CN108711833B - 一种基于u-i特性的特高压直流输电线路保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于U‑I特性的特高压直流输电线路保护方法。该方法通过建立直流电压和直流电流的U‑I平面，利用直流输电线路区外故障与区内故障状态下，U‑I动态轨迹历经不同区域的特征，分别在整流侧和逆变侧两端构建保护判据，并基于两侧判断信息的交互判断形成保护新原理。当线路发生区外故障时，整流侧和逆变侧U‑I动态轨迹具有一致性特征，而当线路发生区内故障时，两侧U‑I动态轨迹不一致性，整流侧历经IV‑III区域，逆变侧仅历经III区域。基于上述差异性，分别构建不同侧的保护判据。该保护方法原理简洁，易于整定，灵敏性高，能够快速识别区内和区外故障；同时该方法仅通信状态量，应用在工程上容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对特高压直流输电线路的继电保护方法，具体是一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法。
背景技术
直流输电具有线路造价低、线路走廊窄、输送容量大、线路有功损耗小、功率调节容易、电网互联方便等诸多优点得到快速的发展和工程应用，然而运行数据显示，目前特高压直流输电工程继电保护的动作正确率偏低，特别是故障率最高的直流线路的保护表现得更为明显(宋国兵,高淑萍,蔡新雷,张健康,饶菁,索南加乐.高压直流输电线路继电保护技术综述[J].电力系统自动化,2012,36(22):123-129.)。当前工程中，特高压直流输电线路主要配备行波保护和微分欠压保护作为主保护，动作速度快，选择性好。但作为具有较高灵敏度的后备保护——纵联差动保护，其正确动作率和工程实现难度均是当前研究的热点。特高压直流线路的纵联差动保护由于受到线路分布电容的影响，需要等暂态过程结束后保护判据才成立，动作时间稍长，且灵敏度不高。
为解决上述问题，出现了一些创新性的成果(郭亮,熊华强,王冠南,桂小智,潘本仁.一种长距离特高压直流输电线路的差动保护方法:中国发明专利,201510255701.4[P].2018-01-09.)，取得了一定的效果，但对于基于电流差动保护判据的改进，避免不了需要两侧高同步的保护信息量。
提高特高压直流输电线路继电保护的可靠性、速动性以及耐过渡电阻能力，降低对于严格同步性的要求，对特高压直流输电系统的稳定可靠运行有着重要的意义。因此，针对特高压直流输电线路亟待提出新的保护方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，通过对故障时线路两端的电压和电流在U-I平面的移动轨迹进行分析发现，系统区外故障与区内故障状态下，U-I动态轨迹历经不同区域，由此分别在整流侧和逆变侧两端构建保护判据。保护量选取电压和电流的测量值中频段为[0，100]Hz的分量，避免了直流侧的特征谐波和雷击干扰的影响。
本发明采取的技术方案为：
一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，包括以下步骤：
步骤1：通过特高压直流线路两端的电压互感器和电流互感器测量线路的电压、电流。
步骤2：通过滤波器选取保护量。为了排除雷击等干扰的影响，提高保护的灵敏度，需要利用滤波器提取固定频段的电流信号。考虑到特高压直流系统的直流侧的谐波主要是12k(k为自然数)次谐波、同杆并架的双极直流输电线路之间在频率为[100，10000]Hz的范围内耦合较大等因素，而故障分量主要集中在低频段，故选取电压和电流测量值中频段为[0，100]Hz的分量作为保护量。为了提取[0，100]Hz频段的信号，需要采用低通滤波器。有限冲激响应数字滤波器性能稳定，在电力系统继电保护中应用广泛(姜建山.FIR数字滤波器的MATLAB设计与DSP实现[J].电测与仪表,2006,12:33-36.)。利用窗函数设计FIR滤波器原理简单，容易实现。Chebyshev窗相较于其他常用窗函数，在给定旁瓣高度下，主瓣宽度最小，具有等波动性，还可以通过控制参数调节旁瓣的峰值低于主瓣的分贝数，滤波效果较其他窗函数要好(孙仲民,黄俊,杨健维,等.基于切比雪夫窗的电力系统谐波/间谐波高精度分析方法[J].电力系统自动化,2015,39(07):117-123.)。因此，通过Chebyshev窗函数滤波器选取电压和电流测量值中频段为[0，100]Hz的分量作为保护量。
