CN109038514A - 一种高压直流输电线路的后备保护方法及装置 - Google Patents

一种高压直流输电线路的后备保护方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路的后备保护方法及装置,所述方法包括:采集高压直流输电线路两侧继电保护装置安装处的电流信息,并利用低通滤波器对采样电流信息进行滤波处理,得到滤波后的电流采样值;利用滤波后的电流值,计算正、负极直流线路滤波后差动电流,通过滤波后的正、负极直流线路差流与最小动作电流的比较,可以确定直流线路区内外故障;若保护判定故障位于直流线路保护区内,则可通过比较正、负极滤波后差流值确定正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障。本发明判据简单、动作速度快、可靠性高,并且可以响应直流线路高阻接地故障,能够解决现有直流线路后备保护动作速度过慢的问题。

Description

一种高压直流输电线路的后备保护方法及装置
技术领域
本发明属于电力系统继电保护领域,更具体地,涉及一种高压直流输电线路的后备保护方法及装置。
背景技术
与传统交流输电系统相比,高压直流输电系统具备低损耗传输大容量电能的优势,而被广泛应用于远距离输电、非同步系统联网及直流电缆送电等。
快速可靠的直流输电线路保护对于直流输电系统,乃至整个电力系统安全稳定地运行具有重要意义。然而,目前直流线路保护系统仍存在一系列的问题,现行的直流输电线路保护系统通常采用的是ABB和SIMENS公司的保护方案,即行波保护和微分欠压保护作为主保护,差动保护作为后备保护,其主要存在的问题在于:行波保护和微分欠压保护难以响应直流线路的高阻接地故障;而差动保护由于未考虑长距离线路上分布电容电流的补偿问题,所以需通过较长的延迟闭锁来保证其正确动作。例如在直流线路上发生高阻接地故障,主保护将难以响应,而差动后备保护一般需要经过1.1s的延时保护才能动作,通常在差动后备保护动作之前,位于两侧的控制极保护已将直流系统闭锁。因而直流系统将失去故障重启的机会,造成严重的经济损失。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种高压直流输电线路的后备保护方法及装置,由此解决现有高压直流输电线路主保护难以响应高阻接地故障,而后备保护针对高阻接地故障响应速度过慢的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种高压直流输电线路的后备保护方法,包括:
对高压直流输电线路整流侧和逆变侧两侧的采样电流进行低通滤波处理得到整流侧正、负极电流及逆变侧正、负极电流;
根据整流侧正极电流及逆变侧正极电流做差得到正极线路差动电流,根据整流侧负极电流及逆变侧负极电流做差得到负极线路差动电流,通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障;
若判定故障位于高压直流输电线路的保护区内,通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障。
优选地,所述对高压直流输电线路整流侧和逆变侧两侧的采样电流进行低通滤波处理,包括:
采用截止频率为0<fc<c/(10l)的巴特沃斯低通滤波器对高压直流输电线路整流侧和逆变侧两侧的采样电流进行低通滤波处理,其中,fc表示低通滤波器的截止频率,c表示高压直流输电线路中电磁波的传播速度,l表示高压直流输电线路的线路长度。
优选地,所述通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障,包括:
将|idp,n(t)|>iop=2πklfcc0Ud作为判定高压直流输电线路的区内外故障的判据,其中,idp表示正极线路差动电流,idn表示负极线路差动电流,iop表示最小动作电流值,k表示可靠系数,c0表示线路的单位长度共模电容值,Ud表示直流额定电压,t表示时间;
若故障发生后,正极线路差动电流idp与负极线路差动电流idn均未满足动作判据|idp,n(t)|>iop,则判定故障位于高压直流输电线路的保护区外;若故障发生后,任意一极线路的差动电流idp和/或idn满足动作判据|idp,n(t)|>iop,则判定故障位于高压直流输电线路的保护区内。
优选地,所述通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障,包括:
故障发生后,若判定故障为高压直流输电线路的区内故障,则计算正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值;
