CN102590655B - 一种直流输电线路方向故障判别元件及判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单端暂态信号的超高速直流输电线路方向故障判别元件及判别方法，该元件包括故障分量计算单元、前行波与反行波能量计算单元、比较及发令单元，通过比较计算得到的前行波与反行波能量值判断故障方向，若前行波能量值小于反行波能量值，则判定故障为正方向故障，反之则判定故障为反方向故障，并发出相应命令。测试结果表明，该直流输电线路方向故障判别元件仅利用线路单端的电压电流信号，在不同的直流输电工程以及不同直流输电工程运行工况下均能正确区分线路正方向、反方向故障，且不受故障位置、过渡电阻的影响，并且对于不同的直流输电工程保护整定，仅需计算归一化波阻抗值，减小了保护工作者和现场运行人员的工作量。

Description

一种直流输电线路方向故障判别元件及判别方法

技术领域：

本发明属于电力系统直流高压输电线路保护领域，涉及一种直流输电线路正方向与反方向故障的快速检测的线路保护方法，尤其是一种基于暂态信号的超高速直流线路方向元件实现方法。

背景技术：

“西电东送、南北互供、全国联网”是21世纪中国能源与电力工业建设的基本战略。高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点，比如实现电力系统之间的非同步联网、快速调节输送功率等等，这使得大力发展高压直流输电工程成为解决电能外送的一个非常有效的手段。中国在1980年代开始发展直流输电工程，截至2004年底，无论从输送容量或输电距离都已成为直流输电第一大国。

直流输电保护与控制系统是直流输电工程的核心，而直流线路保护作为直流输电保护系统不可或缺的组成部分，承担着快速检测并清除线路故障的重大任务，其表现的优劣直接影响到整个系统的运行性能。到目前为止，我国已投入运行的直流输电工程中，其直流保护系统多为ABB和SIEMENS两家公司提供。综观两家的直流线路保护产品，其原理主要由以下判据构成：变化率保护(或称行波保护)判据、低电压保护判据和差动保护判据。

变化率保护是直流线路故障的主保护，其目的是检测直流线路上的接地故障。根据行波理论可认为电压和电流是前、后行波的叠加，行波以固有的幅值和略低于光速的速度传播。电压突然变化(接地故障)将造成线路突然放电，在输电系统中产生涌流。通过对瞬时电压和电流采样和已知的波阻抗可计算出行波，从而检测直流线路接地故障。该判据的核心原理即在于检测直流电压的变化率来判断是否有直流线路故障发生。

低电压保护判据依靠直流电压水平进行故障判断，缺乏可靠性，可能出现保护误动的情况。例如，当发生交流电压降低时，直流侧的电压也会成比例下降，这时，基于低电压判据的直流线路保护就有可能会误动。此外，当逆变器发生换相失败等故障时，也可能造成直流电压的降低，进而发生保护误动的情况。

直流线路差动保护采用两站直流电流的差值作为启动判据，并延时500ms出口。由于其需要对端的直流线路电流，所以得依靠通讯通道，这是它不可避免的缺陷。此外，通讯通道的不可靠性，常导致直流线路差动保护的功能闭锁失去。

