CN113300336B - 一种新型高压直流输电线路保护方法 - Google Patents

一种新型高压直流输电线路保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及的是一种新型高压直流输电线路保护方法，具体是建立直流输电线路电磁暂态仿真模型，进行单极接地故障仿真计算，获取线路边界保护装置处的电流故障分量；提取电流故障分量的二阶微分量，并作为识别故障信息的特征量，进行线路边界保护装置的保护定值的整定，根据线路边界保护装置的位置以及在故障条件下提取的电流故障分量的二阶微分量是否大于保护定值来判定故障是本极线路本侧区外故障或者本极线路故障；根据故障电流突变的方向来判定是本极线路本侧区外故障还是本极线路故障。本发明考虑了长线路故障及高阻接地故障时带来的灵敏性问题，有效提高了线路保护灵敏性与快速性。

Description

一种新型高压直流输电线路保护方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，尤其涉及的是一种新型高压直流输电线路保护方法。
背景技术
特高压直流输电系统具有送电距离长，沿途地形复杂等特点，使其线路发生短路、雷击等事故的概率大大增加，严重威胁直流系统本身的安全运行。而目前广泛应用于直流输电线路的行波保护易受雷电、换相失败、交流侧故障等暂态现象的干扰，可靠性不高，在高阻接地时存在灵敏度不够的缺点，必须进一步研究新型的性能更为优越的特高压直流输电线路保护。
目前，线路主保护配置行波保护和微分欠压保护，后备保护采用纵联差动保护。行波保护和微分欠压保护动作速度快，但耐受过渡电阻能力较差；电流差动保护主要用于检测直流线路高阻接地故障，但现有差动保护为躲避发生区外故障时的线路分布电容电流，动作速度较慢。
由于换流器出口存在滤波器和平波电抗器，许多单、双端保护均以此为边界，利用边界对高频分量的衰减作用构造保护，其中，双端量保护依赖于通信，快速性较差。同时，由于换流器的高可控性与脆弱性对继电保护的动作速度提出严格要求，仅利用单端量的全线速动保护，近年来成为研究热点。
国内外学者定义的高压直流输电线路单端量暂态保护基本思想为：以直流输电线路两端的平波电抗器、直流滤波器构成的特高压直流输电线路边界的低通滤波器特性为基础，以其对高频量的衰减作用为依据，区分区内外故障。“±800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护[J].中国电机工程学报,2010,30(31):108-117.”以此为基础提出了区分线路故障的方法，但所提方法均未考虑线路的频率特性及其对高频分量的衰减作用，“一种特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理[J].电力系统保护与控制,2013,41(03):26-31.”指出，考虑线路对高频量的衰减作用时，线路越长，衰减作用越明显，当故障发生在线路远端某处时，边界对高频量的衰减刚好与线路相等，此时，无法区分本侧区内外故障，因此，该文献提出一种利用线路和边界对高频量的双重衰减作用，来区分对侧的区内外故障的方法，能实现除区分本侧区外故障外的全线保护。“利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路双端电压暂态保护原理[J].电力系统保护与控制,2013,41(15):14-20.”对线路和边界对高频信号的衰减作用作出定量比较。可以看出，当线路足够长时，线路对高频量的衰减将远大于边界，如果再考虑过渡电阻影响，单就线路对高频量的衰减作用和线路与边界的双重衰减将很难看出明显区别。
以上文献的研究内容均涉及考虑直流线路和边界对电气量的双重衰减后故障暂态量信号的研究，并未考虑长线路故障及高阻接地故障时带来的灵敏性问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种新型高压直流输电线路保护方法，具体技术方案如下：
一种新型高压直流输电线路保护方法，包括以下步骤：
S1：建立直流输电线路电磁暂态仿真模型，进行单相接地故障仿真计算，获取线路边界保护装置处的电流故障分量；所述线路边界保护装置设置四个，分别设置在正极直流输电线路首端平波电抗器的线路侧、正极直流输电线路末端平波电抗器的线路侧、负极直流输电线路首端平波电抗器的线路侧、负极直流输电线路末端平波电抗器的线路侧；
S2：在上一步骤的基础上提取电流故障分量的二阶微分量，放大信号信息，将电流故障分量的二阶微分量作为识别故障信息的特征量，并根据最严重故障进行线路边界保护装置的保护定值的整定，整定后的保护定值为Hset；
S3：根据四个线路边界保护装置的安装位置以及在故障条件下提取的电流故障分量的二阶微分量是否大于保护定值判断是否发生故障以及相应的故障区间；