若正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值满足:|idn(t)-idp(t)|≤kr|idn(t)+idp(t)|,则确定故障为双极线路故障,其中,kr表示比例系数;
若正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值满足:idn(t)-idp(t)>kr|idn(t)+idp(t)|,则确定故障位于正极线路;
若正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值满足:idn(t)-idp(t)<-kr|idn(t)+idp(t)|,则确定故障位于负极线路。
按照本发明的另一方面,提供了一种高压直流输电线路的后备保护装置,包括:第一继电保护装置和第二继电保护装置;所述第一继电保护装置包括第一测量单元和第一信号处理单元,所述第二继电保护装置包括第二测量单元和第二信号处理单元;
所述第一继电保护装置位于高压直流输电线路的整流侧换流器与直流线路之间,所述第二继电保护装置位于高压直流输电线路的直流线路与逆变侧换流器之间;
所述第一测量单元,用于测量整流侧在各个采样时刻的电流;
所述第二测量单元,用于测量逆变侧在各个采样时刻的电流;
所述第一信号处理单元,用于对整流侧采样电流和逆变侧采样电流进行低通滤波处理得到整流侧正、负极电流及逆变侧正、负极电流,并根据整流侧正极电流及逆变侧正极电流做差得到正极线路差动电流,根据整流侧负极电流及逆变侧负极电流做差得到负极线路差动电流,通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障;若判定故障位于高压直流输电线路的保护区内,通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障;
所述第二信号处理单元,用于对逆变侧采样电流和整流侧采样电流进行低通滤波处理得到逆变侧正、负极电流及整流侧正、负极电流,并根据整流侧正极电流及逆变侧正极电流做差得到正极线路差动电流,根据整流侧负极电流及逆变侧负极电流做差得到负极线路差动电流,通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障;若判定故障位于高压直流输电线路的保护区内,通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:本发明利用高压直流正、负极线路两侧滤波后的电流值作差,通过与最小动作电流比较区分区内外故障,并且通过比较正、负极滤波后差流值,进一步确定故障极,与传统的高压直流线路后备差动保护方法相比,本发明提出的直流线路后备方法判据简单、动作速度快、可靠性高、对采样率要求低、另外受线路参数影响较小,可以大大提升保护的动作速度,可以响应高阻接地故障,因此,在实际应用中,可以取代现行的直流线路差动后备保护。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高压直流输电系统的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的一种高压直流输电线路的后备保护方法的流程示意图;
图3是本发明实施例提供的一种±800kv高压直流输电系统的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的一种高压直流输电系统整流侧交流母线发生三相短路故障(f1)时,正极和负极直流线路滤波后差动电流与最小动作电流波形图;
图5是本发明实施例提供的一种高压直流输电系统逆变侧交流母线发生单相短路故障(f2)时,正极和负极直流线路滤波后差动电流与最小动作电流波形图;
图6是本发明实施例提供的一种高压直流输电系统正极直流线路中点发生高阻接地故障(f3)时,正极和负极直流线路滤波后差动电流与最小动作电流波形图;
其中,1是整流侧交流电源,2是整流侧交流母线,3是整流侧换流变压器,4是整流侧换流器,5是直流输电线路,6是逆变侧换流器,7是逆变侧换流变压器,8是逆变侧交流母线,9是逆变侧交流电源,10和11分别为位于直流输电线路两侧的继电保护装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明针对目前使用的高压直流输电线路后备保护所存在的问题,提出一种能够识别高压直流输电线路保护区内、区外故障的后备保护方法。该保护可以快速可靠地判别高压直流线路区内外故障,解决现有直流差动后备保护存在的缺乏动作速度过慢等问题。
