CN109995005B - 一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，步骤包括：采集正、负极整流侧和逆变侧的触发角；计算直流输电系统降压运行触发角，构造保护启动判据；计算正、负极的整流侧和逆变侧的触发角变化率均值，建立直流输电线路双极保护判据；根据判据中的整流侧触发角变化率均值与逆变侧触发角变化率均值的符号差异，来识别区内、外故障。本发明适用于直流线路的快速后备保护，具有线路两端的采集数据不需要同步、耐受过渡电阻能力强、保护无需延时，速动性较强的优势。

Description

一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法。

背景技术

HVDC输电系统凭借着远距离、大功率传输、控制快速灵活、损耗低的特点，在现代电力系统中获得了广泛的应用。但由于直流输电线路故障率高、实际运行的直流输电工程中主保护理论不完备以及后备保护延时较长，因此提升现有的直流线路保护的性能，对于提高电力系统稳定可靠性，具有重要意义。

直流线路故障分为初始行波阶段、直流控制暂态阶段以及直流控制稳态阶段。目前关于高压直流线路后备保护的研究大都集中在初始行波阶段和直流控制稳态阶段，使得直流控制暂态阶段缺乏相应的保护。

行波初始阶段具有故障电压、电流突变明显，不受直流系统控制影响的特点，因此将基于故障初始行波的单端保护原理作为主保护，包括行波保护和微分欠压保护。但是行波保护存在采样频率很高、初始行波波头检测困难、保护整定原则不统一以及耐受过渡电阻能力差的问题。

而基于故障初始行波的双端保护，包括行波纵联保护，由于需要两端通信，动作速度比单端行波保护慢，因此作为后备保护。但该保护的测量数据需要严格同步，并且易受到长直线路上的分布电容影响；同时为躲避区外交流侧故障的影响，需要设置较长的延时，使得故障长时间存在而难以切除。

实际上，直流线路故障后的直流控制暂态阶段也蕴含着重要的故障信息，若能充分利用其构成响应故障过程的保护原理，则可望突破现有直流线路保护研究的局限性，对于缩短后备保护延时，提高后备保护的速动性和灵敏性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法。本发明通过比较整流侧触发角变化率均值与逆变侧触发角变化率均值的符号来识别区内、外故障。本发明耐受过渡电阻能力强，不受故障类型、故障位置等外界因素的影响，具有较强的适应性和工程实用性。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，包括步骤：

采集正、负极直流线路整流侧和逆变侧直流控制的触发角；

计算直流输电系统降压运行时的降压运行触发角；

建立保护启动判据，判断整流侧的触发角与保护启动判据的门槛值的大小关系；

计算正、负极线路的整流侧触发角变化率均值和逆变侧触发角变化率均值；

建立故障识别判据，构造整流侧保护判据和逆变侧保护判据；

根据构造的整流侧保护判据和逆变侧保护判据来识别故障情况。

所述采集正、负极直流线路整流侧和逆变侧直流控制的触发角的步骤中，正、负极直流线路整流侧和逆变侧控制的触发角分别表示为α_j和β_j，其中j＝1时表示正极，j＝2时表示负极。

具体地，所述采集的正、负极直流线路整流侧和逆变侧直流控制的触发角来源于直流控制暂态阶段，采样频率为10kHz。

具体地，所述直流输电线路的降压运行触发角表示为α_thre，其计算公式为：

其中，U为降压运行时的电压；I为降压运行时的电流；X_r为整流站每相换相电抗；E为换流变压器阀侧空载线电压有效值。通常降压运行时的电压为额定电压的70％～80％，相应的触发角约为40°～50°。

具体地，所述对整流侧的触发角与保护启动判据的门槛值的大小关系进行判断的步骤中，判断方法为：

如果满足α_j>k_c(α_thre-α₀)，则计算正、负极线路的整流侧触发角变化率均值和逆变侧触发角变化率均值；

如果不满足α_j>k_c(α_thre-α₀)，则重新采集正、负极直流线路整流侧和逆变侧直流控制的触发角。

其中，α₀为正常运行时的触发角；k_c为可靠系数。

优选地，所述可靠系数k_c取值范围为1.05-1.1。

具体地，所述计算正、负极线路的整流侧触发角变化率均值和逆变侧触发角变化率均值的步骤中，正、负极线路的整流侧触发角变化率均值表示为(dα/dt)|_ave，其计算公式为：

