CN112271707B - 一种高压直流输电线路纵差保护方法 - Google Patents

一种高压直流输电线路纵差保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及一种高压直流输电线路纵差保护方法。本申请通过根据直流线路电压梯度值的变化构造的保护启动判据，保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值，根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据，可以确定高压直流输电线路是区内故障还是区外故障，在判定为区内故障时，结合故障选极判据，可以计算出正极区内故障、负极区内故障或者是双极区内故障，因此不需要工程中通过500ms的延时避免区外故障而误动，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。

Description

一种高压直流输电线路纵差保护方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及一种高压直流输电线路纵差保护方法。
背景技术
目前，我国高压直流输电技术起步较晚，纵观我国目前已投入运营的高压直流输电工程，其线路保护的原理与技术绝大部分仍来源于ABB和SIEMENS两家公司。虽然不同的直流输电工程线路保护具体配置略有不同，但基本上都遵循相同的配置原则。其中直流纵差保护由于动作时间长，作为后备保护。
当直流线路通过高阻接地短路时，直流电压将以较慢的速度下降，这时基于变化率判据的保护就可能发生拒动，大量实际运行经验都说明，基于变化率的直流线路主保护难以解决高阻接地故障时拒动的问题，因此实际工程中线路高阻接地故障必须配置纵差保护切除。由于需躲避由区外故障引起的线路电容充放电电流而造成的误动作，工程上需要500ms的延时以躲避区外故障的方案，但此动作延时在区内故障时仍然存在，导致现有差动保护在区内故障时无法及时动作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高压直流输电线路纵差保护方法，解决现有差动保护在区内故障时无法及时动作的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高压直流输电线路纵差保护方法，包括如下步骤：
S1、根据直流线路电压梯度值的变化构造的保护启动判据；
S2、保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值；
S3、根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据。
进一步，所述步骤S2中反行波的时域能量值的计算方法包括如下步骤：
A1、采集直流输电线路正负极两端的电压信号及电流信号，根据稳态时刻线路电压、电流信号计算出两端电压故障分量及电流故障分量；
A2、根据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量分别计算两端故障电压反行波；
A3、根据两端故障电压反行波分别计算两端故障电压反行波的时域能量值。
进一步，所述步骤A1中，电压故障分量Δum(t)、电流故障分量Δim(t)计算公式为：
Figure BDA0002723868380000021
Figure BDA0002723868380000022
式中：uR(t)为采集的整流侧电压信号；iR(t)为采集的整流侧电流信号；uR(0)为稳态时刻整流侧电压信号；iR(0)为稳态时刻整流侧电流信号；uI(t)为采集的逆变侧电压信号、iI(t)为采集的逆变侧电流信号；uI(0)为稳态时刻逆变侧电压信号、iI(0)为稳态时刻逆变侧电流信号。。
进一步，所述步骤A2中故障电压反行波ubm(t)的计算公式为：
ubm(t)＝[Δum(t)-zcΔim(t)]/2
式中：m＝R、I分别代表整流侧和逆变侧；zc代表输电线路波阻抗。
进一步，所述步骤A3中两端故障电压反行波的时域能量值Ebm的计算公式为：
Figure BDA0002723868380000031
对上式离散化得：
Figure BDA0002723868380000032
式中：T0为保护启动判据启动时刻，Tx为积分窗长，取值大于行波在输电线路单向传输所用的时间且小于其来回所用的时间，N积分窗长内采样点数，Δt为采样间隔。
进一步，所述步骤S1中电压梯度值变化量构造保护启动判据为：
Figure BDA0002723868380000033
式中：
Figure BDA0002723868380000034
为当前时刻电压梯度值变化量，u(k-i)为当前采样时刻前i个采样周期电压采样值，u(k-j)为当前采样时刻前j个采样周期电压采样值，Δ1为启动判据门限值。
进一步，所述步骤S3中的区内外故障识别判据为：
Figure BDA0002723868380000035
若上式条件满足，则直流线路区内发生故障，否则直流线路区外发生故障；
式中：EbR为整流侧暂态故障反行波时域能量值，EbI为逆变侧暂态故障反行波时域能量值。λ1为首端故障工况下整流侧故障反行波时域能量值EbR与逆变侧故障反行波时域能量值EbI比值，k1为可靠系数；λ2为末端故障工况下整流侧故障反行波时域能量值EbR与逆变侧故障反行波时域能量值EbI比值，k2为可靠系数。
进一步，所述步骤S3中的故障选极判据为：
令
Figure BDA0002723868380000041
当线路发生双极故障时，双极故障电压反行波时域能量值接近；当线路发生单极故障时，故障极电压反行波时域能量值大于非故障极电压反行波时域能量值，则
Figure BDA0002723868380000042
式中：ubR1、ubR2分别代表整流侧正负极故障电压反行波，Δ2为正极故障门限值，Δ3为负极故障门限值，H为电压反行波时域能量值。
本发明提供一种高压直流输电线路纵差保护方法，包括如下步骤：
S1、根据直流线路电压梯度值的变化构造的保护启动判据；
S2、保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值；
S3、根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据。
这样，本申请通过根据直流线路电压梯度值的变化构造的保护启动判据，保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值，根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据，可以确定高压直流输电线路是区内故障还是区外故障，在判定为区内故障时，结合故障选极判据，可以计算出正极区内故障、负极区内故障或者是双极区内故障，因此不需要工程中通过500ms的延时避免区外故障而误动，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
附图说明
图1为本发明一种高压直流输电线路纵差保护方法流程示意图；
图2为本发明一种高压直流输电线路纵差保护方法中反行波的时域能量值的计算方法流程示意图；
图3为本发明一种高压直流输电线路纵差保护方法直流线路纵差保护方案流程图；
