CN109085460A - 基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法 - Google Patents

基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，包括以下步骤：实时获取线路测量点处的电压和电流，通过滤波分别获得电压频带暂态分量和电流频带暂态分量；计算暂态阻抗变化值和暂态功率；当暂态阻抗变化值小于阈值时，判断为正向故障；当暂态阻抗变化值大于阈值，判断为反向故障或无故障；当诊断为正向故障时，若暂态功率大于门槛值，则判断为直流输电线路故障；若暂态功率小于门槛值，则判断为正向区外故障。通过本发明，可以实现以下效果：采用暂态阻抗变化值与暂态功率相配合，该方法诊断直流输电线路故障的可靠性高，且判据简单，计算方便，可实现特高压直流输电线路故障类型的准确、可靠判别。

Description

基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法
技术领域
本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法。
背景技术
特高压直流输电系统具有输送容量大、距离远的明显优势，成为大规模区域电网的联络纽带，是未来构建全球能源互联网的关键支撑系统。特高压直流输电线路运行的可靠性直接影响着直流系统和互联交流系统的安全稳定。然而，特高压直流输电线路跨越区域较传统高压直流线路更大，其运行环境复杂多变，发生故障的概率更高。由于特高压直流输电线路长度极大，对于故障诊断而言，长直流线路对故障特征量的衰减作用十分明显，使得故障准确诊断的难度明显提高。
目前特高压直流输电线路的故障判别主要利用行波量和微分欠压量来进行诊断，利用行波量和微分欠压量的方法存在抗过渡电阻能力不足的问题；同时，利用线路电流差动的故障诊断方法常常作为后备方案，该方法需要直流线路双端数据，对于特高直流线路而言，双端数据通信将产生明显的延时，无法满足特高压直流输电系统快速判别故障的要求。
经过对现有技术的检索发现，还涉及到一些其他的故障判别方法。中国专利文献CN104977502A公开(公告)日2015.10.14，公开了一种特高压直流输电线路区内外故障识别方法，该方法通过比较故障电流在波形突变点处的极性，判断故障信号是来自整流侧区外，还是区内或逆变侧区外，当判定信号来自区内或逆变侧区外时，再根据故障电流形态谱的高频特征量来判断故障是来自区内还是逆变侧区外。由于采用故障电流波形突变极性来判别故障方向，该方法容易受系统波动的影响。此外，中国专利文献CN105182175A公开(公告)日2015.12.23，公开了一种利用极线故障电流曲线簇主成分聚类分析的特高压直流线路全线速动保护方法，该方法由电磁暂态仿真分别获得线路全长内的故障和正向区外故障下量测端极线电流曲线簇，选取故障前3个采样点、故障后7个采样点作样本数据进行PCA聚类分析，通过计算测试样本数据在PC1坐标轴上的投影值，并根据聚类中心边界q1值判断故障是否是线路故障。该方法依赖仿真系统建立大量样本，当实际系统参数发生变化时，该方法需要重新验证调整，且存在可靠性不高的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出基于暂态功率监测的基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，通过线路测量点处的暂态阻抗变化值和暂态功率来判断故障。
本发明提出一种基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，包括以下步骤：
实时获取线路测量点处的电压和电流，通过滤波分别获得电压频带暂态分量和电流频带暂态分量；
计算暂态阻抗变化值和暂态功率；
当暂态阻抗变化值小于阈值时，判断为正向故障；当暂态阻抗变化值大于阈值，判断为反向故障或无故障；
当诊断为正向故障时，若暂态功率大于门槛值，则判断为直流输电线路故障；若暂态功率小于门槛值，则判断为正向区外故障。
优选的，所述暂态阻抗变化值：△ZCMi＝ZCMi-ZCMi0，其中，ZCMi0为正常运行时段的暂态阻抗；ZCMi为线路测量点处实时计算的暂态阻抗；
所述暂态阻抗：其中，i表示直流线路的路数；和为线路测量点处的频带电压和频带电流；f1～f2为频带范围；T为时间窗口；N为T时间窗口内频带电压、频带电流数据个数；NT＝FsT，Fs为采样频率。
优选的，所述暂态功率：
通过使用本发明，可以实现以下效果：
采用暂态阻抗变化值与暂态功率相配合，该方法诊断直流输电线路故障的可靠性高，且判据简单，计算方便，可实现特高压直流输电线路故障类型的准确、快速判别；且具有较强的抗过渡电阻能力和抗干扰能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的整体流程示意图；
图2为特高压直流输电系统图；
图3为本发明实施例中正反向故障下暂态阻抗变化值示意图；
图4为本发明实施例中在不同位置发生金属性故障时的暂态功率大小示意图；
图5为本发明实施例中在不同位置发生过渡电阻故障时的暂态功率大小示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了本章提出了一种特高压直流输电线路故障诊断方法，该方法首先通过监测直流输电线路始端的故障电压和电流，通过带通滤波器提取频带暂态电压和频带暂态电流，计算故障前后频带暂态电压与频带暂态电流之比的变化值，即暂态阻抗变化值，来判定正向故障和反向故障。然后，计算频带暂态电压和频带暂态电流乘积，即暂态功率，与门槛值比来区分正向直流线路故障和正向区外故障。由于采用暂态阻抗识别故障方向，不受系统波动的影响，该方法能够在一定程度上克服长直流线路的衰减问题，可实现特高压直流输电线路故障快速、可靠判别。
