CN108023339B - 基于特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法 - Google Patents

基于特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法，利用高压直流输电线路两端直流滤波器支路特征频率电流的突变方向实现区内、外故障的判别，步骤如下：采集直流线路两端直流滤波器支路电流，并利用滑窗的离散傅里叶算法DFT提取特征频率电流；根据直流滤波器支路的特征频率电流计算电流突变量，并判断是否大于保护启动门槛值；若高压直流输电线路整流侧、逆变侧直流滤波器支路的特征频率电流突变量中的任意一个大于保护启动门槛值，则延时td，保护启动；判定直流线路两端特征频率电流的突变方向p1、p2；基于特征频率电流的突变方向p1、p2实现区内、外故障识别。

Description

基于特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法
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,尤其涉及一种基于直流滤波器特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法。
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。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。
针对目前直流线路保护存在的问题，众多学者对于高压直流输电线路保护的研究以主保护为主。《Fault analysis and traveling-wave protection scheme for bipolarHVDC lines》提出了新的高速行波保护，但易受干扰和高阻影响。《利用滤波器支路电流的高压直流输电线路全线速动保护》通过判断特定频带下单端电流幅值是否超过设定门槛来判别区内、外故，但较长线路的远端故障时，保护的灵敏性可能无法满足要求。《高压直流输电线路电流差动保护新原理》基于贝瑞龙分布参数模型提出了差动保护方法，但需要两端数据严格同步。《A transient protection scheme for HVDC transmission line》和《Novel pilot protection principle for high-voltage direct currenttransmission lines based on fault component current characteristics》分别根据区内、外故障时整流侧、逆变侧两端暂态能量、故障电流差异，提出了新的纵联保护方案。基于突变量的纵联保护原理动作速度快，不受电容电流影响，但耐过渡电阻能力有限。高压直流线路主保护动作区间较短，一旦错过故障暂态时期便失去动作机会，因此，需要研究高可靠性的后备保护，以提高主保护拒动时线路保护的可靠性。《A Directional ProtectionScheme for HVDC Transmission Lines Based on Reactive Energy》基于直流输电线路无功能量提出了后备保护新方案，该方法能准确区分区内、外故障，但耐过渡电阻能力低。《Improved differential current protection scheme for CSC-HVDC transmissionlines》基于新定义的差动电流提出了改进的差动保护，区内故障时保护对数据同步误差具有较高的耐性，但区外故障时，对数据同步要求较高。因此，为保证直流输电线路的可靠性和安全性，研究耐高阻且对数据同步要求低的后备保护具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于直流滤波器特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法。本发明分析了直流输电线路的区内、外故障时故障稳态时期直流滤波器支路特征频率电流突变方向特征，构造高压直流输电线路后备保护判据以识别高压直流输电线路区内、外故障，不仅克服了传统高压直流输电线路后备保护的不足，并且不需要两端数据同步，耐高过渡电阻，采样频率较低，运算简单，易于实现，灵敏性、可靠性高。本发明的技术方案如下：
