CN113381391A - 一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压直流输电继电保护领域，尤其涉及的是一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法，具体是建立双极高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，进行线路区内外故障仿真，获取线路边界保护装置的暂态电流，计算电流突变量幅值并将其作为保护启动所需电气量；提取暂态电流的特征频段分量作为识别故障区段及故障选极的特征电气量。根据在故障条件下暂态电流突变量幅值是否大于保护启动门槛值判断直流系统是否发生故障，根据所提取的暂态电流特征频段分量的Shannon熵值是否大于保护动作门槛值判别相应的故障区间，根据两极线路边界保护装置检测到的暂态电流特征频段分量幅值积分的比值选出故障极线。本发明在高过渡电阻故障时仍然具有较高的灵敏性。

Description

一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电继电保护领域，尤其涉及的是一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法。

背景技术

高压直流输电系统中，直流输电线路长可达数千公里，因而直流线路成为了直流系统中故障率最高的元件，线路故障对整个直流输电系统的安全可靠运行构成严重威胁。为此，急需研究出一种具有高可靠性的性能优良的保护方案应用于实际工程当中。

高压直流输电线路现有的保护配置多为采用行波保护作为主保护，微分欠压保护、电流差动保护作为后备保护。行波保护和微分欠压保护动作速度快，但存在着发生高过渡电阻接地故障时灵敏度较差的问题；电流差动保护主要用于检测直流线路高阻故障，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的影响采用了延时策略，动作速度较慢。

直流输电线路的保护分为单端量保护和双端量保护。单端量保护快速性好但耐受过渡电阻能力有限，可靠性不高。双端量保护的可靠性依赖于通信通道和通信设备，经济性差，因存在通信延时，保护动作时间较长。而对于直流线路的保护不同于交流输电，直流线路保护必须在毫秒级时间内做出快速响应，双端量保护本身存在的缺陷决定了其在速动性方面达不到要求，因而对单端量保护的深入研究尤为重要。

高压直流输电线路单端量保护方面，学者们主要以换流器出口线路侧的平波电抗器和直流滤波器构成的直流线路边界的滤波特性作为基础，以其对高频量的抑制作用为依据，判定出区内外故障。针对传统直流线路单端量行波保护存在的不足，《基于高频分量的高压直流输电线路单端保护方法》通过对换流器出口侧及线路侧暂态电流的高频分量信号特征进行比较，进而确定故障类型，但此方法对采样装置要求过高，无法应对目前实际运行的直流控制保护系统采样率为10kHz的工况。《±800kV特高压直流输电线路的极波暂态量保护》利用极波暂态量在区内外故障时频率分量特征的不同识别故障区段，但所提方案在高阻接地故障时灵敏度仍有不足。

以上文献所提保护方案虽然只采用单端电气量进行故障区段的识别，但并未充分考虑实际工程中对采样率的要求，未能在很大程度上解决线路高阻接地故障时带来灵敏性不足的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法，通过建立双极高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，进行线路区内外故障仿真，获取线路边界保护装置的暂态电流，计算电流突变量幅值并将其作为保护启动所需电气量；提取暂态电流的特征频段分量作为识别故障区段及故障选极的特征电气量。构造保护判据，形成一套完整的保护方案，进行相应故障的识别：根据在故障条件下暂态电流突变量幅值是否大于保护启动门槛值判断直流系统是否发生故障，根据所提取的暂态电流特征频段分量的Shannon熵值是否大于保护动作门槛值判别相应的故障区间，根据两极线路边界保护装置检测到的暂态电流特征频段分量幅值积分的比值选出故障极线。具体技术方案如下：

一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法，包括以下步骤：

S1：建立双极高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，进行线路区内外故障仿真，采集线路边界保护装置的电流；计算线路边界保护装置获取的暂态电流与系统正常运行时的直流电流之差，即电流突变量值；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、末端及负极直流输电线路首、末端；

