CN113013850B - 一种高压直流线路快速纵联保护方法和系统 - Google Patents

一种高压直流线路快速纵联保护方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于高压直流线路保护领域，涉及一种高压直流线路快速纵联保护方法，包括：利用线路首、末端测点测量极线电压、极线电流；在启动单元中进行初步判断，满足启动判据时保护启动；利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算其平均值；测点将计算所得的卷积功率平均值向线路对侧测点传送；计算线路两侧卷积功率平均值之差；在区内故障识别与故障选极单元中，利用卷积功率平均值之差来识别区内故障，并进行故障选极；在保护单元中，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应保护动作。本发明改善了现有纵联保护方法速动性不高、双端数据需严格同步的不足。本发明还提供一种高压直流线路快速纵联保护系统。

Description

一种高压直流线路快速纵联保护方法和系统
技术领域
本发明属于高压直流线路保护领域，涉及一种高压直流线路快速纵联保护方法和系统。
背景技术
直流输电技术传输容量大、能量损耗小、工程造价低，不存在交流输电固有的稳定问题，并且输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制，凭借种种优势，直流输电技术已在电力网络中得到广泛应用。而直流架空线路故障是直流系统中故障概率最高的，因此直流线路的故障保护是直流输电领域中需要特别关注的问题。在直流线路的故障保护中，常常采用行波保护作为主保护，采用电流差动保护作为后备保护。行波保护保护速度快，但是受困于过渡电阻耐受能力；电流差动保护能够有效监测出高阻故障，但是容易受到线路分布电容的影响，对保护的灵敏性、可靠性要求极高。
目前国内外已经对高压直流线路的纵联保护做了大量研究，传统的纵联保护常常需要传送大量非逻辑信号，大量数据的传送增加了通讯时长，影响了保护的速动性；并且传统纵联保护的双端数据需严格同步，对通信信道要求高，在实际工程中若出现由于外部干扰造成通讯延时的情况，则会影响到保护的可靠性和灵敏性，导致保护性能下降。基于行波的保护方案，根据行波中包含的丰富的故障信息和高频信息来识别区内外故障，保护具有快速性，有着良好的工程前景，但是行波也容易受到线路衰减、色散以及折反射的影响，因此也存在过渡电阻耐受能力弱、波头检测困难、抗干扰能力有限等缺点。
发明内容
为解决现有纵联保护速动性不足、双端数据需严格同步的问题，本发明提供一种高压直流线路快速纵联保护方法。
本发明还提供一种高压直流线路快速纵联保护系统。
本发明的一种高压直流线路快速纵联保护方法采用如下技术方案实现：
一种高压直流线路快速纵联保护方法，包括：
在线路的首、末端处设置保护测点，测量线路首、末端的极线电压、极线电流；
在启动单元中进行初步判断，满足启动判据时保护启动；
利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值；
保护测点将计算所得的卷积功率平均值向线路对侧保护测点传送；
利用线路两侧卷积功率平均值计算卷积功率平均值之差；
在区内故障识别与故障选极单元中，利用线路两侧卷积功率平均值之差，识别区内故障并进行故障选极；
在保护单元中，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作。
优选地，保护测点的设置包括：在线路的首端设置测点M1，用于测量线路首端的极线电压、极线电流数据；在线路的末端设置测点M2，用于测量线路末端的极线电压、极线电流数据。
优选地，启动单元利用极线电压行波的变化作为保护的启动判据。
优选地，为了确保可靠性，避免初始扰动造成的保护误动，从第三个采样点开始进行启动判断，具体包括：
Figure BDA0002951668560000021
式中：j＝3、4、5、…，表示采样次数，t0为采样周期，
Figure BDA0002951668560000022
表示某一采样时刻下测点Mi处的极线电压行波的变化量，Δset0为启动判据，k0为电压变化系数，Uref为额定线电压。
优选地，当极线电压行波的变化量满足启动判据后，测点各自存储极线电压、极线电流数据，利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值，具体计算方法为：
Figure BDA0002951668560000031
Figure BDA0002951668560000032
式中：
Figure BDA0002951668560000033
为卷积功率平均值，N为数据窗时长内采样点的个数，
Figure BDA0002951668560000034
Figure BDA0002951668560000035
分别为数据窗时长内测点Mi测得的线路的电压序列、电流序列，
Figure BDA0002951668560000036
为由极线电压、极线电流计算所得的卷积功率序列，长度为2N-1。
优选地，线路两侧卷积功率平均值之差的计算方法如下：
Figure BDA0002951668560000037
式中：dP为线路两侧卷积功率平均值之差；
Figure BDA0002951668560000038