对于每个保护装置，若检测到的特征量超过保护定值Hset，则可以以此判断故障位于该保护装置处的本侧区外或者本极线路上，即属于本极线路本侧区外故障或本极线路故障；
S4：同时，根据该处装置检测到的故障电流突变的方向进一步确定是本极线路本侧区外故障还是本极线路故障；
优选地，所述步骤S1中具体如下：
建立双极直流输电线路的电磁暂态仿真模型，测量正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流ip和负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流in，并按如下公式提取正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量ipf和负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量inf：
Figure BDA0003025666120000021
其中，k为采样点序列号，k为工频周期20ms。
优选地，所述步骤S2中提取电流故障分量的二阶微分量具体为：
正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量ipf的二阶微分量的提取公式如下：
Figure BDA0003025666120000031
负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量inf的二阶微分量的提取公式如下：
Figure BDA0003025666120000032
优选地，所述步骤S3中线路边界保护装置的保护定值的整定具体是根据对侧区外发生金属性接地故障的情况下检测到的故障电流分量的二阶微分量的模值Hmax设置相应的保护定值Hset：
Hset＝Krel·Hmax； (4)
其中，Krel为可靠系数。
优选地，所述步骤S4中线路边界保护装置检测到电流故障分的二阶微分量的时刻即为故障行波波头到达时刻，由此推出故障发生时刻；
故障发生在本极线路本侧区外或者本极线路上时，该侧线路边界保护装置检测到的电流的突变方向相反，利用方向元件检测故障电流突变情况，则可判断出故障位于本极线路本侧区外还是本极线路上。
本发明的有益效果为：本发明提出的区分高压直流线路区内外故障的方法使得线路保护及参数整定计算具有了统一化、操作性强的分析计算体系。本发明提出的线路保护方案对故障位置判断有明确的指导作用，可以做到参数的整定有明确依据，可操作性强，且能够大幅度提保护动作的灵敏性。本发明考虑了长线路故障及高阻接地故障时带来的灵敏性问题，有效提高了线路保护灵敏性与快速性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明地技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中地附图仅仅是本发明地一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动地前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是双极高压直流系统结构示意图；
图2是直流输电工程线路边界模型图；
图3是电流故障分量提取元件模型图；
图4是二阶微分量提取元件模型图；
图5是本对极故障电流分量及其二阶微分量波形图；
图6是线路不同区域故障检测到的二阶微分量波形图；
图7是保护安装处检测到的电流故障分量波形图；
图8为区内故障过渡电阻影响仿真结果图；
图9为区外故障过渡电阻影响仿真结果图；
图10为故障距离影响仿真结果图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
以直流输电工程的实际边界模型和频变参数直流线路模型为例介绍本发明的技术方案，
一种新型高压直流输电线路保护方法，包括以下步骤：
S1：建立直流输电线路电磁暂态仿真模型，进行单相接地故障仿真计算，获取线路边界保护装置处的电流故障分量；所述线路边界保护装置设置四个，分别设置在正极直流输电线路首端平波电抗器的线路侧(整流侧)、正极直流输电线路末端平波电抗器的线路侧(逆变侧)、负极直流输电线路首端平波电抗器的线路侧(整流侧)、负极直流输电线路末端平波电抗器的线路侧(逆变侧)。
如图1所示，具体地，建立双极直流输电线路的电磁暂态仿真模型，以电磁暂态仿真软件(如：PSCAD/EMTDC、ADPSS等)作为基本分析工具，针对采用直流输电工程实际边界参数的直流滤波器和平波电抗器建立双极直流输电系统，线路采用频变参数模型，故障形式为单极接地故障。
首先考虑具有边界特性的双极直流输电线路模型，如图2所示，进行故障暂态分析。模型中的边界、线路参数如表1、表2所示。
表1云广直流线路边界参数
Figure BDA0003025666120000041
Figure BDA0003025666120000051
