CN104377667B - 基于边界能量的高压直流线路纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统继电保护的利用边界能量的高压直流输电线路纵联保护方法，在高压直流输电线路两端平波电抗器线路侧的位置采集分压器分流器电气量信号；并利用滤波器对分压器分流器电气量信号进行滤波获得低频电气量；然后依次计算保护安装处特定频段暂态能量，整流侧暂态能量因子和逆变侧暂态能量因子，判断具体为区内或者区外故障。本发明暂态能量所选取的频段极间耦合系数很小，对于同杆并架的双极线路，通过比较故障极和健全极线路上特定频段暂态能量的大小，即可准确选极。本发明对采样率要求低、反应灵敏、可靠性高且两端不需要数据同步，可以快速准确的实现区内外故障判别。

Description

基于边界能量的高压直流线路纵联保护方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护技术领域的方法，具体涉及一种利用边界能量的高压直流输电线路纵联保护方法。

背景技术

与交流输电技术相比，高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优势，而被广泛应用于远距离电能传输、异步联网领域、海岛供电等领域，并且在西电东送和全国联网工程中起到了重要的作用。我国幅员辽阔、能源中心与负荷中心呈逆向分布，给高压直流输电技术提供了广阔的应用前景。自舟山直流输电项目后，我国建设了葛南超高压直流输电工程，复奉特高压直流输电工程，以及灵宝背靠背联网工程。目前，已投运直流输电工程占世界直流输电容量的20％以上，我国已经成为直流输电工程大国。

直流输电线路工作环境恶劣，跨越地区的环境复杂，发生故障的概率大。实际运行数据显示，线路故障约占直流输电系统故障的50％，而线路保护正确动作切除故障的只占50％，大量直流线路故障是由直流控制系统响应动作，造成直流闭锁，引起不必要的直流停运，给整个电网运行带来负面影响。

直流输电线路通常以行波保护作为主保护，后备保护配置微分欠压保护和电流差动保护。行波保护存在着对采样率要求高、理论不严密、缺乏整定依据及可靠性差等问题。微分欠压保护在行波保护退出运行或者由于电压变化率上升沿宽度不足时可以起到后备保护作用，但是对高阻接地故障灵敏度低。差动保护作为检测高阻故障的后备保护，为躲避交流故障及各种干扰，延时较长，无法起到后备保护的作用。因此，提高直流输电线路继电保护的可靠性对保证电力系统的安全具有重要意义。

目前的保护方案很多都利用故障信号的高频分量进行研究，经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献号CN102654552A，公开(公告)日2012.09.05，公开了一种特高压直流输电线路双端暂态电压保护方法。采用的技术方案是：首先，利用整流侧和逆变侧的保护装置，计算并比较整流侧和逆变侧检测到的暂态电压高频分量的暂态能量，从而判断故障是靠近整流侧还是靠近逆变侧。然后，根据故障靠近的位置，利用对侧的保护装置区分直流输电线路区内故障与区外故障。但是高频分量本身含量低且易受雷电干扰的影响。

中国专利文献号CN103529332A公开(公告)日2014.01.22，公开了一种基于电压相关度和小波变换暂态能量分布特性的特高压直流输电线路雷击干扰识别方法，当特高压直流输电线路电压发生波动时，监测初始5ms的正负极电压；计算各极电压与各自轴线电压的相关度，根据相关度大小识别雷击干扰；若为故障，转入故障分类的识别；计算线模电压的附加分量，利用db3小波对附加分量进行7尺度分解；求出高频与中低频能量的比值，区分故障类别，进行故障保护。虽然该技术可以识别雷电干扰，但是对实际装置采样率要求比较高，不易于工程实现。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种利用边界能量的高压直流输电线路纵联保护方法，本发明采用高压直流输电线路两端的特定频段边界能量实现区内外故障判别，对采样率要求低、反应灵敏、可靠性高且两端不需要数据同步，可以快速准确的实现区内外故障判别。