表示线路首端测点M1处的卷积功率平均值；
Figure BDA0002951668560000039
表示线路末端测点M2处的卷积功率平均值。
优选地，根据线路两侧卷积功率平均值之差，识别区内故障，并进行故障选极；对于线路区内故障构造判据如下：
Figure BDA00029516685600000310
式中：Pset表示线路的保护整定值；
Figure BDA00029516685600000311
表示线路首端测点M1处的卷积功率平均值；
Figure BDA00029516685600000312
表示线路末端测点M2处的卷积功率平均值。
优选地，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作包括：若正极线路的卷积功率平均值之差满足判据，则识别故障为区内正极故障，正极保护动作；若负极线路的卷积功率平均值之差满足判据，则识别故障为区内负极故障，负极保护动作；若都不满足，则识别为区外故障，保护不动作。
本发明的一种高压直流线路快速纵联保护系统采用如下技术方案实现：
一种高压直流线路快速纵联保护系统，包括：
启动单元，满足判据时启动保护；
分量计算模块，利用保护测点测量得的极线电压和极线电流，计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值，测点之间完成通信后，计算线路两侧卷积功率平均值之差；
区内故障识别与故障选极单元，利用线路两侧卷积功率平均值差值来识别区内故障，并进行故障选极；
保护单元，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作。
优选地，启动单元利用极线电压行波的变化作为保护的启动判据。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明能够可靠识别区内故障并进行故障选极，具有较强的过渡电阻能力及抗噪声干扰能力，同时无需严格数据同步，仅需传输逻辑量，数据通信量小，对通信通道要求低，具有较好的速动性。
2、本发明利用卷积功率平均值的差值做判据，提出了基于双端量的高压直流线路快速纵联保护方法，不仅实现了线路区内故障的快速识别，还实现了可靠的故障选极，相较于需要另外设置一个故障选极判据的传统方法，能够做到更快速地识别故障，节省故障识别时间。
3、本发明所提保护方案，对采样数据的频带没有特定要求，这意味着在数据采样时对数据窗的时长要求较为宽容。在实际工程中，如果存在无法准确捕捉初始行波波头的技术困难，可以通过适当延长数据窗时长的方法，捕捉下一行波波头的数据信息而不会影响故障识别结果。
4、本发明所提保护方案，线路两端的启动判据是各自进行的，该保护方案是先判断、后传输数据，不同于传统纵联保护方案需要根据双端同步数据计算结果进行判断，本发明的纵联保护方案不受数据同步的影响。
附图说明
图1是本发明一个实施例中高压直流输电系统示意图。
图2是本发明一个实施例中高压直流线路快速纵联保护方法流程图。
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。
本发明是一种高压直流线路快速纵联保护方法，旨在解决高压直流线路的故障识别和故障选极问题，通过构造卷积功率平均值之差判据，实现故障识别和故障选极；利用卷积功率平均值之差判据，提出基于双端量的高压直流线路快速纵联保护方法，实现高压直流线路区内故障的准确识别以及故障极的准确定位。
实施例1
一种高压直流线路快速纵联保护方法所基于的高压直流输电系统如图1所示。图1显示了典型的高压直流系统以及与高压直流线路保护密切相关的故障点(由于双极对称，仅显示正极线路)。其中：MMC1站作为整流站，MMC2站作为逆变站。图1中，限流电抗器用作换流站与线路之间的边界元件；F_in1、F_in2、F_in3是直流线路的区内故障点；F_out1、F_out2是边界元件的阀侧区外故障点。一般地，线路的首、末端分别安装保护测点M1、M2，以检测直流故障并启动故障清除过程。
一种高压直流线路快速纵联保护方法具体包括以下步骤：
S1、在线路的首、末端处设置保护测点M1、M2，测量线路首、末端的极线电压、极线电流。
在一个实施例中，保护测点的设置包括：在线路的首端设置测点M1，用于测量线路首端的极线电压、极线电流数据；在线路的末端设置测点M2，用于测量线路末端的极线电压、极线电流数据。
S2、在启动单元中进行初步判断，满足启动判据时保护启动。
在一个实施例中，利用极线电压行波的变化作为保护的启动判据。为了确保可靠性，避免初始扰动造成的保护误动，从第三个采样点开始进行启动判断，具体包括：
Figure BDA0002951668560000061
式中：j＝3、4、5、…，表示采样次数，t0为采样周期，
Figure BDA0002951668560000062
表示某一采样时刻下测点Mi处的极线电压行波的变化量，Δset0为启动判据，k0为电压变化系数，Uref为额定线电压。
S3、利用保护测点测量所得的极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值。
在一个实施例中，当满足启动判据后，测点各自存储3ms的极线电压、极线电流数据，利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值