步骤3：建立基于直流电压和电流的U-I平面，根据不同位置故障后U-I动态轨迹历经不同的区域，由此分别针对整流侧和逆变侧构建单侧保护判据。单侧保护判据建立的机理在于当线路发生区外故障时，整流侧和逆变侧U-I动态轨迹具有一致性特征，而当线路发生区内故障时，两侧U-I动态轨迹不一致性，整流侧历经IV-III区域，逆变侧仅历经III区域。
步骤4：单侧保护动作时，转换保护动作信息为“01”信息，通过信道发送至对侧；同时，等待接收对侧转换动作信息；
步骤5：线路故障综合判据在两侧动作信息均为“01”，判断输电线路发生区内故障，并将判断结果“11”信息送至对侧。
步骤6：一旦判断为区内故障或者接收到“11”信息，均直接跳直流断路器或者由直流控制系统关断故障电流。
步骤3中，单侧保护判据建立的机理在于当线路发生区外故障时，整流侧和逆变侧U-I动态轨迹具有一致性特征，而当线路发生区内故障时，两侧U-I动态轨迹不一致性，整流侧历经IV-III区域，逆变侧仅历经III区域。设lmarg为考虑双极系统的某极线路故障、紧急停运或者重启时对健全极正常运行的影响而设置的波动范围裕度，考虑短时闭锁健全极低压限流功能的控制措施，一般可以取0.1～0.2pu。imarg为考虑正常运行时电流波动而设置的电流波动裕度，一般可以取0.08～0.1pu，umarg为电压波动裕度，一般可以取0.08～0.1pu。整流侧构建如下保护判据：
逆变侧侧构建如下保护判据：
本发明一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，有益效果如下：
(1)、只需要利用特高压直流工程现有的硬件设备，不需要增加新的装置，工程实用性强；
(2)、根据本端的电压和电流信息来判断本端的保护判据是否成立，从而得到本端的故障保护动作状态信息，无需两端电压和电流严格同步的信息综合比较来判断，同步性要求低，通信量小；
(3)、该保护方案的选择性好，抗雷电干扰能力强，稳定可靠。
(4)、该保护方法原理简洁，易于整定，灵敏性高，能够快速识别区内和区外故障；同时该方法仅通信状态量，应用在工程上容易实现。
附图说明
图1(a)为系统故障附加网络图(区内故障)。
图1(b)为系统故障附加网络图(区外故障)。
图2为特高压直流输电系统控制特性图。
图3为直流线路U-I特性分区图。
图4(a)为系统故障后的U-I特性图(整流侧故障)。
图4(b)为系统故障后的U-I特性图(逆变侧故障)。
图4(c)为系统故障后的U-I特性图(区内故障)。
图5(a)为单侧保护判据动作特性图(整流侧)。
图5(b)为单侧保护判据动作特性图(逆变侧)。
图6为保护状态比较综合判据逻辑图。
图7(a)为系统故障后U-I特性仿真图(整流侧故障)。
图7(b)为系统故障后U-I特性仿真图(逆变侧故障)。
图7(c)为系统故障后U-I特性仿真图(区内故障)。
具体实施方式
一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，通过建立直流电压和直流电流的U-I平面，利用直流输电线路区外故障与区内故障状态下，U-I动态轨迹历经不同区域的特征，分别在整流侧和逆变侧两端构建保护判据，并基于两侧判断信息的交互判断形成保护新原理。
所述保护方法包括信号处理、单侧保护判据、线路故障综合判据。
一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，具体包括以下步骤：
步骤1：通过电压互感器和电流互感器测量特高压直流线路整流侧的电压u10、电流i10，逆变侧的电压u20、电流i20。
步骤2：通过滤波器选取保护量。为了排除雷击等干扰的影响，提高保护的灵敏度，需要利用滤波器提取固定频段的电流信号。考虑到特高压直流系统的直流侧的谐波主要是12k(k为自然数)次谐波、同杆并架的双极直流输电线路之间在频率为[100，10000]Hz的范围内耦合较大等因素，而故障分量主要集中在低频段，故选取电压和电流测量值中频段为[0，100]Hz的分量作为保护量。为了提取[0，100]Hz频段的信号，需要采用低通滤波器。有限冲激响应数字滤波器性能稳定，在电力系统继电保护中应用广泛。利用窗函数设计FIR滤波器原理简单，容易实现。Chebyshev窗相较于其他常用窗函数，在给定旁瓣高度下，主瓣宽度最小，具有等波动性，还可以通过控制参数调节旁瓣的峰值低于主瓣的分贝数，滤波效果较其他窗函数要好。因此通过Chebyshev窗函数滤波器选取电压和电流测量值中频段为[0，100]Hz的分量作为保护量，从而得到滤波后整流侧的电压u1、电流i1，逆变侧的电压u2、电流i2。