一种基于直流滤波器特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法，利用高压直流输电线路两端直流滤波器支路特征频率电流的突变方向实现区内、外故障的判别，步骤如下：
(1)采集直流线路两端直流滤波器支路电流，并利用滑窗的离散傅里叶算法DFT提取特征频率电流。
(2)利用下面的公式根据直流滤波器支路的特征频率电流计算5ms内的电流突变量，并判断是否大于保护启动门槛值：
式中，N为5ms内的采样点数；k为整数，取1，2，3，……，N；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流输电线路整流侧、逆变侧直流滤波器支路的特征频率电流突变量；kset为整定系数；ISFM为正常运行时直流线路整流侧直流滤波器支路特征频率电流幅值；
(3)若高压直流输电线路整流侧、逆变侧直流滤波器支路的特征频率电流突变量中的任意一个大于保护启动门槛值，则延时td，保护启动；
(4)利用下面的公式分别判定直流线路两端特征频率电流的突变方向p1、p2：
式中，i＝1或2，p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向的判别逻辑值；Iset为直流滤波器支路特征频率电流突变量方向判定的门槛值，Iset＝krISFM，kr为保护整定系数，取0.4～0.8；
(5)基于特征频率电流的突变方向p1、p2实现区内、外故障识别：
当p1+p2>0时，识别故障为直流线路区内故障；当p1＝-2或p2＝-2时，判定故障为直流线路区外故障。
优选地，整定系数kset取0.2～0.4。保护整定系数kr取0.4～0.8。延时td取2～3个工频周期。
本发明针对传统高压直流输电线路后备保护存在的缺陷，提出了一种基于直流滤波器特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法。与现有技术相比具有以下优点：
(1)本方法利用直流滤波器支路特征频率电流突变方向特征实现区内、外故障的判别，不需要两端数据同步；
(2)本发明是基于直流输电线路区内、外故障时直流滤波器支路特征频率电流突变方向差异，提出了高压直流输电线路纵联保护方法，保护理论完善、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，且耐高阻；
(4)利用与换流器和直流滤波器有关的特征频率电流信号进行故障识别，由于电流信号频率较低且能量大，直流滤波器支路电流为A级，对保护装置的采样频率要求低、易于实现，因此利用直流滤波器支路特征频率电流信号的高压直流输电线路后备保护具有高可靠性、高灵敏性的特点。
附图说明
图1双极高压直流输电系统示意图。
图2高压直流输电系统等效电路。
图3稳定的直流等效电路和特征谐波等效电路。
图4典型的直流滤波器频率阻抗特性。
图5特征频率600Hz电流随控制角和Umax变化规律。
图6区内故障时高压直流系统特征谐波等效电路。
图7高压直流输电线路中点故障时控制角仿真图。
图8区外故障时高压直流系统特征谐波等效电路。
图9距离M侧1500km处正极金属性接地故障时仿真图。
图10整流侧fR2处区外故障时仿真图。
图11整流侧fI2处区外故障时仿真图。
图12距离M侧1500km处正极经500欧姆过渡电阻接地故障时仿真图。
图13本发明的高压直流线路区内、外故障识别原理框图。
图中标号说明：
图1中l为直流线路全长；fx表示直流输电线路上距离M端x处的故障点；fR1和fR2为整流侧区外故障；fI1和fI2为逆变侧区外故障。
图2中UdcR、UdcI分别为整流侧、逆变侧换流器和交流系统的等效直流电压源；USFR、USFI分别为整流侧、逆变侧换流器和交流系统的等效特征谐波电压源；ZSR、ZSI分别为整流侧、逆变侧换流器和交流系统的等效阻抗；Zsr为平波电抗器阻抗；ZF为直流滤波器阻抗。
图3中(a)图为稳定的直流等效电路；(b)图为特征谐波等效电路；ISFM、ISFN分别为高压直流线路M、N侧直流滤波器支路的特征频率600Hz电流。
图5中Umax为交流侧相电压峰值；Leq为ZSR和Zsr在特征频率600Hz下的等值电感。
图6中USFRf、USFIf分别为故障时整流侧、逆变侧等效谐波电压源；ISFMf、ISFNf分别为故障时高压直流线路M、N侧直流滤波器支路的特征频率600Hz电流。