本发明通过以下技术方案实现，本发明包括以下步骤：

步骤一，在高压直流输电线路两端平波电抗器线路侧的位置采集分压器分流器电气量信号。

步骤二，利用滤波器对分压器分流器电气量信号进行滤波，以获得低频电气量。

所述滤波器为切比雪夫滤波器，该滤波器具有10阶传递函数，带通通带波纹为0.1dB，下限截止频率为50Hz，上限截止频率为500Hz。

所述的低频是指50-500Hz。

步骤三，计算保护安装处频段暂态能量，当暂态能量值大于阈值E_set时执行步骤四，否则回到步骤一。

所述的暂态能量E_(ac)通过以下方式计算得到：

其中：T取10ms，U_(ac)和I_(ac)分别为低频段电压和电流量的有效值。

步骤四，计算整流侧暂态能量因子和逆变侧暂态能量因子，并当两者均大于阈值时，判定为区内故障并执行步骤五；否则，判定为区外故障。

所述的整流侧暂态能量因子其中:E_a为位于整流端平波电抗器阀侧的暂态能量值，E_m为整流端平波电抗器线路侧，即整流端保护安装处的暂态能量值。

所述的逆变侧暂态能量因子为，其中:E_b为位于逆变端平波电抗器阀侧的暂态能量值，E_n为位于逆变端平波电抗器线路侧，即逆变端保护安装处的暂态能量值。

所述的整流侧暂态能量因子阈值和逆变侧暂态能量因子阈值均为：1.2。

步骤五，根据正极和负极保护安装处暂态能量值之比的大小，判断具体为正、负或双极故障，具体为：当暂态能量值之比大于整定上限时，判定为正极故障；比值小于整定下限时，判定为负极故障；比值位于整定上下限之间时，判定为双极故障。

所述的整定上限为1～6.25，整定下限为：且两者不相等。

本发明选取低频的原因在于:

1)非故障运行状态下，从直流侧端口看换流器为12k次(k为自然数)谐波电压源，使得电压电流交流分量存在600Hz、1200Hz、1800Hz及其他高频分量，影响故障判别。

2)同杆并架的双极直流线路间存在耦合，频率在[500，2000]Hz时，耦合系数最大。利用[500，2000]Hz的频率电量有可能影响故障选极。

3)直流输电系统发生故障时，故障高频分量相对含量很低。其次，高频分量对装置采样率要求高，实际工程中可能无法满足相应的采样频率。

技术效果

与实际运行的保护方案相比，本发明以高压直流输电系统及线路特点为基础，提出基于平波电抗器两侧特定频段暂态能量比值的保护方案。在整流侧和逆变侧分别利用平波电抗器两侧特定频段暂态能量的大小关系实现保护功能，通过分析换流器的谐波电压源特性和双极直流线路间的耦合关系，进而完成了暂态能量的频段选取。基于边界能量的高压直流输电线路纵联保护方法所选取频段对采样率要求低，易于硬件实现；方案可靠性高且两端不需要数据同步，可以快速准确的实现区内外故障判别。本发明所提出的保护方案对于实际高压直流输电工程线路保护具有重要的参考价值。

附图说明

图1是双极高压直流输电系统简图；

图2是整流端滤波环节及两侧分压器分流器位置示意图；

图3是本发明流程示意图；

图4是直流输电线路中点，发生金属性短路时的仿真图(区内故障)；

图5是整流侧平波电抗器阀侧，发生金属性短路时仿真图(区外故障)；

图中：1为换流变压器、2为换流站内的换流器、3为直流输电线路两端的直流滤波器组、4为换流站的接地极阴线及接地极、5为直流输电线路、6为直流输电线路两端的平波电抗器、a点位于整流端平波电抗器阀侧、b点位于逆变端平波电抗器阀侧、m点位于整流端平波电抗器线路侧，即整流端保护安装处、n点位于逆变端平波电抗器线路侧，即逆变端保护安装处。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的应用范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，为本实施例中±500kV两端直流输电系统简图以及整流端滤波环节及两侧分压器分流器位置示意图，图2中的直流滤波器组和平波电抗器(相当于图1中的3和6)构成了直流输电系统的滤波环节。实际中，a、b、m和n点均安装有分压器分流器，可以获得实时的电压电流信号。

如图3所示，本实施例操作步骤如下：

步骤一，在线路两端的保护安装位置，即m、n点的位置，提取分压器分流器的电压电流信号。

所述的分压器可以获得相关位置的对地 地压；所述的分流器可以获得相关位置电流值。

步骤二，利用切比雪夫滤波器对步骤一中的相关电气量进行滤波，提取50-500Hz频段电气量。

所述的切比雪夫滤波器在过渡带的衰减很快。而且与理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，能够有效提取特定频段电量。

