CN106505536A - 一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，该保护通过智能电子设备(IED)对直流线路两端互感器测量到的电压、电流信号进行处理，然后根据电流突变量极性来识别区内、区外故障。保护采用分布参数模型进行分布电容电流补偿，消除了分布电容电流和数据不同步的影响。保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量，避免了直流侧特征谐波、双极直流线路之间的电磁耦合以及雷击干扰的影响。线路两端电流突变量的极性为布尔量，纵联信道通信量小。本发明一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，仅利用电流突变量的极性来识别区内、区外故障，原理简单、通信量小、稳定可靠。

Description

一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线 路保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，特别涉及一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法。

背景技术

特高压直流输电在远距离、大容量输电和大区互联中得到广泛应用，但是目前特高压直流输电工程继电保护的可靠性还明显偏低，特别是直流线路的保护。因此，亟待研究新的稳定可靠、响应快速、耐过渡电阻能力强、抗雷电干扰、具有绝对选择性的特高压直流输电线路保护方法。

行波保护是现有特高压直流线路保护的主保护，关于提高行波保护性能的方法主要集中在两个方面：一是引入信号处理方法，更好地利用故障分量的频率特性来识别故障；二是利用特高压直流线路故障的暂态特征来识别故障。其中，利用特高压直流线路故障的暂态特征来识别故障是提高行波保护性能的主要思路。例如，利用线路两端电流的突变来识别区内外故障，就是一种简单易行的特高压直流线路保护方案(高淑萍,索南加乐,宋国兵,张健康,侯卓.利用电流突变特性的高压直流输电线路纵联保护新原理[J].电力系统自动化,2011,35(05):52-56.)，但是该方案没有考虑到长线路分布电容电流和数据不同步的影响，同时耐受过渡电阻能力有限且易受雷电干扰。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法。该保护方法采用分布参数模型，即通过IED进行分布电容电流补偿，消除了分布电容电流和数据不同步对保护的影响。保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量，避免了直流侧特征谐波、双极直流线路之间的电磁耦合以及雷击干扰的影响。线路两端电流突变量的极性为布尔量，纵联信道通信量小。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，根据特高压直流线路区内、外故障时，线路两端电流突变量极性来识别区内、外故障；区内故障时，线路两端检测到的电流突变量的极性相反；区外故障时，线路两端检测到的电流突变量的极性相同。

一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，包括以下步骤：

步骤一：利用安装在直流线路两端的电压互感器和电流互感器，检测线路两端的电压、电流；

步骤二：通过IED对线路两端电流互感器检测到的电流进行分布电容电流补偿；

步骤三：对补偿后的电流进行滤波，利用IED选取频段为[0，100]Hz的分量；

步骤四：由处理后的电流计算线路两端电流的突变量ΔI；

步骤五：用突变量的绝对值|ΔI|与整定值I_set进行比较，判断是否有故障产生；

步骤六：若判断为有故障产生，则根据突变量的正负极性，判断故障是在区内还是区外；

步骤七：若判断为直流线路区内故障，则保护动作。

步骤四中，采用1ms的数据窗，用检测到的第一个电流峰值与正常运行时的电流值之差，作为电流的突变量ΔI，门槛值I_set选取0.1pu。

通过IED对电流互感器采集到的电流进行补偿，消除了分布电容电流和数据不同步对保护的影响。

保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量，避免了直流侧特征谐波、双极直流线路之间的电磁耦合以及雷击干扰的影响。

线路两端电流突变量的极性为布尔量，纵联信道通信量小。

本发明一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，有益效果为：

(1)、仅利用电流突变量的极性来识别区内、区外故障，原理简单、通信量小、稳定可靠。

(2)、保护量采用特定低频分量，排除了高频特征谐波和同杆并架双极直流线路之间电磁耦合的影响；

(3)、采样率低，易于工程实现；

(4)、选择性好，抗雷电干扰能力强；

(5)、耐过度电阻能力强，可以实现全线保护。

附图说明

图1为直流传输线路示意图。

图2为无损直流均匀传输线等值电路。

图3为正常运行时正极直流系统电路。

图4为正极直流线路区内故障时故障网络图。

图5为正极直流线路整流侧故障时的故障网络图。

图6为正极直流线路逆变侧故障时的故障网络图。

图7为本发明系统方案图。

图8为正极直流线路区内故障结果图。

图9为正极直流线路整流侧故障结果图。

图10为正极直流线路逆变侧故障结果图。

具体实施方式

一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，根据特高压直流线路区内、外故障时，线路两端电流突变量极性来识别区内、外故障；区内故障时，线路两端检测到的电流突变量的极性相反；区外故障时，线路两端检测到的电流突变量的极性相同。