随着直流输电工程电压等级的不断提高，为了降低设备绝缘水平，现有直流工程一般采用平波电抗器分别布置在直流极母线和直流中性母线的方法，因此布置在直流极母线上的平波电抗器电感值有所减小。这时，当换流站发生强故障时，直流电压的变化率有可能大于线路故障，从而导致线路保护中的变化率保护误动；并且换流站发生某些强故障时，交流电压侧电压会相应降低，从而导致直流侧电压成比例下降，从而导致低电压保护误动。例如宁东-山东直流输电工程布置在直流极母线上的平波电抗值为0.075H，布置在直流中性母线上的平波电抗值为0.225H。在线路保护实验中发现，在本站的平波电抗器靠近阀侧接地故障时，行波保护和低电压保护会发生误动现象(参见文献《宁东-山东±660kV直流输电示范工程二次系统实时仿真试验及关键问题对策》，电网技术，2011，35(1)：76-83)。而直流线路差动保护动作时间长，故障持续时间长、不利于直流输电工程安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于暂态信号的直流输电线路故障方向判别元件，该元件通过在直流输电系统发生故障后计算得到电压、电流故障分量，结合已给定的直流输电工程波阻抗，计算得到前行波与反行波能量，作为判断线路正方向故障或反方向故障的依据，能够有效防止直流输电线路保护在换流站故障时的误动作，提高直流输电工程运行的安全稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种直流输电线路故障方向故障判别元件，该元件包括故障分量计算单元、前行波与反行波能量计算单元、比较与发令单元。其中故障分量计算单元在直流输电系统发生故障后，通过延时模块，将故障时刻电压、电流与正常运行时刻电压、电流相减，得到电压、电流故障分量；前行波与反行波能量计算单元基于前行波与反行波的计算公式，利用故障分量计算单元提供的故障电压、电流分量信息，计算得到前行波与反行波的瞬时值，并通过对所得前行波与反行波瞬时值平方的积分，得到前行波与反行波的能量值；比较及发令单元通过比较计算得到的前行波与反行波能量值，判断故障为正方向故障或反方向故障，并发出相应命令。

所述元件的故障判别方法，其特征在于，按照如下步骤：

(A)针对不同直流输电工程线路的具体参数，计算得到线路波阻抗的归一化值，作为后续计算的参考值。线路波阻抗计算公式如式(1)所示、归一化波阻抗计算公式如式(2)所示：

$Z=138\lg \frac{{2h}_p}{r_{\mathrm{ep}}}---\left(1\right)$

式中，h_p为导线对地平均高度，

h为导线悬挂点高度，f为导线的弧垂，r_eq为导线的等效半径，r为单根导线的半径，d为导线之间的几何均距，单位均为m，n为每极导线分裂导线数。

$Z^{*}=Z\×\frac{P}{{2U}^2}---\left(2\right)$

式中，Z为线路计算波阻抗，单位Ω，U为直流系统额定运行电压，单位kV，P为双极额定输送功率，单位MW

(B)在直流输电工程发生故障后，将当前时刻保护所在极的电压u_dl、电流i_dl，即故障电压和故障电流，与10ms前的电压u^[0]、i^[0]，即未发生故障时的正常电压和正常电流相减，得到直流输电工程线路的电压、电流故障分量Δu_dl、Δi_dl，计算公式如式(3)、式(4)所示：

Δu_dl＝u_dl-u^[0]   (3)

Δi_dl＝i_dl-i^[0]   (4)

(C)利用得到的电压故障分量Δu_dl、电流故障分量Δi_dl、归一化的波阻抗Z^*计算得到前行波Δu_f与反行波Δu_b，计算公式如式(5)、式(6)所示：

Δu_f＝(Δu_dl+Z^*·Δi_dl)/2   (5)

Δu_b＝(Δu_dl-Z^*·Δi_dl)/2   (6)

(D)对从故障发生时刻起至故障发生后5ms的前行波Δu_f、反行波Δu_b的平方和进行积分，得到前行波暂态能量E_f和反行波暂态能量E_b，公式如式(7)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_f=\underset{k=\mathrm{Ns}}{\overset{\mathrm{Ns}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_f^2\left(k\right)\mathrm{\ΔT}\\ E_b=\underset{k=\mathrm{Ns}}{\overset{\mathrm{Ns}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_b^2\left(k\right)\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，Ns为启动时刻对应的采样点，N为数据窗宽度，ΔT为采样间隔，k为数据窗内对应的采样点；

(E)比较前行波暂态能量E_f和反行波暂态能量E_b的大小，若满足E_f＜E_b，则判断为线路正方向故障，若满足E_f＞E_b，则判断为线路反方向故障。

(F)根据方向元件判别结果，发出相应命令。若判定结果为线路正方向故障，则结合线路保护装置其余元件共同判断是否动作；若判定结果为线路反方向故障，则线路保护装置不动作。

