CN109142984B - 一种高频注入信号频率选择方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频注入信号频率选择方法及装置，用于特高压直流接地极线路阻抗监测的高频注入信号频率优化选择，解决了现有技术存在的局限性及可靠性不高的技术问题；该方法在已知接地线路单位长度的元件参数及线路长度情况下，通过优化求解，得到高频注入信号的频率最优值，从而保证接地极线路出现过度电阻200ohm以下的接地故障时，能够可靠动作。

Description

一种高频注入信号频率选择方法及装置
技术领域
本发明涉及特高压直流输电系统故障监测领域，具体涉及一种用于特高压直流接地极线路阻抗监测的高频注入信号频率选择方法及装置。
背景技术
接地极是特高压直流输电系统中必不可少的设备，主要起到为不平衡电流提供通路、钳制中性点电压等作用。随着特高压直流工程的快速发展，接地极址的选择日益困难，为避免直流偏磁对换流站设备产生影响，部分直流工程的接地极址距离换流站已超过100km，长距离的接地极引线发生故障的概率已不容忽视，因此接地极引线的故障监测问题越来越引起电力系统运行检修人员的重视。
由于特高压直流输电工程某些特殊运行方式下，流经接地极线路的双极不平衡电流可能超过5000A。为了保障线路安全，接地极线路常采用同杆双回的方法进行架设。双回线路共用一套接地极线路阻抗监视系统(ELIS)对线路故障状态进行检测。其结构如图1所示。
由图1可知，高压直流输电工程接地极引线采用双回并架的方式将双极不平衡电流输送至接地极，双回线路共用一套接地极引线故障监测装置对线路故障状态进行检测。
ELIS故障监测装置的基本原理为：为实现接地极引线故障识别，ELIS系统在换流站内通过信号注入装置向接地极引线注入高频电流信号。同时，通过测量信号注入点的同频电压幅值，间接计算出接地极引线的阻抗变化。如果阻抗监视装置检测到的阻抗进入动作区，并持续一定时延，则向直流输电控制保护系统发送接地极引线异常信号，提醒运行人员进行相应操作。
为配合注入法的实施，在接地极引线的两端还分别串入一个并联谐振滤波器，以阻止高频信号的注入。其中，接地极址侧的滤波器还会装置与接地极引线波阻抗相匹配的并联电阻，以减少接地极引线在高频下的驻波效应。
ELIS系统的动作条件为：
Figure BDA0001818327910000011
式中：
Figure BDA0001818327910000012
为测量阻抗，
Figure BDA0001818327910000013
Zset2为整定阻抗。
由此可见，ELIS系统的动作特性为一个圆特性，如图2所示。圆外为保护动作区，而圆内为保护非动作区。
由图2可知，
Figure BDA0001818327910000021
为动作特性圆的圆心，一般地，有
Figure BDA0001818327910000022
式中：
Figure BDA0001818327910000023
为接地极线路正常运行时的阻抗，由于接地极线路运行方式较为单一，因此该值一般为恒定值，整定前通过线路实测参数仿真得到。
而Zset2则为动作特性圆的半径，根据运行经验取值在0.1Znormal左右，一般为30ohm。
当ELIS装置检测到接地极线路的阻抗值满足(1)所示的条件，并持续一定时延，则向直流输电控制保护系统发送接地极线路异常信号，并向值班人员报警或进行相关操作。
然而，分析表明，ELIS系统的灵敏度与注入信号频率紧密相关。如果频率选择不当，则有可能导致系统可靠性严重降低，以至于在线路接地故障情况下出现拒动等情况。
然而，现有的ELIS系统大多采用13.95kHz作为注入频率，没有给出频率选择的原则，限制了策略的可靠性。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的局限性及可靠性不高的技术问题，本发明提供了一种用于特高压直流接地极线路阻抗监测的高频注入信号频率选择方法，该方法在已知接地线路单位长度的元件参数及线路长度情况下，通过优化求解，得到高频注入信号的频率最优值，从而保证接地极线路出现过度电阻200ohm以下的接地故障时，能够可靠动作。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高频注入信号频率选择方法，该方法用于特高压直流接地极线路故障监测，包括以下步骤：
步骤一、获取接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1；
