CN105262069A

CN105262069A - 基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护方法

Info

Publication number: CN105262069A
Application number: CN201510744155.0A
Authority: CN
Inventors: 杨亚宇; 邰能灵; 郑晓冬; 范春菊
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: CN105262069B

Abstract

一种基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护实现方法，通过高压直流输电线路两端的分压/分流器对电压和电流的实时同步采样得到实时电压和实时电流，分别计算电压突变量和电流突变量并通过直流滤波器提取对应的直流分量，计算整流侧保护安装处的故障直流分量的暂态功率，对暂态功率进行判定，根据判定结果计算故障直流阻抗，并对故障直流阻抗进行判定，从而确定故障类型；本发明对采样率要求低、整定简单明确且不受分布电容电流的影响，可快速灵敏地识别各种故障。

Description

基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种高压直流输电系统领域的技术，具体是一种基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护方法。

背景技术

近年来，为应对能源环境和可持续发展的挑战，世界范围内正推动新一轮的能源结构变革。高压直流输电(highvoltagedirectcurrent,HVDC)在电力大规模、远距离输送、可再生能源接纳、高效新型输配电网构建和能源互联网建设等方面，都有着显著的技术优势，目前正获得越来越多的关注。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。目前，我国已投运的直流输电工程占世界直流输电量的20％以上，已经成为直流输电工程大国，但在直流输电相关技术研究方面相对薄弱。

直流输电线路是直流系统故障率最高的元件，运行数据也显示国内直流输电可靠性指标偏低。实际运行数据显示，线路故障约占直流输电系统故障的一半，而线路保护正确动作切除故障的只占一半，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。

目前，实际运行的高压直流输电线路继电保护设备主要由国外厂家ABB或SIEMENS生产，国内厂家南瑞继保提供。主保护配置行波保护、微分欠压保护，后备保护配置电流差动保护。直流线路行波保护存在理论不严密、灵敏度不高、保护整定困难、抗干扰能力差的问题；微分欠压保护既是高压直流输电线路的主保护，也兼做直流线路行波保护的后备保护。微分欠压保护比起直流线路行波保护动作速度略慢，保护灵敏度和可靠性都比直流线路行波保护高，但是灵敏度低且耐故障电阻能力差；电流差动保护利用直流线路两端电气量，理论上能够保证保护的选择性，但由于传统的直流线路差动保护没有考虑长距离大容量直流线路分布电容的影响，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，提高我国直流输电线路继电保护技术的可靠性和稳定性，对解决工程建设和运行中的重大技术难题具有重要的支撑作用。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102623968B，公告日2014.7.2，公开了一种基于特征谐波的高压直流输电线路保护方法及其系统，通过对直流线路两侧的直流电流进行同步采样得到实时电流数据并进行离散傅里叶变换，得到线路两端电流特征谐波；然后对特征电流谐波进行计数N_n.M，并计算加权指数I_H.M，最后将加权指数I_H.M和特征电流谐波数N_n.M与整定值I_H.set和N_n.set进行逻辑判断，得到故障类型。但该技术并没有充分考虑到分布电容电流对保护方法的影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护方法，采用对高压直流输电线路两侧的故障直流分量进行故障判别，采样率低，易于硬件实现，且不受分布电容电流的影响。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护方法，通过高压直流输电线路两端的电压和电流的实时同步采样得到实时电压和实时电流，分别计算电压突变量和电流突变量并通过滤波提取对应的直流分量，计算整流侧保护安装处的故障直流分量的暂态功率，对暂态功率进行判定，根据判定结果计算故障直流阻抗，并对故障直流阻抗进行判定，从而确定故障类型。

