CN105044555B - 一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，包括：步骤一，从整流侧本极直流输电线路电气量测量装置中获得电气量信号；步骤二，根据步骤一获得的电气量信号计算本极线路突变电气量，本极线路突变电气量大于故障选极起动门槛值时，执行步骤三；步骤三，利用步骤一中获得的电气量信号，通过低通数字滤波器，获得本极直流输电线路低频电气量；步骤四，比较本极低频电气量与设定的故障选极门槛值的大小，当本极低频电气量大于设定的故障选极门槛值时，判定本极为输电线路故障极。本发明仅利用高压直流输电线路本极电气量实现故障极的判别，对采样频率要求不高，算法简单，灵敏度高，在工程上易于实现。

Description

一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法

【技术领域】

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种仅利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法。

【背景技术】

高压直流输电系统以其传输功率大，线路造价低，控制性能好等优点，在远距离、大功率输电中占有越来越重要的地位，世界发达国家都把它作为大容量、远距离送电和异步联网的主要手段，在我国也因“西电东送，南北互供，全国联网”而成为电力建设的热点。自1989年葛洲坝至上海采用直流输电以来，我国直流输电工程数量在世界上已名列前茅。由于高压直流输电系统的输送距离远，输电容量大，故障后暂态谐波含量丰富，使得输电线路极间电磁耦合作用显著，当高压输电线路单极非正常运行(单极重启或单极接地故障)时，会在健全极线路中产生感应电压、电流，会造成健全极线路保护误动作，从而导致单极故障双极停运，危害整个电网的安全稳定运行。云广直流输电工程2010及2011年的两次双极相继闭锁事故的起因均是一极线路故障引起了另一极电流、电压的波动，从而使得健全极保护动作，并最终导致双极相继闭锁。

现有对直流输电线路电磁耦合影响的研究多集中于交直流并架线路的偏磁影响研究，以及基于数字仿真的直流输电线路互感耦合影响研究。其中，文献[同杆并架±500kV直流系统间相互影响的实时仿真分析，张民等]利用RTDS实时仿真软件，仿真分析了同杆双回直流输电线路间的相互影响，以及同杆并架技术在直流输电中应用的可能性。文献[同塔架设直流线路的相互影响研究，李新年等]基于直流系统调试现场数据及数字仿真数据，对同塔双回直流输电线路间相互影响程度进行了分析研究。文献[±800kV直流线路故障过程中电磁耦合特性与保护研究，周全等]利用EMTP仿真软件，对特高压直流双极输电线路间电磁耦合特性及其影响因素进行了仿真分析，并提出了利用双极电压比值的保护方案。文献[基于电压突变量的同塔双回直流输电线路故障选线方法，王海军等]基于四线系统解耦理论，提出了一种利用电压突变量的双回直流输电线路故障选线方法。文献[±800kV特高压直流线路故障选极的极波面积比值法，束洪春等]通过对特高压双极系统故障特征分析，提出了一种利用正负极线极波波形面积比值的故障选极方法。但上述研究所提出的保护方案都同时需要另一极或另一回线的采样信息，继电保护方案动作逻辑复杂；所提出方案对于本线/极轻微故障及另一回线/极严重故障的区分度不足，而使得继电保护方案存在灵敏度及可靠性不足的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其具有高灵敏度高及可靠性，以解决现有技术存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，高压直流输电系统包括直流输电线路及其两端的换流站，直流输电线路包括正极、负极输电线路；所述利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法具体包括：

步骤一，从整流侧本极直流输电线路电气量测量装置中获得电气量信号；

步骤二，根据步骤一获得的电气量信号计算本极线路突变电气量，本极线路突变电气量大于故障选极起动门槛值时，执行步骤三；

步骤三，利用步骤一中获得的电气量信号，通过低通数字滤波器，获得本极直流输电线路低频电气量；

步骤四，比较本极低频电气量与设定的故障选极门槛值的大小，当本极低频电气量大于设定的故障选极门槛值时，判定本极为输电线路故障极。

本发明进一步的改进在于：正、负极直流输电线路均装设有电气量测量装置；所述电气量测量装置为分流器及分压器。

本发明进一步的改进在于：步骤二中的故障选极起动门槛值由输电线路参数及正常运行时额定电气量决定；步骤四中的故障选极门槛值由输电线路参数及正常运行时额定电气量决定。

本发明进一步的改进在于：步骤二中的故障选极起动门槛值为I_{set_s}＝0.10*I_e或U_{set_s}＝0.10*U_e；其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