表2直流线路模型参数
正序电阻R<sub>+</sub> 6.76e-8[pu/m]
正序电感L<sub>+</sub> 9.6e-7[pu/m]
正序电容C<sub>+</sub> 5.78e5[pu*m]
零序电阻R<sub>0</sub> 6.86e-7[pu/m]
零序电感L<sub>0</sub> 2.5e-6[pu/m]
零序电容C<sub>0</sub> 8.14e5[pu*m]
测量正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流ip和负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流in，并按如下公式提取正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量ipf和负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量inf：
Figure BDA0003025666120000052
其中，k为采样点序列号，k为工频周期20ms。
故障分量通过瞬时电流减去一个工频周期(0.02s)前的电流得到，在PSCAD中通过如图3所示元件实现。
S2：在上一步骤的基础上提取电流故障分量的二阶微分量，放大信号信息，将电流故障分量的二阶微分量作为识别故障信息的特征量，并根据对侧区外发生金属性接地故障的情况下检测到的故障电流分量的二阶微分量的模值Hmax设置相应的保护定值Hset。具体包括以下步骤：
S21：通过在PSCAD中搭建相应自定义模块提取电流故障分量，并进一步提取故障电流分量的二阶微分量，其中，二阶微分量的提取模块如图4所示。故障电流分量的二阶微分量通过将给定信号输入至两个串联的微分环节来实现，用以放大信号，作为构造保护的特征量。
提取电流故障分量的二阶微分量具体为：
以前向差分运算近似代替微分运算，正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量ipf的二阶微分量的提取公式如下：
Figure BDA0003025666120000061
以20kHz采样频率为例，采样间隔为50μs，式(2)中ipf(t)、ipf(t+1)、ipf(t+2)分别为当前采样时刻、下一个采样时刻、下两个采样时刻的正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量。
以前向差分运算近似代替微分运算，负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量inf的二阶微分量的提取公式如下：
Figure BDA0003025666120000062
以20kHz采样频率为例，采样间隔为50μs，式(3)中inf(t)、inf(t+1)、inf(t+2)分别为当前采样时刻、下一个采样时刻、下两个采样时刻的负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量。
故障暂态过程中的电流故障分量可近似为阶跃波，因此可采用傅里叶变换将其分解为如下正弦波和的形式：
Figure BDA0003025666120000063
其中，f(t)为故障暂态过程中正极电流故障分量ipf或负极电流故障分量inf的阶跃波表达式，A为阶跃波幅值，ω1为工频周期50Hz，各项正弦波幅值与频率成反比。负极同理。
对其作二阶微分：
Figure BDA0003025666120000064
正弦波幅值与频率成正比，此时，高频分量将对二阶微分量的幅值起决定作用。考虑经过边界和线路的衰减后高频分量的差异，可以利用故障电流分量的二阶微分量的幅值来区分区内外故障。
S22：在未解耦的情况下，以发生正极线路整流侧区外故障为例，即图1中的f2故障，故障时刻，本极线路和对极线路均会产生电流变化，在提取故障电流的二阶微分量后，尽管两极线路仍未解耦，但健全极也不会感应出电流变化，线路边界保护装置处检测到故障电流分量的二阶微分量可以区分出故障极和健全极，如图5所示，表3给出了正极线路故障和负极线路故障时的故障电流情况。
表3线路故障时故障电流情况
Figure BDA0003025666120000071
S23：如图6所示，线路边界保护装置可以检测到来自线路末端的故障电流分量的二阶微分量，但经过线路和边界的双重衰减后，对逆变侧区外故障不敏感。同时由步骤S22可知，本极本侧区外故障也可以被检测到，因此，可以根据保护线路边界保护装置安装处检测到的信息，排除对侧区外故障。
S24：特征量放大了故障信息，且不受极间耦合的影响，能够进行故障选极以及区分本极线路对侧区内外故障,同时，由于故障距离和过渡电阻均对该二阶微分量有衰减作用，因此，可以根据最严重故障进行保护定值Hset的整定计算。具体地，根据对侧区外发生金属性接地故障的情况下检测到的故障电流分量的二阶微分量的模值Hmax设置相应的保护定值Hset：
