CN109613383A - 计及直流接入的交流线路故障判断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及直流接入的交流线路故障判断方法及系统,包括监测线路两端母线电压的正序、零序分量幅值，满足条件即启动保护；计算线路两端的零序电流方向角、正序电流幅值，带入设定公式进行判断；从而可以判断是否是故障线路。本发明能够较为准确的判断故障线路。

Description

计及直流接入的交流线路故障判断方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护的技术领域，尤其是指一种计及直流接入的交流线路故障判断方法及系统。

背景技术

特高压直流输电技术由于其在远距离、大容量、非同步电网互联等方面具有特殊的优势，已经在我国电网中得到不少应用，甚至华东、华中等区域电网中已经初步形成了交直流混联的电网格局。特高压直流输电的接入给受端电力系统增加了一个快速动态电源，且这个电源对原交流电网的故障十分敏感。当互联电网的交流侧发生故障时，由于换流站电力电子器件的非线性特性以及直流控制系统调节的快速性，直流系统的等值电流、阻抗、功率等电气量均会发生突变，使得互联系统的暂态故障特性与纯交流系统有所不同。这必然会给现有的交流保护带来不同程度的影响。

现有的保护整定方法在涉及到直流接入时，通常不计直流系统和直流控制的影响。但在某些情况下，尤其是联于弱交流系统，直流系统提供的短路电流是不能忽略的。图1所示为我国某直流特高压工程受端电网的拓扑结构，其中，换流站交流1000kV母线无交流电源支撑。

距离保护作为一种单端量保护，具有不受系统运行方式影响等优点，是目前高压交流线路保护的典型配置之一。特高压直流接入后，交流故障可能会引起与直流系统相联的交流母线电压大幅波动，从而引发换相失败，进一步导致直流电流的较大波动。这将影响到距离保护经过渡电阻接地时测量阻抗的准确性。假设故障电流为I_f，流过保护装置的电流为I_k，正方向经过渡电阻接地时，阻抗继电器的测量阻抗Z_k如下：Z_k＝Z₁+Z_R。其中，Z₁为故障点到保护安装处的线路阻抗；Z_R为过渡电阻引起的附加阻抗。对双侧电源系统，短路电流由线路两端的电源分别提供。当I_f和I_k不同相时，有：其中，β为I_f和I_k之间的角度差。当β为负时，Z_R为容性，可能引起距离保护超越；当β为正时，Z_R为感性，可能引起距离保护欠范围，导致现有交流线路后备距离保护在直流接入后无法准确反映经阻抗接地故障的测量阻抗，从而可能出现拒动或误动的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中受端交流线路的后备保护在经过渡电阻接地的情况下容易拒动或误动的问题，从而提供一种避免发生拒动或误动的计及直流接入的交流线路故障判断方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的一种计及直流接入的交流线路故障判断方法，包括如下步骤：监测疑似故障线路两端的母线电压，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值；判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值大小所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

在本发明的一个实施例中，所述第一预设范围与闭锁角相关，判断其中，为线路第一端的零序电流方向角，为线路第二端的零序电流方向角，为电流相位差，为闭锁角，当所述电流相位差不在第一预设范围内时，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

在本发明的一个实施例中，所述第二预设值是经验值，所述经验值为 0.6，当所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端正序电流幅值的比值小于0.6时，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。此经验值可以根据系统的实际情况进行调整。

在本发明的一个实施例中，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，继续判断是否持续半个周波，若是，则认定为故障线路，否则返回至步骤S3。

在本发明的一个实施例中，所述认定为故障线路时，保护装置动作，延时跳开；所述认定为非故障线路时，保护装置不动作。

在本发明的一个实施例中，所述线路第一端与直流系统相联，所述线路第二端与交流系统相联。

在本发明的一个实施例中，所述第一阈值和所述第二阈值是经验值。

在本发明的一个实施例中，根据所述电压、电流采样值，通过滤波算法计算所述线路两端的零序电流方向角以及正序电流幅值。

本发明还提供了一种计及直流接入的交流线路故障判断系统，包括监测模块、计算模块以及判断模块，其中所述监测模块用于监测疑似故障线路两端的母线电压，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；所述计算模块用于接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值；所述判断模块用于判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的计及直流接入的交流线路故障判断方法及系统，包括监测线路两端母线电压的正序、零序分量幅值，满足条件即启动保护；计算线路两端的零序电流方向角、正序电流幅值，带入设定公式判据进行判断；满足则即认定为故障线路，延时跳开。本发明在直流弱馈线路双端序分量的信息交互之后，能够较为准确的判断故障线路。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是某直流特高压工程受端电网的拓扑简化图；