本发明进一步的改进在于：步骤四中的故障选极门槛值为I_set＝0.15*I_e或U_set＝0.25*U_e；其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

本发明进一步的改进在于：所设定的故障选极门槛值小于发生输电线路单极最轻微故障时，由步骤三计算的故障极线路低频电气量，并且大于输电线路单极最严重故障时，由步骤三计算的健全极线路低频电气量。

本发明进一步的改进在于：步骤二、三、四中的电气量信号为电流信号或电压信号；步骤二中的突变电气量利用故障电气量减去故障前电气量得到；步骤三中的低频电气量利用采样的电气量通过低通数字滤波器滤波得到。

本发明进一步的改进在于：其中步骤二按照以下方法进行：根据公式(4)或公式(5)计算突变电气量，当突变电气量大于故障选极起动门槛值时判定起动故障极判别元件；

公式(4)、(5)左边分别为直流输电线路突变量电流、电压，公式(4)、(5)右边分别为故障选极起动元件电流、电压门槛值；

Δi_φ(k)>I_{set_s} (4)

Δu_φ(k)>U_{set_s} (5)

其中：φ＝p,n，分别表示正极电流、负极电流；k＝1，2，…，N为采样点，突变量电流Δi_φ(k)＝i_φ(k)-I_φ，i_φ(k)为直流输电线路电流采样值，I_φ为直流输电系统正常运行时电流量；突变量电压Δu_φ(k)＝u_φ(k)-U_φ，u_φ(k)为直流输电线路电压采样值，U_φ为直流输电系统正常运行时的电压量；起动门槛值I_{set_s}＝0.10*I_e，U_{set_s}＝0.10*U_e，其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

本发明进一步的改进在于：其中步骤三、四按照以下方法进行：根据公式(6)或公式(7)计算低频电气量，当低频电气量大于故障选极门槛值时判定为故障极，公式(6)、(7)左边分别为直流输电线路低频电流、电压，公式(6)、(7)右边分别为故障选极元件电流、电压门槛值；

I_{L_φ}(k)>I_set (6)

U_{L_φ}(k)>U_set (7)

其中：φ＝p,n，分别表示正极电流、负极电流；k＝1，2，…，N为采样点，I_{L_φ}(k)、U_{L_φ}(k)为直流线路采样电流、电压信号通过低通数字滤波器滤波得到的低频电流、电压，其中低通数字滤波器截止频率为300Hz；故障选极门槛值I_set＝0.15*I_e，U_set＝0.25*U_e。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本方法采用本极电气量作为判据的原始信息，仅需单极测量得电气量即可实现直流输电线路故障极的判别，不受直流输电线路极间电磁耦合的影响；

2、本发明利用本极低频电气量构成故障极选择判据，是基于故障极与健全极电气量信号的频谱差异，提出高压直流输电线路故障极判别方案，构造的故障选极方案理论完备、选择性好、可靠性高；

3、与现有方法相比，本发明方法不需要另一极线路采样信息，且利用低频电气量，对保护装置的采样频率要求低、易于实现。克服了现有直流输电线路行波选极方法对采样频率要求高、可靠性不高等问题。

【附图说明】

图1是高压直流输电系统拓扑结构示意图；

图2是考虑线路极间电磁耦合的双极均匀传输线电路模型；

图3是直流系统发生线路正极故障时正、负极故障电压、电流频谱仿真对比图；其中图3(a1)为正极线路首端故障时正、负极电流频谱仿真对比图；其中图3(a2)为正极线路首端故障时正、负极电压频谱仿真对比图；其中图3(b1)为正极线路末端故障时正、负极电流频谱仿真对比图；其中图3(b2)为线路末端故障时正、负极电压频谱仿真对比图；其中图3(c1)为正极线路区外故障时正、负极电流频谱仿真对比图；其中图3(c2)为线路区外故障时正、负极电压频谱仿真对比图；

