CN106646140A - 基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，包括以下步骤：分别采集直流输电系统整流站正极线路和负极线路、逆变站正极线路和负极线路两端的电压和电流；根据以上结果分别计算正极线路和负极线路两端的电压突变量和电流突变量；将每一级线路的电压突变量和电流突变量转换为相应的线模电压分量和线模电流分量；将以上的结果进行离散S变换，得到相应的某一频率的电压分量和电流分量随时间变化的分布；提取初始电压行波和电流行波的幅值，计算直流线路两端的测量波阻抗值；将逆变站计算得到的测量波阻抗值传递至整流站；根据直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值对内外故障进行识别，其可可靠、快速地识别区内外故障。

Description

基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法

技术领域

本发明涉及高压直流线路故障识别领域，具体涉及一种基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法。

背景技术

直流线路保护用于在直流线路发生故障后快速准确地识别和清除故障。对线路故障的准确识别是线路保护正确动作的前提。目前，直流线路的主保护是行波保护和微分欠压保护。行波保护和微分欠压保护利用电压变化率构成保护判据，极易受过渡电阻的影响，导致保护灵敏性较低，在高阻故障时无法有效保护线路。对于高阻接地故障，需要依靠后备保护如电流差动保护动作进行清除，而后备保护需要较长的延时，往往导致故障扰动长时间存在，甚至造成不必要的直流闭锁，影响直流输电系统的可靠、高效运行。

为提高直流线路保护的灵敏性和速动性，有学者基于信号驱动开展了一系列研究，即利用直流线路的故障暂态信号特征构成区内外故障识别判据；由于暂态量变化复杂，难以通过解析方法求解，客观上给此类判据的整定带来了困难，无法保证对于不同过渡电阻下的故障有完全的适应性。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，包括以下步骤：

A、分别采集直流输电系统整流站正极线路和负极线路、逆变站正极线路和负极线路两端的电压和电流；

B、根据步骤A的结果分别计算正极线路和负极线路两端的电压突变量和电流突变量；

C、将每一级线路的电压突变量和电流突变量转换为相应的线模电压分量和线模电流分量；

D、将步骤C中的结果进行离散S变换，得到相应的某一频率的电压分量和电流分量随时间变化的分布；

E、提取初始电压行波和电流行波的幅值，计算直流线路两端的测量波阻抗值；

F、将逆变站计算得到的测量波阻抗值传递至整流站；

G、根据直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值对内外故障进行识别。

所述步骤B中计算整流站正极线路和负极线路两端的电压突变量△u_Rp和电流突变量△i_Rp的具体方法为：

△u_Rp＝u_Rp(N)-u_Rp(N-n)；

△i_Rp＝i_Rp(N)-i_Rp(N-n)；

其中，p＝1、2，分别表示正极线路和负极线路；u_Rp为整流站正极线路或负极线路的电压；N为采样点个数，n为10ms内的采样点数。

所述步骤C采用相模变换技术，计算整流站的线模电压△u_R11和线模电流△i_R11分量的方法为：

在步骤D中，分别对线模电压分量和线模电流分量的离散时间序列进行离散S变换得到复时频矩阵，从该矩阵中提取所需频率f₁对应的列向量，即得到该频率的电压分量和电流分量随时间变化的分布。

对线模电压分量进行离散后的离散时间序列为u₁[kT]，其中，k＝0、1、2、…、N-1，N为故障前后3ms的采样点数，T为采样间隔；对u₁[kT]进行离散S变换的具体方法为：

当n≠0时，u₁[kT]的离散S变换为：

其中，为u₁[kT]的离散傅里叶变换；j为时间采样点；n为频率采样点；＝0、1、…、N-1；n＝0、1、…、N-1；

当n＝0时，u₁[kT]的离散S变换为：

计算整流站两端的测量波阻抗值的方法为：S_uR(t,f₁)、S_iR(t,f₁)分别为频率f₁下整流站的电压分量和电流分量，其相应的幅值向量为A_uR(t,f₁)、A_iR(t,f₁)，则频率f₁下的电压初始行波和电流初始行波幅值为A_uR(t₁,f₁)，A_iR(t₁,f₁)，其中，t₁为初始行波到达测点的时刻；则整流站测量波阻抗为：