图2是本发明计及直流接入的交流线路故障判断方法的流程图；

图3是交直流互联系统的模型；

图4是高阻接地故障时的正序序网图；

图5是高阻接地故障时的负序序网图；

图6是高阻接地故障时的零序序网图；

图7A是发生区内故障时，交直流互联电网的零序序网图；

图7B是发生区外故障时，交直流互联电网的零序序网图；

图8A是发生区内故障时，交直流互联电网的正序序网图；

图8B是发生区外故障时，交直流互联电网的正序序网图。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，本实施例提供一种计及直流接入的交流线路故障判断方法，包括如下步骤：步骤S1：监测疑似故障线路两端的母线电压，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；步骤S2：接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值；步骤S3：判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

本实施例所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，所述步骤S1中，监测疑似故障线路两端的母线电压，根据发生故障时，距离故障点最近的母线正序电压最低(降低)，零序电压最高(升高)的特点，通过监测母线电压有利于判断是否发生故障，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；所述步骤S2中，接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值，有利于后续判断线路是否发生故障；所述步骤S3中，判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路，从而准确反映经阻抗接地故障的测量阻抗，避免可能出现拒动或误动的问题。

交流母线电压降低会引起逆变侧直流电压变化，从而造成直流电流发生变化。直流控制系统虽然会即刻采取行动以稳定直流电流的输出，但瞬时的增大是不可避免的。在严重故障时，交流侧故障引起的交流母线较大波动会引发直流换相失败，此时，将会有更大的直流电流波动，注入交流系统的电流也会相应变化。

虽然整体而言，直流系统注入交流系统的电流是变化的，但对某个既定的时间断面，该时段内的注入电流是一定的，根据电路的替代定理，可用一个注入电流源代替。当数据窗移动到下一时刻时，上述分析仍然成立。因此，在交直流互联系统，对于受端电网，直流系统一般被等效为由逆变站的交流母线电压控制的电流源，i_dc＝f(u_bus)。由于换流器的非线性以及直流控制系统的调节，此时注入交流侧的电流除了基波之外，还应包含非周期分量及各次谐波。交直流互联系统的模型如图3所示，其中，i_dc为直流系统的等值交流电流，Zc代表交流滤波器和无功补偿装置，T代表变压器。

交流线路发生经过渡电阻的接地故障时，测量阻抗的存在会影响距离保护判断故障的准确性。在交直流互联电网，当直流系统同时也对短路点提供短路电流时，情况就变得更为复杂。考虑到保护装置主要量测量为工频信号，只考虑直流系统等值注入电流的工频量的变化特征。

如图4、图5和图6所示，是交流线路故障时，交直流互联系统的正、负、零序序网图。值得指出的是，工程中常用的双桥12脉动逆变器，由于其换流变压器网侧接线形式为Y型接地，阀侧接线形式为Y型不接地或者Δ型，无论交流系统是否发生接地故障，直流系统的等值电源都不会向交流侧提供零序电流。因此，交流故障过程中，直流系统的等值电源只应在正、负序网中有所体现，而直流等值电源的正、负序模型如何建立并不影响本案的分析，因此在序网图中继续用等值的受控电源代替。其中Z_T1是换流变正序阻抗，Z_LM1、Z_LN1为故障点k两侧线路的正序阻抗，R_g接地电阻，E_N为交流系统侧等值电源，Z_SN1为等值正序阻抗。

电力系统正常运行时的零序分量几乎为零，发生不对称接地故障时，以单相接地为例，系统出现零序分量。图7A和图7B分别是发生区内、区外故障时，交直流互联电网的零序序网图。由此可见，零序网络为单电源网络，零序电源在故障点处。零序电压在短路点最大，越远离短路点，零序电压越低。零序电流的分布特点：当发生区内故障时，线路两端零序电流方向相同 (规定以母线流向线路为电流正方向)，大小取决于故障点两侧系统以及线路的参数；区外故障时，线路两端零序电流方向相反，大小相等。两相短路又经阻抗接地故障时，零序电量的分布特点与单相经阻抗接地时相同。基于上述原理，利用线路两端零序电流相位的比较关系，可以识别上述不对称接地故障。

所述第一预设范围与闭锁角相关，判断其中，为线路第一端的零序电流方向角，为线路第二端的零序电流方向角，为电流相位差，为闭锁角，当所述电流相位差不在第一预设范围内时，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

区外故障时，从一次看，若不考虑线路分布电容电流引起的电流相位差，线路两端电流方向相同。考虑实际，电流互感器传变误差，按10％负载误差曲线选择负载，最大误差角7°；根据试验结果，保护装置本身误差角可达 15°；信号传输的时间延迟，按6°/100km考虑，则线路总延迟角l×6°/100，其中l为线路长度。再计入一个裕度角15°，综上，闭锁角取50°。当线路MN两端电流相位差满足：时，判断为非故障线路，保护装置不动作。当线路MN两端电流相位差满足：或时，判断为故障线路，保护装置动作。

