CN103513160B - 一种同塔双回直流输电线路故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同塔双回直流输电线路故障选线方法，包含以下顺序的步骤：计算各线路的电压变化量；对电压变化量进行解耦变换，得到线模电压变化量；计算f、h线模电压变化量与g线模电压变化量比值；由比值判定故障选线。本发明的方法，灵敏度高、运算量小、所需时间窗短，能够对同塔双直流输电线路的故障线路快速确定且不易出现误判的情况。

Description

一种同塔双回直流输电线路故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力系统直流输电领域，具体涉及一种同塔双回直流输电线路故障选线方法。

背景技术

在电力系统中，直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能优越、调节响应快等优点，因此直流输电是高电压、大容量、远距离送电和异步联网采用的重要手段。

而高压直流输电线路的输电距离长，发生短路、雷击等故障几率高，同时对于直流输电线路，由于直流输电线路之间存在互感耦合，任一线路发生故障将会在另一线路上产生感应电压和感应电流，可能引起直流线路保护误动，因此一旦发生故障而不能得到及时处理，将严重威胁直流输电系统的安全稳定运行。故直流线路故障选线方法是直流线路保护不可或缺的部分，其快速准确地选线对于确保线路安全和系统稳定有着积极意义。

随着电力系统输电容量的不断增大，输电线路的用地也日益紧张，高压直流输电工程采用同塔双回输电方式，能够有效提高线路单位走廊的输电容量和土地利用率，降低电力建设成本，具有巨大的经济和社会效益，在我国具有广阔的发展前景。

同塔双回直流输电方式的应用与推广，给高压直流输电线路保护带来新的问题。同塔双回直流输电线路共有双回线路，每回线路有正、负两极线路，采用梯形布置方式，上下层线路高度的不同、线间距离的差异导致了线路的不平衡耦合，因此不能将同塔双回直流线路视为对称线路进行分析，现有的单回直流线路故障选线方法也不再适用于同塔双回直流线路。另外当出现高阻接地故障时，因故障特征不明显，故现有的故障选线方法也容易出现误判。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种同塔双回直流输电线路故障选线方法，其适用于存在不平衡耦合的线路且灵敏度高、不易发生误判。

本发明的目的通过以下的技术方案实现，一种同塔双回直流输电线路故障选线方法，包含以下顺序的步骤：

(1)分别取当前时刻之前的某一特定时刻各线路的电压瞬时值作为各线路的参考量，通过当前时刻的各线路的电压瞬时值减去各线路的参考量得到各线路的电压变化量，其中各线路分别用1P、1N、2P、2N表示，1P、1N分别为1回线的正极线、负极线，2P、2N分别为2回线的正极线和负极线，则各线路的电压变化量分别为Δu_1P、Δu_1N、Δu_2P、Δu_2N；

(2)对各线路的电压变化量进行解耦变换，求出测量端的各模分量的电压变化量Δu_e、Δu_f、Δu_g、Δu_h，其中e表示地模分量，f、g、h表示线模分量；

(3)计算f、h线模电压变化量与g线模电压变化量比值：

(4)根据比值结果进行故障选线：

a、若K_f<0且K_h<0，为1P故障；

b、若K_f<0且K_h>0，为1N故障；

c、若K_f>0且K_h>0，为2P故障；

d、若K_f>0且K_h<0，为2N故障。

优选的，步骤(1)中，所述的各线路的电压变化量取极大值，采用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{1P}\left(t\right)-u_{1P}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{1N}\left(t\right)-u_{1N}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{2P}\left(t\right)-u_{2P}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{2N}\left(t\right)-u_{2N}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\end{array}\right.,$

其中，u_1P(t)表示线路1P在t时刻的电压瞬时值，其余类推，t_d为当前时刻与特定时刻的时间间隔，t_d大于保护保护动作延时时间。

当线路发生短路故障时，短路点的故障电压行波向线路两端传播，由于行波在线路传播过程会发生畸变和衰减，到达线路两端时行波波头往往不是直角波，所以必须通过捕捉故障电压行波波头的极大值，才能获得线路故障电压行波的幅值大小和极性，才能获得相关的故障特性量，因此取电压变换量的极大值有助于得到得到更为准确的数据，精确度高。

