CN103618300B - 一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，包含以下顺序的步骤：继电保护装置上电；赋值给行波保护定值Δ_initial、Δ_u、Δ_T、Δ_i、Δ_du/dt；测量本极线路电压u、电流i，并计算电压变化率du/dt；判断是否满足du/dt>Δ_initial:若满足则进入下一步骤，若不满足则重复本步骤；计算电压变化率计算值du/dt_AVG、电流变化量平均值i_AVG以及满足u<Δ_u的持续时间T；判断点是否满足i_AVG>Δ_i；判断点是否满足du/dt_AVG>Δ_du/dt；在du/dt>Δ_initial满足后，在时间段t₁内，是否存在T≥Δ_T：若三个条件均满足，则保护启动；否则，继续判断是否满足du/dt>Δ_initial。本发明的方法，没有增加换流站通讯，且反应迅速、灵敏度较高。

Description

一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统直流输电领域，具体涉及一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法。

背景技术

近年，我国直流输电发展迅速，一大批直流输电工程即将投产或投入运行，因此直流输电将会在未来对我国电网的安全稳定和资源的优化配置起到至关重要的作用。但现有直流输电工程的线路保护对线路故障的正确动作率较低，这集中体现在线路保护的主保护行波保护耐受过渡电阻能力较低，在保护薄弱处耐受过渡电阻能力低于100欧姆。

现对直流线路行波保护的研究较多，但大多存在以下问题：

(1)增加换流站间通信：实际应用的行波保护并没有利用通信，需对线路和系统进行改造，增大了应用难度，降低了保护动作的可靠性；而且现有换流站的通讯时间大于10ms，影响保护的动作时间。

(2)部分研究较为理论，缺乏工程适用性：部分文献提出的行波保护新原理的采样频率较高，最大可大到1MHz，但现直流系统的采样频率为6kHz或10kHz，因此采用较高的采样频率的行波保护原理实用价值有限。

另外，南方电网所拥有的很多直流工程如云广、贵广II，使用西门子公司生产的电压行波保护，该保护利用电压变化率、电压变化量和电流变化量构成判据，其中利用电压变化率区分区内和区外故障，利用电压变化量和电流变化量区分对极故障和雷击故障。但该行波保护方法仅仅利用电压变化率、电压变化量和电流变化量的最值或极值判断故障，但这种方法并不能真正区分区内高阻故障和区外故障，且忽略了大量的故障暂态特征。

综上，现基于单端数据，立足于实际工程从原理、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，提供一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，包含以下顺序的步骤：

1)继电保护装置上电；

2)赋值给行波保护定值Δ_initial、Δ_u、Δ_T、Δ_i、Δ_du/dt，其中Δ_initial为线路中点高阻接地时电压变化率的保护定值，所述线路中点为输电线路距两端距离相等的中间点，Δ_u为开始计算电压下降时间的起始和结束电压阀值，Δ_T为电压下降时间判据的保护定值，Δ_i电流平均值判据的保护定值，Δ_du/dt为电压变化率保护判据的定值；

3)测量本极线路电压u、电流i，并计算电压变化率du/dt；

4)判断是否满足du/dt＞Δ_initial:若满足则进入步骤5)，若不满足则重复进行步骤4)；

5)计算电压变化率计算值du/dt_AVG、电流变化量平均值i_AVG以及满足u＜Δ_u的持续时间T；

6)判断点是否满足i_AVG＞Δ_i；判断点是否满足du/dt_AVG＞Δ_du/dt；在du/dt＞Δ_initial满足后，在时间段t₁内，是否存在T≥Δ_T：若三个条件均满足，则保护启动；否则，返回步骤4)。

所述的步骤4)，若保护存在动作延时为t₂的后备保护，则在保护启动后的t₂时间内，则不进入步骤5)。存在后备保护时，直接不对是否要启动保护进行判断，节省了时间，提高了工作效率。

步骤5)中，所述的电压变化率计算值du/dt_AVG的计算方式如下：

${\frac{du}{dt}}_{AVG}=A\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n\right)+B\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+1)+C\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+2)+D\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+3)+E\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+4)$

其中，n表示为满足步骤4)的第一个采样点的位置，A、B、C、D、E均为定常数。

步骤5)中，所述的电流变化量平均值i_AVG表示为在满足步骤4)的条件下第一个采样点为起点的十个采样点的电压变化率平均值，计算式如下：

$i_{AVG}=\frac{\frac{du}{dt}\left(n\right)+\frac{du}{dt}(n+1)+...+\frac{du}{dt}(n+8)+\frac{du}{dt}(n+9)}{10}.$

