CN110783903B - 一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法，主要利用高压直流输电线路线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性特征和直流滤波器电流导数的数值特征实现单端暂态量保护，包括如下的步骤：(1)通过整流侧电流采集装置，采集得到保护测量点的直流线路电流i_Mk和直流滤波器电流i_mk，获得离散的电流导数序列；(2)当直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值满足如下的保护启动判据时，保护启动。

Description

一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统特高压直流输电继电保护领域,尤其涉及一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法。

背景技术

随着高压直流(high voltage directcurrent，HVDC)输电在长距离输电、非同步电网互联等方面的应用增多，直流输电线路保护对保证电力系统的安全性和可靠性日益显得尤其重要。高压直流输电线路常穿越复杂的地形、运行于极端的气候环境下，故障发生概率较高，严重威胁直流输电系统的安全可靠运行。因此，高压直流输电线路保护对于保证现代输电系统的可靠性和安全性至关重要。

目前，高压直流输电线路多以行波保护和微分欠压保护作为主保护，电流差动保护作为后备保护。但是，行波保护和微分欠压保护存在高过渡电阻故障时灵敏性低等问题。电流差动保护作为检测高阻故障的后备保护，为躲避电容电流的影响，动作延时达数百毫秒以上。在此延时阶段，若换流阀阀组保护先于电流差动保护动作，将导致该极停运。因此，电流差动保护有时无法起到后备保护的作用，且实际工程中出现过上述情况。

针对目前直流线路保护存在的问题，众多学者对于高压直流输电线路保护的研究以主保护为主。《Fault analysis and traveling-wave protection scheme for bipolarHVDC lines》提出了新的高速行波保护，但易受干扰和高阻影响。《利用滤波器支路电流的高压直流输电线路全线速动保护》通过判断特定频带下单端电流幅值是否超过设定门槛来判别区内、外故，但长线路远端故障时，保护的灵敏性可能无法满足要求。因此，为保证直流输电线路的可靠性和安全性，研究新的高压直流输电线路保护方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法。本方法基于直流输电线路区内、外故障时线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性特征和直流滤波器电流导数的数值特征，构造高压直流输电线路单端暂态量保护判据以识别线路区内、外故障，不仅克服了传统高压直流输电线路主保护的不足，且具有不受线路边界参数的影响，抗噪声干扰能力强等优点。本发明的技术方案如下：

一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法，主要利用高压直流输电线路线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性特征和直流滤波器电流导数的数值特征实现单端暂态量保护，包括如下的步骤：

(1)通过整流侧电流采集装置，采集得到保护测量点的直流线路电流i_Mk和直流滤波器电流i_mk，k取1、2分别表示正极和负极，并经数据处理装置计算直流线路电流导数i′_Mk、直流滤波器电流导数i′_mk、直流线路电流导数之和i′_M＝i′_M1+i′_M2及直流滤波器电流导数之和i′_m＝i′_m1+i′_m2，获得离散的电流导数序列

N为电流导数序列点数；

(2)当直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值满足如下的保护启动判据时，保护启动：

式中，|i′_m|是直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值，Δ_set是保护启动的门槛值，k_r是保护可靠系数，k_FC是高压直流输电正常运行时允许的直流电流最大波动系数，I_N是高压直流输电系统的额定直流电流，T_p是高压直流控制保护系统的运行周期。

在步骤(2)的启动保护之后还执行下面的步骤：

(1)计算直流线路电流导数之和i′_M与直流滤波器电流导数之和i′_m的相关系数r(i′_M,i′_m)，

式中，x_i表示直流线路电流导数之和i′_M序列的第i个离散点，y_i表示直流滤波器电流导数之和i′_m序列的第i个离散点，i为正整数，N为时间窗长T内的采样点数，x是时间窗长内i′_M的平均值，

是时间窗长内i′_m的平均值；

(2)当保护判定系数k_s大于保护整定值k_set时，则保护判定为区内故障；反之，则保护判定为区外故障；保护判定系数k_s计算公式为：

式中，f是电流采集装置的采样频率，t₀是保护启动判据的启动时刻，Δt为数据窗长，r(t)是相关系数r(i′_M,i′_m)的时域表达式。

其中，对于正极输电线路，整流侧线路电流i_M1正方向为从整流站指向正极线路，直流滤波器电流i_m1正方向为从正极线路指向大地；对于负极输电线路，整流侧线路电流i_M2正方向为从负极线路指向整流站，直流滤波器电流i_m2的正方向为从大地指向负极线路。

