CN107919656A - 基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法，利用高压直流输电线路单端特定频率电压变化量大小实现区内、外故障的判别，步骤如下：高压直流输电系统整流侧保护实时采集本侧电压信号，并利用滑窗的离散傅里叶算法DFT提取特定频率电压，特定频率为直流线路两端直流滤波器的并联谐振频率。计算3ms内的电压平均值并判断其是否满足保护启动判据，若大于保护启动门槛值，则启动保护；计算特定频率电压变化量系数VC；设定保护判定门槛值VC_set，比较电压变化量系数与保护判定门槛值VC_set大小，实现高压直流输电线路区内、外故障识别。

Description

基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统超/特高压直流输电继电保护领域,尤其涉及一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法。

背景技术

高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电以其输电容量大、损耗小、控制灵活等优点，在远距离输电、电力系统互联等方面得到了广泛应用。高压直流输电线路常穿越复杂的地形、运行于极端的气候环境下，故障发生概率较高，严重威胁直流输电系统的安全可靠运行。

传统的高压直流输电线路保护多以行波保护作为主保护、欠压保护和电流差动保护作为后备保护。行波保护对保护装置的采样频率要求高，其可靠性严重依赖于行波波头的识别，而高阻接地故障时，波头检测存在较大难度，存在灵敏度不足的问题。欠压保护易受过渡电阻影响，可靠性不高。差动保护为躲避故障后线路分布电容暂态充放电电流的影响，动作延时往往长达数百毫秒，不能实现故障的快速切除。因此，有必要进一步研究新的高压直流输电线路继电保护，以提高直流输电线路的运行可靠性。

针对传统高压输电线路保护存在的上述不足，《±800kV直流输电线路故障定位的单端电压自然频率方法》和《±800kV特高压直流线路暂态保护》基于暂态电压提出了高压直流输电线路单端保护方法，但存在着对装置的采样频率和处理能力要求极高，判别所用的信号能量低、可靠性不高等问题。《利用单端电流的高压直流输电线路全线速动保护》和《Protection scheme for high-voltage direct current transmission lines basedon transient AC current》根据平波电抗器和直流滤波器构成的直流滤波环节在直流输电线路区内、外故障时表现的阻抗特性差异，基于暂态电流特性提出了直流输电线路单端量保护方法，保护方法实现区内、外故障判别所用信号在直流线路侧分流器测量电流中含量较小，易受分流器饱和的影响，保护方案存在可靠性和灵敏度不足的问题。《利用滤波器支路电流的高压直流输电线路全线速动保护》提出了利用直流滤波器支路中特定频率电流实现全线速动的保护方法，保护灵敏度较高，但该方法未考虑线路的分布电容电流的影响，且线路较长时存在无法准确区分线路末端故障与逆变侧区外故障的问题。因此，有必要进一步研究高可靠性的高压直流输电线路继电保护，提高直流输电线路的运行可靠性，进而提高输电线路的可用率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法。本发明分析了直流线路的区内、外故障时单端特定频率电压变化量特性，即区内故障时特定频率电压变化量大；而区外故障时其变化量较小。基于此特征，利用特定频率电压变化量实现高压直流输电线路全线保护，不仅克服了传统高压直流输电线路保护的不足，并且耐高阻，不受线路分布电容电流的影响，原理简单，易于实现，灵敏性、可靠性高。本发明的技术方案如下：

一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法，利用高压直流输电线路单端特定频率电压变化量大小实现区内、外故障的判别，步骤如下：

(1)高压直流输电系统整流侧保护实时采集本侧电压信号，并利用滑窗的离散傅里叶算法DFT提取特定频率电压，特定频率为直流线路两端直流滤波器的并联谐振频率。

(2)根据下列公式整流侧保护提取的特定频率电压计算3ms内的电压平均值并判断其是否满足保护启动判据，若大于保护启动门槛值，则启动保护；

式中，；N为3ms内的采样点数；k为整数，取1，2，3，……，N；U(k)为第k个采样点特定频率电压瞬时值；k_set为整定系数；U_n为直流输电系统额定直流电压；