S2：根据电流突变量值定义保护启动因子并构造启动判据，进行保护启动门槛值的整定，以判定直流系统是否发生了故障；

S3：提取暂态电流特征频段分量，将暂态电流特征频段分量作为判别故障类型及故障选极的特征量，计算暂态电流特征频段分量的Shannon熵值，与保护动作门槛值进行比较，以判定直流系统发生故障的区段；

S4：根据所提取的暂态电流特征频段分量，计算正负两极直流输电线上的暂态电流特征频段分量幅值积分的比值，构造选极判据，选出故障极。

优选地，所述步骤S1中具体如下：

根据实时采集到的正、负两极暂态电流i₁、i₂，将其与前一个工频周期直流系统正常运行无故障情况时对应的直流电流做差，即计算正、负两极的电流突变量值Δi₁、Δi₂，正、负两极的电流突变量值提取公式为：

式中，m为采样点序列号，T为工频周期0.02s。

优选地，所述步骤S2定义保护启动因子如下：

式中，Δi(m)为电流故障分量，m为采样点序列号，N为采样点数，Q表示保护启动因子。

优选地，所述步骤S2中启动判据为：设定保护启动门槛值设为Q_set，若满足Q＞Q_set，则说明直流系统发生了故障。

优选地，所述步骤S2中保护启动门槛值的整定具体为：

保护启动门槛值的定值应小于最轻型故障情况下取得的电流突变量最小值Q_min，可按下式进行整定：

Q_set＝K_rel·Q_min； (3)

式中，K_rel为可靠系数。

优选地，所述步骤S3中采用切比雪夫带通滤波器提取暂态电流特征频段分量，并根据下式计算特征频段分量电流的Shannon熵值H，并将之定义为保护识别因子：

式中，H表示保护识别因子，i_m表示暂态电流特征频段分量的第m个采样点的值。

优选地，所述步骤S3中保护动作门槛值设为H_set，若满足H≤H_set，则说明直流系统发生线路区内故障，反之为区外故障。

优选地，所述步骤S4中具体如下：

构造如下选极函数：

K＝S₁/S₂； (6)

选极判据为：

式中，l取1、2，分别表示表示正、负极，I^(l)(m)表示l极线上暂态电流特征频带分量，m为采样点序列号，S_l表示l极故障电流特征频带分量幅值积分，K为选极因子，定义为正、负极线上故障电流频带分量幅值积分的比值，K_set1和K_set2为选极门槛值。

通过以上步骤，即可对直流系统故障时的故障区段以及故障极线进行有效识别，相应线路边界保护装置进行可靠正确动作。

特别说明的是，为保证保护动作的快速性，本发明提出的保护方案需安装线路边界保护装置四个，以避免向对端传送数据所引起的延时，因此保护仅需使用单端电气量即可完成故障的识别功能。发明中仅选取了正极整流侧线路边界保护装置动作情况为例进行分析，逆变侧及负极的线路边界保护装置的动作情况分析与之相同，此处不再赘述，发明中的仿真所使用的采样数据及仿真结果均为正极整流侧的数据。

本发明的有益效果为：本发明提出的高压直流输电线路区内外故障识别及故障选极的方法仅利用单端电气量，与双端量保护相比，其不受通信影响，速动性好、可靠性高；与现有单端量保护方法相比，本发明保护方法在高过渡电阻故障时仍然具有较高的灵敏性、且对采样装置要求不高，可以实现对全长线路的快速可靠保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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，下面描述中的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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是双极高压直流输电系统结构示意图；

图2是直流输电工程线路边界元件模型图；

图3是电流突变量幅值提取元件模块图；

图4是直流滤波器阻抗-频率特性图；

图5是不同故障类型情况下暂态电流波形图；

图6是单极故障时双极线上的特征频段暂态电流波形图；

图7是不同故障类型情况下暂态电流特征频段分量波形图；

图8是保护方案整体流程图。

图1中故障标号说明：f₁为正极直流线路区内故障，f₂为负极直流线路区内故障，f₃为极间短路故障，f₄为正极直流线路整流侧平波电抗器阀侧故障，f₅为正极直流线路逆变侧平波电抗器阀侧故障，f₆为送端交流母线三相故障，f₇为受端交流母线三相故障。