在本发明中,采集高压直流输电线路两侧继电保护装置安装处的电流信息,并利用低通滤波器对采样电流信息进行滤波处理,得到滤波后的电流采样值。利用滤波后的电流值,计算正、负极直流线路滤波后差动电流,根据直流系统参数可计算得到最小动作电流。故障发生后,若两极滤波后差流均未超过最小动作电流值,则判定为区外故障;若任意一极滤波后差流超过最小动作电流值,则判定为区内故障。若保护判定故障为区内故障,则需要进一步确定故障极:若正极滤波后差流远大于负极滤波后差流,则判定为正极线路故障;若正极滤波后差流与负极滤波后差流值相差较小,则判定为双极故障;若正极滤波后差流远小于负极滤波后差流,则判定为负极线路故障。本发明方法判据简单、动作速度快,受直流线路参数变化影响较小,因为考虑了分布电容电流的影响,因而解决了传统直流线路差动保护须经过较长延时才能动作的问题,避免了控制极保护在直流线路故障时将系统直接闭锁而带来的经济损失。
如图1所示,整流侧交流电源1通过交流母线2与换流变压器3相连,整流侧换流变压器3与换流器4相连,整流侧换流器4通过直流输电线路5与逆变侧换流器6,逆变侧换流器6与逆变侧换流变压器7相连,逆变侧换流变压器7通过交流母线8与逆变侧交流电源9相连;直流线路第一继电保护装置10安装在直流线路5与整流侧换流器4之间,直流线路第二继电保护装置11安装在直流线路5与逆变侧换流器6之间;
如图2所示,本发明实施例提供的方法包括下述步骤:
S1、直流线路第一继电保护装置10、第二继电保护装置11的测量单元测量得到各个采样时刻的电流信息后,送入本侧保护的信号处理单元,并将测量电流信息传输至对侧保护的信号处理单元。信号处理单元在得到直流线路两侧的测量电流信号后,可以利用低通滤波器对采样信号进行处理。
S2、直流线路第一继电保护装置10,第二继电保护装置11的信号处理单元在得到滤波处理后的电流值后,计算得到正、负极滤波后差动电流,通过比较正、负极滤波后差动电流与最小动作电流,可以区分直流线路区内外故障。
S3、若保护判定故障位于直流线路保护区内,通过比较正、负极滤波后差流值可进一步确定正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障。
在一个可选的实施方式中,在步骤S1中,电流信号的低通滤波的方法为:
可采用巴特沃斯低通滤波器对直流线路两端的测量电流进行处理,低通滤波器截止频率的可设置范围为:0<fc<c/(10l)。其中,fc表示低通滤波器的截止频率,c表示线路中电磁波的传播速度,l表示线路长度。
对正极线路两侧的测量电流信号iRp_pre(t)和iIp_pre(t)进行截止频率为fc的低通滤波,滤波后的测量电流分别表示为iRp(t)与iIp(t),对负极线路两侧的测量电流信号iRn_pre(t)和iIn_pre(t)进行截止频率为fc的低通滤波,滤波后的测量电流分别表示为iRn(t)与iIn(t)。
在一个可选的实施方式中,在步骤S2中,判别直流输电线路区内、外故障的判据方法为:
直流输电线路正极滤波后差动电流的计算方法:idp(t)=iRp(t)-iIp(t);
直流输电线路负极滤波后差动电流的计算方法:idn(t)=iRn(t)-iIn(t);
根据直流线路正、负极滤波后差动电流判别区、内外故障的判据方法为:|idp,n(t)|>iop=2πklfcc0Ud
其中,iop表示最小动作电流值,k表示可靠系数,取值为1.1~1.2,c0表示线路的单位长度共模电容值,Ud表示直流额定电压。若故障发生后,两极线路滤波后差动电流idp,n(t)均未满足动作判据idp,n(t)>iop,则判定故障位于直流线路保护区外;若故障发生后,任意一极线路滤波后差动电流idp和/或idn满足了动作判据|idp,n(t)|>iop,则判定故障位于直流线路保护区内。
在一个可选的实施方式中,在步骤S3中,故障选极方法为:
故障发生后,若通过步骤S2中的判据方法已经确定为直流线路区内故障,则计算正极滤波后差动电流idp和负极滤波后差动电流idn的差值;
若正极滤波后差动电流idp和负极滤波后差动电流idn的差值满足:|idn(t)-idp(t)|≤kr|idn(t)+idp(t)|,其中,kr表示比例系数,则说明故障为双极线路故障。若正极滤波后差动电流idp和负极滤波后差动电流idn的差值满足:idn(t)-idp(t)>kr|idn(t)+idp(t)|,则说明故障位于正极线路。若正极滤波后差动电流idp和负极滤波后差动电流idn的差值满足:idn(t)-idp(t)<-kr|idn(t)+idp(t)|,则说明故障位于负极线路。
本发明实施例利用高压直流正、负极线路两侧滤波后的电流值作差,通过与最小动作电流比较区分区内外故障,并且通过比较正、负极滤波后差流值,进一步确定故障极。本发明提出的高压直流输电线路的后备保护,判据简单、动作速度快、可靠性高、对采样率要求低、另外受线路参数影响较小,可以很好的解决现有的高压直流线路主保护难以响应高阻接地故障、后备保护响应故障速度过慢等一系列问题。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于单端量的高压直流线路多段式距离保护方法,现结合附图以及具体实例详述如下:
以±800kv高压直流输电系统(线路长度1419km)为例进行说明,如图3所示,±800kv高压直流输电系统包含:整流侧交流电源1、整流侧交流母线2、整流侧换流变压器3、整流侧换流器4、直流输电线路5、逆变侧换流器6、逆变侧换流变压器7、逆变侧交流母线8、逆变侧交流电源9、直流线路第一继电保护装置10和直流线路第二继电保护装置11。整流侧交流电源1通过交流母线2与换流变压器3相连,整流侧换流变压器3与换流器4相连,整流侧换流器4通过直流输电线路5与逆变侧换流器6,逆变侧换流器6与逆变侧换流变压器7相连,逆变侧换流变压器7通过交流母线8与逆变侧交流电源9相连;直流线路第一继电保护装置10安装在直流线路5与整流侧换流器4之间,直流线路第二继电保护装置11安装在直流线路5与逆变侧换流器6之间。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的快速判别线路故障方向的方法,现结合附图以及具体实例详述如下:
步骤1:直流线路第一继电保护装置10和11将在保护安装处采集到的电流信息、以及对侧保护装置发送的电流信息送入各自的信号处理单元,并经过截止频率合适的低通滤波器处理,得到滤波后的整流侧正、负极电流序列iRp(j)和iRn(j),滤波后逆变侧正、负极电流序列iIp(j)和iIn(j),其中j表示序列号。
步骤2:利用正极线路两侧滤波后的电流iRp(j)和iIp(j)计算正极线路差流idp(j)的方法为:idp(j)=iRp(j)-iIp(j);
利用负极线路两侧滤波后的电流iRn(j)和iIn(j)计算负极线路差流idn(j)的方法为:idn(j)=iRn(j)-iIn(j)。
根据直流线路正、负极滤波后差流判别区、内外故障的判据方法为:|idp,n(j)|>iop。其中,最小动作电流iop的计算方法为:iop=2πklfcc0Ud,k表示可靠系数,l表示直流线路长度,c0表示线路的单位长度共模电容值,Ud表示直流额定电压。
故障发生后,若两极线路都不存在连续m个滤波后差流值idp(j)和idn(j)均满足动作判据|idp,n(j)|>iop的情况,则判定故障位于直流线路保护区外;故障发生后,若正极和/或负极线路存在连续m个滤波后差流值idp(j)和idn(j)满足动作判据|idp,n(j)|>iop的情况,则判定故障位于直流线路保护区内。
步骤3:故障发生后,根据步骤2中所述的判据方法已经确定为直流线路区内故障,则需要进一步确定故障极。线路故障选极的方法为:
若连续n个正极滤波后差动电流值idp(j)和负极滤波后差动电流idn(j)的差值满足:|idn(j)-idp(j)|≤kr|idn(j)+idp(j)|,其中,kr表示比例系数,则说明故障为双极线路故障。若连续n个正极滤波后差动电流idp(j)和负极滤波后差动电流idn(j)的差值满足:idn(j)-idp(j)>kr|idn(j)+idp(j)|,则说明故障位于正极线路。若正极滤波后差动电流idp(j)和负极滤波后差动电流idn(j)的差值满足:idn(j)-idp(j)<-kr|idn(j)+idp(j)|,则说明故障位于负极线路。
在本发明实施例中,设置整流侧交流母线2上发生三相短路故障(图3中f1点),第一继电保护装置10所计算的正极与负极滤波后差流波形如图4所示。此时,正、负极差流均未超过最小动作电流值,因此保护判定为区外故障。
在本发明实施例中,设置整流侧交流母线8上发生单相接地短路故障(图3中f2点),第一继电保护装置10所计算的正极与负极滤波后差流波形如图5所示。此时,正、负极差流均未超过最小动作电流值,因此保护判定为区外故障。
在本发明实施例中,设置正极直流线路上发生高阻接地故障(图3中f3点),第一继电保护装置10所计算的正极与负极滤波后差流波形如图6所示。此时,正极差流超过了最小动作电流值,而负极差流未超过最小动作电流值,因此保护首先判定为区内故障;另外,正极线路滤波后差流远大于负极滤波后差流,满足idn(j)-idp(j)>kr|idn(j)+idp(j)|判据,因此判定为正极线路故障。
参照图4、图5和图6,图4为本发明实施例提供的一种高压直流输电系统在整流侧交流母线2发生三相短路故障(f1)时,第一继电保护装置10计算的正极与负极滤波后差流;图5为本发明实施例提供的一种高压直流输电系统在逆变交流母线8发生单相接地短路故障(f2)时,第一继电保护装置10计算的正极与负极滤波后差流;图6为本发明实施例提供的一种高压直流输电系统在直流线路上发生高阻接地短路故障(f3)时,第一继电保护装置10计算的正极与负极滤波后差流。从图4至图6中可以看出,本发明实施例提供的方法能够有效判断线路的区内和区外故障,并且选出故障极。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高压直流输电线路的后备保护方法,其特征在于,包括:
对高压直流输电线路整流侧和逆变侧两侧的采样电流进行低通滤波处理得到整流侧正、负极电流及逆变侧正、负极电流;
根据整流侧正极电流及逆变侧正极电流做差得到正极线路差动电流,根据整流侧负极电流及逆变侧负极电流做差得到负极线路差动电流,通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障;
若判定故障位于高压直流输电线路的保护区内,通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对高压直流输电线路整流侧和逆变侧两侧的采样电流进行低通滤波处理,包括:
采用截止频率为0<fc<c/(10l)的巴特沃斯低通滤波器对高压直流输电线路整流侧和逆变侧两侧的采样电流进行低通滤波处理,其中,fc表示低通滤波器的截止频率,c表示高压直流输电线路中电磁波的传播速度,l表示高压直流输电线路的线路长度。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障,包括:
将|idp,n(t)|>iop=2πklfcc0Ud作为判定高压直流输电线路的区内外故障的判据,其中,idp表示正极线路差动电流,idn表示负极线路差动电流,iop表示最小动作电流值,k表示可靠系数,c0表示线路的单位长度共模电容值,Ud表示直流额定电压,t表示时间;
若故障发生后,正极线路差动电流idp与负极线路差动电流idn均未满足动作判据|idp,n(t)|>iop,则判定故障位于高压直流输电线路的保护区外;若故障发生后,任意一极线路的差动电流idp和/或idn满足动作判据|idp,n(t)|>iop,则判定故障位于高压直流输电线路的保护区内。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障,包括:
故障发生后,若判定故障为高压直流输电线路的区内故障,则计算正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值;
若正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值满足:|idn(t)-idp(t)|≤kr|idn(t)+idp(t)|,则确定故障为双极线路故障,其中,kr表示比例系数;
若正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值满足:idn(t)-idp(t)>kr|idn(t)+idp(t)|,则确定故障位于正极线路;
若正极线路差动电流idp和负极线路差动电流idn的差值满足:idn(t)-idp(t)<-kr|idn(t)+idp(t)|,则确定故障位于负极线路。
5.一种高压直流输电线路的后备保护装置,其特征在于,包括:第一继电保护装置和第二继电保护装置;所述第一继电保护装置包括第一测量单元和第一信号处理单元,所述第二继电保护装置包括第二测量单元和第二信号处理单元;
所述第一继电保护装置位于高压直流输电线路的整流侧换流器与直流线路之间,所述第二继电保护装置位于高压直流输电线路的直流线路与逆变侧换流器之间;
所述第一测量单元,用于测量整流侧在各个采样时刻的电流;
所述第二测量单元,用于测量逆变侧在各个采样时刻的电流;
所述第一信号处理单元,用于对整流侧采样电流和逆变侧采样电流进行低通滤波处理得到整流侧正、负极电流及逆变侧正、负极电流,并根据整流侧正极电流及逆变侧正极电流做差得到正极线路差动电流,根据整流侧负极电流及逆变侧负极电流做差得到负极线路差动电流,通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障;若判定故障位于高压直流输电线路的保护区内,通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障;
所述第二信号处理单元,用于对逆变侧采样电流和整流侧采样电流进行低通滤波处理得到逆变侧正、负极电流及整流侧正、负极电流,并根据整流侧正极电流及逆变侧正极电流做差得到正极线路差动电流,根据整流侧负极电流及逆变侧负极电流做差得到负极线路差动电流,通过比较正极线路差动电流及负极线路差动电流与最小动作电流,判定高压直流输电线路的区内外故障;若判定故障位于高压直流输电线路的保护区内,通过正极线路差动电流与负极线路差动电流的差值确定故障为正极线路故障、负极线路故障或是双极线路故障。
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