(3)计算Δt＝3ms时间内，特定频率电压变化量系数VC：；

(4)设定保护判定门槛值VC_set，利用下列公式比较电压变化量系数与保护判定门槛值VC_set大小，实现高压直流输电线路区内、外故障识别：

VC_set＝k_r·VC_max

式中，k_r为保护整定系数；VC_max为区内故障时特定频率电压的最大变化量系数；

若电压变化量系数VC大于保护判定门槛值VC_set，则判定为直流线路区内故障；若电压变化量系数VC小于保护判定门槛值VC_set，则判定为直流线路区外故障。

优选地，k_set取0.002～0.004。k_r取0.35～0.75。

本发明针对传统高压直流输电线路保护存在的缺陷，提出一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法。与现有技术相比具有以下优点：

(1)本方法利用单端电压量作为判据的原始信息，基于特定频率电压变化量实现区内、外故障的判别。与利用双端电气量的保护相比，不受双端数据通信通道及通信延时的影响，且可靠性高、动作速度快；

(2)本发明是基于直流输电线路区内、外故障时特定频率电压变化量差异，提出了高压直流输电线路单端量保护方法，保护理论完善、灵敏度高、选择性好；

(3)与现有方法相比，本发明方法不受线路分布参数的影响，耐高阻，可靠性高，可实现直流线路的全线保护。

附图说明

图1双极高压直流输电系统示意图。

图2典型的直流滤波器频率阻抗特性。

图3直流系统区、内外故障附加电路

图4直流线路区内、外故障时故障等效阻抗-频率特性

图5直流系统故障附加电路的戴维南等效电路

图6直流线路区内、外故障时等效导纳-频率特性

图7直流系统故障附加电路的诺顿等效电路

图8区内、外故障时等效系数与频率关系

图9直流线路正极1000km处金属性接地故障时保护仿真结果

图10直流线路正极1000km处带300Ω过渡电阻故障时保护仿真结果

图11整流侧f_R2处区外故障时保护仿真结果

图12逆变侧f_I2处区外故障时保护仿真结果

图中标号说明：

图1中l为直流线路全长；f_x表示直流输电线路上距离M端x处的故障点；f_R1和f_R2为整流侧区外故障；f_I1和f_I2为逆变侧区外故障。

图3中Z_M(s)、Z_N(s)为MN两侧的换流等值阻抗；Z_sr(s)为平波电抗器阻抗；Z_F(s)为直流滤波器等值阻抗；U_M(s)、I_M(s)为M侧分流器处的电压、电流；U_f(s)、I_fi(s)为故障点电压、故障点流向M侧的电流，i可取1、2、3；为直流线路的特征阻抗、传播常数。

图4中Z_f1(s)_x＝l、Z_f2(s)和Z_f3(s)分别为直流输电线路末端区内、整流侧区外、逆变侧故障时的故障等效阻抗。

图5中L_fi(i＝1，2，3)为故障等效阻抗Z_f1(850)_x＝l、Z_f2(850)、Z_f3(850)的等值替代电感。

图6中Y_Mf1(s)_x＝l、Y_Mf2(s)和Y_Mf3(s)分别为直流输电线路末端区内、整流侧区外、逆变侧故障时故障点与直流线路首端之间的等效导纳。

图7中L_eqi，i＝1、2、3，分别为等效导纳Y_Mf1(850)_x＝l、Y_Mf2(850)、Y_Mf3(850)的等值替代电感。

图8中k_i＝L_eqi/L_fi为等效系数，i可取1、2、3。

图9中VC为并联谐振频率850Hz电压变化量系数；保护启动结果为0时，保护不启动；保护动作结果为4时，保护启动；保护动作结果为0时，保护不动作；保护动作结果为2时，判定故障为区内故障，保护动作。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法，主要利用高压直流输电线路单端特定频率电压变化量大小实现区内、外故障的判别，其具体步骤如下：

(1)如图1所示，为本实施例具体应用的高压直流输电系统示意图。高压直流输电系统整流侧保护实时采集直流线路M端电压信号，并利用滑窗的离散傅里叶算法(DFT)提取特定频率850Hz电压。