本发明的有益效果：

1)只利用线路单端的电压与电流信号，不需要对端信号，避免了由于信道的不可靠而造成保护误动。

2)采用基于行波时域能量的保护判据，克服传统行波保护需准确识别行波波头的困难，计算简单，原理可靠。

3)能够有效识别线路正方向与反方向故障，防止线路保护在换流站故障时的误动作，提高直流输电工程运行的安全稳定性。

4)保护原理针对不同直流输电工程整定仅需计算归一化波阻抗值，减少了保护工作者和现场运行人员的工作量。

附图说明

附图1为本发明方法的原理示意图；

附图2为正向直流线路直接接地故障的故障前行波示意图；

附图3为正向直流线路直接接地故障的故障反行波示意图；

附图4为反向交流系统A相直接接地故障的故障前行波示意图；

附图5为反向交流系统A相直接接地故障的故障反行波示意图；

附图6为直流输电线路方向元件的结构图；

附图7为基于HCM2000直流输电控制保护平台的直流输电线路方向元件的程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，直流电路DC的左侧为整流侧，右侧为逆变侧。该电路中包括两端的直流母线W；无功功率源P1、P2；断路器Q；换流阀V1、V2；平波电抗器L1、L2；交流滤波器组L1、L2；直流滤波器组L3、L4；保护TbP。

保护TbP安装在系统整流侧，规定电流正方向即附图1中向右的箭头为直流极性母线流向线路，故障f1位于线路保护的正方向，而故障f2位于线路保护的反方向。当线路上某点发生故障时，在故障点附加电压源的作用下，将产生由故障点向线路两端传播的行波。保护安装处沿正方向传播的前行波Δu_f和沿反方向传播的反行波Δu_b为

Δu_f＝(Δu+Z^*·Δi)/2  (1)

Δu_b＝(Δu-Z^*·Δi)/2  (2)

式中，Δu为保护安装处测得的电压故障分量，Δi为保护安装处测得的电流故障分量，Z^*为被保护线路的波阻抗归一化值。

分析直流线路故障方向的特征，可得：

1)正方向故障。初始故障行波为由故障点送来的反行波Δu_b，在到达保护安装处后0～2l/c的时间内(l为直流输电工程输电线路长度，c为电磁波传播速度，近似等于光速)，前行波Δu_f均由反行波Δu_b在线路整流侧边界发生反射，即前行波和反行波之间存在如下相对固定的关系：

Δu_f＝k_rΔu_b    (3)

式中，k_r为反射系数，其值主要由平波电抗值大小、直流滤波器结构及参数共同决定，变化范围在0～1之间。

2)反方向故障。初始故障在线路整流侧边界处被折射进入被保护线路，保护将检测到该前行波。其后的0～2l_PM/c时间内，仅有前行波Δu_f存在，反行波Δu_b为零。

以具有代表性的正、反向故障说明上述故障方向特征。如图1所示，高压直流输电系统中，正方向f₁点发生直接接地故障，反方向f₂点发生直接接地故障。在这两种故障情形下，前行波、反行波波形分别如图2至图5所示。

根据上述故障方向特征和图2至图5所示典型故障下的前、反行波，可知正、反方向故障的前、反行波在时域波形上具有显著的特征差异，而前、反行波的能量将放大这种差异。

图6给出了直流输电线路故障方向判别元件的构成关系，该元件包括三个单元：故障分量计算单元，前行波与反行波能量计算单元，比较与发令单元。其中故障分量计算单元在直流输电系统发生故障后，通过延时模块，将故障时刻电压、电流与正常运行时刻电压、电流相减，得到电压、电流故障分量；前行波与反行波能量计算单元是实现直流输电线路故障方向判别的核心部分，基于前行波与反行波的计算公式，该单元利用故障分量计算单元提供的故障电压、电流分量信息，计算得到前行波与反行波的瞬时值，并通过对所得前行波与反行波瞬时值平方的积分，得到前行波与反行波的能量值；比较及发令单元通过比较计算得到的前行波与反行波能量值，判断故障为正方向故障或反方向故障，并发出相应命令。本发明已在HCM2000直流输电控制保护平台进行了具体开发，控制框图如附图7所示。图7中故障分量计算单元71包括2个延时模块712，分别对输入的电压和电流值延时10ms；两个减法模块711。前行波与反行波能量计算单元72包括一个加法模块721，一个减法模块723，3个乘法模块722；限幅积分模块724；比较及法令单元73包括比较模块731。