步骤3：分别判断整流侧和逆变侧的保护判据成立情况。如图1(a)、图1(b)分别为系统区内和区外故障时的故障附加网络，直流输电线路在故障后的暂态过程中，控制系统还没有开始发挥控制作用，此时可以类似于交流系统来处理，即将系统等效为在故障点叠加一个故障电压源的故障附加等值网络。
图1(a)、图1(b)中，uf为故障附加电压源，Zf为故障接地阻抗，ZL1、ZL2分别表示整流侧和逆变侧与故障点之间的线路的等效阻抗，Δi1、Δi2分别为整流侧和逆变侧的保护安装处所测量到的电流附加分量，Δu1、Δu2为线路两端直流电压附加分量，ik1、ik2分别为故障两侧的故障环流，图1(a)、图1(b)中所示电流、电压的方向为选定的正方向。由图1(a)、图1(b)可知，不论是区内故障还是区外故障，其电压附加分量总是为负值，这也说明了系统故障时电压降低的特征。基于故障环流的方向与规定电流方向的差异性可知，在系统区内故障时，整流侧电流与故障环流的方向一致，电流附加分量为正值，而逆变侧电流与故障环流的方向相反，电流附加分量为负值；当故障发生在整流侧区外故障时，两侧电流均与故障环流的方向相反，电流附加分量为负值；当故障发生在逆变侧区外故障时，两侧电流均与与故障环流的方向相同，电流附加分量为正值。
系统故障时直流线路两端检测到的瞬间电压和电流具有突变情况，当两端换流站检测到电压和电流偏移正常运行的范围后，控制系统将基于图2所示控制特性发挥调节作用。由控制特性可知，尽管故障后线路电流可能会增大，但由于控制系统的调节作用会使得电流也不会增大太多。另外，线路阻抗及过渡电阻都相对较小，发生接地故障后线路两端的直流电压会大大降低，使得控制系统快速进入低压限流环节的调节。CIGRE标准直流测试系统采用的低压限流特性如式(1)：
由式(1)可以看到，当电压快速降低时，由于低压限流环节的调节作用，线路两端的直流电流都会最终减小到最小电流限制的数值，进入故障稳态过程。基于图2所示特高压直流系统正常工作时的平衡点S，以S为中心按照图3分为I、II、III、IV四个区域。结合系统故障时电压电流变化特征，针对不同区域故障，分析两端U-I特性的变化情况。
(1)、整流侧区外故障。故障瞬时，两端直流电压迅速降低，两端直流电流都会减小，则以整流侧电流和电压为坐标的点S1(i1,u1)和以逆变侧电流和电压为坐标的点S2(i2,u2)都会直接进入图中的区域III中。两端直流电压迅速降低，控制系统进入低压限流(voltage dependent current order limiter,VDCOL)控制环节，使得两端直流电流进一步减小，从而S1和S2稳定在区域III中。因此，整流侧区外故障过程，S1和S2的历经轨迹如图4(a)所示。
(2)、逆变侧区外故障。故障瞬时，两端直流电压迅速降低，两端直流电流都会增大，则S1和S2都会进入图中的区域IV中。由于整流侧和逆变侧的直流电压迅速降低，控制系统进入VDCOL环节，使得整流侧和逆变侧的电流都开始减小，则点S1和S2都会从区域IV进入区域III并稳定在III区。因此，逆变侧区外故障时S1和S2的历经轨迹如图4(b)所示。
(3)、直流线路区内故障。故障瞬时，整流侧和逆变侧的直流电压迅速降低，整流侧电流增大，逆变侧电流减小，则S1就会落在区域IV中，而S2则会在区域III中。由于VDCOL环节，使得整流侧电流也开始减小，从而两端的电流都减小，则点S1就会从区域IV进入区域III，而S2依然在区域III中。因此，直流线路区内故障时S1和S2的历经轨迹如图4(c)所示。
对于双极直流系统而言，系统正常运行时，系统的电压电流有一个正常波动的范围，电压变化一般不超过2％，电流变化一般不超过1.67％，但是当其中一极线路故障或者紧急停运时，健全极的波动较大，可到达19.66％(张民,石岩.同杆并架±500kV直流系统间相互影响的实时仿真分析[J].电网技术,2007(01):44-49.)。当发生区内故障时，以整流侧电压和电流为坐标的U-I点会首先进入区域IV，然后进入区域III，因此可以构建如下保护判据：电压和电流采用标幺值表示，其基准值为具体工程的电压和电流的额定值。