步骤6)中，所述的t₁为5～10ms。

步骤2)中，所述的Δ_du/dt大于区外故障时du/dt_AVG的最大值du/dt_{AVG_区外MAX}：

Δ_du/dt＝k_rel·du/dt_{AVG_区外MAX}

其中，k_rel为可靠系数，大于1；

所述的Δ_T大于区外故障和无闪络雷击时T的最大值T_max：

Δ_T＝l_rel·T_max

其中，l_rel为可靠系数，大于1。

本发明的工作原理如下：

当保护安装侧发生区外故障时，故障电流自线路流向区外，而当线路发生故障时，故障电流自区外流向线路，因此当当保护安装侧发生区外故障可利用电流极性进行判断。

当保护安装侧发生区外故障时，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层测点的入射行波为直角波和斜角波，如下所示，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。

$U_{in}\left(s\right)=\frac{Z_C}{Z_C+2R_F}\frac{1}{s}$

$U_{out}\left(s\right)=\frac{(Z_C//Z_{lb})}{Z_C//Z_{lb}+L_{d}s+R_F}\frac{1}{s}$

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。

而线路末端实际测量到的电压为：

${U^{\&prime;}}_{in}\left(s\right)=\frac{2(Z_{lb}//L_{d}s)}{Z_{lb}//L_{d}s+Z_c}\frac{Z_C}{Z_C+2R_F}\frac{1}{s}$

${U^{\&prime;}}_{out}\left(s\right)=\frac{2(Z_{lb}//L_{d}s)}{Z_{lb}//L_{d}s+Z_c}\frac{(z_C//Z_{lb})}{Z_C//Z_{lb}+L_{d}s+R_F}\frac{1}{s}$

分别经仿真和计算结果如图1、图2。

从图1、2可知，在故障发生的波头阶段区内和区外拥有与单纯利用电压变化率最大值更大的区分度。因此利用固定时间窗内的电压变化率特征即故障发生后的数个采样点可能可以更好区内区外故障。

而当对极故障和雷击故障时，电压变化情况如图3和图4。

由图3和图4可知，如非本极发生永久性故障，本极电压并不会表现为持续的下降，而本极发生故障，电压的回升并不明显。因此利用电压下降时间可以判断是否发生永久故障。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、灵敏度更高：实际应用的行波保护利用故障发生后电压变化率最大值区分区内区外故障，而本方法利用故障后五个采样点的电压变化率进行计算，区内故障时这五个点包含电压变化率的最大值，而区外故障时则电压变化率并不包含电压变化率最大值。因此和实际应用的行波保护相比耐受过渡点能力更大，灵敏度更高。

2、时间窗固定，动作迅速。在电压变化量保护判据启动后，在时间段t₁内，是否存在T≥Δ_T，而t₁达到毫秒级，因此本方法可以在几毫秒内即可确定保护动作或不动作。

3、没有增加换流站通讯，没有增加特殊的电气的测量且要求的采样频率和现有行波保护相同，因此易于工程实现。

附图说明

图1为电磁暂态仿真区内和区外故障电压变化率结果图；

图2为数值计算区内和区外故障电压变化率结果图；

图3为发生对极线路故障与本极线路故障线路电压、电流变化图；

图4为雷击时闪络和无闪络时电压变化图；

图5为本发明所述的一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图5，一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，包含以下顺序的步骤：

1)继电保护装置上电；

2)赋值给行波保护定值Δ_initial、Δ_u、Δ_T、Δ_i、Δ_du/dt，其中Δ_initial为线路中点高阻接地时电压变化率的保护定值；所述线路中点为输电线路距两端距离相等的中间点，Δ_u为开始计算电压下降时间的起始和结束电压阀值，Δ_u＝0.8；Δ_T为电压下降时间判据的保护定值；Δ_i电流平均值判据的保护定值，Δ_i＝1.05；Δ_du/dt为电压变化率保护判据的定值；

所述的Δ_du/dt大于区外故障时du/dt_AVG的最大值du/dt_{AVG_区外MAX}：

Δ_du/dt＝k_rel·du/dt_{AVG_区外MAX}

其中，k_rel为可靠系数，大于1；

所述的Δ_T大于区外故障和无闪络雷击时T的最大值T_max：

Δ_T＝l_rel·T_max

其中，l_rel为可靠系数，大于1；

3)测量本极线路电压u、电流i，并计算电压变化率du/dt；

4)判断是否满足du/dt＞Δ_initial:若满足则进入步骤5)，若不满足则重复进行步骤4)；同时若保护存在动作延时为t₂的后备保护，则在保护启动后的t₂时间内，则不进入步骤5)；其中du/dt＞Δ_initial为启动判据；