在步骤G中，计算直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值的绝对值，若绝对值大于某阈值，判断故障发生在线路外；若绝对值小于某阈值，判断故障发生在线路上。

步骤G的识别方法具体为：

|abs(Z_mR)-abs(Z_mI)|<Z_set，

其中，abs为取幅值运算；Zset为区内外故障识别判据的阈值。

所述Zset的计算方法为：

其中，Z_{eq_f1}为频率f₁下的平波电抗器和直流滤波器的并联阻抗；Z_{C_f1}为频率f₁下的线路波阻抗。

本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于测量波阻抗实现对区内外故障的识别，其能够可靠快速地识别出线路的区内外故障。由于测量波阻抗只与测点背侧阻抗和线路波阻抗有关，而与故障位置、故障电阻无关，因此本发明不受故障位置和故障电阻的影响，对于高阻接地故障也能快速反应，而且故障识别判据易于整定，可靠性和灵敏性高。

2、本发明利用离散S变换计算策略波阻抗，虽然整个离散S变换的运算量偏大，但由于本发明只需计算单个频率下的S变换结果，因此在编程实现时大大减小了运算量，利用高性能的DSP芯片可以在1～2ms内实现单个频率下的离散S变换，有利于保护的快速动作。

3、本发明充分利用了直流线路两端的物理边界，保证故障识别判据的门槛值有明确的整定依据，提高对故障识别的可靠性。

4、本发明仅需传输逆变站的测量波阻抗值，不用实时传递电压、电流采样值，对通讯速率和两端数据同步要求低，能够适应现有的通信手段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，包括以下步骤：

A、分别采集直流输电系统整流站正极线路和负极线路、逆变站正极线路和负极线路两端的电压和电流，此步骤可通过安装在直流输电系统整流站和逆变站线路侧的电压、电流互感器获得电压数据和电流数据；

B、根据步骤A的结果分别计算正极线路和负极线路两端的电压突变量和电流突变量；

C、将每一级线路的电压突变量和电流突变量转换为相应的线模电压分量和线模电流分量；

D、将步骤C中的结果进行离散S变换，得到相应的某一频率的电压分量和电流分量随时间变化的分布；

E、提取初始电压行波和电流行波的幅值，计算直流线路两端的测量波阻抗值；

F、将逆变站计算得到的测量波阻抗值传递至整流站；

G、根据直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值对内外故障进行识别。

在直流输电系统中，直流线路的重启动逻辑是在整流侧完成的，因此只需将逆变站的测量波阻抗信息传递至整流站即可。

实施例2

本实施例对上述实施例的1的各步骤具体实施方法进行细化。

步骤B中计算整流站正极线路和负极线路两端的电压突变量△u_Rp和电流突变量△i_Rp的具体方法为：

△u_Rp＝u_Rp(N)-u_Rp(N-n)；

△i_Rp＝i_Rp(N)-i_Rp(N-n)；

其中，p＝1、2，分别表示正极线路和负极线路；u_Rp为整流站正极线路或负极线路的电压；N为采样点个数，n为10ms内的采样点数。

逆变站正极线路和负极线路的电压突变量与电流突变量计算方法与整流站正极线路和负极线路的电压突变量与电流突变量计算方法相同。

步骤C采用相模变换技术，计算整流站的线模电压△u_R11和线模电流△i_R11分量的方法为：

逆变站的线模电压△u_I11和线模电流△i_I11计算方法与整流站的线模电压△u_R11和线模电流△i_R11的计算方法相同。

在步骤D中，分别对线模电压分量和线模电流分量的离散时间序列进行离散S变换得到复时频矩阵，具体的，对线模电压分量进行离散后的离散时间序列为u₁[kT]，其中，k＝0、1、2、…、N-1，N为故障前后3ms的采样点数，T为采样间隔；为了避免取得的初始行波受到数据边界的影响，取故障前一段数据加上故障后一段数据进行S变换。为了兼顾保护的快速性和可靠性，取故障前后3毫秒的数据。对u₁[kT]进行离散S变换的具体方法为：