Figure BDA0002951668560000063
具体计算方法为：
Figure BDA0002951668560000064
Figure BDA0002951668560000065
式中：N为数据窗时长内采样点的个数，
Figure BDA0002951668560000071
分别为数据窗时长内测点Mi测得的线路的电压序列、电流序列，
Figure BDA0002951668560000072
为由极线电压、极线电流计算所得的卷积功率序列，长度为2N-1。
S4、保护测点将计算所得的卷积功率平均值向线路对侧保护测点传送。
S5、利用线路两侧卷积功率平均值计算卷积功率平均值之差。
线路两侧卷积功率平均值之差dP的计算方法如下：
Figure BDA0002951668560000073
式中：
Figure BDA0002951668560000074
表示线路首端测点M1处的卷积功率平均值；
Figure BDA0002951668560000075
表示线路末端测点M2处的卷积功率平均值。
S6、在区内故障识别与故障选极单元中，利用线路两侧卷积功率平均值之差，识别区内故障并进行故障选极。
根据线路两侧卷积功率平均值之差，可用来识别区内故障，并进行故障选极。对于线路区内故障构造判据如下：
Figure BDA0002951668560000076
式中：Pset表示线路的保护整定值；
Figure BDA0002951668560000077
表示线路首端测点M1处的卷积功率平均值；
Figure BDA0002951668560000078
表示线路末端测点M2处的卷积功率平均值。
S7、在保护单元中，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作。
根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作包括：若正极线路的卷积功率平均值之差满足判据，则识别故障为区内正极故障，正极保护动作；若负极线路的卷积功率平均值之差满足判据，则识别故障为区内负极故障，负极保护动作；若都不满足，则识别为区外故障，保护不动作。
至此，本发明提出了一种高压直流线路快速纵联保护方法，具体流程如图2所示，包括：
⑴利用线路首、末端的保护测点测量极线电压、极线电流；
⑵在启动单元中进行初步判断，满足启动判据时保护启动；
⑶利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值；
⑷保护测点将计算所得的卷积功率平均值向线路对侧保护测点传送；
⑸利用线路两侧的卷积功率平均值计算卷积功率平均值之差；
⑹在区内故障识别与故障选极单元中，利用卷积功率平均值之差来识别区内故障，并进行故障选极；
⑺在保护单元中，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作：若为区内正极故障，正极保护动作；若为区内负极故障，负极保护动作；否则识别为区外故障，保护不动作。
下面通过一个具体模拟仿真实例对本发明作进一步说明。
本实施例在PSCAD/EMTDC中搭建了如图1所示的直流输电系统模型进行仿真测试。整流站和逆变站均为模块化多电平换流器，直流线路长度为400km。具体模型参数如表1所示。
表1双端直流输电系统模型参数
参数 MMC1站 MMC2站
额定功率 750MW 700MW
额定直流电流 2344A 2188A
额定直流电压 ±320KV ±320KV
控制方式 定直流电压控制 定有功控制
边界元件阻抗 0.2H 0.2H
设置数据窗的时间长度为3ms，采样频率为10kHz,最小采样周期为100us。具体保护参数取值如表2所示。
表2保护参数
参数 k<sub>rel</sub> k<sub>v</sub> Δset<sub>0</sub> P<sub>set</sub>
取值 1.2 0.05 16 -140
在MATLAB平台上编写保护算法，并导入所建PSCAD模型的正极故障仿真数据，得到保护动作结果表3所示。
表3线路保护动作结果
Figure BDA0002951668560000091
由表3可见，线路保护在不同故障下均能正确动作，并且过渡电阻耐受能力达到400Ω，进而验证了启动单元、区内故障识别与故障选极单元的准确性和实用性。
表4区外故障下线路保护动作结果
Figure BDA0002951668560000092
表4显示所提保护方案在区外故障下不误动，当发生区外故障时，线路的相应保护不动作。
实施例2
本实施例提供一种高压直流线路快速纵联保护系统，包括：
启动单元，满足判据时启动保护。
分量计算模块，利用保护测点测量得的极线电压和极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值，测点之间完成通信后，计算线路两侧卷积功率平均值之差。
区内故障识别与故障选极单元，利用线路两侧卷积功率平均值差值来识别区内故障，并进行故障选极。
保护单元，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作。
本发明解决了高压直流线路的区内故障识别与故障选极问题，所提方案除了适用于传统高压直流输电系统外，还适用于柔性直流输电系统或混合多端直流输电系统。
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 (10)