所述的电压突变量为实时电压与高压直流线路正常运行时的稳态电压之差。

所述的电流突变量为实时电流与高压直流线路正常运行时的稳态电流之差。

所述的对暂态功率进行判定是指：当暂态功率大于阈值时，进行故障直流阻抗的计算。

所述的对故障直流阻抗进行判定是指：当故障直流阻抗小于整定值时，判定为区内故障；否则为区外故障。

所述的故障直流分量的暂态功率P_mg(dc)的计算公式为：其中：U_mg(dc)和I_mg(dc)分别为整流侧电压突变量的直流分量和整流侧电压突变量的直流分量。

所述的故障直流阻抗Z_j的计算公式为：其中：U_j和I_j分别为高压直流输电线路两端的电压突变量的直流分量之和和电流突变量的直流分量之和。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用故障直流分量对高压直流输电线路进行故障判别，对采样率要求低，易于硬件实现，且不受分布电容电流的影响，可准确识别故障类型。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为±500kV直流线路纵联保护实现系统示意图；

图3为区内故障时的故障附加网络示意图；

图4为直流输电线路中点经300Ω过渡电阻接地短路时的仿真结果示意图；

图中：1为换流变压器、2为换流器，3为直流滤波器组，4为接地极引线及接地极，5为直流输电线路，6为平波电抗器。

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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

步骤1、同步采集高压直流线路两端的实时电压和实时电流。

步骤2、实时计算线路两侧的电压突变量和电流突变量。

步骤3、利用滤波器提取电压突变量的直流分量和电流突变量的直流分量。

所述的滤波器为切比雪夫滤波器。

步骤4、计算整流侧保护安装处故障直流分量的暂态功率P_mg(dc)，并通过阈值对P_mg(dc)进行判定：当P_mg(dc)大于阈值时，启动保护，执行步骤5；否则回到步骤1。

所述的阈值为故障直流分量的暂态功率的门槛值P_set。

步骤5、分别计算线路两端电压突变量的直流分量之和U_j和电流突变量的直流分量之和I_j。

步骤6、根据U_j和I_j计算故障直流阻抗Z_j，并通过整定值Z_set对Z_j进行判定：当Z_j＜Z_set时，判定为区内故障；否则为区外故障。

所述的故障直流阻抗Z_j的计算公式为：

所述的整定值Z_set的计算公式为：其中：k(k＞1)为可靠系数，R_F为线路接地短路的最大过渡电阻，r为每千米架空线路的电阻值，l为线路的长度。

如图2所示，本实施例涉及的±500kV直流线路纵联保护装置包括：整流站、逆变站和直流输电线路5，其中：整流站和逆变站分别设置于直流输电线路5的两端。

所述的整流站包括：依次相连的换流变压器1、换流器2、平波电抗器6、直流滤波器组3和分压/流器。

所述的逆变站包括：依次相连的换流变压器1、换流器2、平波电抗器6、直流滤波器组3和分压/流器。

所述的正负极换流器2之间设有接地极引线及接地极4。

所述的分压器可获得整流侧和逆变侧的实时对地低压，分流器可获得整流侧和逆变侧的实时电流。

所述的整定值Z_set的整定依据为：

Z_{j} \overset{Δ}{=} | \frac{U_{j}}{I_{j}} | = | \frac{U_{m g (d c)} + U_{n g (d c)}}{I_{m g (d c)} + I_{n g (d c)}} | < \frac{| U_{m g (d c)} | + | U_{n g (d c)} |}{| I_{m g (d c)} + I_{n g (d c)} |} < | \frac{2 U_{F (d c)}}{I_{F (d c)}} |,

其中：U_F(dc)为故障点叠加电压源的直流分量，I_F(dc)为故障电流的直流分量，U_ng(dc)和I_ng(dc)为逆变侧电压突变量的直流分量和整流侧电压突变量的直流分量。

如图3所示，直流输电线路区内故障时，根据故障附加网络可以得出：

| \frac{U_{F (d c)}}{I_{F (d c)}} | = | R_{F} + (Z_{x} + (Z_{s m} + Z_{P}) / / Z_{1 b}) / / (Z_{y} + (Z_{s n} + Z_{P}) / / Z_{1 b}) |,

其中：R_F为线路接地短路的最大过渡电阻，Z_p为平波电抗器等效阻抗，Z_1b为直流滤波器组等效阻抗，Z_sm和Z_sn分别为整流侧和逆变侧的换流器等效阻抗，Z_x为故障点到整流侧的直流输电线路等效阻抗，Z_y为故障点到逆变侧的直流输电线路等效阻抗。