具体步骤如下所述：

①针对不同直流输电工程线路的具体参数，提前计算得到线路波阻抗的归一化值并输入，作为后续计算的参考值。线路波阻抗计算公式如式(4)所示、归一化公式如式(5)所示：

$Z_c=138\lg \frac{{2h}_p}{r_{\mathrm{eq}}}---\left(4\right)$

式中，h_p为导线对地平均高度，

h为导线悬挂点高度，f为导线的弧垂，r_eq为导线的等效半径，

r为单根导线的半径，d为导线之间的几何均距，单位均为m，n为每极导线分裂导线数；

$Z^{*}=Z\×\frac{P}{{2U}^2}---\left(5\right)$

式中，Z为线路计算波阻抗，单位Ω，U为直流系统额定运行电压，单位kV，P为双极额定输送功率，单位MW；

②在直流输电工程发生故障后，将当前时刻本极线路的电压u_dl、电流i_dl(故障电压和故障电流)与10ms前的电压u^[0]、i^[0](未发生故障时的正常电压和正常电流)相减，得到直流输电工程线路的电压、电流故障分量Δu、Δi，计算公式如式(6)、式(7)所示：

Δu_dl＝u_dl-u^[0](6)

Δi_dl＝i_dl-i^[0](7)

③利用得到的电压故障分量Δu、电流故障分量Δi、归一化的波阻抗Z^*计算得到前行波Δu_f与反行波Δu_b，计算公式如式(8)、式(9)所示：

Δu_f＝(Δu_dl+Z^*·Δi_dl)/2(8)

Δu_b＝(Δu_dl-Z^*·Δi_dl)/2(9)

④对从故障发生时刻起至故障发生后5ms的前行波Δu_f、反行波Δu_b的平方和进行积分，得到前行波暂态能量E_f和反行波暂态能量E_b，公式如式(10)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_f=\underset{k=\mathrm{Ns}}{\overset{\mathrm{Ns}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_f^2\left(k\right)\mathrm{\ΔT}\\ E_b=\underset{k=\mathrm{Ns}}{\overset{\mathrm{Ns}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_b^2\left(k\right)\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中，Ns为启动时刻对应的采样点，N为数据窗宽度，ΔT为采样间隔，k为数据窗内对应的采样点；

⑤比较前行波暂态能量E_f和反行波暂态能量E_b的大小，若满足E_f＜E_b，则判断为线路正方向故障，若满足E_f＞E_b，则判断为线路反方向故障。

⑥根据方向元件判别结果，发出相应命令，若判定结果为线路正方向故障，则结合线路保护装置其余元件共同判断是否动作；若判定结果为线路反方向故障，则线路保护装置不动作。

本发明已根据宁东-山东直流输电工程及三沪II回直流输电工程仿真模型，结合具体直流输电控制保护平台进行了测试，大量测试结果表明，该直流输电线路方向元件在不同直流输电工程工况下均能正确区分线路正方向、反方向故障，且不受故障位置、过渡电阻的影响，并且对于不同的直流输电工程保护整定，仅需计算归一化波阻抗值，减小了保护工作者和现场运行人员的工作量，表1给出了方向元件在宁东-山东直流输电工程及三沪II回直流输电工程双极大地回线额定功率运行方式下的故障测试结果(以极I线路保护为考察对象)。

表1

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 (3)

1.一种基于单端暂态信号的超高速直流输电线路方向故障判别元件，其特征在于：该元件包括故障分量计算单元、前行波、反行波能量计算单元、比较及发令单元；其中故障分量计算单元在直流输电系统发生故障后，通过延时模块，将故障时刻电压、电流与正常运行时刻电压、电流相减，得到电压、电流故障分量；前行波与反行波能量计算单元基于前行波与反行波的计算公式，利用故障分量计算单元提供的电压、电流故障分量信息，计算得到前行波与反行波的瞬时值，其中，前行波Δu_f与反行波Δu_b的计算公式如下：