图7中(a)图为高压直流输电线路中点故障时控制角仿真结果；(b)图为高压直流输电线路中点故障时控制角仿真结果；为整流侧的控制角；为逆变侧的控制角。
图8中(a)图为整流侧区外故障时高压直流系统特征谐波等效电路；(b)图为逆变侧区外故障时高压直流系统特征谐波等效电路。
图9中(a)图为保护启动电流仿真结果；(b)图为保护动作电流仿真结果；(c)图为电流突变方向判别结果与保护动作结果；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流线路M、N侧直流滤波器支路的特征频率600Hz电流突变量；p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向判定逻辑值；保护动作结果为2时，保护判定故障为区内故障。
图10中(a)图为保护启动电流仿真结果；(b)图为保护动作电流仿真结果；(c)图为电流突变方向判别结果与保护动作结果；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流线路M、N侧直流滤波器支路的特征频率600Hz电流突变量；p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向判定逻辑值；保护可靠启动，保护动作结果为0时，保护判定故障为区外故障。
图11中(a)图为保护启动电流仿真结果；(b)图为保护动作电流仿真结果；(c)图为电流突变方向判别结果与保护动作结果；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流线路M、N侧直流滤波器支路的特征频率600Hz电流突变量；p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向判定逻辑值；保护可靠启动，保护动作结果为0时，保护判定故障为区外故障。
图12中(a)图为保护启动电流仿真结果；(b)图为保护动作电流仿真结果；(c)图为电流突变方向判别结果与保护动作结果；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流线路M、N侧直流滤波器支路的特征频率600Hz电流突变量；p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向判定逻辑值；保护动作结果为2时，保护判定故障为区内故障。
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。
一种基于直流滤波器特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法，主要利用高压直流输电线路两端直流滤波器支路特征频率电流的突变方向实现区内、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。高压直流输电系统两侧保护实时采集直流线路M、N两端直流滤波器支路电流，并利用滑窗的离散傅里叶算法(DFT)提取特征频率600Hz电流。
(2)根据直流滤波器支路特征频率600Hz电流计算5ms内的电流突变量，并判断是否大于保护启动门槛值。
(3)若直流滤波器支路特征频率电流突变量ΔISF1或ΔISF2大于保护启动门槛值，则延时td，启动保护。
(4)分别判定直流线路M、N两端特征频率600Hz电流的突变方向p1、p2。
(5)基于特征频率600Hz电流的突变方向p1、p2实现区内、外故障识别。
步骤(2)中，利用公式(1)计算特征频率600Hz电流5ms内的电流突变量；
式中，N为5ms内的采样点数；k为整数，取1，2，3，……，N；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流输电线路M、N两端直流滤波器支路特征频率600Hz电流突变量；kset是整定系数，取0.2～0.4；ISFM为正常运行时M端直流滤波器支路特征频率600Hz电流幅值。
步骤(3)中，延时td取2～3个工频周期。
步骤(4)中，利用公式(2)判定直流线路两端特征频率600Hz电流的突变方向p1、p2；
式中，i＝1或2；p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向的判别逻辑值；Iset为直流滤波器支路特征频率电流突变量方向判定的门槛值，Iset＝krISFM，kr为保护整定系数，取0.4～0.8。