优选的，步骤(2)中，所述的解耦变换是通过平行四线系统的解耦矩阵进行的，解耦变换式如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{u}_e\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_f\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_g\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_h\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{u}_{1P}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\end{array}\right]$

由此得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_f={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_g={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_h={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\end{array}\right..$

本发明故障选线的原理如下：

若故障位于1P线或2P线，则Δu_1P或Δu_2P的极性为负；若故障位于1N线或2N线，则Δu_1N或Δu_2N的极性为正。假设线路均匀换位，则各线路的耦合系数相等，设耦合系数为k，0<k<1，即非故障线路的电压变化量为故障线路的电压变化量的k倍。故在不同故障线路情况下f、g和h线模电压变化量的表达式如下表：

故障线路	Δuf	Δug	Δuh
				1P	(1-k)Δu1P	(1-k)Δu1P	(1-k)Δu1P
1N	-(1-k)Δu1N	-(1-k)Δu1N	(1-k)Δu1N
				2P	-(1-k)Δu2P	(1-k)Δu2P	-(1-k)Δu2P
2N	(1-k)Δu2N	-(1-k)Δu2N	-(1-k)Δu2N

计算f、h模电压变化量与g模电压变化量的绝对值的比值：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_f=\mathrm{\&Delta;}{u}_f/\left|\mathrm{\&Delta;}{u}_g\right|\\ K_h=\mathrm{\&Delta;}{u}_h/\left|\mathrm{\&Delta;}{u}_g\right|\end{array}\right.$

可得不同线故障情况下，Kf和Kh的极性特征：

故障线路	Kf	Kh
			1P	-1	-1
1N	-1	1
			2P	1	1
2N	1	-1

可见，当1P故障时，K_f小于0，K_h小于0；当1N故障时，K_f小于0，K_h大于0；当2P故障时，K_f大于0，K_h大于0；当2N故障时，K_f大于0，K_h小于0。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

第一、灵敏性高：利用两个比值的极性判别故障线路，两个比值的理论值为1或-1，在不同故障线路情况下，值的极性可灵敏判别，即使在高阻接地故障情况下，比值极性亦可灵敏判别，有效减少发生误判的情况。

第二、运算量少：本发明方法仅需提取电压变化量、解耦变换、比值计算即可实现利用线模电压变化量的故障选线，运算量小，易于实现。

第三、所需时间窗短：本发明方法所需时窗较短，有利于实现快速的故障选线。

附图说明

图1是本发明一种同塔双回直流输电线路故障选线方法的流程图；

图2是构建同塔双回直流输电系统模型所设置的参数图。

具体实施方式

如图1，一种同塔双回直流输电线路故障选线方法，包含以下顺序的步骤：

(1)分别取当前时刻之前的某一特定时刻各线路的电压瞬时值作为各线路的参考量，通过当前时刻的各线路的电压瞬时值减去各线路的参考量得到各线路的电压变化量，其中各线路分别用1P、1N、2P、2N表示，1P、1N分别为1回线的正极线、负极线，2P、2N分别为2回线的正极线和负极线，则各线路的电压变化量分别为Δu_1P、Δu_1N、Δu_2P、Δu_2N，取各线路的电压变化量的极大值，计算式子如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{1P}\left(t\right)-u_{1P}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{1N}\left(t\right)-u_{1N}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{2P}\left(t\right)-u_{2P}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\{u_{2N}\left(t\right)-u_{2N}(t-\mathrm{\&Delta;}t)\}\end{array}\right.$

其中，u_1P(t)表示线路1P在t时刻的电压瞬时值，其余类推，t_d为当前时刻与特定时刻的时间间隔，t_d大于保护保护动作延时时间；

(2)通过平行四线系统的解耦矩阵对各线路的电压变化量进行解耦变换，求出测量端的各模分量的电压变化量Δu_e、Δu_f、Δu_g、Δu_h，e表示地模分量，f、g、h表示线模分量，其中解耦变换式如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{u}_e\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_f\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_g\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_h\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{u}_{1P}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\end{array}\right]$

