CN103580012B - 一种高压直流输电线路自适应行波保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路自适应行波保护方法，包含以下顺序的步骤：继电保护装置上电；赋值给行波保护的启动定值Δ_initial；测量本极线路电压u、电流i和对极线路电流i_op；计算本极电压变化率du/dt、电压变化量Du、电流变化量Di和对极电流变化量Di_op；判断启动判据du/dt>Δ_initial是否满足；计算电压比及相关参数；根据电压比计算电压变化率保护定值Δ_r‑set和电压变化量保护定值Δ_v‑set；判断是否满足du/dt_max>Δ_r‑set且Du_max>Δ_v‑set；判断是否满足在整流侧Di_max>Di_{op_max}且Di_max>0.1，或者在逆变侧Di_min<Di_{op_min}且Di_min<‑0.1；如果满足，则保护启动；本发明的方法，灵敏度高、抗干扰能力强，且易于工程实现，能够对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

一种高压直流输电线路自适应行波保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统直流输电领域，具体涉及高压直流输电线路自适应行波保护方法。

背景技术

实际高压直流输电工程输电距离一般超过1000km，因此输电走廊环境复杂，发生短路、雷击故障的几率极大，且实际运行经验表明，线路故障中90％为瞬时性故障。对于瞬时性故障线路保护正确动作后，可进行去游离和故障重启动，恢复系统运行。因此，行波保护作为直流线路保护的主保护对直流线路的稳定运行起到重要作用。

现有的直流输电线路行波保护可分为两种技术路线：电压行波保护和极波行波保护，其本质均为利用电压电流的变化率和变化量构成保护判据。但两种行波保护的性能较差，最主要体现在耐受过渡电阻能力不高上面，线路最薄弱处仅能耐受几十欧姆的过渡电阻。其耐受过渡电阻能力低的原因有以下两点：

1)过渡电阻直接影响区内故障行波幅值。随着过渡电阻增加，故障行波幅值减小，因此可导致行波保护计算得到的电压电流变化量和变化率下降，造成行波保护判据不满足。

2)为了避免区外故障行波保护误动，保护定值不宜过低。区外故障时，保护测量点依旧可以测量到较高的电压变化率和变化量，因此若保护定值过低，可造成行波保护误动。

随着越来越多的直流工程投入运行，直流线路行波保护因高阻接地故障而导致保护拒动的情况日益增多。针对上述情况从行波保护原理、策略上加以创新与改进，提高行波保护的耐受过渡电阻能力有着重要的理论和工程价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高压直流输电线路自适应行波保护的实现方法。本发明技术可根据电压变化量和电压变化率的比值(简称电压比)分布情况对电压变化量和电压变化率的保护定值进行自适应调整，最大限度的保证了直流线路行波保护动作的可靠性，从而为直流输电系统各种故障类型提供有效保护。

本发明通过以下技术方案实现：种高压直流输电线路自适应行波保护的实现方法，包括以下步骤：

S1.继电保护装置上电；

S2.赋值给行波保护的启动定值Δ_initial；

S3.测量本极线路电压u、电流i和对极线路电流i_op；

S4.计算本极电压变化率du/dt、电压变化量Du、电流变化量Di和对极电流变化量Di_op；

S5.判断是否满足以下条件：电压变化率du/dt>Δ_initial；

a、如果满足，则进入S6；

b、如果不满足，则返回步骤S3；

S6.计算S4满足后的6ms内的电压变化率最大值du/dt_max，电压变化量的最大值Du_max，电压比u_BZ＝Du_max/du/dt_max：若在保护位于整流侧，则计算电流变化量最大值Di_max和对极电流变化量最大值Di_{op_max}；若在保护位于逆变侧，则计算电流变化量最小值Di_min和对极电流变化量最小值Di_{op_min}；

S7.根据电压比计算电压变化率保护定值Δ_r-set和电压变化量保护定值Δ_v-set，具体的电压比和保护定值的关系由保护整定得到；

S8.判断是否满足条件：电压变化率du/dt_max>Δ_r-set且电压比Du_max>Δ_v-set；如果满足，则保护逻辑继续判断；如果不满足，返回步骤S3；

S9.判断是否满足条件：在整流侧Di_max>Di_{op_max}且Di_max>0.1，或者在逆变侧Di_min<Di_{op_min}且Di_min<-0.1；如果满足，则保护启动；如果不满足，返回步骤S3。

步骤S2中，所述的行波保护的启动定值为线路中点高阻接地时电压变化率。

所述的步骤S4，具体如下：

设

Du(t)_正极＝(Y(u,4ms)_n-10ms-Y(u,4ms)_n)