1.一种高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，包括：
在线路的首、末端处设置保护测点，测量线路首、末端的极线电压、极线电流；
在启动单元中进行初步判断，满足启动判据时保护启动；
利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值；
保护测点将计算所得的卷积功率平均值向线路对侧保护测点传送；
利用线路两侧卷积功率平均值计算卷积功率平均值之差；
在区内故障识别与故障选极单元中，利用线路两侧卷积功率平均值之差，识别区内故障并进行故障选极；
在保护单元中，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作。
2.根据权利要求1所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，保护测点的设置包括：在线路的首端设置测点M1，用于测量线路首端的极线电压、极线电流数据；在线路的末端设置测点M2，用于测量线路末端的极线电压、极线电流数据。
3.根据权利要求1所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，启动单元利用极线电压行波的变化作为保护的启动判据。
4.根据权利要求3所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，为了确保可靠性，避免初始扰动造成的保护误动，从第三个采样点开始进行启动判断，具体包括：
Figure FDA0003309068940000011
式中：j＝3、4、5、…，表示采样次数，t0为采样周期，
Figure FDA0003309068940000012
表示某一采样时刻下测点Mi处的极线电压行波的变化量，Δset0为启动判据，k0为电压变化系数，Uref为额定线电压。
5.根据权利要求1所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，当满足启动判据后，测点各自存储极线电压、极线电流数据，利用极线电压、极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值，具体计算方法为：
Figure FDA0003309068940000021
Figure FDA0003309068940000022
式中：
Figure FDA0003309068940000023
为卷积功率平均值，N为数据窗时长内采样点的个数，
Figure FDA0003309068940000024
Figure FDA0003309068940000025
分别为数据窗时长内测点Mi测得的线路的电压序列、电流序列，
Figure FDA0003309068940000026
为由极线电压、极线电流计算所得的卷积功率序列，长度为2N-1。
6.根据权利要求1所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，线路两侧卷积功率平均值之差的计算方法如下：
Figure FDA0003309068940000027
式中：dP为线路两侧卷积功率平均值之差；
Figure FDA0003309068940000028
表示线路首端测点M1处的卷积功率平均值；
Figure FDA0003309068940000029
表示线路末端测点M2处的卷积功率平均值。
7.根据权利要求6所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，根据线路两侧卷积功率平均值之差，用来识别区内故障，并进行故障选极；对于线路区内故障构造判据如下：
Figure FDA00033090689400000210
式中：Pset表示线路的保护整定值；
Figure FDA00033090689400000211
表示线路首端测点M1处的卷积功率平均值；
Figure FDA00033090689400000212
表示线路末端测点M2处的卷积功率平均值。
8.根据权利要求1所述的高压直流线路快速纵联保护方法，其特征在于，根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作包括：若正极线路的卷积功率平均值之差满足判据，则识别故障为区内正极故障，正极保护动作；若负极线路的卷积功率平均值之差满足判据，则识别故障为区内负极故障，负极保护动作；若都不满足，则识别为区外故障，保护不动作。
9.一种高压直流线路快速纵联保护系统，其特征在于，包括：
启动单元，满足判据时启动保护；
分量计算模块，利用保护测点测量得的极线电压和极线电流计算出卷积功率序列，并计算卷积功率平均值，测点之间完成通信后，计算线路两侧卷积功率平均值之差；
区内故障识别与故障选极单元，利用线路两侧卷积功率平均值差值来识别区内故障，并进行故障选极；
保护单元，用于根据区内故障识别与故障选极单元的处理结果，进行相应的保护动作。
10.根据权利要求9所述的高压直流线路快速纵联保护系统，其特征在于，启动单元利用极线电压行波的变化作为保护的启动判据。
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