保护整定值k_set取小于0.98的正数。

时间窗长T为3ms，数据窗长Δt为1ms。

本发明针对传统高压直流输电线路保护存在的缺陷，提出了一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法。与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明是基于直流输电系统区内、外故障时线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性特征和直流滤波器电流导数的数值特征，提出了高压直流输电线路单端量保护方法，保护理论完善、选择性好。

(2)与现有方法相比，本发明方法抗过渡电阻能力强。

(3)本发明方法不受线路边界参数的影响，且抗噪声干扰能力强。

附图说明

图1双极高压直流输电系统示意图。

图2区内、外故障时系统故障附加电路。

图3正极线路末端发生金属性接地故障时保护测量和计算的结果示意图。

图4整流侧平波电抗器外发生金属性接地故障时保护测量和计算的结果示意图。

图5逆变侧平波电抗器外发生金属性接地故障时保护测量和计算的结果示意图。

图中标号说明：

图1中L_sr为平波电抗器；M、N表示直流线路两端；i_M1和i_M2为分流器处直流线路电流；i_m1和i_m2为电流互感器处直流滤波器电流；电流的正方向规定为图中箭头所示方向；f₁—f₇为设定的故障点。其中：f₁、f₇分别为整流侧、逆变侧交流母线上的故障点，f₂、f₆分别为整流侧、逆变侧平波电抗器外的故障点，f₃、f₄、f₅为直流线路上的故障点。

图2中(a)图为区内故障时系统故障附加等效电路；(b)图为整流侧区外故障时系统故障附加等效电路；(c)图为逆变侧区外故障时系统故障附加等效电路；L_sr为平波电抗器，L_M、L_N分别是整流侧、逆变侧换流器和交流系统总阻抗的等效电感，L_F是直流滤波器阻抗的等效电感，u_f、i_f分别是故障点等效电压、电流，G_f是故障电导，ufMi、i_fMi分别是整流侧直流线路分流器处的电压、电流故障分量，i取1、2、3；i_fmi是整流侧直流滤波器电流故障分量，i取1、2、3。

图3中i′_M是正极和负极直流线路电流导数之和，i′_m是正极和负极直流滤波器电流导数之和，|i′_m|是直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值，Δ_set为保护启动的门槛值，k_s是故障识别系数，k_set是保护识别区内故障的门槛值。

图4中i′_M是正极和负极直流线路电流导数之和，i′_m是正极和负极直流滤波器电流导数之和，|i′_m|是直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值，Δ_set为保护启动的门槛值，k_s是故障识别系数，k_set是保护识别区内故障的门槛值。

图5中i′_M是正极和负极直流线路电流导数之和，i′_m是正极和负极直流滤波器电流导数之和，|i′_m|是直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值，Δ_set为保护启动的门槛值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法，主要利用高压直流输电线路整流侧线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性和直流滤波器电流导数的数值特征实现区内、外故障的判别，其具体步骤如下：

(1)如图1所示，为本实施例具体应用的高压直流输电系统示意图。通过电流采集装置采集得到正极、负极直流线路电流i_M1和i_M2、直流滤波器电流i_m1和i_m2，并经数据处理装置计算直流线路电流导数i′_M1和i′_M2、直流滤波器电流导数i′_m1和i′_m2、直流线路电流导数之和i′_M＝i′_M1+i′_M2及直流滤波器电流导数之和i′_m＝i′_m1+i′_m2，获得离散的电流导数序列

N为电流导数序列点数；

(2)当直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值满足保护启动判据时，保护启动，并开始计算直流线路电流导数之和i′_M与直流滤波器电流导数之和i′_m的相关系数r(i′_M,i′_m)，

式中，x_i表示直流线路电流导数之和i′_M序列的第i个离散点，y_i表示直流滤波器电流导数之和i′_m序列的第i个离散点，i为正整数，N为时间窗长3ms内的采样点数，