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：

如图1所示，一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法，包括以下步骤：

S1：建立双极高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，进行线路区内外故障仿真，采集线路边界保护装置的电流；计算线路边界保护装置获取的暂态电流与系统正常运行时的直流电流之差，即电流突变量值；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(即整流侧)、末端(即逆变侧)及负极直流输电线路首端(即整流侧)、末端(即逆变侧)；具体如下：

以PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件作为基本分析工具，搭建如图2所示±660kV双极高压直流输电系统的电磁暂态仿真模型，该模型包含了直流滤波器和平波电抗器组成的实体物理边界，线路采用频变参数模型。该直流系统额定直流电流为1.965kA，输电线路全长1400km。数据采样频率为10kHz，时窗长度为5ms。

故障情况下，测量正极直流输电线路的线路保护安装处和负极直流输电线路的线路保护安装处的暂态电流，将暂态电流减去无故障情况下一个工频周期(0.02s)前的电流得到电流突变量幅值，电流突变量幅值的获取在PSCAD中通过如图8所示模块实现。

根据实时采集到的正、负两极暂态电流i₁、i₂，将其与前一个工频周期直流系统正常运行无故障情况时对应的直流电流做差，即计算正、负两极的电流突变量值Δi₁、Δi₂，正、负两极的电流突变量值提取公式为：

式中，m为采样点序列号，T为工频周期0.02s。

S2：根据电流突变量值定义保护启动因子并构造启动判据，进行保护启动门槛值的整定，以判定直流系统是否发生了故障；

S21：定义保护启动因子如下：

式中，Δi(m)为电流故障分量，m为采样点序列号，N为采样点数，Q表示保护启动因子。

S22：启动判据为：设定保护启动门槛值设为Q_set，若满足Q＞Q_set，则说明直流系统发生了故障。

S23：保护启动门槛值的整定具体为：

保护启动门槛值的定值应小于最轻型故障情况下取得的电流突变量最小值Q_min，可按下式进行整定：

Q_set＝K_rel·Q_min； (3)

式中，K_rel为可靠系数，通常取0.9～0.95。

在距离整流侧线路首端1400km的线路上，发生接750Ω过渡电阻接地故障时取得电流突变量最小值为Q_min＝0.30599kA，因此，可以设定保护启动门槛值为Q_set＝0.275kA。

若满足Q＞Q_set，则说明直流系统发生了故障，线路边界保护装置启动并进入故障识别程序，否则保护不启动。

S3：提取暂态电流特征频段分量，将暂态电流特征频段分量作为判别故障类型及故障选极的特征量，计算暂态电流特征频段分量的Shannon熵值，与保护动作门槛值进行比较，以判定直流系统发生故障的区段；

S31：采用切比雪夫带通滤波器提取暂态电流特征频段分量，并根据下式计算特征频段分量电流的Shannon熵值H，并将之定义为保护识别因子：

式中，H表示保护识别因子，i_m表示暂态电流特征频段分量的第m个采样点的值。

S32：保护动作门槛值设为H_set，若满足H≤H_set，则说明直流系统发生线路区内故障，反之为区外故障。其定值按躲过直流线路区外最严重故障情况下特征频段分量电流Shannon熵值的最小值H_min进行选取。

在逆变侧交流母线上发生三相故障时取得特征频段分量电流的Shannon熵值最小值为H_min＝1.4873，根据大量仿真验证并进行相关灵敏度校验，本发明设定保护动作门槛值为H_set＝0可确保故障区段的正确识别。

若满足H≤H_set则说明发生了直流线路区内故障，线路边界保护装置动作；若H＞H_sett，则说明发生了直流线路区外故障，线路边界保护装置不动作。

S4：根据所提取的暂态电流特征频段分量，计算正负两极直流输电线上的暂态电流特征频段分量幅值积分的比值，构造选极判据，选出故障极。具体如下：

构造如下选极函数：

K＝S₁/S₂； (6)