一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，包括以下步骤：

步骤一：利用安装在直流线路两端的电压互感器和电流互感器，检测线路两端的电压、电流；

步骤二：通过IED对线路两端电流互感器检测到的电流进行分布电容电流补偿；

步骤三：对补偿后的电流进行滤波，利用IED选取频段为[0，100]Hz的分量；

步骤四：由处理后的电流计算线路两端电流的突变量ΔI；

步骤五：用突变量的绝对值|ΔI|与整定值I_set进行比较，判断是否有故障产生；

步骤六：若判断为有故障产生，则根据突变量的正负极性，判断故障是在区内还是区外；

步骤七：若判断为直流线路区内故障，则保护动作。

步骤四中，采用1ms的数据窗，用检测到的第一个电流峰值与正常运行时的电流值之差，作为电流的突变量ΔI，门槛值I_set选取0.1pu。

通过IED对电流互感器采集到的电流进行补偿，消除了分布电容电流和数据不同步对保护的影响。

保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量，避免了直流侧特征谐波、双极直流线路之间的电磁耦合以及雷击干扰的影响。

线路两端电流突变量的极性为布尔量，纵联信道通信量小。现有技术中传输是多个字节的测量值，现在只是一个字节的极性布尔量，即0/1，减少了通信量。

原理分析：

设特高压直流系统整流侧和逆变侧分别为M侧和N侧，u_M、u_N分别表示M、N侧互感器检测到的电压，i_M、i_N分别表示M、N侧互感器检测到的电流，电流的正方向规定为从换流站到直流线路为正。进行分布电容电流补偿后的电流设为i_M’、i_N’，则：

式(1)、(2)中，Z_c为直流线路的波阻抗，τ为行波从M侧传输到N侧传输延时的一半，即采用“半补偿”的模式。

对补偿后的电流进行滤波，通过IED提取频段为[0，100]Hz的分量，主要考虑到四个因素：(1)特高压直流系统的直流侧存在12k(k为自然数)次和24k次特征谐波，即存在600Hz、1200Hz及其他高频分量谐波；(2)特高压直流线路故障时，其故障分量主要集中在低频段(杨亚宇,邰能灵,刘剑,郑晓冬.利用边界能量的高压直流线路纵联保护方案[J].中国电机工程学报,2015,35(22):5757–5767.)；(3)高频分量的采集对硬件要求较高，实际工程中难以实现，另外雷电波也是高频脉冲，会干扰到保护判别(4)同杆并架的双极直流线路之间会存在电磁耦合，且其耦合系数随着频率先增大后减小，并在[100，10000]Hz的范围内较大(Gang Wang,Min Wu,Haifeng Li,et al.Transient based protection for HVDClines using wavelet-multiresolution signal decomposition[C].Transmission andDistribution Conference and Exhibition:Asia and Pacific.Dalian,China:IEEE,2005:1-4.)。

直流系统在发生故障后，其控制系统的调节作用至少在5ms以后才开始(束洪春,田鑫萃,张广斌,刘可真,孙士云.±800kV直流输电线路故障定位的单端电压自然频率方法[J].中国电机工程学报,2011,31(25):104-111.)，考虑到高阻接地时的电流突变量较小，选取1ms的数据窗。用检测到的第一个电流峰值与正常运行时的电流值之差作为电流的突变量ΔI，当电流的突变量ΔI大于所设定的门槛值I_set时，即判断为有故障产生。直流线路两端的电流经过分布电容电流补偿和滤波之后，在正常运行的情况下，其变化量一般会小于0.08pu，在经1000Ω高阻接地时，其变化量也可以达到0.12pu，因此I_set选取为0.1pu。

直流线路区内故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相反，整流侧为正，逆变侧为负；直流系统整流侧故障后的暂态过程中，线路两端的电流突变量相同，整流侧和逆变侧均为负；直流系统逆变侧故障后的暂态过程中，线路两端的电流突变量相同，整流侧和逆变侧均为正。因此，根据突变量的正负极性即可判断故障是在区内还是区外。