图4为本发明一种高压直流输电线路纵差保护方法高压直流输电系统故障正方向示意图；
图5为本发明一种高压直流输电线路纵差保护方法两端区外发生故障时反行波传输过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图5所示，本发明提供一种高压直流输电线路纵差保护方法，包括如下步骤：
S1、根据直流线路电压梯度值的变化构造的保护启动判据；
S2、保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值；
S3、根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据。
这样，本申请通过根据直流线路电压梯度值的变化构造的保护启动判据，保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值，根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据，可以确定高压直流输电线路是区内故障还是区外故障，在判定为区内故障时，结合故障选极判据，可以计算出正极区内故障、负极区内故障或者是双极区内故障，因此不需要工程中通过500ms的延时避免区外故障而误动，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1-图5所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤S2中反行波的时域能量值的计算方法包括如下步骤：
A1、采集直流输电线路正负极两端的电压信号及电流信号，根据稳态时刻线路电压、电流信号计算出两端电压故障分量及电流故障分量；
A2、根据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量分别计算两端故障电压反行波；
A3、根据两端故障电压反行波分别计算两端故障电压反行波的时域能量值。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1-图5所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤A1中，电压故障分量Δum(t)、电流故障分量Δim(t)计算公式为：
Figure BDA0002723868380000071
式中：m＝R、I分别代表整流侧和逆变侧；um(t)为采集的电压信号、im(t)为采集的电流信号；um(0)为稳态时刻电压信号、im(0)为稳态时刻电流信号。
即
Figure BDA0002723868380000072
Figure BDA0002723868380000073
式中：uR(t)为采集的整流侧电压信号；iR(t)为采集的整流侧电流信号；uR(0)为稳态时刻整流侧电压信号；iR(0)为稳态时刻整流侧电流信号；uI(t)为采集的逆变侧电压信号、iI(t)为采集的逆变侧电流信号；uI(0)为稳态时刻逆变侧电压信号、iI(0)为稳态时刻逆变侧电流信号。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤A2中故障电压反行波ubm(t)的计算公式为：
ubm(t)＝[Δum(t)-zcΔim(t)]/2
式中：m＝R、I分别代表整流侧和逆变侧；zc代表输电线路波阻抗。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1-图5所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤A3中两端故障电压反行波的时域能量值Ebm的计算公式为：
Figure BDA0002723868380000074
对上式离散化得：
Figure BDA0002723868380000075
即：
Figure BDA0002723868380000081
式中：T0为保护启动判据启动时刻，Tx为积分窗长，取值大于行波在输电线路单向传输所用的时间且小于其来回所用的时间，N积分窗长内采样点数，Δt为采样间隔。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1-图5所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤S1中电压梯度值变化量构造保护启动判据为：
Figure BDA0002723868380000082
式中：
Figure BDA0002723868380000083
为当前时刻电压梯度值变化量，u(k-i)为当前采样时刻前i个采样周期电压采样值，u(k-j)为当前采样时刻前j个采样周期电压采样值，Δ1为启动判据门限值，工程一般取0.2。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1-图5所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤S3中的区内外故障识别判据为：
Figure BDA0002723868380000084
若上式条件满足，则直流线路区内发生故障，否则直流线路区外发生故障；
式中：EbR为整流侧暂态故障反行波时域能量值，EbI为逆变侧暂态故障反行波时域能量值。λ1为首端故障工况下整流侧故障反行波时域能量值EbR与逆变侧故障反行波时域能量值EbI比值，k1为可靠系数，取值应大于1；λ2为末端故障工况下整流侧故障反行波时域能量值EbR与逆变侧故障反行波时域能量值EbI比值，k2为可靠系数，取值应小于1。
本发明的高压直流输电线路纵差保护方法，如图1-图5所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述步骤S3中的故障选极判据为：
Figure BDA0002723868380000091
当线路发生双极故障时，双极故障电压反行波时域能量值接近；当线路发生单极故障时，故障极电压反行波时域能量值大于非故障极电压反行波时域能量值，则
Figure BDA0002723868380000092
式中：ubR1、ubR2分别代表整流侧正负极故障电压反行波，Δ2为正极故障门限值，Δ3为负极故障门限值，H为电压反行波时域能量值,考虑一定的裕度，Δ2取1.2，Δ3取0.8。
本申请的一种高压直流输电线路纵差保护方法，高压直流输电线路区内区外发生故障时，线路两端暂态故障反行波时域能量值特征不同。当线路区内故障时，两端都能检测到反行波，反行波能量大小和线路衰减常数和线路故障位置有关；当线路区外故障时，只有一端能检测到反行波，所以根据区内外故障反行波时域能量的差值构成保护判据。
该方法不需要严格的数据同步，原理公式简单，易于整定，数据窗时间短，不受控制系统影响，也不需要工程中通过500ms的延时避免区外故障而误动，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据直流线路电压梯度值的变化构造保护启动判据；
S2、保护启动判据满足后，计算故障点两端故障电压反行波的时域能量值；
S3、根据两端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据以及故障选极判据；