步骤二、根据所述接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1，确定高频注入信号频率选择最优化的目标函数以及高频注入信号频率选择最优化的约束条件；
步骤三、利用粒子群算法对步骤二中得到的最优化的目标函数和约束条件进行求解，得到高频注入频率最优值。
优选的，所述步骤二中，所述目标函数为：max f；所述约束条件为：
Figure BDA0001818327910000024
f≤fmax，其中，f为高频注入信号频率，k为非负整数，fmax为高频注入信号的最大频率值。
优选的，所述fmax为13.95kHz。
优选的，接地极线路采用Bergeron模型。
优选的，所述特高压直流接地极线路故障监测是采用接地极线路阻抗监测系统对线路故障状态进行检测，该接地极线路阻抗监测系统在换流站内通过信号注入装置向接地极引线注入高频电流信号，同时通过测量信号注入点的同频电压幅值，间接计算出接地极引线的阻抗变化。
优选的，所述接地极线路阻抗监测系统还在接地极引线的两端分别串接一个并联谐振滤波器，以阻止高频信号的注入。
另一方面，本发明还提出了一种高频注入信号频率选择装置，该装置用于特高压直流接地极线路故障监测，该装置包括：
参数获取模块，用于获取接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1；
数据处理模块，根据所述接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1，确定高频注入信号频率选择最优化的目标函数以及高频注入信号频率选择最优化的约束条件；
优化求解模块，利用粒子群算法对步骤二中得到的最优化的目标函数和约束条件进行求解，得到高频注入频率最优值。
优选的，所述目标函数为：max f；所述约束条件为：
Figure BDA0001818327910000031
f≤fmax，其中，f为高频注入信号频率，k为非负整数，fmax为高频注入信号的最大频率值。
优选的，所述fmax为13.95kHz。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明给出了一种基于优化的特高压直流接地极线路阻抗监测的高频注入信号频率选择方法及装置，该方法及装置能够快速得到高频注入信号的频率最优值，从而保证接地极线路出现过度电阻200ohm以下的接地故障时，能够可靠动作，提高了接地极线路监测的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的接地极线路阻抗监测系统结构图。
图2为本发明的接地极线路阻抗监测系统动作特性图。
图3为采用现有注入信号频率值测得的阻抗偏差量随故障距离变化的关系图。
图4为采用本申请获得的注入频率最优值测得的阻抗偏差量随故障距离变化的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
采用如图1所示的接地极线路阻抗监测系统(ELIS系统)对特高压直流接地极线路故障进行检测，故障监测系统的基本原理为：为实现接地极引线故障识别，ELIS系统在换流站内通过信号注入装置向接地极引线注入高频电流信号。同时，通过测量信号注入点的同频电压幅值，间接计算出接地极引线的阻抗变化。如果阻抗监视装置检测到的阻抗进入动作区，并持续一定时延，则向直流输电控制保护系统发送接地极引线异常信号，提醒运行人员进行相应操作。
为配合注入法的实施，在接地极引线的两端还分别串入一个并联谐振滤波器，以阻止高频信号的注入。其中，接地极址侧的滤波器还会装置与接地极引线波阻抗相匹配的并联电阻，以减少接地极引线在高频下的驻波效应。
基于ELIS系统，本实施例提出了一种高频注入信号频率选择方法，能够提高接地极引线故障监测装置对线路故障状态检测的灵敏度和可靠性，该方法具体以下步骤：
1)包括基于设计文件及线路参数实测报告，获取接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1。
本实施例中，接地极线路采用Bergeron模型，线路长度100.5km，单位长度参数如表1所示。
表1 接地极线路参数
Figure BDA0001818327910000041
2)形成注入信号频率选择最优化问题的目标函数：
maxf (3)
其中，f为注入信号频率。
3)形成注入信号频率选择最优化问题的约束条件：
Figure BDA0001818327910000051
其中，k为非负整数，本实施例中fmax取13.95kHz。