步骤三，利用上述所提取的特定频段电压电流和公式计算保护安装处特定频段暂态能量值，当计算值明显增大时，保护启动。

所述的明显增大在实际工程中是指暂态能量值大于阈值E_set。

步骤四，计算整流侧暂态能量因子P和逆变侧暂态能量因子Q，当P、Q数值均大于整定值时，判定为区内故障；否则，判定为区外故障。

所述的整定值为1.2，整定依据如下：区内故障时，线路任意一侧平波电抗器阀侧特定频段暂态能量值都小于该侧保护安装处的值，即P>1且Q>1；区外故障时相反，P<1或者Q<1。考虑一定的可靠系数，选取的可靠系数为1.2。即区内故障时：P>1.2且Q>1.2；区外故障时:P<1.2或者Q<1.2。

步骤五，如果判定为区内故障，计算正负极保护安装处暂态能量的比值。比值大于高整定值时，判定为正极故障；比值小于低整定值时，判定为负极故障；比值大于低整定值且小于高整定值时，判定为双极故障。

所述的高整定值根据线路实际工程需要可以设置1～6.25，低整定值为高整定值的倒数，高整定值的整定依据如下：故障发生后，健全极线路上保护安装处检测到的暂态信号强度明显弱于故障极上信号的强度，因此高整定值大于1；张保会等在《高压直流线路单端暂态量保护研究》(《电力系统保护与控制》2010年15期)中的研究表明，本文选取的特定频段极间耦合系数小于0.4，，即单端故障极和健全极保护安装处暂态能量比值大于2.5，考虑到双端选极，比值最大为2.5²＝6.25。

高压直流输电送电距离远，跨越地区的环境复杂，故障信号经长线衰减后特征可能并不明显，采用双端电气量进行选极，选极结果将更加精确。

对实施例中不同的故障类型进行了仿真验证，如图4和图5。其中，图4是直流输电线路中点，发生金属性短路时的仿真图(区内故障)，线路中点故障发生后，线路两侧暂态能量增大，保护启动，在故障发生后10ms内，整流侧和逆变侧所测得的暂态能量因子P、Q均大于整定值，保护判定为区内故障；图5是整流侧平波电抗器阀侧，发生金属性短路时仿真图(区外故障)，在故障发生后10ms内，仅根据P<1.2，不考虑Q大小，保护根据单端故障信息快速识别出区外故障。

以上结果表明，本发明仿真结果与理论分析一致，在各种暂态情况下均具有一定的安全裕度，区内故障时动作快速可靠，灵敏度高；区外故障时不会误动。另外，本发明所选取的特定频带远远低于雷电信号频率，因此不受雷电干扰的影响。

Claims (1)

1.一种利用边界能量的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在高压直流输电线路两端平波电抗器线路侧的位置采集分压器分流器电气量信号；

步骤二，利用滤波器对分压器分流器电气量信号进行滤波，以获得低频电气量；

步骤三，计算保护安装处频段暂态能量，当暂态能量值大于阈值时执行步骤四，否则回到步骤一；

步骤四，计算整流侧暂态能量因子和逆变侧暂态能量因子，并当两者均大于阈值时，判定为区内故障并执行步骤五；否则，判定为区外故障；

步骤五，根据正极和负极保护安装处暂态能量值之比的大小，判断具体为正、负或双极故障，具体为：当暂态能量值之比大于整定上限时，判定为正极故障；比值小于整定下限时，判定为负极故障；比值位于整定上下限之间时，判定为双极故障；

所述的低频是指50-500Hz；

所述的暂态能量E_(ac)通过以下方式计算得到：其中：T取10ms，U_(ac)和I_(ac)分别为低频段电压和电流量的有效值；

所述的整流侧暂态能量因子其中:E_a为位于整流端平波电抗器阀侧的暂态能量值，E_m为整流端平波电抗器线路侧，即整流端保护安装处的暂态能量值；

所述的逆变侧暂态能量因子为，其中:E_b为位于逆变端平波电抗器阀侧的暂态能量值，E_n为位于逆变端平波电抗器线路侧，即逆变端保护安装处的暂态能量值；

所述的整定上限为1～6.25，整定下限为：且两者不相等。