如图1至图7所示，一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，包括如下步骤：

步骤一：利用安装在直流线路两端的电压互感器和电流互感器，检测线路两端的电压、电流。如图1中，特高压直流系统整流侧和逆变侧分别为M侧和N侧，u_M、u_N分别表示M、N侧互感器检测到的电压，i_M、i_N分别表示M、N侧互感器检测到的电流。

步骤二：利用IED对线路两端检测到的电流进行分布电容电流补偿。如图2，u、i分别为线路的电压和电流，L₀、C₀分别为单位长度线路的等效电感、对地电容，则线路的传输方程为：

对式(3)、(4)两边分别对x和t求导得到波动方程为：

设从M端到N端方向为行波传输的正方向，从N端到M端方向为行波传输的反方向，解波动方程得到M、N两点正反向电流行波为：

式(6)、(7)、(8)、(9)中，i_M+(t)为图1中M点处正向电流行波，i_M-(t)为M点处反向电流行波，i_N+(t)为图1中N点处正向，i_N-(t)为N点处反向电流行波，v＝1/√(L₀C₀)表示行波波速，Zc＝√(L₀/C₀)为直流线路的波阻抗。设行波在M、N两点之间传播所需时间为2τ。则M点的正向电流行波经过时间2τ到达N点，N点的反向电流行波经过时间2τ到达M点，该过程可以表示为：

i_M+(t-τ)＝i_N+(t) (11)

i_M-(t+τ)＝i_N-(t) (12)

设补偿后的电流为i_M’、i_N’，则定义i_M’、i_N’为：

进行分布电容电流补偿之后：

i_M'(t)+i_N'(t)＝0 (15)

可见，补偿之后，系统不再受分布电容电流的影响。

步骤三：保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量，主要考虑到四个因素：(1)特高压直流系统的直流侧存在12k(k为自然数)次和24k次特征谐波，即存在600Hz、1200Hz及其他高频分量谐波；(2)特高压直流线路故障时，其故障分量主要集中在低频段；(3)高频分量的采集对硬件要求较高，实际工程中难以实现，另外雷电波也是高频脉冲，会干扰到保护判别(4)同杆并架的双极直流线路之间会存在电磁耦合，且其耦合系数随着频率先增大后减小，并在[100，10000]Hz的范围内较大。

步骤四：由处理后的电流计算线路两端电流的突变量ΔI。直流系统在发生故障后，其控制系统的调节作用至少在5ms以后才开始，考虑到高阻接地时的电流突变量较小，选取1ms的数据窗。用检测到的第一个电流峰值与正常运行时的电流值之差作为电流的突变量ΔI，当电流的突变量ΔI大于所设定的门槛值I_set时，即判断为有故障产生。直流线路两端的电流经过分布电容电流补偿和滤波之后，在正常运行的情况下，其变化量一般会小于0.08pu，在经1000Ω高阻接地时，其变化量也可以达到0.12pu，因此I_set选取为0.1pu。

步骤五：用突变量的绝对值|ΔI|与整定值I_set进行比较，判断是否有故障产生。

步骤六：若判断为有故障产生则根据突变量的正负极性识别区、外故障。如图3所示为正常运行时正极直流系统电路，直流线路故障后的暂态过程中，可以等效为在故障点叠加一个故障电压源。如图4所示为正极直流线路区内故障时故障网络图，可见，正极直流线路区内故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相反，整流侧为正，逆变侧为负。如图5所示为正极直流线路整流侧故障时故障网络图，可见，正极直流线路整流侧故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相同，均为负。如图6所示为正极直流线路逆变侧故障时故障网络图，可见，正极直流线路逆变侧故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相同，均为正。由此根据突变量的正负极性即可判断故障是在区内还是区外。

步骤七：若判断为直流线路区内故障，则保护动作，否则返回重新判断。

本发明一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，仅利用电流突变量的极性来识别区内、外故障，原理简单、通信量小、稳定可靠。保护量采用特定低频分量，排除了高频特征谐波和同杆并架双极直流线路之间电磁耦合的影响。该方法采样率低，易于工程实现，抗雷电干扰和耐过度电阻能力强，可以实现全线保护

实施例：

按照图7所示的系统方案图，搭建±800kV特高压直流输电模型，线路全长1418km,直流额定电流为3.125kA，I_set选取为0.1pu,即0.3125kA。在此模型上，按照本发明方法对特高压直流输电系统的正极线路不同位置故障时进行判别。

