CN111130074B - 基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法，测量直流输电线路正极和负极电压，计算线模、零模电压故障分量；低电压判据启动保护，记录保护启动时间；保护启动后，根据线模电压故障分量变化率的符号改变标定线模电压故障分量到达第一个极值时的时间；利用获得的线模电压故障分量达到第一个极值时的时间和保护启动时间，求出故障电压的首极值时间；判断电压首极值时间是否满足保护判据，实现直流线路故障的区内外判别。当判断为区内故障，利用零模电压进行故障选极。本发明利用电压首极值时间构造保护，具有高速动性，高可靠性，高灵敏度。

Description

基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法。

背景技术

直流输电，尤其是柔性直流电网，对继电保护的动作时间、选择性、灵敏度和可靠性均提出非常高的要求。适用于不同换流器类型直流输电系统的直流线路超高速保护成为目前研究的重点。

实际投入运行的直流输电工程中，线路保护存在速动性差、可靠性低、灵敏度低等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法，提高了现有直流保护的性能，满足直流输电线路对继电保护四性的要求。

本发明采用以下技术方案：

基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护方法，包括以下步骤：

S1、测量直流输电线路正极和负极电压，计算线模、零模电压故障分量；

S2、低电压判据启动保护，记录保护启动时间；

S3、保护启动后，根据步骤S1获得的线模电压故障分量变化率的符号改变标定线模电压故障分量到达第一个极值时的时间；

S4、根据步骤S3获得的线模电压故障分量达到第一个极值时的时间和步骤S2获得的保护启动时间，确定故障电压的首极值时间；

S5、判断步骤S4得到的故障电压首极值时间是否满足保护判据，实现直流线路故障的区内外判别。

具体的，步骤S1中，线模、零模电压故障分量Δu₁和u₀计算如下：

其中，u_p为保护安装处测得的正极电压，u_n为保护安装处测得的负极电压，u_pN为直流线路正极额定电压，u_nN为直流线路负极额定电压。

具体的，步骤S2中，当Δu₁＜u_set时，保护启动，记下保护启动时间t₀；u_set为启动元件整定值，按照躲过正常工作状态下双极直流系统的最大不平衡电压进行整定。

具体的，步骤S3中，线模电压故障分量达到第一个极值时的时间的计算方法为：

其中，T_s为采样间隔，当满足以上关系时，线模电压故障分量到达第一个极值时的时间为t₁。

具体的，步骤S4中，电压首极值时间t_p为：

t_p＝t₁-t₀

其中，t₁为线模电压故障分量到达第一个极值时的时间，t₀为保护启动时间。

具体的，步骤S5中，保护判据为：

t_p＜t_set＝k_relmax{t_in}

其中，t_set是保护整定值，k_rel是可靠系数，t_in是区内故障时的电压首极值时间。

具体的，当步骤S5中判断为区内故障的情况，利用零模电压进行故障选极。

进一步的，若u₀＞u_0set，则为负极故障，若u₀＜-u_0set，则为正极故障，若-u_0set＜u₀＜u_0set，则为双极故障。

本发明的另一个技术方案是，一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统，利用所述的方法，包括：

电压采样处理模块，测量直流输电线路保护安装处的电压；

保护启动模块，启动保护并标定启动时刻t₀；

计算模块，计算保护安装处的线模、零模电压故障分量；计算线模电压故障分量首极值时间t_p；

保护模块，根据计算模块的结果确定是否进行保护动作；

选极模块，根据零模电压选故障极。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护方法，构造保护判据的电压首极值时间不受过渡电阻影响，因而保护方法理论上不存在低灵敏度问题，在高过渡电阻故障发生时具有高灵敏度。此外，本发明基于线路参数和线路边界，在直流输电系统不同的换流器拓扑结构下仍适用。

进一步的，通过计算出保护安装处线模电压、零模电压故障分量，为保护计算和故障选极做准备。

进一步的，通过步骤S2和S3，计算步骤S4中电压首极值时间，利用电压首极值时间可实现直流输电线路区内、外故障的快速、高灵敏度判别。

综上所述，本发明利用电压首极值时间构造保护方法和保护装置，方法和装置具有高速动性，高可靠性，高灵敏度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为±400kV柔性直流电网示意图；

图2为保护流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法，采用利用线模电压故障分量首极值时间构造保护判据，根据零模电压判断故障极。

请参阅图2，本发明一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统及方法，包括以下步骤：

S1、测量直流输电线路正极和负极电压，计算线模、零模电压故障分量；

线模、零模电压故障分量计算如下：

其中，u_p为保护安装处测得的正极电压，u_n为保护安装处测得的负极电压，u_pN为直流线路正极额定电压，u_nN为直流线路负极额定电压。

S2、低电压判据启动保护，记录保护启动时间；

当Δu₁<u_set，保护启动，记下保护启动时间t₀；u_set为启动元件整定值，按照躲过正常工作状态下双极直流系统的最大不平衡电压整定。

S3、保护启动后，根据线模电压故障分量变化率的符号改变标定线模电压故障分量到达第一个极值时的时间；

线模电压故障分量达到第一个极值时的时间的计算方法为：

其中，T_s为采样间隔。当上式满足时，线模电压故障分量到达第一个极值时的时间为t₁。

S4、利用步骤S3获得的线模电压故障分量达到第一个极值时的时间和步骤S2获得的保护启动时间，求出故障电压的首极值时间；

电压首极值时间为t_p＝t₁-t₀。

S5、判断步骤S4得到的电压首极值时间是否满足保护判据，实现直流线路故障的区内外判别。

保护判据为：

t_p＜t_set＝k_relmax{t_in} (3)