Hset＝Krel·Hmax； (6)
其中，Krel为可靠系数，一般取1.1～1.2。
本发明中选取的1600km线路在对侧区外发生金属性接地故障时测得故障电流分量的二阶微分量为Hmax＝6795kA，因此，可以设定保护定值为Hset＝8000kA。
S3：由于经过解耦后保护安装处检测到的故障电流分量二阶微分量对对极线路故障不敏感；经过线路和“边界”的双重衰减后对本极对侧区外故障不敏感，若线路边界保护装置处检测到的特征量超过保护定值Hset，则可以以此判断故障位于该保护装置处本侧区外或者线路上。具体地，根据四个线路边界保护装置的安装位置以及在故障条件下提取的电流故障分量的二阶微分量是否大于保护定值判断是否发生故障以及相应的故障区间；若线路边界保护装置处检测到的特征量超过保护定值Hset，则可以以此判断故障位于该线路边界保护装置处的本侧区外或者线路侧，即属于本极线路本侧区外故障或本极线路故障。
以正极线路整流侧的线路边界保护装置处为例，负极线路故障(图1中的f4故障)和正极逆变侧区外故障(图1中的f3故障)时，正极线路整流侧的线路边界保护装置处检测到的故障电流分量的二阶微分量均不会超过定值，只有在正极线路(图1中的f1故障)或整流侧区外发生故障(图1中的f2)时，正极线路整流侧的线路边界保护装置才会检测到故障电流分量，并且故障电流分量的二阶微分量超过整定值，其保护才会动作，因此，可根据四个线路边界保护装置检测到的故障电流分量的二阶微分量初步判断故障区间。具体如表4中给出各个线路边界保护装置检测到故障电流分量的二阶微分量的故障情况。
表4线路边界保护装置的检测情况与故障情况
Figure BDA0003025666120000081
S4：同时，根据该处装置检测到的故障电流突变的方向进一步确定是本极线路本侧区外故障还是本极线路故障；
线路边界保护装置检测到电流故障的二阶微分量的时刻即为故障行波波头到达时刻，由此推出故障发生时刻；
故障发生在本极线路本侧区外或者本极线路上时，该侧线路边界保护装置检测到的电流的突变方向相反，利用方向元件检测故障电流突变情况，则可判断出故障位于本极线路本侧区外还是本极线路上。
具体地，位于直流线路母线线路侧的保护装置，检测到来自线路侧的故障电流为向上突变的，而检测到来自平波电抗器阀侧的故障电流为向下突变的，如图7所示，以此为依据，可以判断出故障来自区内或是区外。表7给出了检测出故障信息的线路边界保护装置及电流故障分量极性的情况明细。
表7电流故障分量极性与故障类型明细
Figure BDA0003025666120000082
Figure BDA0003025666120000091
在PSCAD上按照图1所示搭建双击直流输电系统仿真模型，采用频变参数线路模型，用PSCAD进行电力系统仿真，Matlab进行算法仿真。
为分析过渡电阻的影响，选取线路长度恒定为1600km，分别以本极线路故障f1和本极线路本侧区外故障为例，研究过渡电阻对本发明的影响。现控制线路参数不变，逐渐增大过渡电阻，本极线路故障f1发生时仿真结果如表8所示，图8为线路末端过渡电阻增大到100Ω时的二阶微分量波形；同样条件下，本极线路本侧区外故障发生时仿真结果如表9所示，图9为本侧区外过渡电阻增大到100Ω时的二阶微分量波形。可以看出，线路故障时其受过渡电阻影响较大，区外故障时不同过渡电阻结果较为接近，但均不影响保护判据。
表8区内故障过渡电阻变化仿真结果
过渡电阻 脉冲发生时刻 幅值
0Ω 0.5054s 2.827x10<sup>4</sup>
20Ω 0.5054s 2.222x10<sup>4</sup>
50Ω 0.5054s 1.516x10<sup>4</sup>
100Ω 0.5054s 0.957x10<sup>4</sup>
表9区外故障过渡电阻变化仿真结果
过渡电阻 脉冲发生时刻 幅值
0Ω 0.5001s 1.827x10<sup>4</sup>
20Ω 0.5001s 1.798x10<sup>4</sup>
50Ω 0.5001s 1.756x10<sup>4</sup>
100Ω 0.5001s 1.689x10<sup>4</sup>
表10给出了论文《高压直流输电控制与保护对线路故障的动态响应特性分析》所提的天广直流输电系统行波保护拒动时的过渡电阻临界值。
表10行波保护拒动时过渡电阻临界值
Figure BDA0003025666120000092
Figure BDA0003025666120000101
可以看出，天广960km线路的行波保护在线路末端发生过渡电阻超过18Ω的接地故障时将拒动，相比而言，本文所提保护方案的带过渡能力方面有明显优势。