正极直流线路中点处在0.5s时经过200Ω过渡电阻接地，故障时间为0.5s，结果如图8所示。图8中，第一个图为正极直流线路电流互感器采集到的原始电流波形，第二个图为经过IED进行电容电流补偿和低通滤波处理之后的电流波形。由图8可以看出，故障后，正极直流线路整流侧电流增大，逆变侧电流减小，电流突变极性相反，可以判定为区内故障。

正极直流线路整流侧在0.5s时经过200Ω过渡电阻接地，故障时间为0.5s，结果如图9所示。由图9可以看出，故障后，正极直流线路整流侧电流和逆变侧电流突变量都为负，电流突变极性相同，可以判定为区外故障。

正极直流线路逆变侧在0.5s时经过200Ω过渡电阻接地，故障时间为0.5s，结果如图10所示。由图10可以看出，故障后，整流侧电流和逆变侧电流突变量都为正，电流突变极性相同，可以判定为区外故障。

由图8、9、10可以看出，只有在本极线路区内故障时，线路两端保护安装处检测到的电流的突变量极性才是相反的，利用该特性就可以识别区内外故障。直流线路电流在未经过电容电流补偿和滤波之前有高频分量干扰，经过补偿和滤波之后，电流波形明显改善，有利于保护判别。从图9和图10可以看到，由于短路点离两端保护安装处的距离不同，使得两端电流变化情况不同步，这会影响保护的判别，甚至会造成保护拒动。经过电容电流补偿和滤波之后，两端电流变化完全同步，消除了数据不同步的影响。

正极直流线路整流侧、逆变侧以及离线路始端不同位置处，经不同过渡电阻接地时的结果如表1所示。由表1可以看出，直流线路经1000Ω高阻接地时，该保护方法仍然可以正确判别故障，因此本发明的保护方法具有很强的耐过度电阻的能力。

表1 各种故障条件下的仿真结果

Claims (7)

1.一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于：根据特高压直流线路区内、外故障时，线路两端电流突变量极性来识别区内、外故障；区内故障时，线路两端检测到的电流突变量的极性相反；区外故障时，线路两端检测到的电流突变量的极性相同。

2.一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：利用安装在直流线路两端的电压互感器和电流互感器，检测线路两端的电压、电流；

步骤二：通过IED对线路两端电流互感器检测到的电流进行分布电容电流补偿；

步骤三：对补偿后的电流进行滤波，利用IED选取频段为[0，100]Hz的分量；

步骤四：由处理后的电流计算线路两端电流的突变量ΔI；

步骤五：用突变量的绝对值|ΔI|与整定值I_set进行比较，判断是否有故障产生；

步骤六：若判断为有故障产生，则根据突变量的正负极性，判断故障是在区内还是区外；

步骤七：若判断为直流线路区内故障，则保护动作。

3.根据权利要求2所述一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于：步骤四中，采用1ms的数据窗，用检测到的第一个电流峰值与正常运行时的电流值之差，作为电流的突变量ΔI，门槛值I_set选取0.1pu。

4.根据权利要求2所述的一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于：保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量。

5.根据权利要求2所述的一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于：线路两端电流突变量的极性为布尔量，纵联信道通信量小。

6.根据权利要求1所述一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：利用安装在直流线路两端的电压互感器和电流互感器，检测线路两端的电压、电流，特高压直流系统整流侧和逆变侧分别为M侧和N侧，u_M、u_N分别表示M、N侧互感器检测到的电压，i_M、i_N分别表示M、N侧互感器检测到的电流；

步骤二：利用IED对线路两端检测到的电流进行分布电容电流补偿，u、i分别为线路的电压和电流，L₀、C₀分别为单位长度线路的等效电感、对地电容，则线路的传输方程为：

$-\frac{\∂u}{\∂x}=L_0\frac{\∂i}{\∂t}---\left(1\right)$

$-\frac{\∂i}{\∂x}=C_0\frac{\∂u}{\∂t}---\left(2\right)$

对式(3)、(4)两边分别对x和t求导得到波动方程为：

$\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}=L_0{C}_0\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}---\left(3\right)$

$\frac{{\∂}^{2}i}{\∂x^2}=L_0{C}_0\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}---\left(4\right)$

设从M端到N端方向为行波传输的正方向，从N端到M端方向为行波传输的反方向，解波动方程得到M、N两点正反向电流行波为：

$i_{M+}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[i_M\left(t\right)+\frac{u_M\left(t\right)}{Z_c}\]---\left(5\right)$