4)利用粒子群算法对(3)、(4)所构成的优化问题进行求解，得到注入频率最优值为：
f＝13.33kHz (7)
本实施例分别采用传统的注入频率13.95kHz和通过本实施例优化得到的注入频率13.33kHz进行检测，分别得到如图3和图4所示的阻抗偏差量随故障距离变化的关系图。
图3显示了，当注入信号频率为传统的13.95kHz时，接地极线路发生单回金属性或过渡电阻300ohm的非金属性接地故障时，保护装置测得的阻抗偏差量随故障距离变化的关系。
根据整定原则，当阻抗偏差值小于30ohm时，系统即出现拒动。由此可见，在此情况下保护可靠性能极差。
图4则给出了当注入信号频率为优化得到的13.3kHz时，接地极线路发生单回过渡电阻1000ohm的非金属性接地故障时，保护装置测得的阻抗偏差量随故障距离变化的关系。
根据整定原则可知，采用本实施例提出的频率注入方法后，阻抗监视装置性能得到极大提升，在即使过渡电阻达到1000ohm，依然可以保护线路全长。
实施例2
为实现上述实施例1所述的高频注入信号频率选择方法，本实施例提出了一种高频信号频率选择装置，该装置包括参数获取模块、数据处理模块以及优化求解模块；
其中，参数获取模块，用于获取接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1。
数据处理模块，用于确定高频注入信号频率选择最优化的目标函数以及高频注入信号频率选择最优化的约束条件；其中，所述目标函数为：max f；所述约束条件为：
Figure BDA0001818327910000052
f≤fmax，其中，f为高频注入信号频率，k为非负整数，fmax为高频注入信号的最大频率值。
优化求解模块，利用粒子群算法对步骤二中得到的最优化的目标函数和约束条件进行求解，得到高频注入频率最优值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高频注入信号频率选择方法，该方法用于特高压直流接地极线路故障监测，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1；
步骤二、根据所述接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1，确定高频注入信号频率选择最优化的目标函数以及高频注入信号频率选择最优化的约束条件；
所述步骤二中，所述目标函数为：max f；所述约束条件为：
Figure FDA0002740219480000011
其中，f为高频注入信号频率，k为非负整数，fmax为高频注入信号的最大频率值；
步骤三、利用粒子群算法对步骤二中得到的最优化的目标函数和约束条件进行求解，得到高频注入频率最优值。
2.根据权利要求1所述的一种高频注入信号频率选择方法，其特征在于，所述fmax为13.95kHz。
3.根据权利要求1所述的一种高频注入信号频率选择方法，其特征在于，接地极线路采用Bergeron模型。
4.根据权利要求1所述的一种高频注入信号频率选择方法，其特征在于，所述特高压直流接地极线路故障监测是采用接地极线路阻抗监测系统对线路故障状态进行检测，该接地极线路阻抗监测系统在换流站内通过信号注入装置向接地极引线注入高频电流信号，同时通过测量信号注入点的同频电压幅值，间接计算出接地极引线的阻抗变化。
5.根据权利要求4所述的一种高频注入信号频率选择方法，其特征在于，所述接地极线路阻抗监测系统还在接地极引线的两端分别串接一个并联谐振滤波器，以阻止高频信号的注入。
6.一种高频注入信号频率选择装置，该装置用于特高压直流接地极线路故障监测，其特征在于，该装置包括：
参数获取模块，用于获取接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1；
数据处理模块，根据所述接地极线路长度l，接地极线路单位长度电感L1及单位长度电容C1，确定高频注入信号频率选择最优化的目标函数以及高频注入信号频率选择最优化的约束条件；所述目标函数为：max f；所述约束条件为：
Figure FDA0002740219480000021
其中，f为高频注入信号频率，k为非负整数，fmax为高频注入信号的最大频率值；
优化求解模块，利用粒子群算法对步骤二中得到的最优化的目标函数和约束条件进行求解，得到高频注入频率最优值。
7.根据权利要求6所述的一种高频注入信号频率选择装置，其特征在于，所述fmax为13.95kHz。
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