当n≠0时，u₁[kT]的离散S变换为：

其中，为u₁[kT]的离散傅里叶变换；j为时间采样点；n为频率采样点；＝0、1、…、N-1；n＝0、1、…、N-1；

当n＝0时，u₁[kT]的离散S变换为：

变换后得到一个复时频矩阵，该矩阵的列向量为电压分量在某一时刻随频率变化的分布，该矩阵的行向量为某一频率的电压分量随时间变化的分布。从该矩阵中提取所需频率f₁对应的列向量，譬如f₁＝10kHz，即得到该频率的电压分量随时间变化的分布。

得到某一频率的电流分量随时间变化的分布的方式与上述得到电压分量随时间变化的分布的方式相同。

计算整流站两端的测量波阻抗值的方法为：S_uR(t,f₁)、S_iR(t,f₁)分别为频率f₁下整流站的电压分量和电流分量，其相应的幅值向量为A_uR(t,f₁)、A_iR(t,f₁)，则频率f₁下的电压初始行波和电流初始行波幅值为A_uR(t₁,f₁)，A_iR(t₁,f₁)，其中，t₁为初始行波到达测点的时刻；则整流站测量波阻抗为：

逆变站测量波阻抗值的计算方式与整流站测量波阻抗值的计算方式相同。

在步骤G中，计算直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值的绝对值，

步骤G的识别方法具体为：

|abs(Z_mR)-abs(Z_mI)|<Z_set，

其中，abs为取幅值运算；Zset为区内外故障识别判据的阈值。若绝对值大于阈值Zset，判断故障发生在线路外；若绝对值小于阈值Zset，判断故障发生在线路上。

阈值Zset的计算方法为：

其中，Z_{eq_f1}为频率f₁下的平波电抗器和直流滤波器的并联阻抗；Z_{C_f1}为频率f₁下的线路波阻抗。

实施例3

结合上述实施例，本实施例公开上述方法的一个具体应用实例。具体的以一直流输电系统模型为例，提供一仿真实例。

本发明方法搭建了±500kV直流输电系统仿真模型，模型参数参考三峡-常州直流输电工程。其中，送电功率为3000MW，额定电压和额定电流分别为500kV和3kA。输电线路长度设为1000km。线路模型采用频率相关模型，杆塔结构采用DC2。采样频率为100kHz。代入线路参数，计算10kHz频率下线路的线模波阻抗和平波电抗器和直流滤波器的并联阻抗分别为213Ω、934.6Ω，则区内外故障识别判据的门槛值为360.8Ω。设置F1～F5为故障点，其中，F1表示正极线路故障，F2表示负极线路故障，F3表示整流站平波电抗器外侧故障，F4表示逆变站交流侧故障，F5表示双极线路故障。

表1给出了不同故障距离和过渡电阻下区内正极F1故障、负极F2故障，双极F5故障下的故障识别结果。

表1不同区内故障条件下的故障识别结果

由表1可知，发生区内故障时，直流线路两端的测量波阻抗基本相等，在不同故障距离和过渡电阻等情况下，线路两端测量波阻抗之差均不大于30Ω，远远小于整定值360.8Ω，判断为区内故障。

表2给出了整流站平波电抗器外侧F3故障和逆变站交流侧F4故障下的故障识别结果。

表2不同区外故障条件下故障识别判据的测试结果

由表2可知，当发生区外故障时，线路两端测量波阻抗差异很大，利用线路两端测量波阻抗的明显差异可以准确识别出区外故障。

由上述实例可知本发明在各种故障情况下均能可靠、快速地识别区内外故障，对高阻故障也有良好的动作性能，且故障判据有明确的整定原则。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、分别采集直流输电系统整流站正极线路和负极线路、逆变站正极线路和负极线路两端的电压和电流；

