CN103891077A - 高压传输线的基于行波的故障保护 - Google Patents

高压传输线的基于行波的故障保护 Download PDF

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Abstract

提供一种在高压直流(HVDC)输电线(101)中的改进故障检测方法。故障检测基于故障感应行波。该方法包括估计故障位置(107)处的故障感应行波的幅度，并且基于传输线的所估计幅度、故障位置处的所估计故障前电压和浪涌阻抗来计算故障电阻(Rf)。所估计故障幅度和所估计故障前电压从在传输线两端(102、103)所执行的电压测量来计算。此外，提供一种故障检测装置(106)。

Description

高压传输线的基于行波的故障保护
技术领域
一般来说，本发明涉及高压输电，以及更具体来说，涉及基于行波的高压直流(HVDC)传输线的故障保护。
背景技术
在HVDC传输中，可使用不同类型的保护机制，以便检测对宽阻抗范围的故障。例如，主要保护功能可用于覆盖具有低阻抗范围、即一直到20欧姆中的阻抗的传输线故障。另一方面，线路差分保护功能通常提供较高灵敏度，从而允许覆盖具有高达400欧姆的阻抗的故障。
由于HVDC传输线的已知故障保护技术具有有限灵敏度，并且因此只能够检测有限阻抗范围之内的故障，所以适合于高阻抗故障的故障保护机制是合乎需要的。
发明内容
本发明的一个目的是提供对上述技术和现有技术的更有效的备选方案。
更具体来说，本发明的一个目的是提供一种用于高压传输线、具体来说是HVDC传输线的改进故障检测。本发明的另一目的是提供高阻抗故障的改进检测。
通过具有如独立权利要求1所述特征的故障检测方法以及通过如独立权利要求6所述的故障检测装置来实现本发明的这些及其它目的。本发明的实施例的特征在于从属权利要求。
按照本发明的第一方面，提供一种高压输电线中的故障检测方法。该方法包括估计故障感应行波的电压幅度V f，并且计算故障电阻R f。估计故障位置处的故障感应行波的幅度。故障电阻基于传输线的所估计幅度、所估计故障前电压V 0和浪涌阻抗（surge impedance）Z 0来计算。估计故障位置处的故障前电压。
按照本发明的第二方面，提供一种故障检测装置。该故障检测装置包括估计部件和计算部件。估计部件设置用于估计故障感应行波的电压幅度V f。估计故障位置处的故障感应行波的幅度。计算部件设置用于计算故障电阻R f。故障电阻基于传输线的所估计幅度、所估计故障前电压V 0和浪涌阻抗Z 0来计算。估计故障位置处的故障前电压。
本发明利用如下理解：高压输电线中的高阻抗故障可通过由这类故障引起的行波来检测。为此，传输线上发生的故障引起行波，其传播到传输线的末端。故障位置处的故障感应行波的幅度通过                                               
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE002
与故障电阻相关(参见例如A.Wright和C.Christopoulos的Electrical power system protection（电力系统保护）(Chapman & Hall，1993))。通过测量传输线两端的电压的故障感应变化，可得到故障位置处的行波的原始幅度的估计。随后，故障的阻抗可基于所估计行波幅度来计算。这是有利的，因为能够在无需访问故障位置(其可以是沿传输线随机散布的)的情况下检测高阻抗故障。
按照本发明的一个实施例，故障电阻R f计算为
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE004
。计算故障电阻是有利的，因为关于故障性质的结论可从所计算故障电阻来获得。
按照本发明的一个实施例，故障位置处的故障前电压V 0通过测量第一故障前电压
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE006
和第二故障前电压
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE008
来估计。此外，故障位置处的故障感应行波的幅度V f通过测量第一故障感应电压变化和第二故障感应电压变化
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE012
来估计。在传输线的第一端测量第一故障前电压和第一故障感应电压变化。在传输线的第二端测量第二故障前电压和第二故障感应电压变化。估计故障前电压计算为
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE014
。故障感应行波的所估计幅度计算为
Figure 2011800745767100002DEST_PATH_IMAGE016
。通过在传输线两端所执行的测量来估计故障位置处的行波的幅度和故障前电压是有利的，因为可在无需在故障位置执行测量的情况下得到两个值的估计。这是特别重要的，因为故障可在沿传输线的任何位置发生。使用来自传输线两端的测量值而不是使用来自任一端的测量值产生对故障电阻的更好估计。
按照本发明的一个实施例，该方法还包括将所计算故障电阻与阈值进行比较，以及如果所计算故障电阻超过阈值，则判定高阻抗故障已经发生。通过将所计算故障电阻与一个或数个阈值进行比较，故障可按照不同故障类型、例如高阻抗故障来分类。
按照本发明的一个实施例，该方法还包括发起保护措施。保护措施响应判定高阻抗故障已经发生而发起。这是有利的，因为保护措施可根据故障性质来发起。例如，本发明的一个实施例可用来仅对高阻抗故障发起保护措施，例如使断路器跳闸。
虽然在一些情况下参照按照本发明的第一方面的方法的实施例描述了本发明的优点，但是对应的推论适用于按照本发明的第二方面的装置的实施例。