Du(t)_负极＝-(Y(u,4ms)_n-10ms-Y(u,4ms)_n)

Di(t)＝(Y(i,2ms)_n-Y(i,200ms)_n)

Di_op(t)＝(Y(i_op,2ms)_n-Y(i_op,200ms)_n)

其中，Δt为保护的采样时间间隔。

步骤S7中，所述的电压变化率保护定值取得方式如下：

取适当过渡电阻情况，在电压变化率为纵坐标，电压比为横坐标的图中，区内故障和区外故障不存在重合区域，因此可以以区内故障电压比最大的点为起点，分别向左右两侧画两条有斜率直线，要保证：第一，该直线高于区外故障区域且一定裕度；第二，当直线小于行波保护的启动定值时，该处直线变为水平直线；第三，当电压比较小时，要提高电压变化率的自适应定值，应设置为大于区外故障的最大值；

由此可以得到一条折线，利用该折线可以由电压比确定电压变化率。

步骤S7中，所述的电压变化量保护定值取得方式如下：

取适当过渡电阻情况，可以在电压变化量为纵坐标，电压比为横坐标的图中，区内故障和区外故障不存在重合区域，因此可以以区内故障电压比最大的点为起点，分别向左右两侧画两条有斜率直线，要保证：第一，该直线高于区外故障区域且一定裕度；第二，当直线小于线路中点某高阻接地时的电压变化量，该处直线变为水平直线；第三，当电压比较小时，要提高电压变化量的自适应定值，应设置为可承受一定的雷击过电压；

由此可以得到一条折线，利用该折线可以由电压比确定电压变化率。

本发明的原理如下：

当区外发生接地故障时，故障行波需流经平波电抗器进入线路，且可知平波电抗器会将区外故障的行波波头拉平，即波头的电压变化率降低，从而造成区内和区外故障在波头的电压变化率存在差异。虽然由于高阻接地同样可以造成区内故障行波波头的电压变化率降低，但区内和区外故障的最大区别是保护测量点的入射行波为直角波和斜角波。

对比观察，不考虑线路衰减，区内故障是到达线路末端的行波U_in和区外故障经过平波电抗器的行波U_out。

其中，Z_lb为直流滤波器等效阻抗，Z_C为线路波阻抗，L_d为平波电抗器，R_F为过渡电阻，U_F故障机线路电压。根据上式可知，区内区外故障时，故障行波幅值主要是由过渡电阻决定，即电压变化量在一定程度上和过渡电阻的呈类反比关系。且发现，电压变化率的数值求解，不可避免的受到过渡电阻的影响，也间接说明电压变化率和电压变化量有一定的类正比关系。

因此，当电压变化率和电压变化量相除得到的是一单位行波的电压变化率，该值有如下特点：首先，在区内故障时。电压变化率和电压变化量的比值在理论上消除了过渡电阻的影响。而在区外故障时，该比值也可以减小过渡电阻的影响；其次，电压变化率和电压变化量比值可以在区外故障时理解为一单位斜角波的电压变化率，在区内故障理解为直角波的电压变化率。

当保护安装侧区外故障时，本极电流变化量极性和区内故障不同。

当非保护安装侧区外故障时，可知由于平波电抗器的作用，区外故障的电压变化率和电压变化量比值应当小于区内故障(区外故障的电压变化量和电压变化率比值应当大于区内故障)。

当雷击故障时，波头电压变化率远超线路故障情况的电压变化率，也因此导致电压变化率和电压变化量比值大于线路接地情况(电压变化量和电压变化率比值小于线路接地情况)。

当非本极线路故障时，本极线线上会耦合处故障过电压，但该过电压远小于线路故障情况的电压变化量，也因此导致电压变化率和电压变化量比值大于线路接地情况(电压变化量和电压变化率比值小于线路接地情况),且本极电流变化量应小于故障极电流变化量判据。

本发明的整定原则如下：

(1)行波保护的启动定值du/dt_act。

由于启动定值起到启动保护判断的作用而没有真正参与判断，为此启动定值可以设置的稍小，但也不宜过小避免保护因为扰动而频繁的启动。因此设启动定值为线路中点高阻接地时电压变化率。