Δu_f=(Δu_dl+Z^*·Δi_dl)/2

Δu_b=(Δu_dl-Z^*·Δi_dl)/2

式中，Δu_dl为电压故障分量，Δi_dl为电流故障分量，Z^*为归一化波阻抗，其中，归一化波阻抗Z^*的计算公式如下：

$Z^{*}=Z\×\frac{P}{2U^2}$

式中，Z为线路波阻抗，单位Ω，U为直流系统额定运行电压，单位kV，P为双极额定输送功率，单位MW，其中，线路波阻抗Z的计算公式如下：

$Z=138\lg \frac{{2h}_p}{r_{\mathrm{eq}}}$

式中，h_p为导线对地平均高度，

h为导线悬挂点高度，f为导线的弧垂，r_eq为导线的等效半径，r为单根导线的半径，d为导线之间的几何均距，单位均为m，n为每极导线分裂导线数；

并通过对所得前行波与反行波瞬时值平方的积分，得到前行波与反行波的能量值；比较及发令单元通过比较计算得到的前行波与反行波能量值，判断故障为正方向故障或反方向故障，并发出相应命令。

2.权利要求1所述方向故障判别元件的故障判别方法，其特征在于，按照如下步骤：

(A)针对不同直流输电工程线路的具体参数，计算得到线路波阻抗的归一化值,作为后续计算的参考值；线路波阻抗计算公式如式(1)所示、归一化波阻抗计算公式如式(2)所示：

$Z=138\lg \frac{{2h}_p}{r_{\mathrm{eq}}}$

式中，h_p为导线对地平均高度，

h为导线悬挂点高度，f为导线的弧垂，r_eq为导线的等效半径，r为单根导线的半径，d为导线之间的几何均距，单位均为m，n为每极导线分裂导线数；

$Z^{*}=Z\×\frac{P}{2U^2}---\left(2\right)$

式中，Z为线路波阻抗，单位Ω，U为直流系统额定运行电压，单位kV，P为双极额定输送功率，单位MW；

(B)在直流输电工程发生故障后，将当前时刻线路的电压u_dl、电流i_dl，即故障电压和故障电流，与10ms前的电压u^[0]、电流i^[0]，即未发生故障时的正常电压和正常电流相减，得到直流输电工程线路的电压、电流故障分量Δu_dl、Δi_dl，计算公式如式(3)、式(4)所示：

Δu_dl=u_dl-u^[0]   (3)

Δi_dl=i_dl-i^[0]   (4)

(C)利用得到的电压故障分量Δu_dl、电流故障分量Δi_dl、归一化的波阻抗Z^*计算得到前行波Δu_f与反行波Δu_b，计算公式如式(5)、式(6)所示：

Δu_f=(Δu_dl+Z^*·Δi_dl)/2   (5)

Δu_b=(Δu_dl-Z^*·Δi_dl)/2   (6)

(D)对从故障发生时刻起至故障发生后5ms的前行波Δu_f、反行波Δu_b的平方和进行积分，得到前行波暂态能量E_f和反行波暂态能量E_b，公式如式(7)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_f=\underset{k=\mathrm{Ns}}{\overset{\mathrm{Ns}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_f^2\left(k\right)\mathrm{\ΔT}\\ E_b=\underset{k=\mathrm{Ns}}{\overset{\mathrm{Ns}+N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{u}_b^2\left(k\right)\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中，Ns为启动时刻对应的采样点，N为数据窗宽度，ΔT为采样间隔，k为数据窗内对应的采样点；

(E)比较前行波暂态能量E_f和反行波暂态能量E_b的大小，若满足E_f<E_b，则判断为线路正方向故障，若满足E_f>E_b，则判断为线路反方向故障；

(F)根据方向故障判别元件判别结果，保护装置进行相应动作。

3.如权利要求2所述的故障判别方法，其特征在于，所述步骤(F)是指：

a:若判定结果为线路正方向故障，则结合线路保护装置其余元件共同判断是否动作；

b:若判定结果为线路反方向故障，则线路保护装置不动作。

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