5)计算电压变化率计算值du/dt_AVG、电流变化量平均值i_AVG以及满足u＜Δ_u的持续时间T；所述的电压变化率计算值du/dt_AVG的计算方式如下：

${\frac{du}{dt}}_{AVG}=A\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n\right)+B\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+1)+C\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+2)+D\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+3)+E\&CenterDot;\frac{du}{dt}(n+4)$

其中，n表示为满足步骤4)的第一个采样点的位置，A、B、C、D、E均为定常数；

所述的电流变化量平均值i_AVG表示为在满足步骤4)的条件下第一个采样点为起点的十个采样点的电压变化率平均值，计算式如下：

$i_{AVG}=\frac{\frac{du}{dt}\left(n\right)+\frac{du}{dt}(n+1)+...+\frac{du}{dt}(n+8)+\frac{du}{dt}(n+9)}{10};$

6)判断点是否满足i_AVG＞Δ_i；判断点是否满足du/dt_AVG＞Δ_du/dt；在du/dt＞Δ_initial满足后，在时间段t₁内，是否存在T≥Δ_T：若三个条件均满足，则保护启动；否则，返回步骤4)；其中t₁为5～10ms。

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。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。

保护整定结果如下：

1.Δ_STA选取为取线路中点1500ohm接地故障时的电压变化率：Δ_STA＝0.02。

2.定值Δ_du/dt需大于区外故障时du/dt_AVG最大值：

Δ_du/dt＝k_rel·du/dt_{AVG_区外MAX}＝1.2·0.11＝0.132

其中，靠系数k_rel＝1.2，大于1；du/dt_{AVG_区外MAX}在逆变侧阀出口和平波电抗器之间发生金属性接地情况下出现。

3.Δ_i＝1.05

4.Δ_u＝0.8

5.定值Δ_T需大于区外故障和无闪络雷击时7ms内持续u＜Δ_u时间的最大值：

Δ_T＝k_rel·T_max＝1.2·2＝2.4

其中，T_max由仿真确定。

分别在线路整流侧始端、线路距逆变侧末端、线路中点设置接地和雷击故障，在区外平波电抗和阀出口连接处设置接地故障，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。

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 (4)

1.一种具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，其特征在于：包含以下顺序的步骤：

1)继电保护装置上电；

2)赋值给行波保护定值Δ_initial、Δ_u、Δ_T、Δ_i、Δ_du/dt，其中Δ_initial为线路中点高阻接地时电压变化率的保护定值，所述线路中点为输电线路距两端距离相等的中间点，Δ_u为开始计算电压下降时间的起始和结束电压阀值，Δ_T为电压下降时间判据的保护定值，Δ_i电流平均值判据的保护定值，Δ_du/dt为电压变化率保护判据的定值；

3)测量本极线路电压u、电流i，并计算电压变化率du/dt；

4)判断是否满足du/dt>Δ_initial:若满足则进入步骤5)，若不满足则重复进行步骤4)；

5)计算电压变化率计算值du/dt_AVG、电流变化量平均值i_AVG以及满足u<Δ_u的持续时间T；

所述的电压变化率计算值du/dt_AVG的计算方式如下：

${\frac{du}{dt}}_{AVG}=A\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n\right)+B\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n+1\right)+C\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n+2\right)+D\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n+3\right)+E\&CenterDot;\frac{du}{dt}\left(n+4\right)$

其中，n表示为满足步骤4)的第一个采样点的位置，A、B、C、D、E均为定常数；

所述的电流变化量平均值i_AVG表示为在满足步骤4)的条件下第一个采样点为起点的十个采样点的电压变化率平均值，计算式如下：

$i_{AVG}=\frac{\frac{du}{dt}\left(n\right)+\frac{du}{dt}(n+1)+...+\frac{du}{dt}(n+8)+\frac{du}{dt}(n+9)}{10};$

6)判断点是否满足i_AVG>Δ_i；判断点是否满足du/dt_AVG>Δ_du/dt；在du/dt>Δ_initial满足后，在时间段t₁内，是否存在T≥Δ_T：若三个条件均满足，则保护启动；否则，返回步骤4)。

2.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，其特征在于：所述的步骤4)，若保护存在动作延时为t₂的后备保护，则在保护启动后的t₂时间内，不进入步骤5)。

3.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，其特征在于：步骤6)中，所述的t₁为5～10ms。

4.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的高压直流输电线路行波保护方法，其特征在于：步骤2)中，所述的Δ_du/dt大于区外故障时du/dt_AVG的最大值du/dt_{AVG_区外MAX}：

Δ_du/dt＝k_rel·du/dt_{AVG_区外MAX}

其中，k_rel为可靠系数，大于1；

所述的Δ_T大于区外故障和无闪络雷击时T的最大值T_max：

Δ_T＝l_rel·T_max

其中，l_rel为可靠系数，大于1。