(2)电压变化率的自适应定值。

取适当过渡电阻情况，可以在电压变化率为纵坐标，电压比为横坐标的图中，发现区内故障和区外故障不存在重合区域，因此以区内故障电压比最大的点为起点，分别向左右两侧画两条有斜率直线，要保证：第一，该直线高于区外故障区域且一定裕度；第二，当直线小于行波保护的启动定值时，该处直线变为水平直线。第三，当电压比较小时，要提高电压变化率的自适应定值应设置为大于区外故障的最大值。

因此可以得到一条折线，利用该折线可以由电压比确定电压变化率定值。

(3)电压变化量的自适应定值

取适当过渡电阻情况，可以在电压变化量为纵坐标，电压比为横坐标的图中，区内故障和区外故障不存在重合区域，因此可以以区内故障电压比最大的点为起点，分别向左右两侧画两条有斜率直线，要保证：第一，该直线高于区外故障区域且一定裕度；第二，当直线小于线路中点某高阻接地时的电压变化量，该处直线变为水平直线。第三，当电压比较小时，要提高电压变化量的自适应定值应设置为可承受一定的雷击过电压。

因此可以得到一条折线，利用该折线可以由电压比确定电压变化量定值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

能够根据电压比的特征，自适应地对电压变化量和电压变化率的保护定值进行修正：当电压比较大时可判断为区外故障，提高保护定值避免保护误动；当电压比较小时判断为对极故障或者雷击故障，也可提高保护定值避免保护误动；当电压比在正常区间时，降低保护定值提高保护耐受过渡电阻能力。因此本发明可大大提高直流线路行波保护的可靠性，而且该方法只需在电压行波保护的基础上，增加对对极线路电流量信息的收集和处理，通信量小，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明所述的一种高压直流输电线路自适应行波保护方法的流程图；

图2为图1所述方法的仿真构建中直流输电线路杆塔模型参数设置图；

图3为图1所述方法的仿真运行中行波保护自适应定值的计算结果图。

具体实施方式

下面结合图1具体说明本实施方式，本实施方式中高压直流输电线路自适应行波保护的实现方法包括以下步骤：

S1.继电保护装置上电；

S2.赋值给行波保护的启动定值Δ_initial，行波保护的启动定值为线路中点高阻接地时电压变化率；

S3.测量本极线路电压u、电流i和对极线路电流i_op；

S4.计算本极电压变化率du/dt、电压变化量Du、电流变化量Di和对极电流变化量Di_op：

设

Du(t)_正极＝(Y(u,4ms)_n-10ms-Y(u,4ms)_n)

Du(t)_负极＝-(Y(u,4ms)_n-10ms-Y(u,4ms)_n)

Di(t)＝(Y(i,2ms)_n-Y(i,200ms)_n)

Di_op(t)＝(Y(i_op,2ms)_n-Y(i_op,200ms)_n)

其中，Δt为保护的采样时间间隔；

S5.判断是否满足以下条件：电压变化率du/dt>Δ_initial；

a、如果满足，则进入S6；

b、如果不满足，则返回步骤S3；

S6.计算S4满足后的6ms内的电压变化率最大值du/dt_max，电压变化量的最大值Du_max，电压比u_BZ＝Du_max/du/dt_max：若在保护位于整流侧，则计算电流变化量最大值Di_max和对极电流变化量最大值Di_{op_max}；若在保护位于逆变侧，则计算电流变化量最小值Di_min和对极电流变化量最小值Di_{op_min}；

S7.根据电压比计算电压变化率保护定值Δ_r-set和电压变化量保护定值Δ_v-set，具体的电压比和保护定值的关系由保护整定得到，其中

电压变化率保护定值取得方式如下：

取适当过渡电阻情况，在电压变化率为纵坐标，电压比为横坐标的图中，区内故障和区外故障不存在重合区域，因此可以以区内故障电压比最大的点为起点，分别向左右两侧画两条有斜率直线，要保证：第一，该直线高于区外故障区域且一定裕度；第二，当直线小于行波保护的启动定值时，该处直线变为水平直线；第三，当电压比较小时，要提高电压变化率的自适应定值，应设置为大于区外故障的最大值；

由此可以得到一条折线，利用该折线可以由电压比确定电压变化率；

电压变化量保护定值取得方式如下：

取适当过渡电阻情况，可以在电压变化量为纵坐标，电压比为横坐标的图中，区内故障和区外故障不存在重合区域，因此可以以区内故障电压比最大的点为起点，分别向左右两侧画两条有斜率直线，要保证：第一，该直线高于区外故障区域且一定裕度；第二，当直线小于线路中点某高阻接地时的电压变化量，该处直线变为水平直线；第三，当电压比较小时，要提高电压变化量的自适应定值，应设置为可承受一定的雷击过电压；