图4是利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别流程图；

图5是正极线路首端发生金属性接地故障时故障极判别元件动作结果仿真图；

图6是正极线路末端发生经300Ω过渡电阻故障时故障极判别元件动作结果仿真图；

图7是系统正极重启时故障极判别元件动作结果仿真图；

图8是负极线路首端发生金属性接地故障时故障极判别元件动作结果仿真图；

图9是负极线路末端发生经300Ω过渡电阻故障时故障极判别元件动作结果仿真图；

图10是系统负极重启时故障极判别元件动作结果仿真图；

图11是利用高压直流输电系统录波数据的故障极判别元件动作结果图。

【具体实施方式】

请参照图1，图1为高压直流输电系统拓扑结构示意图，高压直流输电系统包括正极、负极直流输电线路。u_p、i_p分别是整流侧测量得正极输电线路电压、电流；u_n、i_n分别是整流侧测量得负极直流输电线路电压、电流。

图2是考虑双极输电线路极间电磁耦合的无损均匀传输线电路模型。设在dx左侧正、负极电压、电流分别为u_p、i_p、u_n、i_n，在dx右侧正、负极电压、电流分别为

根据KCL及KVL列写结点电压及回路方程得：

对上式化简、约去两阶无穷小并整理得，

对式(2)分别取对x、对t的偏微分，并整理得，

由上式可以看出，双极输电线路另一极对本极电压、电流的耦合作用体现在等式右侧的第二项，即另一极电气量对时间的二阶导数。分析可知：1)当高压双极直流系统正常运行时，正极、负极电压、电流均可近似为直流量，此时输电线路极间无电磁耦合作用；2)在输电线路发生单极故障或单极重启的暂态过程中，输电线路故障极故障谐波含量丰富，并且由于线路极间电磁耦合作用，会在健全极中耦合产生感应电压、电流，故障极对健全极的电磁耦合影响程度由输电线路参数及谐波信号的频率决定，且谐波信号频率越高，耦合作用越显著。

图3是高压直流输电系统，在发生正极线路首端故障、末端故障以及区外故障时的正、负极电流、电压频谱对比仿真图。从图中可以看出，仿真结果与理论分析一致，1)当发生单极故障时，故障极中会产生各频率的故障谐波信号，并且由于线路极间电磁耦合作用，会在健全极产生感应电压、电流。2)耦合作用的强度与谐波信号的频率有关，且高频故障谐波耦合作用强，使得健全极与故障极高频信号差别不大；低频信号耦合作用弱，健全极与故障极低频分量差异明显，故障极中低频信号含量远高于健全极。因此，可以利用单极低频电压、电流构成故障选择判据，实现故障极的判别。

根据以上分析可得出结论：

1)高压直流输电线路极间电磁耦合作用程度与电气量的频率有关，且高频信号耦合程度高于低频信号；

2)当发生单极故障时，故障极线路中产生丰富谐波信号，且由于线路极间电磁耦合作用，使得健全极中产生耦合电气量；

3)受线路极间耦合特性的作用，高频信号耦合程度强，健全极与故障极线路中高频信号差别不大，低频信号耦合程度弱，健全极线路低频信号远小于故障极线路。

综上所述，利用直流输电线路单极低频电气量信号可以实现故障极的判别。

实施例1：

识别高压直流输电线路故障极，主要利用本极直流输电线路低频电气量实现高压直流输电线路故障极的判别。

本发明一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，包括以下步骤：

1)从整流侧本极直流输电线路电气量测量装置中获得电气量信号；

2)根据上述采样获得的电气量信号计算本极线路突变电气量，大于故障选极起动门槛值时，执行步骤3)；

3)利用步骤1)中获得的电气量信号，通过低通数字滤波器，获得本极直流输电线路低频电气量；

4)比较本极低频电气量与设定故障选极门槛值的大小，当大于设定故障选极门槛值时，判定本极为输电线路故障极。

本发明步骤2)、3)、4)中的电气量信号可以为电流信号或电压信号，步骤2)中的突变电气量利用故障电气量减去故障前电气量得到；步骤3)中的低频电气量利用采样的电气量通过低通数字滤波器滤波得到。