是3ms内i′_M的平均值，

是3ms内i′_m的平均值；

(3)当保护判定系数k_s大于保护整定值k_set时，则保护判定为区内故障；反之，则保护判定为区外故障；保护判定系数k_s计算公式为

式中，f是电流采集装置的采样频率，t₀是保护启动判据的启动时刻，Δt为数据窗长，取1ms。

步骤(1)中，电流的正方向规定为图1中箭头所示方向。

步骤(2)中，保护启动判据为

式中，|i′_m|是直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值，Δ_set是保护启动的门槛值，k_r是保护可靠系数，k_FC是高压直流输电正常运行时允许的直流电流最大波动系数，I_N是高压直流输电系统的额定直流电流，T_p是高压直流控制保护系统的运行周期。

步骤(3)中，保护整定值k_set取0～0.98。

基于高压直流输电线路整流侧线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性和直流滤波器电流导数的数值特征实现区内、外故障的判别实现区内、外故障识别，原理为：

区内故障时系统故障附加电路，如图2(a)所示。由图2(a)可知，直流线路M端电压、电流故障分量存在如下关系

根据实际直流系统中，交流系统含换流器等效阻抗的等值电感L_M和L_sr数值之和是直流滤波器等效电感L_F数值的数十倍以上，因此近似存在式(2)关系如下

可得电流导数i′_fM1如下

由图2可知，直流滤波器电流导数i′_fm1存在如下关系

由式(3)和式(4)可知，电流导数i′_fM1和i′_fm1存在如下关系

i′_fM1＝-i′_fm1 (5)

由式(5)可知，当直流输电线路发生区内故障时，对于整流侧，电流导数i′_fM1和直流滤波器电流导数i′_fm1互为相反数，线路电流导数与直流滤波器电流导数之间的关系不受过渡电阻及直流线路边界参数的影响。

根据图2(b)所示附加网络，当整流侧区外故障时，可得

式中：L_eq是直流输电线路的等效集中电感。

图2(c)为逆变侧区外故障的故障分量附加网络。当逆变侧区外故障时，同理可得

i′_fM3＝-i′_fm3 (7)

由式(6)和式(7)可知，当整流侧区外故障时，电流导数i′_fM2和直流滤波器电流导数i′_fm2正相关；而对于逆变侧区外故障，电流导数i′_fM3和直流滤波器电流导数i′_fm3互为相反数；区外故障时，线路电流导数与直流滤波器电流导数之间的关系不受过渡电阻及直流线路边界参数的影响。

为识别区内故障和逆变侧区外故障，进一步分析直流滤波器电流导数的数值特征。根据图2，区内、外故障时，直流滤波器电流导数计算公式如下

由式(8)可得，

由式(9)可知，区内故障和整流侧区外故障时，直流滤波器电流导数i′_fm1和i′_fm2都大于i′_fm3。因此，基于直流滤波器电流导数的数值特征可实现区内故障、逆变侧区外故障的准确识别。

本实施例中利用PSCAD/EMTDC软件搭建±800kV向家坝超高压直流输电系统，如图1所示。直流输电线路全长为1907km，采用频率相关模型；采样频率为10kHz。

1)区内故障

直流输电线路正极末端发生金属性接地故障时，保护测量和计算的结果如图3所示。

由图3可以看出，故障后，整流侧直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值|i′_m|迅速增大，并大于保护启动的门槛值Δ_set，保护可靠启动。在保护启动后的几个毫秒内，故障识别系数k_s大于门槛值k_set(0.95)，保护可靠判定为区内故障。

为进一步验证故障距离、过渡电阻等对保护方法的影响，仿真结果如表1所示。表1中，x表示故障点与线路M端点之间的距离。

表1不同类型区内故障时仿真结果

由表1可知：

1)不同故障类型下，故障识别系数k_s都近似等于0.99，保护可靠识别为区内故障。

2)对于同一类型的故障，仿真结果表明，线路电流导数与相应的直流滤波器电流导数之间的关系，即k_s基本不受故障距离、过渡电阻的影响。因此，本保护方法的可靠性不受故障距离、过渡电阻的影响。