由此可以得到一条折线，利用该折线可以由电压比确定电压变化率；

S8.判断是否满足条件：电压变化率du/dt_max>Δ_r-set且电压比Du_max>Δ_v-set；如果满足，则保护逻辑继续判断；如果不满足，返回步骤S3；

S9.判断是否满足条件：在整流侧Di_max>Di_{op_max}且Di_max>0.1，或者在逆变侧Di_min<Di_{op_min}且Di_min<-0.1；如果满足，则保护启动；如果不满足，返回步骤S3。

工程实施例：

采用PSCAD/EMTDC仿真软件，参考云广直流工程的系统参数，构建同塔单回直流输电系统模型。同塔单回直流输电线路模型采用依频参数模型构建，线路全长1418Km，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行波保护方法，在整流侧正极构建各变化量计算模块和判据模块，从而构成其行波保护模型。

原始行波保护的定值为电压变化率0.14，电压变化量0.25。行波保护的启动定值设置为1000ohm过渡电阻中点接地时的电压变化率，电压变化率和电压变化量的自适应定值，在区内500ohm过渡电阻的情况进行计算,电压变化量的自适应定值的最小值设置为1000ohm过渡电阻中点接地时的电压变化量。以电压变化率计算过程为例进行说明：

1、在可以在电压变化率为纵坐标，电压比为纵坐标的图中选取500ohm过渡电阻接地时，在线路不同点故障时的电压比最大值点A(3.214，0.042)；

2、选取500ohm区内故障，且可和A点连接成斜率最大直线的点B(3.1,0.04)，将两者连向下的射线；

3、到点D(2.2458,0.025)电压变化率达到0.025，自D点向左画出一条水平直线；

4、当电压比小于0.7时判断为雷击故障，因此此时电压变化率的整定值为1.4；

5、选取电压变化较高且，电压比较小的区外故障点C(3.559,0.068)，并根据C点得到电压变化率为C两倍的E(3.559,0.136)，间接A点和E点并向右延长；

6、到F(3.5736，0.14)点，电压变化率达到0.14，自F点向有画出一条水平直线。

综上得到电压变化率的定值曲线，计算结果如图3所示。

分别在线路整流侧始端、线路距逆变侧末端、线路中点和区外平波电抗和阀出口连接处设置接地故障，故障接地线情况包括15种故障类型，故障过渡电阻从金属性接地和高阻接地故障(1000Ω)。观察故障选线模型的输出结果，如下表1所示。

表1故障仿真结果

理论和实际表明本发明能够根据电压比特征正确对保护定值进行正确调整，确保在一定高阻接地的情况下行波保护动作的有效性，防止有区外故障和对极故障引起的误动作。因此本发明可大大提高直流线路行波保护的耐受过渡电阻能力和可靠性。

如上所述，便可较好地实现本发明，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)

1.一种高压直流输电线路自适应行波保护方法，包含以下顺序的步骤：

S1.继电保护装置上电；

S2.赋值给行波保护的启动定值△_initial；

S3.测量本极线路电压u、电流i和对极线路电流i_op；

S4.计算本极电压变化率du/dt、电压变化量Du、电流变化量Di和对极电流变化量Di_op；

S5.判断是否满足以下条件：电压变化率du/dt>△_initial；

a、如果满足，则进入S6；

b、如果不满足，则返回步骤S3；

S6.计算S4满足后的6ms内的电压变化率最大值du/dt_max，电压变化量的最大值Du_max，电压比u_BZ＝Du_max/du/dt_max：若在保护位于整流侧，则计算电流变化量最大值Di_max和对极电流变化量最大值Di_{op_max}；若在保护位于逆变侧，则计算电流变化量最小值Di_min和对极电流变化量最小值Di_{op_min}；

S7.根据电压比计算电压变化率保护定值△_r-set和电压变化量保护定值△_v-set，具体的电压比和保护定值的关系由保护整定得到；

S8.判断是否满足条件：电压变化率最大值du/dt_max>△_r-set且电压变化量的最大值Du_max>△_v-set；如果满足，则保护逻辑继续判断；如果不满足，返回步骤S3；

S9.判断是否满足条件：在整流侧Di_max>Di_{op_max}且Di_max>0.1，或者在逆变侧Di_min<Di_{op_min}且Di_min<-0.1；如果满足，则保护启动；如果不满足，返回步骤S3。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电线路自适应行波保护方法，其特征在于，步骤S2中，所述的行波保护的启动定值为线路中点高阻接地时电压变化率。