为分析故障距离的影响，选取过渡电阻恒定为0Ω，线路长度为1600km，分别在线路距离整流侧保护装置不同位置设置故障f1，研究故障距离对保护方案的影响。控制线路参数不变，逐渐增大故障距离，发生故障时仿真结果如表11所示，图10为故障距离增大到1600km时的二阶微分量波形。仿真结果表明故障距离对结果影响较大，在本文的仿真分析中，最高故障距离1600km时也可以准确区分故障。
表11区内故障故障距离变化仿真结果
故障距离 脉冲发生时刻 幅值
800km 0.5027s 9.493x10<sup>4</sup>
1200km 0.504s 5.727x10<sup>4</sup>
1600km 0.5054s 2.827x10<sup>4</sup>
从上面的案例分析来看，本发明具备以下优势：
1)高压直流输电线路的高频电气量的电流幅值与频率成反比，提取故障电流的二阶微分量后，故障电流幅值与频率成正比，高频量的差异将在保护特征量的幅值上构成明显区分。
2)本发明提供的保护方法不受两极线路耦合作用的影响，具有一定的耐受过渡电阻能力，在一定线路长度范围内，可以保护线路全长。
3)利用单端数据构造保护，采样时间间隔短，没有通信延迟，动作时间为毫秒级，满足保护的速动性要求。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型高压直流输电线路保护方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：建立直流输电线路电磁暂态仿真模型，进行单极接地故障仿真计算，获取线路边界保护装置处的电流故障分量；所述线路边界保护装置设置四个，分别设置在正极直流输电线路首端平波电抗器的线路侧、正极直流输电线路末端平波电抗器的线路侧、负极直流输电线路首端平波电抗器的线路侧、负极直流输电线路末端平波电抗器的线路侧；
S2：在上一步骤的基础上提取电流故障分量的二阶微分量，放大信号信息，将电流故障分量的二阶微分量作为识别故障信息的特征量，并根据最严重故障进行线路边界保护装置的保护定值的整定，整定后的保护定值为Hset；
S3：根据四个线路边界保护装置的安装位置以及在故障条件下提取的电流故障分量的二阶微分量是否大于保护定值判断是否发生故障以及相应的故障区间；
对于每个保护装置，若检测到的特征量超过保护定值Hset，则可以以此判断故障位于该保护装置处的本侧区外或者本极线路上，即属于本极线路本侧区外故障或本极线路故障；
S4：同时，根据该处保护装置检测到的故障电流突变的方向进一步确定是本极线路本侧区外故障还是本极线路故障。
2.根据权利要求1所述的一种新型高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S1中具体如下：
建立双极直流输电线路的电磁暂态仿真模型，测量正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流ip和负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流in，并按如下公式提取正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量ipf和负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量inf：
Figure FDA0003025666110000011
其中，k为采样点序列号，T为工频周期。
3.根据权利要求1所述的一种新型高压直流输电线路保护方法，其特征在于：
所述步骤S2中提取电流故障分量的二阶微分量具体为：
正极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量ipf的二阶微分量的提取公式如下：
Figure FDA0003025666110000012
负极直流输电线路的线路边界保护装置处的电流故障分量inf的二阶微分量的提取公式如下：
Figure FDA0003025666110000021
4.根据权利要求1所述的一种新型高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S3中线路边界保护装置的保护定值的整定具体是根据对侧区外发生金属性接地故障的情况下检测到的故障电流分量的二阶微分量的模值Hmax设置相应的保护定值Hset：
Hset＝Krel·Hmax； (4)
其中，Krel为可靠系数。
5.根据权利要求1所述的一种新型高压直流输电线路保护方法，其特征在于：
所述步骤S4中线路边界保护装置检测到电流故障分的二阶微分量的时刻即为故障行波波头到达时刻，由此推出故障发生时刻；
故障发生在本极线路本侧区外或者本极线路上时，该侧线路边界保护装置检测到的电流的突变方向相反，利用方向元件检测故障电流突变情况，则可判断出故障位于本极线路本侧区外还是本极线路上。
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