$i_{M-}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[-i_M\left(t\right)+\frac{u_M\left(t\right)}{Z_c}\]---\left(6\right)$

$i_{N+}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[i_N\left(t\right)+\frac{u_N\left(t\right)}{Z_c}\]---\left(7\right)$

$i_{N-}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[-i_N\left(t\right)+\frac{u_N\left(t\right)}{Z_c}\]---\left(8\right)$

式(6)、(7)、(8)、(9)中，i_M+(t)为M点处正向电流行波，i_M-(t)为M点处反向电流行波，i_N+(t)为N点处正向，i_N-(t)为N点处反向电流行波，v＝1/√(L₀C₀)表示行波波速，Zc＝√(L₀/C₀)为直流线路的波阻抗；设行波在M、N两点之间传播所需时间为2τ，则M点的正向电流行波经过时间2τ到达N点，N点的反向电流行波经过时间2τ到达M点，该过程可以表示为：

i_M+(t-τ)＝i_N+(t) (9)

i_M-(t+τ)＝i_N-(t) (10)

设补偿后的电流为i_M’、i_N’，则定义i_M’、i_N’为：

$\begin{array}{c}{i_M}^{\′}\left(t\right)=i_{M+}(t-{\mathrm{\τ}}_0)-i_{M-}(t+{\mathrm{\τ}}_0)\\ =\frac{1}{2}\[i_M(t-\mathrm{\τ})+i_M(t+\mathrm{\τ})\]+\frac{1}{2Z_c}\[u_M(t-\mathrm{\τ})-u_M(t+\mathrm{\τ})\]\end{array}---\left(11\right)$

$\begin{array}{c}{i_N}^{\′}\left(t\right)=i_{N-}(t-{\mathrm{\τ}}_0)-i_{N+}(t+{\mathrm{\τ}}_0)\\ =-\frac{1}{2}\[i_N(t-\mathrm{\τ})+i_N(t+\mathrm{\τ})\]-\frac{1}{2Z_c}\[u_M(t-\mathrm{\τ})-u_M(t+\mathrm{\τ})\]\end{array}---\left(12\right)$

进行分布电容电流补偿之后：

i_M'(t)+i_N'(t)＝0 (13)

可见，补偿之后，系统不再受分布电容电流的影响；

步骤三：保护判据选取电流信息中频段为[0，100]Hz的分量，主要考虑到四个因素：

(1)、特高压直流系统的直流侧存在12k，k为自然数次和24k次特征谐波，即存在600Hz、1200Hz及其他高频分量谐波；

(2)、特高压直流线路故障时，其故障分量主要集中在低频段；

(3)、高频分量的采集对硬件要求较高，实际工程中难以实现，另外雷电波也是高频脉冲，会干扰到保护判别；

(4)、同杆并架的双极直流线路之间会存在电磁耦合，且其耦合系数随着频率先增大后减小，并在[100，10000]Hz的范围内较大；

步骤四：由处理后的电流计算线路两端电流的突变量ΔI，直流系统在发生故障后，其控制系统的调节作用至少在5ms以后才开始，考虑到高阻接地时的电流突变量较小，选取1ms的数据窗，用检测到的第一个电流峰值与正常运行时的电流值之差作为电流的突变量ΔI，当电流的突变量ΔI大于所设定的门槛值I_set时，即判断为有故障产生，直流线路两端的电流经过分布电容电流补偿和滤波之后，在正常运行的情况下，其变化量一般会小于0.08pu，在经1000Ω高阻接地时，其变化量也可以达到0.12pu，因此I_set选取为0.1pu；

步骤五：用突变量的绝对值|ΔI|与整定值I_set进行比较，判断是否有故障产生；

步骤六：若判断为有故障产生则根据突变量的正负极性识别区、外故障，为正常运行时正极直流系统电路，直流线路故障后的暂态过程中，可以等效为在故障点叠加一个故障电压源，正极直流线路区内故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相反，整流侧为正，逆变侧为负；正极直流线路整流侧故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相同，均为负；正极直流线路逆变侧故障后的暂态过程中，线路两端保护安装处的电流突变量相同，均为正；由此根据突变量的正负极性即可判断故障是在区内还是区外；

步骤七：若判断为直流线路区内故障，则保护动作，否则返回重新判断。

7.如权利要求1～6所述任意一种基于分布参数模型下利用电流突变特性的特高压直流线路保护方法，其特征在于，在特高压直流输电线路保护中的应用。