其中，N为长度为T的时间窗内所采集数据的点数，f为采样频率；k_PR为整流侧α调节器的比例系数，且大于0；k_IR为整流侧α调节器的积分环节系数，且大于0；δ_IR表示触发角α调节的控制信号。

δ_IR的计算公式为：

δ_IR＝I_Rorder-I_dR

其中，I_dR为整流侧的电流，I_Rorder为整流侧低压限流控制的整定电流。

逆变侧的触发角变化率均值表示为(dβ/dt)|_ave，其计算公式为：

其中，当电压跌落程度小时，逆变侧β调节器的比例系数为k_Pβ，且k_Pβ大于0，逆变侧积分环节系数为k_Iβ，且k_Iβ大于0；当电压跌落程度大时，逆变侧β调节器的比例系数为k_PI，且k_PI大于0；逆变侧β调节器的积分环节系数为k_II，且k_II大于0。δ_γ表示当电压跌落程度小时，逆变侧触发角β的控制信号；δ_II表示当电压跌落程度较大时，逆变侧触发角β调节的控制信号。

δ_II的计算公式为：

δ_II＝I_Rorder-I_dI-I_marg

其中，I_dI为逆变侧的电流；I_marg为电流裕度。

δ_γ的计算公式为：

δ_γ＝γ_ref-γ+kδ_II

其中，γ为关断角，γ_ref为逆变器正常运行时所整定的关断越前角，k为电流偏差控制系数。

所述建立故障识别判据，构造整流侧保护判据和逆变侧保护判据的步骤中，构造的整流侧保护判据和逆变侧保护判据分别表示为R_αj＝(dα/dt)|_ave和I_βj＝(dβ/dt)|_ave。

具体地，所述根据构造的整流侧保护判据和逆变侧保护判据来识别故障情况的步骤中，识别故障情况的方法为：

判断判据式R_αj>0&I_βj<0是否成立：

如果满足R_αj>0&I_βj<0，则说明是区内故障；

如果不满足R_αj>0&I_βj<0，则说明是区外故障或者非故障。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明可在直流控制暂态阶段识别故障，保护动作区间长，可靠性高，能够弥补现有保护在直流控制暂态阶段缺乏保护的问题。

2、本发明的保护判据考虑的是固定长度时间窗数据的整体影响，因此采集的数据不需要严格同步，能够避免数据不同步对保护的影响。

3、本发明的保护耐受过渡电阻能力强，具有较高的灵敏性，且相对于实际工程应用的直流差动保护，故障识别不需要延时，能够快速胜任后备保护。

附图说明

图1是±800kV双极高压直流输电系统模型示意图。

图2是一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法的程序流程框图。

图3是正极线路区内路中点经300Ω过渡电阻接地故障时的保护动作图。

图4是正极逆变侧平波电抗器外侧金属性接地故障时的保护动作图。

图5是正极整流侧平波电抗器外侧金属性接地故障时的保护动作图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

在本实施例中，如图1所示为±800kV双极高压直流输电系统模型示意图。所述系统送点容量为5000MW，额定电压和额定电流分别为±800kV和3.125kA。线路长度设置为1438km，线路模型采用依频模型，保护的采样频率为10kHz，正常运行时的触发角α₀为18°，U取70％额定直流电压，I取70％额定直流电流，k_c取1.05，计算得到的降压运行触发角α_thre为42°，故设置启动判据的整定值Δα_set为25°。在图1中，f₁-f₅为故障点。其中：f₁表示正极线路故障；f₂表示负极线路故障；f₃表示整流侧平波电抗器外侧故障；f₄表示逆变侧平波电抗器外侧故障；f₅表示双极线路故障。

对本实施例所述的一种基于触发角变化率均值的直流线路纵联保护方法，其流程图如图2所示，包括步骤：

(1)采集正、负极直流线路整流侧和逆变侧的触发角；

所述正、负极直流线路整流侧和逆变侧控制的触发角分别表示为α_j和β_j，其中j＝1表示正极；j＝2表示负极，设置采样频率为10kHz。

(2)计算直流输电系统降压运行时的降压运行触发角；

所述降压运行触发角表示为α_thre，其计算公式为：

其中，U为降压运行时的电压；I为降压运行时的电流；X_r为整流站每相换相电抗；E为换流变压器阀侧空载线电压有效值。

在本实施例中，正常运行时的触发角α₀为18°，U取70％额定直流电压，I取70％额定直流电流，kc取1.05，计算降压运行触发角为42°，故设置启动判据的整定值Δα_set为25°。

