

步骤三，用模电流构成差动保护时，根据式(3)，对于两端系统分别由线路各端模电压、电流计算线路某点的模电流瞬时值；对于三端系统分别由线路各端模电压、电流计算线路分支点处的模电流瞬时值；并将计算得到的模电流瞬时值用于构造模电流差动保护判据；对于用极电流作差动保护时，则需将计算出的模电流瞬时值按照公式(4)

i＝S·i_m    (4)

进行极-模反变换求得极电流，用极电流构造电流差动保护判据；

步骤四，对于三端系统的电流差动保护的动作判据为：

i_d＝|i_J(x₁，t)+i_K(x₂，t)+i_M(x₃，t)|≥I_set (5)

其中：

$I_{\mathrm{set}}=\max \{k_e*\max \{i_J(x_1,t),i_K(x_2,t),i_M(x_3,t)\},k_0{I}_h\}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}\frac{{\mathrm{du}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

i_d为经自适应补偿后的差动电流，i_J(x₁，t)为计算得到的距离J端x₁处的电流，i_K(x₂，t)为计算得到的距离K端x₂处的电流，i_M(x₃，t)为计算得到的距离M端x₃处的电流；I_set为整定门槛，它由两部分组成：第一部分为固定门槛值以及传感器传变误差引入的门槛值，其中k_e为考虑传变误差、数模转换误差、计算误差因素而增加的门槛值，取0.05～0.1；k₀I_h为直流输电线路差动保护稳态差流定值，k₀为稳态控制特性相关的系数，其值为0.05～0.1，I_h为稳态负荷电流；第二部分为与模型误差相关的门槛值，

模型误差将会带来的分布电容电流训算误差，C_ei为各分支线路模型误差中电容等效误差，C_ei＝0.1×x_i×C₀，C₀为单位长度线路的电容值，u_i(t)为各分支线路端点处的采样电压；

若公式(5)成立则判定为区内故障，差动保护动作；反之，差动保护不动作；

对于两端系统的电流差动保护的动作判据为：

i_d＝|i_N(x₁，t)+i_K(x₂，t)|≥I_set   (6)

其中： $I_{\mathrm{set}}=\max \{k_e*\max \{i_N(x_1,t),i_K(x_2,t)\},k_0{I}_h\}+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}\frac{{\mathrm{du}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

i_d为经自适应补偿后的差动电流，x₁为J端与分支点之间的距离，x₂为K端与分支点之间的距离，x₃为M端与分支点之间的距离；i_N(x₁，t)为计算得到的距离N端x₁处的电流，i_K(x₂，t)为计算得到的距离K端x₂处的电流，其中x₁与x₂之和为线路全长；I_set为整定门槛，它由两部分组成：第一部分为固定门槛值以及传感器传变误差引入的门槛值，其中k_e为考虑传变误差、数模转换误差、计算误差因素而增加的门槛值，取0.05～0.1；k₀I_h为直流输电线路差动保护稳态差流定值，k₀为稳态控制特性相关的系数，其值为0.05～0.1，I_h为稳态负荷电流；第二部分为与模型误差相关的门槛值，

模型误差将会带来的分布电容电流训算误差，C_ei为各端点距整定点线路的模型误差中电容等效误差，C_ei＝0.1×x_i×C₀，C₀为单位长度线路的电容值，u_i(t)为线路各端点处的采样电压；

若公式(6)成立则判定为区内故障，差动保护动作；反之，差动保护不动作。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：按本发明方法进行自适应整定，即可保证在严重故障时动作的快速性不受影响，高阻故障情况下具有较高的灵敏度和快速性。

本发明的电流差动保护具有动作速度快、可靠性高、可用于故障全过程、整定理论完备等优点，能够取代行波保护，作为直流线路保护的主保护。

【附图说明】

图1为4端直流输电线路的系统结构简图。

【具体实施方式】

下面结合附图1对本发明进行进一步详细说明。

直流输电系统由整流站，逆变站和直流输电线路三部分构成。整流站将交流电变换为直流，输电线路将直流电传输到对端的逆变站，逆变站将直流电变换为交流电。本发明的核心内容是为直流输电线路提供保护。

本发明一种直流线路自适应电流差动保护方法，其建立在时域分布参数模型基础上，该直流线路为两端直流系统或T型接线三端直流系统；两端直流系统包括N端和K端；三端直流系统包括J端、K端和M端，具体包括下列步骤：

1)在换流站中，对直流线路的电流、电压以预定采样速率(般大于或等于2kHz)进行同步采样，并在本端通过模数转换器A/D将所采集的直流电压和直流电流转换为数字量；对采集得到的电压、电流数据进行低通滤波以滤除高频分量，由于能量主要集中于低频段，滤除掉高频分量不仅能够削弱线路参数频变特性对计算精度的影响，而且能够削弱各种干扰信号对计算精度的影响，提高了计算的准确性；然后分别根据式(1)、式(2)，将测得的电压电流转换为模电压、电流瞬时值；

u_m＝S^-1·u    (1)

i_m＝S^-1·i    (2)