步骤(5)中，保护基于特征频率600Hz电流的突变方向p1、p2实现区内、外故障识别，当p1+p2>0时，识别故障为直流线路区内故障；当p1＝-2或p2＝-2时，判定故障为直流线路区外故障。其原理为：
如图2所示，为高压直流输电系统等效电路。根据叠加定理，高压直流输电等效电路可以分为稳定的直流等效电路和特征谐波等效电路，如图3所示。
图3中，整流侧和逆变侧的等效直流电压UdcR、UdcI计算公式：
式中，N为整流站和逆变站每极的6脉动换流器个数；UR、UI分别为整流侧、逆变侧换流变压器阀侧线电压有效值；XR、XI分别为整流侧、逆变侧等值换相电抗；Id为直流电流；为留有一定裕度来控制直流功率，正常运行时，为10～20°左右，而逆变器的一般为140°左右。
由式(3)可知，当UR、UI恒定，换流器降压运行时，整流侧控制角将增大，逆变侧控制角将减小。
如图4所示，为典型的直流滤波器频率阻抗特性。在调谐频率600Hz处，直流滤波器阻抗很小，可认为近似短路。即
ZF(600)＝0 (4)
根据欧姆定律和图3(b)，直流滤波器支路特征频率600Hz下的等效电流幅值ISFM
式中，Umax为交流侧相电压峰值；Leq为ZSR和Zsr在特征频率600Hz下的等值电感；
由式(3)、(4)和(5)得直流滤波器支路特征频率600Hz电流随控制角变化规律，如图5所示。图5中：当Umax/1200πLeq恒定时，若在0°～90°范围，即换流器运行于整流工况时，特征频率600Hz电流随着控制角增大而增大，且在时取得最大值；而若在90°～180°范围，即换流器运行于逆变工况时，特征频率600Hz电流随着控制角增大而减小。当恒定时，特征频率600Hz电流随着Umax/1200πLeq增大而增大。
由于换流器对故障具有一定的隔离作用，直流系统两换流站之间故障时，可认为交流侧相电压基波峰值及换流变压器阀侧线电压有效值不变。因此，直流滤波器支路特征频率600Hz电流幅值主要取决于换流器控制角的大小。
在故障稳态阶段，由于稳定的直流等效电路不产生特征谐波电流，特征谐波电流仅存在于特征谐波等效电路。
区内故障时，高压直流输电系统的特征谐波等效电路如图6所示。直流线路区内故障时，直流滤波器支路的电流仅受本侧换流器等效特征谐波电压源影响。即ISFMf由整流侧USFRf决定，ISFNf由逆变侧USFIf决定。
相比于正常运行时，直流输电系统运行于较低电压，整流侧的控制角增大，而逆变侧的控制角减小，如图7所示。结合直流滤波器支路特征频率600Hz电流随控制角变化规律，区内故障时，直流输电线路两端直流滤波器支路的特征频率600Hz电流均大于正常运行时的电流。即
定义
则
由公式(8)可知，当直流输电线路区内故障时，在故障稳态阶段，直流输电线路M、N两端直流滤波器支路的特征频率600Hz电流的突变量方向均为正方向。
区外故障时，高压直流输电系统的特征谐波等效电路如图8所示，图8(a)和8(b)分别对应整流侧、逆变侧的直流线路区外故障。
由图8可知，当整流侧故障时，直流输电线路M、N两端的直流滤波器支路特征频率电流由逆变侧USFIf决定；而当逆变侧故障时，直流输电线路两端的直流滤波器支路特征频率电流由整流侧USFRf决定。
考虑到在600Hz处直流输电线路阻抗和整流侧直流滤波器阻抗之和远大于逆变侧直流滤波器阻抗，经直流输电线路的衰减作用，故障侧直流滤波器支路的特征频率电流几乎为零。
对于整流侧区外故障，则
由公式(9)可知，当整流侧区外故障时，在故障稳态阶段，M端直流滤波器支路的特征频率600Hz电流的突变量方向为负方向；N端直流滤波器支路的特征频率600Hz电流的突变量方向为正方向。
对于逆变侧区外故障，则
由式(10)可知，当逆变侧区外故障时，在故障稳态阶段，M端直流滤波器支路的特征频率600Hz电流的突变量方向为正方向；N端直流滤波器支路的特征频率600Hz电流的突变量方向为负方向。
因此，对于高压直流输电线路区内故障，M、N两端直流滤波器支路特征频率600Hz电流均大于正常运行时的电流，即突变方向为正方向；对于高压直流输电线路区外故障，故障侧的直流滤波器支路特征频率600Hz电流小于正常运行时的电流，即突变方向为负方向。从而，可根据直流滤波器支路特征频率电流突变方向的不同实现区内、外故障判别。
利用PSCAD/EMTDC软件搭建±800kV向家坝超高压直流输电系统，如图1所示。直流输电线路全长为1907km，采用频率相关模型；采样频率为2kHz。
1)区内故障