(3)建立保护启动判据，判断整流侧触发角α_j与触发角启动门槛值k_c(α_thre-α₀)的关系，判断方法为：

如果满足α_j>k_c(α_thre-α₀)，则进行步骤(4)；

如果不满足α_j>k_c(α_thre-α₀)，则返回步骤(1)；

其中，k_c为可靠系数，取1.05-1.1。

(4)计算正、负极线路的整流侧和逆变侧的触发角变化率均值。

整流侧的触发角变化率均值表示为(dα/dt)|_ave，其计算公式为：

式中，N为长度为T的时间窗内所采集的数据的点数，f为采样频率，取10kHz；k_PR为整流侧α调节器的比例系数，且大于0；k_IR为整流侧α调节器的积分环节系数。δ_IR表示触发角α调节的控制信号；

δ_IR计算公式为：

δ_IR＝I_Rorder-I_dR

其中，I_dR为整流侧的电流，I_Rorder为整流侧低压限流控制的整定电流。

逆变侧的触发角变化率均值表示为(dβ/dt)|_ave，其计算公式为：

其中，N为长度为T的时间窗内所采集的数据的点数，f为采样频率，取10kHz；

当电压跌落程度小时，逆变侧β调节器的比例系数为k_Pβ，且k_Pβ大于0，逆变侧积分环节系数为k_Iβ，且k_Iβ大于0；当电压跌落程度大时，逆变侧β调节器的比例系数为k_PI，且k_PI大于0；逆变侧β调节器的积分环节系数为k_II，且k_II大于0；δ_γ表示当电压跌落程度小时，逆变侧触发角β的控制信号；δ_II表示当电压跌落程度较大时，逆变侧触发角β调节的控制信号。

δ_II的计算公式为：

δ_II＝I_Rorder-I_dI-I_marg

其中，I_dI为逆变侧的电流；I_marg为电流裕度

δ_γ的计算公式为：

δ_γ＝γ_ref-γ+kδ_II

其中，γ为关断角，γ_ref为逆变器正常运行时所整定的关断越前角，k为电流偏差控制系数。

(5)建立故障识别判据，构造整流侧保护判据和逆变侧保护判据。

所述构造整流侧保护判据和逆变侧保护判据分别表示为R_αj＝(dα/dt)|_ave和I_βj＝(dβ/dt)|_ave。

(6)根据构造的整流侧保护判据和逆变侧保护判据来识别故障情况。

所述故障情况识别方法为：

判断R_αj>0&I_βj<0是否成立：

如果满足R_αj>0&I_βj<0，则说明是区内故障；

如果不满足R_αj>0&I_βj<0，则说明是区外故障或者非故障。

下面列举3种不同的故障情况予以说明：

情况1：正极区内线路中点f₁点发生经300Ω过渡电阻接地故障，继电保护装置在直流控制暂态阶段，正极线路整流侧触发角变化率均值大于0；逆变侧触发角变化率均值小于0，保护方案正确地识别出区内、外故障。同理，负极保护装置不满足判据，负极保护装置不动作。保护动作如图3所示。

情况2：正极区外逆变侧f₄点发生金属性接地故障，继电保护装置得到正极线路整流侧和逆变侧的触发角变化率均值大于0，仅仅满足整流侧保护判据，不满足逆变侧保护判据；正极保护装置不动作。同理，负极保护装置不满足判据，负极保护装置不动作。保护动作如图4所示。

情况3：正极区外整流侧f₃点发生金属性接地故障，继电保护装置在直流控制暂态阶段，整流侧和逆变侧的触发角变化率均小于0，仅仅满足逆变侧保护判据，不满足整流侧保护判据；正极保护装置不动作。同理，负极保护装置不满足判据，负极保护装置不动作。保护动作如图5所示。

不同故障初始条件的仿真与分析：

区内故障影响因素分析：在正极线路上设置不同的故障类型，考察不同故障位置、不同故障距离、不同过渡电阻对保护判据的影响。故障条件和仿真结果见表1。

表1区内故障时的仿真结果

表1中，Y表示保护装置动作，N表示保护装置不动作。R_α为整流侧触发角变化率均值；I_β为逆变侧触发角变化率均值。

由表1可知，区内故障时，在不同故障距离和过渡电阻的影响下，故障极整流侧触发角变化率均值始终大于0，逆变侧触发角变化率均值始终小于0，故根据故障识别步骤(6)可知，整流侧和逆变侧保护判据均满足，为区内故障，故障极保护动作，同理，健全极保护不动作。

