CN107179482B

CN107179482B - 基于电流特征量的特高压直流输电线路故障识别方法

Info

Publication number: CN107179482B
Application number: CN201710556596.7A
Authority: CN
Inventors: 戴志辉; 严思齐; 朱惠君; 苏怀波
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: CN107179482A

Abstract

本发明属于高压直流输电技术领域，具体涉及一种基于电流特征量的特高压直流输电线路故障识别方法。所述方法包括1)构造中间量：将两端电流求和并除以2，部分抵消反同步变化成分，放大同步变化成分；将两端电流作差并除以2，部分抵消同步变化成分，放大反同步变化成分；两端电流取标幺值；2)构造判据特征量r：根据步骤1)得到的构造的中间量，将b个相关系数累加，两次累加范围不重叠；3)判据设置：对于r值设置3种动作判据；4)判据整定：对判据设置中涉及的定值进行整定计算；5)闭锁判据。

Description

基于电流特征量的特高压直流输电线路故障识别方法

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，具体涉及一种基于电流特征量的特高压直流输电线路故障识别方法。

背景技术

特高压直流(UHVDC)输电线路往往在1000km以上，沿线气候/地形复杂，线路故障概率增大，其继电保护系统的作用越显重要。UHVDC线路保护的经典方案是行波保护为主保护，微分欠压保护、纵联差动保护为后备保护，横差保护为金属回线运行方式下投入的后备保护。其中，纵联差动保护的定位是保护全线的高阻接地故障。实际中，纵联差动保护需要躲避因区外故障和直流控制系统调控引起的电流波动，动作延时可能达1.1s；定值需要躲过区外故障情况下的不平衡电流，带较高过渡电阻能力有限；此外，仅基于线路两端电气量“差值”特征进行判断，易受故障过渡电阻、补偿参数计算误差等因素的影响。UHVDC线路纵联类保护目前的研究热点是结合时频分析、行波分析及特定频率分量。如基于S变换的高压直流线路纵联保护方法，利用S变换构造电压电流相角差，纵联两端判别方向结果判断故障位置，无需设置延时、耐受过渡电阻能力较强，但计算量大。通过比较线路两端电流故障分量的前向行波与反向行波的极性和相位，区分区内外故障，或利用故障发生后一段时间内线路两端反行波幅值积分的比值来识别区内故障。这类保护无需设置延时，但信道要求高计算前向、反向行波的过程复杂。

相关性分析在UHVDC线路保护中也有应用，例如通过计算线路两端行波波形的相关系数，判断故障是否发生在区内。计算实测电压与通过电感元件性能方程得到计算电压的相关系数，判断区内、外故障。利用正极和负极暂态电压分别与+800和-800kV的相关系数，构造雷击干扰识别判据。这些方法要么计算电压或电流的某一分量的相关系数(如行波、暂态电压)，要么结合元件性能方程，未见基于两端电流量相关性分析的故障识别方法。

发明内容

1)保护动作量的构造，

本发明将UHVDC线路高阻故障划分为3个阶段：

从故障发生到线路末端电压恢复正常值的时段称为阶段一，此阶段电流波动较剧烈；

从阶段一结束到电流被限制在预设值的时段称为阶段二，此阶段电流波动较少向预设值变化；

阶段二之后的时段称为阶段三，此阶段故障线路电压接近正常值、电流低于正常值。

纵联差动保护为防止误动于区外故障遇到电流波动即闭锁一段时间，往往在阶段二、阶段三才起动并按一定延时出口，导致快速性差。输电线路的整流侧称为首端，逆变侧称为末端。阶段一极电流波动较剧烈，电流变化幅度受过渡电阻影响较大。若设定电流定值，则不能有效保护高阻故障。但是变量变化的幅度不影响相关系数计算结果，可利用相关系数提取极电流波动趋势信息。以变化是否同步为标准，可以把两端电流划分为3种组成成分：变化趋势相同的成分称为同步变化成分；变化趋势相反的称为反同步变化成分；非上述两种成分的称为不相关成分。本发明分析正常运行及区内、外故障情况下，两端电流的相关性以及同步、反同步変化成分的产生原因。