结合附图1，一种基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，包括以下步骤：
步骤一，实时获取线路测量点处的电压和电流，通过滤波分别获得电压频带暂态分量和电流频带暂态分量。
步骤二，计算暂态阻抗变化值和暂态功率。
具体的，暂态阻抗变化值：△ZCMi＝ZCMi-ZCMi0，其中，ZCMi0为正常运行时段的暂态阻抗；ZCMi为线路测量点处实时计算的暂态阻抗。
暂态阻抗：其中，i表示直流线路的路数；和为线路测量点处的频带电压和频带电流；f1～f2为频带范围；T为时间窗口；N为T时间窗口内频带电压、频带电流数据个数；NT＝FsT，Fs为采样频率。
暂态功率：
步骤三，当暂态阻抗变化值小于阈值时，判断为正向故障；当暂态阻抗变化值大于阈值，判断为反向故障或无故障；当诊断为正向故障时，若暂态功率大于门槛值，则判断为直流输电线路故障；若暂态功率小于门槛值，则判断为正向区外故障。
步骤三的判断依据为：正常运行时，特高压直流输电系统的整流器和逆变器都可视为谐波源，并向直流线路注入谐波，直流输电线路通常对暂态分量呈现高阻抗特征。因此，在正常运行时，暂态阻抗为某一恒定数值。当发生故障时，暂态量流向发生变化从而使得暂态阻抗发生变化，正向故障时，ZCMi跌落至低值，为线路边界的谐振阻抗，此时，△ZCMi为负值；而反向故障时，ZCMi增大至一定高值，△ZCMi为正值。不同方向故障下，△ZCMi特征完全不同，即可利用该特征诊断出故障的方向。长直流输电线路和线路边界对故障暂态量具有明显的衰减作用，在判定正向故障的前提下，对于正向区外故障，故障频带暂态量经过线路边界和直流线路到达测量点处，衰减量较大；而对于正向直流线路故障而言，故障频带暂态量仅经过直流线路到达测量点处，衰减量较小。因此，正向直流线路故障的暂态功率明显大于正向区外故障的暂态功率，利用该特征即可诊断出是否为直流输电线路故障。
图2为特高压直流输电系统，图2中系统直流侧额定电压为±800kV，额定传输功率为5000MW，直流线路长度为2000km，交流系统的频率为50Hz。图中，整流站一侧交流电网的输出端依次连接变压器、12脉动换流单元、平波电抗器以及直流滤波器，并通过直流线路1、2、直流滤波器、平波电抗器、12脉动换流单元、变压器与逆变站一侧交流电网相连；M1和M2直流线路始端测量点；A、B、C、D和Fx是设置的故障位置，其中Fx距离测量点M1处xkm，A和B位于换流站内，C和D位于交流侧母线上。根据直流滤波器调谐频率，设置频带范围f1～f2为400－2000Hz；理论上ZMset可取零。为保证一定的可靠性，取ZMset＝-0.1ZCMi0，正常运行时，暂态阻抗ZCMi0＝197.3Ω，其门槛值可设定为ZMset＝-20Ω。暂态功率门槛值为Pset＝1。
在本实施例中，通过本发明所述方法对图2所示系统进行故障判断，并基于图2所示系统对本发明所述方法进行仿真验证，具体结果如图3、4、5所示。图3中横坐标的数字表示故障位置，纵坐标为暂态阻抗变化值，A、B、C、D是设置的故障位置。如图3所示，正向故障时，在不同故障位置以及C、D故障点，其暂态阻抗变化值分别明显低于－20Ω，而反向故障时，故障位置A、C的暂态阻抗变化值明显大于零；且当线路故障过渡电阻分别为0Ω、100Ω、500Ω、1000Ω时，其暂态故障变化值基本不变，由此可见，该方法对于判别故障方向准确性很高，不受过渡电阻的影响。图4中，横坐标的数字表示故障位置，纵坐标为暂态功率，A、B、C、D是设置的故障位置。当反向故障、正向直流线路故障、正向区外故障为金属性故障时，正向直流线路故障下的暂态功率值明显大于正向区外故障下的暂态功率值；图5中，横坐标的数字表示故障位置，纵坐标为暂态功率，A、B、C、D是设置的故障位置。当不同位置发生过渡电阻故障时，当直流线路故障电阻增加，暂态功率值降低，甚至低于反向故障下的值，但由于依据暂态阻抗变化值能可靠判别故障方向，因此，该方法仍能准确诊断出直流输电线路故障。
由此可见，采用暂态阻抗变化值与暂态功率相配合，该方法诊断直流输电线路故障的可靠性明显提高，且判据简单，计算方便，可实现特高压直流输电线路故障类型的准确、可靠判别，且具有较强的抗过渡电阻能力。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时获取线路测量点处的电压和电流，通过滤波分别获得电压频带暂态分量和电流频带暂态分量；
计算暂态阻抗变化值和暂态功率；
当暂态阻抗变化值小于阈值时，判断为正向故障；当暂态阻抗变化值大于阈值，判断为反向故障或无故障；
当诊断为正向故障时，若暂态功率大于门槛值，则判断为直流输电线路故障；若暂态功率小于门槛值，则判断为正向区外故障。
2.根据权利要求1所述的基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，其特征在于，
所述暂态阻抗变化值：△ZCMi＝ZCMi-ZCMi0，其中，ZCMi0为正常运行时段的暂态阻抗；ZCMi为线路测量点处实时计算的暂态阻抗；
所述暂态阻抗：其中，i表示直流线路的路数；和为线路测量点处的频带电压和频带电流；f1～f2为频带范围；T为时间窗口；N为T时间窗口内频带电压、频带电流数据个数；NT＝FsT，Fs为采样频率。
3.根据权利要求2所述的基于暂态量监测的特高压直流输电线路故障单端诊断方法，其特征在于，所述暂态功率：
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