其中步骤2)可按照以下方法进行：

根据公式(4)或公式(5)计算突变电气量，当突变电气量大于故障选极起动门槛值时判定起动故障极判别元件，公式(4)、(5)左边分别为直流输电线路突变量电流、电压，公式(4)、(5)右边分别为故障选极起动元件电流、电压门槛值；

Δi_φ(k)>I_{set_s} (4)

Δu_φ(k)>U_{set_s} (5)

其中：φ＝p,n，分别表示正极电流、负极电流；k＝1，2，…，N为采样点，突变量电流Δi_φ(k)＝i_φ(k)-I_φ，i_φ(k)为直流输电线路电流采样值，I_φ为直流输电系统正常运行时电流量；突变量电压Δu_φ(k)＝u_φ(k)-U_φ，u_φ(k)为直流输电线路电压采样值，U_φ为直流输电系统正常运行时的电压量；起动门槛值I_{set_s}＝0.10*I_e，U_{set_s}＝0.10*U_e，其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

步骤2)所述的故障极判别门槛值应小于直流输电线路发生单极最轻微故障(直流输电线路末端经高阻单极接地故障)时的故障极突变电气量。

其中步骤3)、4)可按照以下方法进行：

根据公式(6)或公式(7)计算低频电气量，当低频电气量大于故障选极门槛值时判定为故障极，公式(6)、(7)左边分别为直流输电线路低频电流、电压，公式(6)、(7)右边分别为故障选极元件电流、电压门槛值；

I_{L_φ}(k)>I_set (6)

U_{L_φ}(k)>U_set (7)

其中：φ＝p,n，分别表示正极电流、负极电流；k＝1，2，…，N为采样点，I_{L_φ}(k)、U_{L_φ}(k)为直流线路采样电流、电压信号通过低通数字滤波器滤波得到的低频电流、电压，其中低通数字滤波器截止频率为300Hz；故障选极门槛值I_set＝0.15*I_e，U_set＝0.25*U_e。

步骤4)所述设定故障极判别门槛值小于输电线路单极发生最轻微故障时由步骤3)计算得故障极线路低频电气量，并大于输电线路单极最严重故障时由步骤3)计算得健全极线路低频电气量。

图4以利用电流量故障选极判据为例，给出了利用单极电气量的故障极判别方案的故障极判别流程。

本实施例中对不同故障情况(线路首端金属性故障、末端经高阻故障)及系统单极重启分别进行了仿真验证，请参照图5至图10。其中，图5至图7分别为正极线路首端金属性故障、末端高阻故障及系统正极重启时，利用电流量的故障极选择判据动作结果仿真图；图8至图10分别为负极线路首端金属性故障、末端高阻故障及系统负极重启时，利用电压量的故障极选择判据动作结果仿真图。图11为利用高压直流系统录波数据验证结果。

根据图5、6、8及9所示验证结果可以看出，当发生单极故障时，故障极突变电气量大于起动门槛值，正确起动故障极线路的故障选极元件；低频电气量大于故障选极门槛值，故障极线路的故障选极元件正确动作。同时，由于输电线路极间电磁耦合作用，使得健全极突变电气量大于起动门槛值，健全极线路的故障极选择元件起动，但健全极线路低频电气量小于故障选极元件门槛值，健全极线路故障选极元件可靠不动作。

从图7、10可以看出，在系统单极重启时，健全极线路的故障极选择元件可靠不动作，保证了健全极的正常运行。

从图11所示直流系统录波数据验证结果可以看出，故障极线路的故障选极元件能够在5ms之内快速正确动作；同时健全极线路的故障选极元件保证可靠不误动，保证了健全极的正常运行，从而提高了电力系统的安全稳定性。