2)区外故障

整流侧、逆变侧平波电抗器外发生金属性接地故障时，保护测量和计算的结果分别如图4、图5所示。

由图4可知，故障后，整流侧直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值|i′_m|迅速增大，并大于保护启动的门槛值Δ_set，保护可靠启动。在保护启动后的几个毫秒内，故障识别系数k_s一直小于门槛值k_set(0.95)。因此，保护准确识别为区外故障。

由图5可知，故障后，整流侧直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值|i′_m|迅速增大，但始终小于保护启动的门槛值Δ_set，保护可靠不启动。因此，保护准确识别为区外故障。

3)噪声对保护的影响

正极输电线路末端发生金属性接地故障时，将直流线路电流和直流滤波器电流的采样序列叠加不同强度的高斯噪声，故障识别系数k_s仿真结果如表2所示。

表2不同强度噪声下仿真结果

信噪比(dB)	|i′<sub>m1</sub>|(A/μs)	k<sub>s</sub>	故障识别结果
				30	30.01	0.98	区内故障
40	30.34	0.99	区内故障
				50	30.43	0.99	区内故障
60	30.44	0.99	区内故障
				70	30.43	0.99	区内故障
80	30.43	0.99	区内故障
				90	30.43	0.99	区内故障
100	30.43	0.99	区内故障

由表2可知：

|i′_m1|和故障识别系数k_s受噪声的影响较小。当信噪比为30dB时，故障识别系数k_s依然大于门槛值k_set(0.95)，本方法可靠识别为区内故障；当信噪比大于30dB时，故障识别系数ks近似等于0.99。因此，本方法受噪声影响较小，且在较大的噪声下，依然能准确、可靠识别区内外故障。

Claims (4)

1.一种高压直流输电线路单端暂态量保护方法，主要利用高压直流输电线路线路电流导数与直流滤波器电流导数的相关性特征和直流滤波器电流导数的数值特征实现单端暂态量保护，包括如下的步骤：

(1)通过整流侧电流采集装置，采集得到保护测量点的直流线路电流i_Mk和直流滤波器电流i_mk，k取1、2分别表示正极和负极，并经数据处理装置计算直流线路电流导数i′_Mk、直流滤波器电流导数i′_mk、直流线路电流导数之和i′_M＝i′_M1+i′_M2及直流滤波器电流导数之和i′_m＝i′_m1+i′_m2，获得离散的电流导数序列

N为电流导数序列点数；

(2)当直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值满足如下的保护启动判据时，保护启动：

式中，|i′_m|是直流滤波器电流导数之和i′_m的绝对值，Δ_set是保护启动的门槛值，k_r是保护可靠系数，k_FC是高压直流输电正常运行时允许的直流电流最大波动系数，I_N是高压直流输电系统的额定直流电流，T_p是高压直流控制保护系统的运行周期；

在启动保护之后还执行下面的步骤：

1)计算直流线路电流导数之和i′_M与直流滤波器电流导数之和i′_m的相关系数r(i′_M,i′_m)，

式中，x_i表示直流线路电流导数之和i′_M序列的第i个离散点，y_i表示直流滤波器电流导数之和i′_m序列的第i个离散点，i为正整数，N_T为时间窗长T内的采样点数，

是时间窗长内i′_M的平均值，

是时间窗长内i′_m的平均值；

2)当保护判定系数k_s大于保护整定值k_set时，则保护判定为区内故障；反之，则保护判定为区外故障；保护判定系数k_s计算公式为：

式中，f是电流采集装置的采样频率，t₀是保护启动判据的启动时刻，Δt为数据窗长，r(t)是相关系数r(i′_M,i′_m)的时域表达式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，对于正极输电线路，整流侧线路电流i_M1正方向为从整流站指向正极线路，直流滤波器电流i_m1正方向为从正极线路指向大地；对于负极输电线路，整流侧线路电流i_M2正方向为从负极线路指向整流站，直流滤波器电流i_m2的正方向为从大地指向负极线路。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护整定值k_set取小于0.98的正数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，时间窗长T为3ms，数据窗长Δt为1ms。

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