直流滤波器组3对于故障电流的直流分量可近似等效为开路，即Z_1b＝∞；直流输电线路5两端的平波电抗器6对于故障电流的直流分量可近似等效为短路，即Z_p＝0；相对于直流输电线路5的电阻阻值而言，换流器2的等效电阻可忽略不计，因此：

\begin{matrix} | \frac{U_{m g (d c)} + U_{n g (d c)}}{I_{m g (d c)} + I_{n g (d c)}} | < | \frac{2 U_{F (d c)}}{I_{F (d c)}} | = 2 | (Z_{x} + (Z_{s m} + Z_{P}) / / Z_{1 b}) / / (Z_{y} + (Z_{s n} + Z_{P}) / / Z_{1 b}) + R_{F} | \\ = 2 | R_{F} + Z_{x} / / Z_{y} | = 2 | R_{F} + R_{x} / / R_{y} | \leq 2 | R_{F} + \frac{l r}{4} | \end{matrix}

其中：U_mg(dc)和U_ng(dc)分别是整流侧(故障附加网络中的m点)和逆变侧(故障附加网络中的n点)故障电压的直流分量，I_mg(dc)和I_ng(dc)分别是整流侧(故障附加网络中的m点)和逆变侧(故障附加网络中的n点)故障电流的直流分量，R_x为故障点到整流侧的直流输电线路等效电阻，R_y为故障点到逆变侧的直流输电线路等效电阻。

区外故障时，故障直流阻抗Z_j远大于为保证一定的裕度，保护整定中引入了可靠系数k(k＞1)，即

Z_{s e t} = k | 2 R_{F} + \frac{l r}{2} | .

如图4所示，对本实施例的保护装置在直流输电线路中点进行经300Ω过渡电阻接地短路仿真分析可知：直流输电线路5故障后，整流侧的电流增加，逆变侧的电流减小。直流输电线路5两侧电压均明显下降，提取电压突变量的直流分量，并计算故障直流阻抗Z_j的值，Z_j明显小于整定值。从而正确判定为区内故障。

此外，故障点过渡电阻大小改变时，系统故障直流阻抗也将随之变化，但是故障直流阻抗数值远小于整定值，有足够的安全裕度，保护可以快速识别出区内故障。

所述的滤波器在过渡带内衰减快、误差小，能够有效提取直流分量。

Claims

1.一种基于故障直流分量的高压直流线路纵联保护方法，其特征在于，通过高压直流输电线路两端的电压和电流的实时同步采样得到实时电压和实时电流，分别计算电压突变量和电流突变量并通过滤波提取对应的直流分量，计算整流侧保护安装处的故障直流分量的暂态功率，对暂态功率进行判定，根据判定结果计算故障直流阻抗，并对故障直流阻抗进行判定，从而确定故障类型；

所述的对暂态功率进行判定是指：当暂态功率大于阈值时，进行故障直流阻抗的计算；

2.根据权利要求1所述的高压直流线路纵联保护方法，其特征是，所述的故障直流分量的暂态功率为：其中：U_mg(dc)和I_mg(dc)分别为整流侧电压突变量的直流分量和整流侧电压突变量的直流分量。

3.根据权利要求1所述的高压直流线路纵联保护方法，其特征是，所述的故障直流阻抗为：其中：U_j和I_j分别为高压直流输电线路两端的电压突变量的直流分量之和和电流突变量的直流分量之和。

4.根据权利要求1所述的高压直流线路纵联保护方法，其特征是，所述的整定值为：其中：k(k＞1)为可靠系数，R_F为线路接地短路的最大过渡电阻，r为每千米架空线路的电阻值，l为线路的长度。

5.一种实现上述任一权利要求所述保护方法的系统，其特征在于，包括：整流站、逆变站和直流输电线路，其中：整流站和逆变站分别设置于直流输电线路的两端。

6.根据权利要求5所述的实现系统，其特征是，所述的整流站与逆变站组成相同，包括：依次相连的换流变压器、换流器、平波电抗器、直流滤波器组和分压/流器。