(2)根据整流侧保护提取的特定频率850Hz电压计算3ms内的电压平均值，并判断其是否满足保护启动判据，若大于保护启动门槛值，则启动保护。

(3)计算Δt时间内850Hz电压变化量系数VC。

(4)比较电压变化量系数VC与保护判定门槛值大小，实现高压直流输电线路区内、外故障识别。

步骤(1)中，特定频率850Hz为典型双调谐直流滤波器的并联谐振频率，如图2所示。

步骤(2)中，利用公式(1)计算特定频率850Hz电压计算3ms内的电压平均值，并判断其是否满足保护启动判据；

式中，为3ms内特定频率850Hz电压幅值的平均值；N为3ms内的采样点数；k为整数，取1，2，3，……，N；U(k)为第k个采样点特定频率电压瞬时值；k_set为整定系数，取0.002～0.004；U_n为直流输电系统额定直流电压。

步骤(3)中，利用公式(2)计算Δt＝3ms时间内850Hz电压变化量系数VC；

步骤(4)中，若电压变化量系数VC大于保护判定门槛值，则判定为直流线路区内故障；若电压变化量系数VC小于保护判定门槛值，则判定为直流线路区外故障。利用公式(3)设定保护判定门槛值VC_set；

VC_set＝k_r·VC_max (3)

式中，k_r为保护整定系数，取0.35～0.75；VC_max为区内故障时850Hz电压的最大变化量系数。

步骤(4)中，比较电压变化量系数VC与保护判定门槛值大小，实现高压直流输电线路区内、外故障识别，原理为：

直流输电系统故障后，根据叠加原理，其故障状态可等效为正常运行状态和故障附加状态的叠加。直流线路区内、外故障时，直流输电系统故障附加电路，如图3所示。

直流线路区内故障时直流系统的故障附加电路，如图3(a)所示。M端电压、电流存在如下关系：

根据均匀传输线方程，由M端电压、电流推导得到故障电压U_f、故障电流I_f1

结合公式(4)和公式(5)，可得故障等效阻抗

考虑区内故障的极端情况，即当故障点位于直流线路末端(x＝l)时，故障等效阻抗取得最大值，即

直流线路整流侧、逆变侧区外故障时直流系统的故障附加电路，如图3(b)、图3(c)所示。同理可得，故障等效阻抗Z_f2(s)、Z_f3(s)

Z_f2(s)＝Z_f3(s) (9)

由图4可知，在并联谐振频率850Hz处，区外故障时Z_f2(850)和Z_f3(850)大于区内故障时Z_f1(850)_x＝l，且在频率850Hz附近，故障等效阻抗Z_f1(s)_x＝l、Z_f2(s)和Z_f3(s)均处于上升趋势，阻抗为感性。因此，直流输电系统区内、外故障时，故障等效阻抗Z_f1(850)_x＝l、Z_f2(850)、Z_f3(850)可分别用等值电感L_fi替代，i可取1、2、3，且存在如下关系

根据戴维南定理，对直流系统故障附加电路进行简化，得到戴维南等效电路，如图5所示。

根据戴维南等效电路，故障点电压U_f与故障电流I_fi存在如下关系

在时间Δt内，故障电流变化量计算如下

式中，ΔU_f为时间Δt内故障点电压U_f的变化量；ΔI_fi为时间Δt内电流I_fi的变化量。

由公式(12)可知，故障电流I_fi与故障等效电感成反比。结合公式(11)可知，在时间Δt内，区内故障时故障电流变化量较大，而区外故障时故障电流变化量较小。即

ΔI_f1＞ΔI_f2＝ΔI_f3 (13)

当直流线路区内故障时，根据均匀传输线方程，由M端电压、电流推导得到故障电流I_f1

考虑区内故障的最严重情况，即故障点位于直流线路末端，x＝l时，联立公式(6)和公式(14)，可得

当直流线路整流侧、逆变侧区外故障时，同理可得

根据实际直流输电系统参数和典型的双调谐直流滤波器参数，区内、外故障时等效导纳-频率特性，如图6所示。

由图6可知，在并联谐振频率850Hz处，Y_Mf1、Y_Mf2和Y_Mf3可认为近似相等，且在频率850Hz附近，等效导纳Y_Mf1、Y_Mf2和Y_Mf3均处于下降趋势，即导纳为感性。因此，区内外故障时，等效导纳Y_Mfi可以用等值电感L_eqi替代，且等值电感存在如下关系