式中，lmarg为考虑双极系统的某极线路故障、紧急停运或者重启时对健全极正常运行的影响而设置的波动范围裕度，考虑短时闭锁健全极低压限流功能的控制措施，一般可以取0.1～0.2pu。imarg为考虑正常运行时电流波动而设置的电流波动裕度，一般可以取0.08～0.1pu，umarg为电压波动裕度，一般可以取0.08～0.1pu。如图5(a)中，虚线i＝1+imarg以右、虚线u＝1-umarg以下、圆形虚线以外的区域，即为整流侧判据成立的区域。
当发生区内故障时，以逆变侧电压和电流为坐标的U-I点会直接进入区域III，因此可以构建如下保护判据：
式(3)中参数同式(2)，图5(b)的区域III中，虚线i＝1-imarg以左、虚线u＝1-umarg以下、圆形虚线以外的区域，即为逆变侧判据成立的区域。
步骤4：如图6所示为保护动作逻辑图，单侧保护动作时，转换保护动作信息为“01”信息，通过信道发送至对侧。同时，等待接收对侧转换动作信息。
步骤5：线路故障综合判据在两侧动作信息均为“01”，判断输电线路发生区内故障，并将判断结果“11”信息送至对侧。
步骤6：一旦判断为区内故障或者接收到“11”信息，均直接跳直流断路器或者由直流控制系统关断故障电流。
利用在PSCAD软件中搭建的±800kV特高压直流输电系统模型进行仿真实验。整流侧区外线路在仿真时间0.5s时经过200Ω过渡电阻接地，故障时间为0.1s，采样频率为5KHz，lmarg的整定值取0.18pu，imarg和umarg的整定值取0.1pu(电流基准值为3.125kA，电压基准值为800kV)，整流侧故障、逆变侧故障、直流线路区内故障的仿真结果分别如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示。
图7(a)中，整流侧区外故障时，两端直流电压迅速降低，两端直流电流都会减小，则以整流侧电流和电压为坐标的S1点和以逆变侧电流和电压为坐标的S2点都会直接进入图中的区域III中。因此逆变侧的保护判据成立，但整流侧的保护判据不成立，所以判定为区外故障，保护不会动作。
图7(b)中，逆变侧区外故障时，S1点和S2点都会进入图中的区域IV中。由于整流侧和逆变侧的直流电压迅速降低，控制系统进入VDCOL环节，使得整流侧和逆变侧的电流都开始减小，则点S1和S2都会从区域IV进入区域III。因此整流侧的保护判据成立，但逆变侧的保护判据不成立，所以判定为区外故障，保护不会动作。
图7(c)中，直流线路区外故障时，S1点就会落在区域IV中，而S2点则会在区域III中。由于整流侧和逆变侧的直流电压迅速降低，控制系统进入VDCOL环节，使得整流侧电流也开始减小，从而两端的电流都减小，则点S1就会从区域IV进入区域III，而S2依然在区域III中。从而整流侧和逆变侧的保护判据同时成立，判定为区内故障，保护动作。
Claims (2)
1.一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，其特征在于：通过建立直流电压和直流电流的U-I平面，利用直流输电线路区外故障与区内故障状态下，U-I动态轨迹历经不同区域的特征，分别在整流侧和逆变侧两端构建保护判据，并基于两侧判断信息的交互判断形成保护新原理；
该保护方法包括信号处理、单侧保护判据、线路故障综合判据；
该保护方法包括以下步骤：
步骤1：特高压直流线路两侧保护装置分别测量整流侧电压u10、电流i10，逆变侧电压u20、电流i20；
步骤2：利用Chebyshev窗函数滤波器选取电压和电流信号中频段为[0，100]Hz的分量作为保护量，进而得到滤波后整流侧电压u1、电流i1，逆变侧电压u2、电流i2；
步骤3：建立基于直流电压和电流的U-I平面，根据不同位置故障后U-I动态轨迹历经不同的区域，由此分别针对整流侧和逆变侧构建单侧保护判据；
所述步骤3中，CIGRE标准直流测试系统采用的低压限流特性如式(1)：