本发明的技术方案是一种基于电流特征量的特高压直流输电线路故障识别方法，包括以下步骤：

1)构造中间量：

为突出故障特征，进行相关性分析的2个中间量，应分别反映两端电流的同步、反同步变化。本发明利用两端电流构造中间量，便于工程应用。将两端电流求和并除以2，部分抵消反同步变化成分，放大同步变化成分。将两端电流作差并除以2，部分抵消同步变化成分，放大反同步变化成分。为简化计算，两端电流取标幺值，构造中间量如式(1)：

式中：i₁(t)、i₂(t)分别为t时刻线路首、末端测量电流的标幺值，s₀、s₁是构造的中间量，s₀主要反映两端电流反同步变化成分，因正常运行时线路存在对地电容，造成首端电流略大于末端电流，s₀接近0但大于0。s₁主要反映两端电流同步变化成分，正常运行时接近1。因变化幅度的大小不影响相关系数计算结果，所构造s₀、s₁数值范围不必相近。每产生a个s₀、s₁计算一次相关系数，两次计算使用的数据不重复。t时刻最新产生的a个s₀、s₁组成的数组记为S₀(t)、S₁(t)。

式中：Ts为两端电流的采样周期。

2)基于中间量，进一步构造判据特征量r。它是新产生的b个相关系数的累加，两次累加范围不重叠，可表示为：

式中：T_s为两端电流的采样周期；r(T)为T时刻保护动作量；D(x)表示数组x的方差；E(x)表示数组x的期望。a、b的取值应保证r有合适的值域和正常运行时r的范围稳定；b不宜过小，避免单个异常相关系数造成判据特征量异常。

3)判据设置与整定

3.1判据原理

本发明含3种动作判据：

1)r波动次数判据：定值包括判断波动定值dz₁₁和波动次数定值dz₁₂。相继产生的2个判据特征量若1个小于dz₁₁另1个大于dz₁₁记为波动1次。在0.4s内波动次数达到或超过dz₁₂，认为发生区内故障。

2)r平均值判据1：主要针对第2节中提及的故障阶段三。定值包括稳定段判定定值dz₂₁，平均值低定值dz₂₂，平均值高定值dz₂₃。计算最近产生的10个判据特征量的极差，每产生1个r就计算1次。极差若小于dz₂₁则计算这10个判据特征量的平均值，若平均值位于dz₂₂和dz₂₃之间，认为发生区内故障。

3)r平均值判据2：主要针对阶段一、二定值包括波动段判定定值dz₃₁，平均值低定值dz₃₂，平均值高定值dz₃₃。计算最近产生的10个判据特征量的极差，每产生1个r就计算1次。极差若大于dz₃₁则计算这10个判据特征量的平均值，若平均值位于dz₃₂和dz₃₃之间，认为发生区内故障。

3.2判据中的定值整定方法

本发明涉及的定值整定计算，流程分两步：

1)由故障前后特征，设置大概范围。dz₁₁应小于r正常运行的值(下文记为R_N)并留有合适裕度，如选取R_N的85％作为dz₁₁的上限；选取R_N相反数或更小的值作为dz₁₁的下限。dz₁₂的下限设置为3次，上限应稍大于典型过渡电阻下首端故障r的增减次数。

dz₂₁下限应取典型过渡电阻下末端故障r较稳定段的极差；上限可取R_N的一半左右。dz₂₂下限应为较小正数，可取R_N的10％；上限为R_N的85％和dz21下限的差。dz₂₃下限为dz22与dz21下限的和，上限应不超过R_N的85％。

dz₃₁下限可取为1；上限为R_N的一半左右。dz₃₂下限应为较小正数，如R_N的10％；上限可取R_N的85％。dz₃₃下限可取等于dz32，上限则取R_N的85％。

2)选择步长并按照典型故障计算进行具体定值的确定。为保证较优解，步长可取R_N的2％左右的整数。典型故障包括线路等距分点处的各种故障，和两端平波电抗器阀侧的故障，每处故障应考虑典型过渡电阻，如0、50、300、1000Ω。记录每种判据能保护的故障位置和过渡电阻情况，取能保护区内故障多、区外故障误动少的定值为最终定值。

3.3闭锁判据

r平均值判据1需引入闭锁判据。闭锁判据利用s₀的数值构成，且每过c毫秒执行一次判断。若s₀在此时段内的最小值大于d(p.u.)则闭锁判据不起动，否则闭锁保护出口c毫秒，并将s波动次数判据的波动次数计数置为0。c可取r的产生周期或者其整数倍，d应取较接近0的负数。整体判据逻辑如图1所示。