对称性故障，零序分量几乎为零，此时，采用正序分量进行分析。图 8A和图8B是发生区内、区外故障时，交直流互联电网的正序序网图。对称性故障将系统分隔成两个独立部分，故障点正序电压最低，越远离故障点电压越高。在区外故障时，线路两侧正序电流大小相等、方向相反；区内故障时，线路两侧电流方向相同，而大小则取决于故障点两侧系统的正序阻抗。交流系统的故障对逆变器的影响有两种可能：引起换相失败和不引起换相失败。其反作用于交流系统，不引起换相失败时，直流系统等值电流先增大，后恢复；引起换相失败时，直流等值电流减少，且随着换相失败程度的增加，减少的速度和幅度均增大。对于图1所示的直流弱馈系统，当线路MN上发生对称性故障时，无论是否引起直流换相失败，直流侧提供的正序电流都远小于交流侧提供的正序电流。而区外故障时，两侧故障电流大小基本相等。利用这一特点，再考虑互感器传变误差、保护装置本身误差等因素之后，线路MN发生对称性故障时有：其中I_M(1)为线路第一端的正序电流幅值，I_N(1)为线路第二端的正序电流幅值，所述第二预设值是经验值，此经验值可以根据系统的实际情况进行调整。所述经验值可以为0.6，当所述比值小于0.6时，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

本实施例中，为防止计算精度或其它因素影响保护判断故障母线的准确性，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的电流幅值的比值小于所述第二预设值，继续判断是否持续半个周波，若是，则认定为故障线路，否则返回至步骤S3。所述认定为故障线路时，保护装置动作，延时跳开；若认定为非故障线路时，保护装置不动作。根据所述电压、电流采样值，通过滤波算法计算所述线路两端的零序电流方向角以及正序电流幅值。所述线路第一端与直流系统相联，所述线路第二端与交流系统相联。根据本发明的方法，在直流弱馈线路双端序分量的信息交互之后，能够较为准确的判断故障线路。另外，所述第一阈值和所述第二阈值是经验值。

实施例二

本实施例提供一种计及直流接入的交流线路故障判断系统，利用实施例一所述交流线路故障判断方法判断线路是否存在故障，包括监测模块、计算模块以及判断模块，其中所述监测模块用于监测疑似故障线路两端的母线电压，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；所述计算模块用于接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值；所述判断模块用于判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

本实施例所述计及直流接入的交流线路故障判断系统，有利于准确反映经阻抗接地故障的测量阻抗，避免可能出现拒动或误动的问题。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：监测疑似故障线路两端的母线电压，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；

步骤S2：接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值；

步骤S3：判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

2.根据权利要求1所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：所述第一预设范围与闭锁角相关，判断其中，为线路第一端的零序电流方向角，为线路第二端的零序电流方向角，为电流相位差，为闭锁角，当所述电流相位差不在第一预设范围内时，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

3.根据权利要求1所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：所述第二预设值是经验值，所述经验值为0.6，当所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端正序电流幅值的比值小于0.6时，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。

4.根据权利要求1所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，继续判断是否持续半个周波，若是，则认定为故障线路，否则返回至步骤S3。

5.根据权利要求1或4所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：所述认定为故障线路时，保护装置动作，延时跳开；所述认定为非故障线路时，保护装置不动作。

6.根据权利要求1所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：所述线路第一端与直流系统相联，所述线路第二端与交流系统相联。

7.根据权利要求1所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：所述第一阈值和所述第二阈值是经验值。

8.根据权利要求1所述计及直流接入的交流线路故障判断方法，其特征在于：根据所述电压、电流采样值，通过滤波算法计算所述线路两端的零序电流方向角以及正序电流幅值。

9.一种计及直流接入的交流线路故障判断系统，其特征在于：包括监测模块、计算模块以及判断模块，其中所述监测模块用于监测疑似故障线路两端的母线电压，在正序电压低于第一阈值或零序电压高于第二阈值时，启动后备保护；所述计算模块用于接收所述疑似故障线路两端的电压、电流采样值，根据所述电压、电流采样值计算所述线路第一端的零序电流方向角以及正序电流幅值，以及线路第二端的零序电流方向角以及正序电流幅值；所述判断模块用于判断所述线路第一端的零序电流方向角与所述线路第二端的零序电流方向角的电流相位差是否在第一预设范围内，以及判断所述线路第一端的正序电流幅值与所述线路第二端的正序电流幅值的比值是否小于第二预设值，若所述电流相位差不在第一预设范围内或所述正序电流幅值的比值小于所述第二预设值，则认定为故障线路；否则，认定为非故障线路。