本发明仅利用高压直流输电线路本极电气量实现故障极的判别。本发明主要用于高压直流输电线路中故障极的判别，该判别方案仅需要采用单极低频电气量，对采样频率要求不高，算法简单，灵敏度高，在工程上易于实现；不仅具有动作速度快，选择性好，可靠性高的优点，而且理论完备易于整定。本发明所述的故障极判别方案不受正、负极输电线路极间耦合的影响，尤其适合于仅利用本极电气量实现高压直流输电线路快速故障极判别。

Claims (7)

1.一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，高压直流输电系统包括直流输电线路及其两端的换流站，直流输电线路包括正极、负极输电线路；所述利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法具体包括：

步骤一，从整流侧本极直流输电线路电气量测量装置中获得电气量信号；

步骤二，根据步骤一获得的电气量信号计算本极线路突变电气量，本极线路突变电气量大于故障选极起动门槛值时，执行步骤三；

步骤三，利用步骤一中获得的电气量信号，通过低通数字滤波器，获得本极直流输电线路低频电气量；

步骤四，比较本极低频电气量与设定的故障选极门槛值的大小，当本极低频电气量大于设定的故障选极门槛值时，判定本极为输电线路故障极；

正、负极直流输电线路均装设有电气量测量装置；所述电气量测量装置为分流器及分压器；

所设定的故障选极门槛值小于发生输电线路单极最轻微故障时由步骤三计算的故障极线路低频电气量，并且大于输电线路单极最严重故障时由步骤三计算的健全极线路低频电气量。

2.根据权利要求1所述的一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，步骤二中的故障选极起动门槛值由输电线路参数及正常运行时额定电气量决定；步骤四中的故障选极门槛值由输电线路参数及正常运行时额定电气量决定。

3.根据权利要求1所述的一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，步骤二中的故障选极起动门槛值为I_{set_s}＝0.10*I_e或U_{set_s}＝0.10*U_e；其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

4.根据权利要求1所述的一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，步骤四中的故障选极门槛值为I_set＝0.15*I_e或U_set＝0.25*U_e；其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

5.根据权利要求1所述的一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，步骤二、三、四中的电气量信号为电流信号或电压信号；步骤二中的突变电气量利用故障电气量减去故障前电气量得到；步骤三中的低频电气量利用采样的电气量通过低通数字滤波器滤波得到。

6.根据权利要求1所述的一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，其中步骤二按照以下方法进行：根据公式(4)或公式(5)计算突变电气量，当突变电气量大于故障选极起动门槛值时判定起动故障极判别元件；

公式(4)、(5)左边分别为直流输电线路突变量电流、电压，公式(4)、(5)右边分别为故障选极起动元件电流、电压门槛值；

Δi_φ(k)>I_{set_s} (4)

Δu_φ(k)>U_{set_s} (5)

其中：φ＝p,n，分别表示正极电流、负极电流；k＝1，2，…，N为采样点，突变量电流Δi_φ(k)＝i_φ(k)-I_φ，i_φ(k)为直流输电线路电流采样值，I_φ为直流输电系统正常运行时电流量；突变量电压Δu_φ(k)＝u_φ(k)-U_φ，u_φ(k)为直流输电线路电压采样值，U_φ为直流输电系统正常运行时的电压量；起动门槛值I_{set_s}＝0.10*I_e，U_{set_s}＝0.10*U_e，其中，I_e、U_e为直流输电系统额定电流、电压。

7.根据权利要求1所述的一种利用单极电气量的高压直流输电线路故障极判别方法，其特征在于，其中步骤三、四按照以下方法进行：根据公式(6)或公式(7)计算低频电气量，当低频电气量大于故障选极门槛值时判定为故障极，公式(6)、(7)左边分别为直流输电线路低频电流、电压，公式(6)、(7)右边分别为故障选极元件电流、电压门槛值；

I_{L_φ}(k)>I_set (6)

U_{L_φ}(k)>U_set (7)

其中：φ＝p,n，分别表示正极电流、负极电流；k＝1，2，…，N为采样点，I_{L_φ}(k)、U_{L_φ}(k)为直流线路采样电流、电压信号通过低通数字滤波器滤波得到的低频电流、电压，其中低通数字滤波器截止频率为300Hz；故障选极门槛值I_set＝0.15*I_e，U_set＝0.25*U_e。