其中，t_set是保护整定值，k_rel是可靠系数，可取1.2-1.5，t_in是区内故障时的电压首极值时间。

S6、对于步骤S5中判断为区内故障的情况，利用零模电压进行故障选极。

若u₀>u_0set，则为负极故障，若u₀<-u_0set，则为正极故障，若-u_0set<u₀<u_0set，则为双极故障。其中，u_0set按躲过双极直流系统故障后可能出现的最大不平衡电压整定。

一种基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护装置，利用基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护方法，包括电压采样处理模块、保护启动模块、计算模块、保护模块和选极模块。

电压采样处理模块，测量直流输电线路保护安装处的电压；

保护启动模块，启动保护并标定启动时刻t₀；

计算模块，计算保护安装处的线模、零模电压故障分量；计算线模电压故障分量首极值时间t_p；

保护模块，根据计算模块的结果确定是否进行保护动作。

选极模块，根据零模电压选故障极。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅表1和表2，本发明能有效保护直流线路，可以看出：

1)电压首极值时间不受过渡电阻和故障类型的影响；

2)保护判据在能有效在42微秒内完成区内外故障的判别，区内故障时均正确动作，区外故障时可靠不动作；利用零模电压能准确识别故障极。

3)对于500km的直流输电线路上发生500Ω过渡电阻的故障，保护仍能快速可靠的保护线路全长。

仿真验证：

在PSCAD上搭建如图1所示的±400kV真双极接线的柔性直流电网，换流站为全桥MMC，直流线路为频变参数模型，参数为默认值，线路长度500km，线路两端平波电抗器为100mH。以架空线路l₁上的保护R₁为研究对象验证所提出的保护方法。仿真验证中，采样频率为200kHz。

仿真中区内故障的故障距离设置为0km、180km、270km、360km、497km，过渡电阻设置为0Ω和500Ω。区外故障设置了平波电抗器换流站侧出口金属性故障。

表1和表2给出了基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护结果。

表1基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护结果(过渡电阻为0Ω)

表2基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护结果(过渡电阻为500Ω)

本发明基于电压首极值时间的直流输电线路超高速保护系统及方法，构造保护判据的电压首极值时间不受过渡电阻影响，因而保护方法理论上不存在低灵敏度问题，在高过渡电阻故障发生时具有高灵敏度。此外，本发明基于线路参数和线路边界，在直流输电系统不同的换流器拓扑结构下仍适用。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量直流输电线路正极和负极电压，计算线模、零模电压故障分量；

S2、低电压判据启动保护，记录保护启动时间；

S3、保护启动后，根据步骤S1获得的线模电压故障分量变化率的符号改变标定线模电压故障分量到达第一个极值时的时间；

S4、根据步骤S3获得的线模电压故障分量达到第一个极值时的时间和步骤S2获得的保护启动时间，确定故障电压的首极值时间；

S5、判断步骤S4得到的故障电压首极值时间是否满足保护判据，实现直流线路故障的区内外判别，当判断为区内故障的情况，利用零模电压进行故障选极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，线模、零模电压故障分量Δu₁和u₀计算如下：

其中，u_p为保护安装处测得的正极电压，u_n为保护安装处测得的负极电压，u_pN为直流线路正极额定电压，u_nN为直流线路负极额定电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2中，当Δu₁＜u_set时，保护启动，记下保护启动时间t₀；u_set为启动元件整定值，按照躲过正常工作状态下双极直流系统的最大不平衡电压进行整定。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，线模电压故障分量达到第一个极值时的时间的计算方法为：

其中，T_s为采样间隔，当满足以上关系时，线模电压故障分量到达第一个极值时的时间为t₁。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，电压首极值时间t_p为：

t_p＝t₁-t₀

其中，t₁为线模电压故障分量到达第一个极值时的时间，t₀为保护启动时间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，保护判据为：

t_p＜t_set＝k_relmax{t_in}

其中，t_p为电压首极值时间，t_set是保护整定值，k_rel是可靠系数，t_in是区内故障时的电压首极值时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，若零模电压故障分量u₀＞u_0set，u_set为启动元件整定值，则为负极故障，若u₀＜-u_0set，则为正极故障，若-u_0set＜u₀＜u_0set，则为双极故障。

8.一种基于电压首极值时间的直流输电线超高速保护系统，其特征在于，利用权利要求1所述的方法，包括：

电压采样处理模块，测量直流输电线路保护安装处的电压；

保护启动模块，启动保护并标定启动时刻t₀；

计算模块，计算保护安装处的线模、零模电压故障分量；计算线模电压故障分量首极值时间t_p；

保护模块，根据计算模块的结果确定是否进行保护动作；

选极模块，根据零模电压选故障极。

Images