所述步骤S3中的区内外故障识别判据为：
Figure 225826DEST_PATH_IMAGE002
若上式条件满足，则直流线路区内发生故障，否则直流线路区外发生故障；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为整流侧暂态故障反行波时域能量值，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为逆变侧暂态故障反行波时域能量值；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为首端故障工况下整流侧故障反行波时域能量值与逆变侧故障反行波时域能量值
Figure DEST_PATH_IMAGE010
比值，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为可靠系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为末端故障工况下整流侧故障反行波时域能量值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
与逆变侧故障反行波时域能量值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
比值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为可靠系数；
所述步骤S3中的故障选极判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，
当线路发生双极故障时，双极故障电压反行波时域能量值接近；当线路发生单极故障时，故障极电压反行波时域能量值大于非故障极电压反行波时域能量值，则
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE028
分别代表整流侧正负极故障电压反行波，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为正极故障门限值，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为负极故障门限值，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为电压反行波时域能量值的比值。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，所述步骤S2中反行波的时域能量值的计算方法包括如下步骤：
A1、采集直流输电线路正负极两端的电压信号及电流信号，根据稳态时刻线路电压、电流信号计算出两端电压故障分量及电流故障分量；
A2、根据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量分别计算两端故障电压反行波；
A3、根据两端故障电压反行波分别计算两端故障电压反行波的时域能量值。
3.根据权利要求2所述的高压直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，所述步骤A1中，电压故障分量
Figure DEST_PATH_IMAGE036
、电流故障分量
Figure DEST_PATH_IMAGE038
计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为采集的整流侧电压信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为采集的整流侧电流信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为稳态时刻整流侧电压信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为稳态时刻整流侧电流信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为采集的逆变侧电压信号、
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为采集的逆变侧电流信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为稳态时刻逆变侧电压信号、
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为稳态时刻逆变侧电流信号。
4.根据权利要求3所述的高压直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，所述步骤A2中故障电压反行波
Figure DEST_PATH_IMAGE058
的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
分别代表整流侧和逆变侧；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
代表直流输电线路波阻抗。
5.根据权利要求4所述的高压直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，所述步骤A3中两端故障电压反行波的时域能量值的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
对上式离散化得：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为保护启动判据启动时刻，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为积分窗长，取值大于行波在输电线路单向传输所用的时间且小于其来回所用的时间，N为积分窗长内采样点数，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为采样间隔。
6.根据权利要求1所述的高压直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，所述步骤S1中的保护启动判据为：
Figure DEST_PATH_IMAGE076
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为当前时刻电压梯度值变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为当前采样时刻前
Figure DEST_PATH_IMAGE082
个采样周期电压采样值，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为当前采样时刻前
Figure DEST_PATH_IMAGE086
个采样周期电压采样值，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为启动判据门限值。
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