距离M侧1500km处发生正极金属性接地故障，直流输电线路M、N两端的滤波器支路特征频率电流600Hz突变量、突变方向和保护动作结果，如图9所示。
由图可知，故障暂态时期，整流侧和逆变侧保护均可靠启动；故障稳态时期，特征频率电流突变量均大于整定值，则突变方向均为正方向，本发明方法判定为区内故障，并在故障后0.1s左右可靠动作，具有较高的灵敏性和可靠性。
2)区外故障
整流侧fR2处故障，直流输电线路M、N两端的滤波器支路特征频率600Hz电流突变量、突变方向和保护动作结果，如图10所示。
由图可知，故障稳态时期，逆变侧特征频率电流突变量大于整定值，突变方向为正方向；整流侧特征频率电流突变量小于整定值，突变方向为反方向；判定为区外故障，可靠不动作。
逆变侧fI2处故障，直流输电线路M、N两端的滤波器支路特征频率电流突变量、突变方向和保护动作结果，如图11所示。故障稳态时期，整流侧特征频率电流突变量大于整定值，突变方向为正方向；逆变侧特征频率电流突变量小于整定值，突变方向为反方向；判定为区外故障，可靠不动作。
3)故障距离的影响
为验证故障距离对保护的影响，针对不同故障距离的区内故障进行了仿真，仿真结果如表1所示。
表1不同故障距离的区内故障仿真结果
由表1可知，针对故障距离不同的区内故障，本发明方法可靠识别故障类型为区内故障，判定结果不受故障距离的影响。
4)过渡电阻的影响
如图12所示，为距离M侧1500km处正极经500欧姆过渡电阻接地故障时直流输电线路M、N两端的滤波器支路特征频率600Hz电流突变量、突变方向和保护动作结果。由图可知，故障稳态时期，M、N端的特征频率电流突变量均大于整定值，突变方向为正方向，判定为区内故障，并在故障后0.14s左右可靠动作，具有较高的灵敏性和可靠性。结合图9所示的金属性接地故障，可知，所提方法的可靠性不受过渡电阻影响。
根据图9至图12和表1的验证结果，可以显著的证明本发明所提方法在故障稳态时期可准确识别区内、外故障。与传统的差动保护相比，所提方法需要的动作延时短，不受线路分布参数的影响，不需要两端数据同步，耐高过渡电阻，灵敏性、可靠性高。
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 (4)

1.一种基于直流滤波器特征频率电流的高压直流输电线路后备保护方法，利用故障稳态期间高压直流输电线路两端直流滤波器支路特征频率电流的突变方向实现区内、外故障的判别，步骤如下：
(1)采集直流线路两端直流滤波器支路电流，并利用滑窗的离散傅里叶算法DFT提取特征频率电流，特征频率为600Hz；
(2)利用下面的公式根据直流滤波器支路的特征频率电流计算5ms内的电流突变量，并判断是否大于保护启动门槛值：
式中，N为5ms内的采样点数；k为整数，取1，2，3，……，N；ΔISF1、ΔISF2分别为高压直流输电线路整流侧、逆变侧直流滤波器支路的特征频率电流突变量，ΔISF1由获取的整流侧直流滤波器支路特征频率电流幅值减去ISFM，ΔISF2由获取的逆变侧直流滤波器支路特征频率电流幅值减去ISFN；kset为整定系数；ISFM、ISFN分别为正常运行时直流线路整流侧、逆变侧直流滤波器支路特征频率电流幅值；
(3)若高压直流输电线路整流侧、逆变侧直流滤波器支路的特征频率电流突变量中的任意一个大于保护启动门槛值，则延时td，保护启动；
(4)利用下面的公式分别判定直流线路两端直流滤波器支路特征频率电流的突变方向p1、p2：
式中，i＝1或2，p1、p2分别为ΔISF1、ΔISF2突变方向的判别逻辑值；Iset为直流滤波器支路特征频率电流突变量方向判定的门槛值，Iset＝krISFM，kr为保护整定系数，取0.4～0.8；
(5)基于特征频率电流的突变方向p1、p2实现区内、外故障识别：
当p1+p2>0时，识别故障为直流线路区内故障；当p1＝-2或p2＝-2时，判定故障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，整定系数kset取0.2～0.4。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护整定系数kr取0.4～0.8。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，延时td取2～3个工频周期。
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