通过阅读以下详细公开、附图和所附权利要求，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见。本领域的技术人员知道，本发明的不同特征能够相结合以创建除了以下所述之外的实施例。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的实施例的说明性而非限制性的详细描述，将会更好地了解本发明的上述以及其它目的、特征和优点，附图包括：
图1示出按照本发明的一个实施例的HVDC传输线；
图2示出按照本发明的一个实施例的故障检测装置。
所有附图都是示意的，而不一定按比例绘制，并且一般仅示出必要的部分，以便阐明本发明，其中可省略或者只是暗示其它部分。
具体实施方式
参照图1，示出本发明的一个实施例。
图1示出用于在传输线101的两端102与103之间传送电力的高压传输线101、例如HVDC传输线。传输线末端102和103分别提供有电压传感器104、105，以用于测量传输线101的任一端102、103的电压。电压传感器104和105连接到故障检测装置106，其设置用于检测传输线101上的故障。
在传输线101上的故障的情况下，在故障位置107引起行波。行波沿传输线101在两个方向传播。故障检测装置106设置用于在行波到达传输电线101的末端102和103时检测电压的变化。为此，电压传感器104设置用于检测传输线101的第一端102的电压的变化
Figure 878016DEST_PATH_IMAGE010
，以及电压传感器105设置用于检测传输线101的第二端103的电压的变化
Figure 76916DEST_PATH_IMAGE012
。电压传感器104和105还设置用于测量末端102和103的故障前电压
Figure 808112DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 801476DEST_PATH_IMAGE008
，即，在没有故障的正常操作下的电压。
故障检测装置106还设置用于响应检测到行波到达传输线101的末端102和103而计算故障107的电阻R f。这通过以下来执行：计算故障感应行波幅度V f的估计，并且随后基于所估计行波幅度V f、故障前电压V 0的估计以及传输线101的浪涌阻抗Z 0来计算故障电阻R f。
更具体来说，故障位置处的故障前电压V 0的估计计算为，即，计算为分别在末端102和103所测量的故障前电压
Figure 607331DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 193033DEST_PATH_IMAGE008
的平均数。对应地，行波电压幅度V f的估计计算为，即，计算为分别在末端102和103所测量的故障感应电压变化
Figure 677552DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 952676DEST_PATH_IMAGE012
的平均数。最后，故障电阻R f计算为
Figure 658464DEST_PATH_IMAGE004
。
故障检测装置106还可设置用于将所计算故障电阻与阈值进行比较，以用于将故障分类的目的或者用于判定是否发起保护措施。例如，故障检测装置106可设置用于仅在所计算故障电阻超过某个阈值时才发起保护措施，例如向位于传输线101的任一端的断路器发送跳闸信号108。这样，保护措施仅在检测到高阻抗故障时才发起。
图2中，示出故障检测装置、例如参照图1所述的故障检测装置106的一个实施例。
故障检测装置200包括：第一部分201，用于测量传输线的第一端处的电压；第二部件202，用于测量传输线的第二端处的电压；估计部件203；计算部件204；以及比较部件205。第一电压测量部件201和第二电压测量部件202例如可设置用于使用电压传感器211和212，例如参照图1所述的电压传感器104和105。如参照图1所述，估计部件203设置用于基于由第一电压测量部件201和第二电压测量部件202所执行的电压测量来估计故障前电压V 0以及故障感应行波的幅度V f。计算部件204设置用于基于传输线101的所估计故障前电压V 0、所估计行波幅度V f以及浪涌阻抗Z 0来计算故障电阻R f，如上文所述。比较部件205设置用于将所计算故障电阻R f与阈值进行比较，并且在所计算故障电阻R f超过阈值时向位于传输线101的任一端的断路器发送跳闸信号213。备选地，故障检测装置200可设置用于向外部故障保护系统发送故障指示信号213。作为另一备选方案，故障检测装置200的实施例可设置在传输线101的任一端，其中具有用于将其相应测量结果传递给位于传输线101的另一端的故障检测装置的部件。这样，各故障检测装置可设置用于基于其自己的测量以及从位于另一端的故障检测装置所接收的测量结果来评估故障的发生，并且用于响应检测到故障而使本地断路器跳闸。
本领域的技术人员将会理解，估计部件203、计算部件204和比较部件205可通过电子组件、集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(PFGA)和/或复杂可编程逻辑装置(CPLD)或者它们的任何组合来实现。还将会理解，对应的功能性至少部分能够由处理部件、例如运行适当软件的处理器来替代。
本领域的技术人员知道，本发明绝不是局限于上述实施例。相反，在所附权利要求的范围之内，许多修改和变更是可能的。例如，本发明并不局限于HVDC传输线中的故障检测，而是可易于设想提供高压交流(AC)传输线中的故障检测的本发明的实施例。此外，本发明的一个实施例可与现有故障保护系统相集成。
总之，提供一种在HVDC传输线中的改进故障检测方法。故障检测基于故障感应行波。该方法包括估计故障位置处的故障感应行波的幅度，并且基于传输线的所估计幅度、故障位置处的所估计故障前电压和浪涌阻抗来计算故障电阻。所估计故障幅度和所估计故障前电压从在传输线两端所执行的电压测量来计算。此外，提供一种故障检测装置。