B、根据步骤A的结果分别计算正极线路和负极线路两端的电压突变量和电流突变量；

C、将每一级线路的电压突变量和电流突变量转换为相应的线模电压分量和线模电流分量；

D、将步骤C中的结果进行离散S变换，得到相应的某一频率的电压分量和电流分量随时间变化的分布；

E、提取初始电压行波和电流行波的幅值，计算直流线路两端的测量波阻抗值；

F、将逆变站计算得到的测量波阻抗值传递至整流站；

G、根据直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值对内外故障进行识别。

2.根据权利要求1所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于：所述步骤B中计算整流站正极线路和负极线路两端的电压突变量△u_Rp和电流突变量△i_Rp的具体方法为：

△u_Rp＝u_Rp(N)-u_Rp(N-n)；

△i_Rp＝i_Rp(N)-i_Rp(N-n)；

其中，p＝1、2，分别表示正极线路和负极线路；N为采样点个数，n为10ms内的采样点数，u_Rp(N)为整流站正极线路或负极线路的电压采样值。

3.根据权利要求2所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于：所述步骤C采用相模变换技术，计算整流站的线模电压△u_R11和线模电流△i_R11分量的方法为：

${\mathrm{\&Delta;u}}_{R11}=\frac{{\mathrm{\&Delta;u}}_{R1}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{R2}}{\sqrt{2}};$

${\mathrm{\&Delta;i}}_{R11}=\frac{{\mathrm{\&Delta;i}}_{R1}-{\mathrm{\&Delta;i}}_{R2}}{\sqrt{2}}.$

4.根据权利要求1所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于，在步骤D中，分别对线模电压分量和线模电流分量的离散时间序列进行离散S变换得到复时频矩阵，从该矩阵中提取所需频率f₁对应的列向量，即得到该频率的电压分量和电流分量随时间变化的分布。

5.根据权利要求4所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于，对线模电压分量进行离散后的离散时间序列为u₁[kT]，其中，k＝0、1、2、…、N-1，N为故障前后3ms的采样点数，T为采样间隔；对u₁[kT]进行离散S变换的具体方法为：

当n≠0时，u₁[kT]的离散S变换为：

$S_{u1}\&lsqb;jT,\frac{n}{NT}\&rsqb;=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}{U}_1\&lsqb;\frac{m+n}{NT}\&rsqb;e^{-\frac{2{\mathrm{\&pi;}}^2{m}^2}{n^2}}{e}^{\frac{i2\mathrm{\&pi;}mj}{N}};$

其中，为u₁[kT]的离散傅里叶变换；j为时间采样点；n为频率采样点；

＝0、1、…、N-1；n＝0、1、…、N-1；

当n＝0时，u₁[kT]的离散S变换为：

$S_{u1}\&lsqb;jT,0\&rsqb;=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}{u}_1\left(\frac{m}{NT}\right).$

6.根据权利要求4所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于，计算整流站两端的测量波阻抗值的方法为：S_uR(t,f₁)、S_iR(t,f₁)分别为频率f₁下整流站的电压分量和电流分量，其相应的幅值向量为A_uR(t,f₁)、A_iR(t,f₁)，则频率f₁下的电压初始行波和电流初始行波幅值为A_uR(t₁,f₁)，A_iR(t₁,f₁)，其中，t₁为初始行波到达测点的时刻；则整流站测量波阻抗为：

$Z_{mR}=\frac{L_{uR}(t_1,f_1)}{A_{iR}(t_1,f_1)}.$

7.根据权利要求1所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于：在步骤G中，计算直流线路整流站与逆变站测量波阻抗差值的绝对值，若绝对值大于某阈值，判断故障发生在线路外；若绝对值小于某阈值，判断故障发生在线路上。

8.根据权利要求7所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于，步骤G的识别方法具体为：

|abs(Z_mR)-abs(Z_mI)|<Z_set，

其中，abs为取幅值运算；Zset为区内外故障识别判据的阈值。

9.根据权利要求8所述的基于测量波阻抗的高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于，所述Zset的计算方法为：

$Z_{set}=0.5\left|Z_{eq\_f_1}-Z_{C\_f_1}\right|,$

其中，Z_{eq_f1}为频率f₁下的平波电抗器和直流滤波器的并联阻抗；Z_{C_f1}为频率f₁下的线路波阻抗。