由式(1)看到，当电压快速降低时，由于低压限流环节的调节作用，线路两端的直流电流都会最终减小到最小电流限制的数值，进入故障稳态过程；特高压直流系统正常工作时的平衡点S，以S为中心分为I、II、III、IV四个区域；结合系统故障时电压电流变化特征，针对不同区域故障，分析两端U-I特性的变化情况；
(1)、整流侧区外故障；故障瞬时，两端直流电压迅速降低，两端直流电流都会减小，则以整流侧电流和电压为坐标的点S1(i1,u1)和以逆变侧电流和电压为坐标的点S2(i2,u2)都会直接进入图中的区域III中；两端直流电压迅速降低，控制系统进入低压限流(voltagedependent current order limiter,VDCOL)控制环节，使得两端直流电流进一步减小，从而S1和S2稳定在区域III中；
(2)、逆变侧区外故障；故障瞬时，两端直流电压迅速降低，两端直流电流都会增大，则S1和S2都会进入图中的区域IV中；由于整流侧和逆变侧的直流电压迅速降低，控制系统进入VDCOL环节，使得整流侧和逆变侧的电流都开始减小，则点S1和S2都会从区域IV进入区域III并稳定在III区；
(3)、直流线路区内故障；故障瞬时，整流侧和逆变侧的直流电压迅速降低，整流侧电流增大，逆变侧电流减小，则S1就会落在区域IV中，而S2则会在区域III中；由于VDCOL环节，使得整流侧电流也开始减小，从而两端的电流都减小，则点S1就会从区域IV进入区域III，而S2依然在区域III中；
对于双极直流系统而言，系统正常运行时，系统的电压电流有一个正常波动的范围；当发生区内故障时，以整流侧电压和电流为坐标的U-I点会首先进入区域IV，然后进入区域III，因此构建如下保护判据：
电压和电流采用标幺值表示，其基准值为具体工程的电压和电流的额定值；
式中，lmarg为考虑双极系统的某极线路故障、紧急停运或者重启时对健全极正常运行的影响而设置的波动范围裕度，考虑短时闭锁健全极低压限流功能的控制措施，取0.1～0.2pu；imarg为考虑正常运行时电流波动而设置的电流波动裕度，取0.08～0.1pu，umarg为电压波动裕度，取0.08～0.1pu；虚线i＝1+imarg以右、虚线u＝1-umarg以下、圆形虚线以外的区域，即为整流侧判据成立的区域；
当发生区内故障时，以逆变侧电压和电流为坐标的U-I点会直接进入区域III，因此构建如下保护判据：
式(3)中参数同式(2)，区域III中，虚线i＝1-imarg以左、虚线u＝1-umarg以下、圆形虚线以外的区域，即为逆变侧判据成立的区域；
步骤4：单侧保护动作时，转换保护动作信息为“01”信息，通过信道发送至对侧；同时，等待接收对侧转换动作信息；
步骤5：线路故障综合判据在两侧动作信息均为“01”，判断输电线路发生区内故障，并将判断结果“11”信息送至对侧；
步骤6：一旦判断为区内故障或者接收到“11”信息，均直接跳直流断路器或者由直流控制系统关断故障电流。
2.根据权利要求1所述一种基于U-I特性的特高压直流输电线路保护方法，其特征在于：
所述步骤2中，为消除雷击干扰信号对保护判断的影响，利用Chebyshev滤波器提取固定频段的电流信号，综合考虑特高压直流系统的直流侧的谐波主要是12k次谐波，k为自然数、双极直流输电线路之间在频率为[100，10000]Hz的范围内耦合最大因素，而故障分量主要集中在低频段，故选取信号提取频段为[0，100]Hz的分量作为保护量。
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Application publication date: 20181026 Assignee: Hubei Yispatiotemporal Unmanned Aerial Vehicle Technology Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980044218 Denomination of invention: A Protection Method for UHV DC Transmission Lines Based on U-I Characteristics Granted publication date: 20190625 License type: Common License Record date: 20231024 |