式中 $S=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right],$ S^-1＝S^T，是双极性直流输电线路的解耦矩阵及其逆矩阵；u_m，i_m分别是模电压、模电流矩阵；u、i分别是从直流输电换流站线路侧电压、电流传感器所采集得到的直流电压、电流瞬时值；

2)在分布参数模型中，对于两端系统根据公式(3)计算中间某点或中间点的电流；对于三端系统根据公式(3)计算分支点的电流；

$i(x,t)=\frac{1}{2Z_c}\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]-$

$\frac{1}{2Z_c}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(3\right)$

$\frac{1}{2Z_c}\frac{\mathrm{rx}}{2Z_c}[u_M\left(t\right)-i_M\left(t\right)\left(\frac{\mathrm{rx}}{4}\right)]$

式中i(x，t)为t时刻距本端保护安装处距离为x处的电流值，Z_e为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，v为波速度；

分别用直流线路各端所采集的电压、电流瞬时值计算两端系统中间某点的电流或三端系统分支点处的模电流瞬时值；

3)对于模电流差动保护而言，根据式(3)，对于两端系统分别由线路两端模电压、电流计算线路某点的模电流瞬时值；对于三端系统分别由线路各端模电压、电流计算线路分支点处的模电流瞬时值；并将计算得到的模电流瞬时值用于构造模电流差动保护判据。对于极电流差动保护判据，则需将计算出的模电流瞬时值按照式(4)进行极-模反变换求得极电流，进而用极电流构造电流差动保护判据。

i＝S·i_m    (4)

4)，对于三端系统的电流差动保护的动作判据为：

i_d＝|i_J(x₁，t)+i_K(x₂，t)+i_M(x₃，t)|≥I_set  (5)

其中：

$I_{\mathrm{set}}=\max \{k_e*\max \{i_J(x_1,t),i_K(x_2,t),i_M(x_3,t)\},k_0{I}_h\}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}\frac{{\mathrm{du}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

i_d为经自适应补偿后的差动电流，x₁为J端与分支点之间的距离，x₂为K端与分支点之间的距离，x₃为M端与分支点之间的距离；i_J(x₁，t)为计算得到的距离J端x₁处的电流，i_K(x₂，t)为计算得到的距离K端x₂处的电流，i_M(x₃，t)为计算得到的距离M端x₃处的电流；I_set为整定门槛，它由两部分组成：第一部分为固定门槛值以及传感器传变误差引入的门槛值，其中k_e为考虑传变误差、数模转换误差、计算误差因素而增加的门槛值，取0.05～0.1；k₀I_h为直流输电线路差动保护稳态差流定值，k₀为稳态控制特性相关的系数，其值为0.05～0.1，I_h为稳态负荷电流；第二部分为与模型误差相关的门槛值，

模型误差将会带来的分布电容电流计算误差；C_ei为各分支线路模型误差中电容等效误差，C_ei＝0.1×x_i×C₀，C₀为单位长度线路的电容值，u_i(t)为各分支线路端点处的采样电压；

若公式(5)成立则判定为区内故障，差动保护动作；反之，差动保护不动作；

对于两端系统的电流差动保护的动作判据为：

i_d＝|i_N(x₁，t)+i_K(x₂，t)|≥I_set  (6)

其中： $I_{\mathrm{set}}=\max \{k_e*\max \{i_N(x_1,t),i_K(x_2,t)\},k_0{I}_h\}+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}\frac{{\mathrm{du}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

i_d为经自适应补偿后的差动电流，i_N(x₁，t)为计算得到的距离N端x₁处的电流，i_K(x₂，t)为计算得到的距离K端x₂处的电流，其中x₁与x₂之和为线路全长；I_set为整定门槛，它由两部分组成：第一部分为固定门槛值以及传感器传变误差引入的门槛值，其中k_e为考虑传变误差、数模转换误差、计算误差因素而增加的门槛值，取0.05～0.1；k₀I_h为直流输电线路差动保护稳态差流定值，k₀为稳态控制特性相关的系数，其值为0.05～0.1，I_h为稳态负荷电流；第二部分为与模型误差相关的门槛值，

模型误差将会带来的分布电容电流计算误差；C_ei为各端点距整定点线路的模型误差中电容等效误差，C_ei＝0.1×x_i×C₀，C₀为单位长度线路的电容值，u_i(t)为线路各端点处的采样电压；

若公式(6)成立则判定为区内故障，差动保护动作；反之，差动保护不动作。

按以上原则进行自适应整定，即可保证在严重故障时动作的快速性不受影响，高阻故障情况下具有较高的灵敏度和快速性。

Claims (1)

1.一种直流线路自适应电流差动保护方法，其特征在于，该方法建立在时域分布参数模型基础上，该直流线路为两端直流系统或T型接线三端直流系统；两端直流系统包括N端和K端；三端直流系统包括J端、K端和M端，具体包括下列步骤：