由此得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_f={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_g={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_h={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\end{array}\right.;$

(3)计算f、h线模电压变化量与g线模电压变化量比值：

(4)根据比值结果进行故障选线：

a、若K_f<0且K_h<0，为1P故障；

b、若K_f<0且K_h>0，为1N故障；

c、若K_f>0且K_h>0，为2P故障；

d、若K_f>0且K_h<0，为2N故障。

下面通过仿真软件构建模型来验证本发明所述的选线方法的正确性。

采用PSCAD/EMTDC仿真软件，参考溪洛渡直流工程的系统参数，构建同塔双回直流输电系统模型。同塔双回双极直流输电线路模型采用依频参数模型构建，线路全长1286Km，线路杆塔参数如图2所示。然后，在该直流输电系统模型的基础上，根据本发明专利所提的故障选线方法，分别构建各线路电压变化量计算模块、解耦变换模快和故障选线判据模块，从而构成其故障选线模型。分别在线路整流侧始端、线路距逆变侧末端及线路中点处设置接地故障，故障接地线情况包括15种故障类型，故障过渡电阻包括金属性接地和高阻接地故障(500Ω)。观察故障选线模型的输出结果，如下表所示：

表3的输出结果与预期相符合，验证了本发明所述的故障选线方法的正确性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种同塔双回直流输电线路故障选线方法，包含以下顺序的步骤：

(1)分别取当前时刻之前的某一特定时刻各线路的电压瞬时值作为各线路的参考量，通过当前时刻的各线路的电压瞬时值减去各线路的参考量得到各线路的电压变化量，其中各线路分别用1P、1N、2P、2N表示，1P、1N分别为1回线的正极线、负极线，2P、2N分别为2回线的正极线和负极线，则各线路的电压变化量分别为Δu_1P、Δu_1N、Δu_2P、Δu_2N；

(2)对各线路的电压变化量进行解耦变换，求出测量端的各模分量的电压变化量Δu_e、Δu_f、Δu_g、Δu_h，其中e表示地模分量，f、g、h表示线模分量；

所述的解耦变换是通过平行四线系统的解耦矩阵进行的，解耦变换式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_e\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_f\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_g\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_h\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ 1& -1& -1& 1\\ 1& -1& 1& -1\\ 1& 1& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\end{array}\right]$

由此得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_f={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_g={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_h={\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}\end{array}\right.;$

(3)计算f、h线模电压变化量与g线模电压变化量比值：

(4)根据比值结果进行故障选线：

a、若K_f<0且K_h<0，为1P故障；

b、若K_f<0且K_h>0，为1N故障；

c、若K_f>0且K_h>0，为2P故障；

d、若K_f>0且K_h<0，为2N故障。

2.根据权利要求1所述的同塔双回直流输电线路故障选线方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的各线路的电压变化量取极大值，采用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_{1P}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\left\{u_{1P}\left(t\right)-u_{1P}\left(t-\mathrm{\&Delta;}t\right)\right\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{1N}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\left\{u_{1N}\left(t\right)-u_{1N}\left(t-\mathrm{\&Delta;}t\right)\right\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2P}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\left\{u_{2P}\left(t\right)-u_{2P}\left(t-\mathrm{\&Delta;}t\right)\right\}\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{2N}=\underset{t\&Element;\&lsqb;t_0,t_0+t_d\&rsqb;}{MAX}\left\{u_{2N}\left(t\right)-u_{2N}\left(t-\mathrm{\&Delta;}t\right)\right\}\end{array}\right.,$

其中，u_1P(t)表示线路1P在t时刻的电压瞬时值，其余类推，t_d为当前时刻与特定时刻的时间间隔，t_d大于保护保护动作延时时间，Δt为瞬时电压变化量的考察时间间隔。