本发明的有益效果：本发明提出的相关性分析故障识别方法可以改善纵联保护的性能，其优势是：1)反映两个变量的变化趋势，是两个电量变化趋势的定量描述，可用以设置暂态过程中的判据；2)变量变化的幅度大小不影响相关系数计算结果，可用于构造反映区内高阻故障并且兼顾快速性的判据。

附图说明

图1为本发明方法判据逻辑流程图。

图2为本发明方法中模型输电线路杆塔结构图。

具体实施方式

下面结合附图，用仿真模型对本发明进行仿真验证。

线路模型为±800kV/5kA双极UHVDC模型，一次回路的参数来源于实际工程。线路采用依频(相)模型，总长度1 891km，代表档距选用500m，弧垂26m，杆塔的具体参数如图2所示。导线采用6分裂，等效半径0.4572m，类型为绞线，总股数52，最外层股数21，每股半径2.265mm，电阻0.03984Ω/km。地线1、2的电阻分别为0.4696Ω/km和0.465Ω/km。整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定电压控制；整流侧额定触发角13°，逆变侧额定熄弧角17°。研究对象为正极线路，线路两端测量的电流以整流站流向逆变站为正方向，测点位于直流滤波器线路侧，采样频率100kHz。故障位置有15处：区内故障有线路全长的0.5％、10％-90％，99.5％共11处、区外故障有整流站平波电抗器阀侧、逆变站平波电抗器阀侧、整流站交流母线、逆变站交流母线。直流故障类型为正极接地故障，过渡电阻取0(0.01)、50、300、1000、2000Ω；交流故障类型为三相接地故障，过渡电阻取0(0.01)、10、30、50Ω。

设置前述15种故障位置每个位置4种过渡电阻，共60种故障情况，对分别生成的r进行分析，确定定值，分析步长取0.02R_N≈1。最终各判据定值如表1所示。

区内故障

5套动作判据结合使用，可以可靠保护全线300Ω，1000Ω和2000Ω的故障，在区内的44种故障情况中，不能保护5种故障情况：即，线路0.5％金属接地故障；线路0.5％处50Ω过渡电阻接地故障；线路10％处金属接地故障；线路99.5％处金属接地故障和线路99.5％处的50Ω过渡电阻接地故障。这5种故障处于行波保护，微分欠压保护，传统纵联差动保护的可靠动作范围内，因此适用于高阻接地故障的判据可以不考虑保护这5种故障。

如表所示，全线50Ω接地的故障(除线路首端0.5％处的50欧姆接地故障)，最慢出口时间为120ms；全线300Ω接地的故障，最慢出口时间为200ms；全线1000Ω接地的故障，最慢出口时间为220ms；全线2000Ω单极接地故障，最慢出口时间为220ms。本发明提出的判据的快速性明显优于传统纵联差动保护，即使考虑到两端数据对时需要75ms，动作时间也具有相当优势。

表1判据定值

表1区内故障的判据动作情况一览表

表中数据含义为：判据出口时间-编号。编号如表2所示。例如表第2行第4列的50-4表示表2中4号判据在50ms出口于线路0.5％处的300Ω故障。区外故障

设置闭锁判据前，判据1会误动作于逆变站平波电抗器阀侧故障与逆变站交流母线故障；判据2会误动作于整流站平波电抗器阀侧故障、整流站交流母线故障，其他区外故障发生2-3s之后判据2也可能误动作；判据3会误动作于逆变站平波电抗器阀侧的某些过渡阻值故障。设置闭锁判据后，无误动作，但是区内线路99.5％处的50Ω过渡电阻故障被闭锁动作，区内其他故障情况下的判据动作不受影响。区内线路99.5％处的50Ω故障属于其他线路保护的可靠动作区，因此可以应用提出的闭锁判据。

结论

经仿真验证，提出的UHVDC单极线路高阻保护能有效保护本极线路300-2000Ω的故障。

1)两端电流形成的保护动作量，能定量反映线路两端电流的变化趋势，以此特征量的数值特征可区分正常运行、区内故障和区外故障。

2)基于相关系数的保护动作量受过渡电阻影响小，带过渡电阻能力强。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种基于电流特征量的特高压直流输电线路故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构造中间量：将两端电流求和并除以2，部分抵消反同步变化成分，放大同步变化成分；将两端电流作差并除以2，部分抵消同步变化成分，放大反同步变化成分；两端电流取标幺值，构造中间量如式(1)：