步骤一，在换流站中，对直流线路的电流、电压以预定采样速率进行同步采样，并在本端通过模数转换器A/D将所采集的直流电压和直流电流转换为数字量；根据公式(1)、(2)将测得的电压电流转换为模电压、电流量瞬时值：

u_m＝S^-1·u    (1)

i_m＝S^-1·i    (2)

式中 $S=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right],$ S^-1＝S^T，是双极性直流输电线路的解耦矩阵及其逆矩阵；u_m，i_m分别是模电压、模电流矩阵；u、i分别是从直流输电换流站线路侧电压、电流传感器所采集得到的直流电压、电流瞬时值；

步骤二，在分布参数模型中，对于两端系统根据公式(3)计算中间某点的电流；对于三端系统根据公式(3)计算分支点的电流；

$i(x,t)=\frac{1}{2Z_c}\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]-$

$\frac{1}{2Z_c}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(3\right)$

$\frac{1}{2Z_c}\frac{\mathrm{rx}}{2Z_c}[u_M\left(t\right)-i_M\left(t\right)\left(\frac{\mathrm{rx}}{4}\right)]$

式中i(x，t)为t时刻距本端保护安装处距离为x处的电流值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值；v为波速度；

分别用直流线路各端所采集的电压、电流瞬时值计算两端系统中间某点的电流或三端系统分支点处的模电流瞬时值；

步骤三，用模电流构成差动保护时，根据式(3)，对于两端系统分别由线路各端模电压、电流计算线路某点处的模电流瞬时值；对于三端系统分别由线路各端模电压、电流计算线路分支点处的模电流瞬时值；并将计算得到的模电流瞬时值用于构造模电流差动保护判据；对于用极电流构造差动保护时，则需将计算出的模电流瞬时值按照公式(4)

i＝S·i_m    (4)

进行极-模反变换求得极电流，用极电流构造电流差动保护判据；

步骤四，对于三端系统的电流差动保护的动作判据为：

i_d＝|i_J(x₁，t)+i_K(x₂，t)+i_M(x₃，t)|≥I_set  (5)

其中：

$I_{\mathrm{set}}=\max \{k_e*\max \{i_J(x_1,t),i_K(x_2,t),i_M(x_3,t)\},k_0{I}_h\}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}\frac{{\mathrm{du}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

i_d为经自适应补偿后的差动电流，x₁为J端与分支点之间的距离，x₂为K端与分支点之间的距离，x₃为M端与分支点之间的距离；i_J(x₁，t)为计算得到的距离J端x₁处的电流，i_K(x₂，t)为计算得到的距离K端x₂处的电流，i_M(x₃，t)为计算得到的距离M端x₃处的电流；I_set为整定门槛，它由两部分组成：第一部分为固定门槛值以及传感器传变误差引入的门槛值，其中k_e为考虑传变误差、数模转换误差、计算误差因素而增加的门槛值，取0.05～0.1；k₀I_h为直流输电线路差动保护稳态差流定值，k₀为稳态控制特性相关的系数，其值为0.05～0.1，I_h为稳态负荷电流；第二部分为与模型误差相关的门槛值，

模型误差将会带来的分布电容电流计算误差，C_ei为各分支线路模型误差中电容等效误差，C_ei＝0.1×x_i×C₀，C₀为单位长度线路的电容值，u_i(t)为各分支线路端点处的采样电压；

若公式(5)成立则判定为区内故障，差动保护动作；反之，差动保护不动作；

对于两端系统的电流差动保护的动作判据为：

i_d＝|i_N(x₁，t)+i_K(x₂，t)|≥I_set  (6)

其中： $I_{\mathrm{set}}=\max \{k_e*\max \{i_N(x_1,t),i_K(x_2,t)\},k_0{I}_h\}+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ei}}\frac{{\mathrm{du}}_i\left(t\right)}{\mathrm{dt}};$

i_d为经自适应补偿后的差动电流，i_N(x₁，t)为计算得到的距离N端x₁处的电流，i_K(x₂，t)为计算得到的距离K端x₂处的电流，其中x₁与x₂之和为线路全长；I_set为整定门槛，它由两部分组成：第一部分为固定门槛值以及传感器传变误差引入的门槛值，其中k_e为考虑传变误差、数模转换误差、计算误差因素而增加的门槛值，取0.05～0.1；k₀I_h为直流输电线路差动保护稳态差流定值，k₀为稳态控制特性相关的系数，其值为0.05～0.1，I_h为稳态负荷电流；第二部分为与模型误差相关的门槛值，

模型误差将会带来的分布电容电流计算误差，C_ei为各端点距整定点线路的模型误差中电容等效误差，C_ei＝0.1×x_i×C₀，C₀为单位长度线路的电容值，u_i(t)为线路各端点处的采样电压；

若公式(6)成立则判定为区内故障，差动保护动作；反之，差动保护不动作。

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