区外故障影响因素分析：设置线路区外故障，考察不同故障位置、不同故障距离、不同过渡电阻对保护判据的影响。故障条件和仿真结果见表2。

表2区外故障时的仿真结果

由表2知，当区外发生故障时，在不同过渡电阻的影响下，整流侧和逆变侧的保护判据只满足一个。根据故障识别步骤(6)可知，故障极保护不动作。同理，健全极保护不动作。

经理论分析和仿真验证，本纵联保护方案具有以下优点：该保护方案可在直流控制暂态阶段识别故障，保护动作区间长，可靠性高；本发明的保护判据考虑的是固定长度时间窗数据的整体影响，因此采集的数据不需要严格同步，避免数据采集的不同步对保护的影响；本发明的保护耐受过渡电阻能力强，具有较高的灵敏性，且相对于实际工程应用的直流差动保护，故障识别不需要延时，能够快速胜任后备保护。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，包括步骤：

采集正、负极直流线路整流侧和逆变侧触发角；

计算直流输电系统降压运行时的降压运行触发角；

建立保护启动判据，判断整流侧的触发角与保护启动判据的门槛值的大小关系；

计算正、负极线路的整流侧触发角变化率均值和逆变侧触发角变化率均值；

建立故障识别判据，构造整流侧保护判据和逆变侧保护判据；

根据构造的整流侧保护判据和逆变侧保护判据来识别故障情况；

所述计算正、负极线路的整流侧触发角变化率均值和逆变侧触发角变化率均值的步骤中，正、负极线路的整流侧的触发角变化率均值表示为(dα/dt)|_ave，计算公式为：

其中，N为长度为T的时间窗内所采集的数据的点数，f为采样频率；k_PR为整流侧α调节器的比例系数，且大于0；k_IR为整流侧α调节器的积分环节系数，且大于0；δ_IR表示触发角α调节的控制信号；

逆变侧的触发角变化率均值表示为(dβ/dt)|_ave，计算公式为：

其中，当电压跌落程度小时，逆变侧β调节器的比例系数为k_Pβ，且k_Pβ大于0，逆变侧积分环节系数为k_Iβ，且k_Iβ大于0；当电压跌落程度大时，逆变侧β调节器的比例系数为k_PI，且k_PI大于0；逆变侧β调节器的积分环节系数为k_II，且k_II大于0；δ_γ表示当电压跌落程度小时，逆变侧触发角β的控制信号；δ_II表示当电压跌落程度大时，逆变侧触发角β调节的控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，所述采集的正、负极直流线路整流侧和逆变侧的触发角来源于直流控制暂态阶段，采样频率为10kHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，所述计算直流输电线路的降压运行触发角α_thre的计算公式为：

其中，U_jy为降压运行时的电压；I为降压运行时的电流；X_r为整流站每相换相电抗；E为换流变压器阀侧空载线电压有效值。

4.根据权利要求3所述的一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，所述判断整流侧的触发角与保护启动判据的门槛值的大小关系的步骤中，判断方法为：

如果满足α_j>k_c(α_thre-α₀)，则计算正、负极线路的整流侧触发角变化率均值和逆变侧触发角变化率均值；

如果不满足α_j>k_c(α_thre-α₀)，则重新采集正、负极直流线路整流侧和逆变侧直流控制的触发角；

其中，α₀为正常运行时的触发角；k_c为可靠系数。

5.根据权利要求4所述的一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，所述的可靠系数k_c取值范围为1.05-1.1。

6.根据权利要求1所述的一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，δ_IR的计算公式为：

δ_IR＝I_Rorder-I_dR

其中，I_dR为整流侧的电流，I_Rorder为整流侧低压限流控制的整定电流；

δ_II的计算公式为：

δ_II＝I_Rorder-I_dI-I_marg

其中，I_dI为逆变侧的电流；I_marg为电流裕度；

δ_γ的计算公式为：

δ_γ＝γ_ref-γ+kδ_II

其中，γ为关断角，γ_ref为逆变器正常运行时所整定的关断越前角，k为电流偏差控制系数。

7.根据权利要求1所述的一种基于触发角变化率均值的直流输电线路纵联保护方法，其特征在于，所述根据构造的整流侧保护判据和逆变侧保护判据来识别故障情况的步骤中，识别故障情况的方法为：

判断判据式R_αj>0&I_βj<0是否成立：

如果满足R_αj>0&I_βj<0，则说明是区内故障；

如果不满足R_αj>0&I_βj<0，则说明是区外故障或者非故障；

其中，R_αj＝(dα/dt)|_ave和I_βj＝(dβ/dt)|_ave。

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