Claims (10)

1. 一种高压输电线中的故障检测方法，所述方法包括：
估计故障位置处的故障感应行波的电压幅度V f，以及
基于所述传输线的所述估计的幅度V f、所述故障位置处的所估计故障前电压V 0和浪涌阻抗Z 0来计算故障电阻R f。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述故障电阻R f计算为                                               
Figure 2011800745767100001DEST_PATH_IMAGE002
。
3. 如权利要求1或2中的任一项所述的方法，其中，所述故障位置处的所述故障前电压V 0通过以下来估计：
测量所述传输线的第一端处的第一故障前电压
Figure 2011800745767100001DEST_PATH_IMAGE004
；
测量所述传输线的第二端处的第二故障前电压；以及
将所述估计的故障前电压计算为，
以及其中所述故障位置处的所述故障感应行波的幅度V f通过以下来估计：
测量所述传输线的第一端处的第一故障感应电压变化
Figure 2011800745767100001DEST_PATH_IMAGE010
；
测量所述传输线的第二端处的第二故障感应电压变化
Figure 2011800745767100001DEST_PATH_IMAGE012
；以及
将所述故障感应行波的所述估计的幅度计算为。
4. 如权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括：
将所述计算的故障电阻与阈值进行比较，以及
如果所述计算的故障电阻超过所述阈值，则判定高阻抗故障已经发生。
5. 如权利要求4所述的方法，还包括：
响应判定高阻抗故障已经发生而发起保护措施。
6. 一种故障检测装置，包括：
估计部件，设置用于估计故障位置处的故障感应行波的电压幅度V f，以及
计算部件，设置用于基于所述传输线的所述估计的幅度V f、所述故障位置处的所估计故障前电压V 0和浪涌阻抗Z 0来计算故障电阻R f。
7. 如权利要求6所述的装置，其中，所述计算部件设置用于将所述故障电阻R f计算为
Figure 293163DEST_PATH_IMAGE002
。
8. 如权利要求6或7中的任一项所述的装置，还包括：
第一测量部件，设置用于在所述传输线的第一端测量第一故障前电压
Figure 210304DEST_PATH_IMAGE004
和第一故障感应电压变化
Figure 301626DEST_PATH_IMAGE010
；以及
第二测量部件，设置用于在所述传输线的第二端测量第二故障前电压
Figure 696835DEST_PATH_IMAGE006
和第二故障感应电压变化
Figure 573524DEST_PATH_IMAGE012
，
以及其中所述估计部件设置用于：
将所述估计的故障前电压计算为
Figure 2011800745767100001DEST_PATH_IMAGE016
；以及
将所述故障感应行波的所述估计的幅度计算为。
9. 如权利要求6至8中的任一项所述的装置，还包括比较部件，其设置用于：
将所述计算的故障电阻与阈值进行比较，以及
如果所述计算的故障电阻超过所述阈值，则判定高阻抗故障已经发生。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所述比较部件如果还设置用于：
响应判定高阻抗故障已经发生而发起保护措施。
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