L_eq1＝L_eq2＝L_eq3 (18)

根据诺顿定理，对直流系统故障附加电路进行简化，得到诺顿等效电路，如图7所示。

由7图可知，M端电压和故障电流存在如下关系

在时间Δt内，M端电压变化量计算如下

式中，ΔU_M为时间Δt内M端电压U_M的变化量。

将公式(12)带入公式(20)，可得

式中，k_i为等效系数。

根据公式(12)、公式(18)和公式(21)，可知

根据实际直流输电系统参数和典型的双调谐直流滤波器参数，区内、外故障时等效系数与频率的关系，如图8所示。

由图8可知，在并联谐振频率850Hz处，区内故障时等效系数k₁大于整流侧和逆变侧区外故障时等效系数k₂和k₃，与公式(22)的结论相一致。结合公式(21)可知，在时间Δt内，在区内故障时M端电压变化量大于区外故障时的电压变化量。因此，在理论上，利用M端电压变化量的大小可实现直流输电线路区内、外故障识别。

本实施例中，以单极HVDC CIGRE benchmark模型为基础，利用PSCAD/EMTDC软件搭建±500kV高压直流输电系统，如图1所示，对不同的区内、区外故障进行了仿真验证。直流线路全长为1000km，采用频率相关模型；采样频率为2kHz。

1)区内故障

直流输电线路末端金属性、经300Ω过渡电阻接地故障时，其保护动作特性仿真结果分别如图9、图10所示。

由图9和图10可知，故障后850Hz电压迅速增大，超过保护启动门槛值，保护启动；电压变化量系数VC大于保护整定值，本发明方法判定为区内故障，具有较高的灵敏性和可靠性。

为进一步分析不同过渡电阻、故障距离对本文保护方法的影响，不同类型正极故障时保护动作仿真结果，如表1所示。

表1不同类型区内故障时保护动作仿真结果

由表1可知，在不同故障位置、过渡电阻下，保护均能快速可靠启动；变化量系数VC电流大于保护动作门槛值，保护实现可靠动作。因此，本发明方法能实现区内故障的快速识别，保护可靠动作，且不受过渡电阻影响。

2)区外故障

整流侧f_R处和逆变侧f_I处故障时，其保护动作特性仿真结果分别如图11、图12所示。

由图11可知，整流侧f_R处故障时，故障后启动电压幅值增大，超过保护启动门槛值，保护启动；电压变化量系数VC远小于保护整定值，保护判定为区外故障，保护可靠不动作。

由图12可知，逆变侧f_I处故障时，故障后启动电压幅值增大，超过保护启动门槛值，保护启动；电压变化量系数VC远小于保护整定值，保护判定为区外故障，保护可靠不动作。

上述虽然结合具体的实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于特定频率电压的高压直流输电线路单端量保护方法，利用高压直流输电线路单端特定频率电压变化量大小实现区内、外故障的判别，步骤如下：

(1)高压直流输电系统整流侧保护实时采集本侧电压信号，并利用滑窗的离散傅里叶算法DFT提取特定频率电压，特定频率为直流线路两端直流滤波器的并联谐振频率。

(2)根据下列公式整流侧保护提取的特定频率电压计算3ms内的电压平均值并判断其是否满足保护启动判据，若大于保护启动门槛值，则启动保护；

<mrow> <mover> <mi>U</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>U</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow>

式中，；N为3ms内的采样点数；k为整数，取1，2，3，……，N；U(k)为第k个采样点特定频率电压瞬时值；k_set为整定系数；U_n为直流输电系统额定直流电压；

(3)计算Δt＝3ms时间内，特定频率电压变化量系数VC：；

(4)设定保护判定门槛值VC_set，利用下列公式比较电压变化量系数与保护判定门槛值VC_set大小，实现高压直流输电线路区内、外故障识别：

VC_set＝k_r·VC_max

式中，k_r为保护整定系数；VC_max为区内故障时特定频率电压的最大变化量系数；

若电压变化量系数VC大于保护判定门槛值VC_set，则判定为直流线路区内故障；若电压变化量系数VC小于保护判定门槛值VC_set，则判定为直流线路区外故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，k_set取0.002～0.004。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，k_r取0.35～0.75。