式中：i₁(t)、i₂(t)分别为t时刻线路首、末端测量电流的标幺值，s₀、s₁是构造的中间量，s₀主要反映两端电流反同步变化成分，因正常运行时线路存在对地电容，造成首端电流略大于末端电流，s₀接近0但大于0，s₁主要反映两端电流同步变化成分，正常运行时接近1；

每产生a个s₀、s₁计算一次相关系数，两次计算使用的数据不重复，t时刻最新产生的a个s₀、s₁组成的数组记为S₀(t)、S₁(t)；

式中：Ts为两端电流的采样周期；

2)构造判据特征量r：根据步骤1)得到的构造的中间量，将b个相关系数累加，两次累加范围不重叠，表示为：

式中：T_s为两端电流的采样周期；r(T)为T时刻保护动作量；D(x)表示数组x的方差；E(x)表示数组x的期望；a、b的取值保证r有合适的值域和正常运行时r的范围稳定；

3)判据设置：对于r值设置3种动作判据：

4)判据整定：对判据设置中涉及的定值进行整定计算；

5)闭锁判据；

步骤1)中所说的“同步变化成分和反同步变化成分”，以变化是否同步为标准，把两端电流划分为3种组成成分：变化趋势相同的成分称为同步变化成分；变化趋势相反的称为反同步变化成分；非上述两种成分的称为不相关成分；

步骤3)中所述的3种动作判据包括：

1)r波动次数判据：定值包括判断波动定值dz₁₁和波动次数定值dz₁₂，相继产生的2个判据特征量若1个小于dz₁₁另1个大于dz₁₁记为波动1次，在0.4s内波动次数达到或超过dz₁₂，认为发生区内故障；

2)r平均值判据1：针对故障阶段三；定值包括稳定段判定定值dz₂₁，平均值低定值dz₂₂，平均值高定值dz₂₃，计算最近产生的10个判据特征量的极差，每产生1个r计算1次；极差若小于dz₂₁则计算这10个判据特征量的平均值，若平均值位于dz₂₂和dz₂₃之间，认为发生区内故障；

3)r平均值判据2：针对阶段一和二，定值包括波动段判定定值dz₃₁，平均值低定值dz₃₂，平均值高定值dz₃₃；计算最近产生的10个判据特征量的极差，每产生1个r计算1次，极差若大于dz₃₁则计算这10个判据特征量的平均值，若平均值位于dz₃₂和dz₃₃之间，认为发生区内故障；

所述三个阶段的定义如下：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)所述整定计算包括：

1)由故障前后特征设置范围；dz₁₁应小于r正常运行的值R_N，并留有合适裕度，选取R_N的85％作为dz₁₁的上限；选取R_N相反数或更小的值作为dz₁₁的下限；dz₁₂的下限设置为3次，上限稍大于典型过渡电阻下首端故障r的增减次数；

dz₂₁下限取典型过渡电阻下末端故障r稳定段的极差；dz₂₁上限取R_N的一半，dz₂₂下限为较小正数，取R_N的10％；dz₂₂上限为R_N的85％和dz21下限的差；dz₂₃下限为dz22与dz21下限的和，dz₂₃上限不超过R_N的85％；dz₃₁下限取1；dz₃₁上限为R_N的一半，dz₃₂下限为较小正数，取R_N的10％；dz₃₂上限取R_N的85％，dz₃₃下限等于dz32，dz₃₃上限取R_N的85％；

2)选择步长并按照典型故障计算进行具体定值的确定，所述步长取R_N2％的整数，所述典型故障包括线路等距分点处的各种故障，和两端平波电抗器阀侧的故障，每处故障考虑典型过渡电阻，记录每种判据能保护的故障位置和过渡电阻情况，取能保护区内故障多、区外故障误动少的定值为最终定值。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5)所述闭锁判据引入r平均值判据1，利用s₀的数值构成，且每过c毫秒执行一次判断；若s₀在此时段内的最小值大于d(p.u.)则闭锁判据不起动，否则闭锁保护出口c毫秒，并将s波动次数判据的波动次数计数设置为0；c取r的产生周期或者其整数倍，d取接近0的负数。