选极判据为：

式中，l取1、2，分别表示表示正、负极，I^(l)(m)表示l极线上暂态电流特征频带分量，m为采样点序列号，S_l表示l极故障电流特征频带分量幅值积分，K为选极因子，定义为正、负极线上故障电流频带分量幅值积分的比值，K_set1和K_set2为选极门槛值。发生极间短路故障时，K值接近于1。发生单极故障时，由于同杆并架双极线路的耦合，在一极线路末端高阻故障时两极保护安装处测得的特征频带电流相差不大，为保留一定的裕度，本发明选取K_set1＝1.2、K_set2＝0.8，实际工程中可根据需要进行适度调整。根据选极判据，判别出故障位于正极线、负极线还是极间短路故障,相应极线保护装置做出正确响应。

以某实际工程的平波电抗器和12/24/36三调谐直流滤波器组成的实体物理边界为例，其结构示意图如图3所示，元件参数如表1所示。

表1直流线路边界元件参数

平波电抗器L	300mH
		直流滤波器电感L<sub>1</sub>	10.869mH
直流滤波器电感L<sub>2</sub>	10.384mH
		直流滤波器电感L<sub>3</sub>	2.08mH
直流滤波器电容C<sub>1</sub>	1.6μF
		直流滤波器电感C<sub>2</sub>	4.48μF
直流滤波器电感C<sub>3</sub>	5.81μF

根据表1参数，画出如图4所示的直流滤波器阻抗-频率特性图。由图4可知：在调谐频率600Hz、1200Hz、1800Hz处，直流滤波器组阻抗取得极小值，且阻抗幅值很小接近于0。因此，在直流系统正常运行及直流线路区外故障时，特征频率谐波难以传输到直流线路上，滤波环节对在特征频率附近的电量有良好的滤波效果。因此，暂态电流特征频段分量的特征频段可以选择550Hz-650Hz、1150Hz-1250Hz、1750Hz-1850Hz，由于高频暂态电流特征频段分量差异不是很明显，因此本实施例中选择低频段550Hz-650Hz为暂态电流特征频段分量的特征频段。

图6为发生区内直流线路末端、区外整流侧和逆变侧平波电抗器阀侧金属性接地故障情况下的暂态电流波形图，由图可以看出，直流系统正常运行时电流突变量几乎为0，而故障发生后，电流急剧突变，因此可利用电流突变量幅值构造保护启动判据判断直流系统是否发生了故障。

高压直流输电系统故障时会在故障点处产生各种频率的故障信号。区外故障时，特征频率附近的故障分量难以由区外传输到直流线路上，而区内故障时，故障分量不经过边界滤波环节的作用，因而区内外故障时直流线路上的故障信号特定频段分量含量有所不同。选取最能体现差异性的550～650Hz频段电气量作为研究对象。本发明中，采用线路边界保护装置处检测到的暂态电流550～650Hz特征频段分量作为保护判别故障区段及故障极线所需电气量。图6为发生上述三种不同故障时特征频段电流波形图，观察得知与理论分析结果一致。

信息熵(Shannon熵)是一个表征系统参量分布规则性测度的量。熵值越大，则说明信源中的参量分布越均匀，不规则性越小。熵值越小，则说明信源中的参量分布越不均匀，不规则性越大。显然，根据上述分析，区内外故障时线路上暂态电流信号特征频段分量的熵值明显不同，具有特定的规律性。本发明采用Shannon熵的统计特性对暂态电流特征频段分量进行特征提取，构造保护判据进行相应故障区段的识别。

由于双极线路的耦合效应，某一极线故障时，非故障极同样感应得到特征频段的暂态电流，但其幅值将显著小于故障极。如图7给出了正极直流线路中点处金属性接地故障时正负两极检测点检测到的特征频段电流波形，显然看出负极线上感应出的特征频段电流远小于正极线，故可利用该特性构造选极判据进行故障极线的选取。

各种区内外故障仿真结果如下表2和表3所示：

表2各种区内故障条件下的仿真结果

表3各种区外故障条件下的仿真结果

(1)采样频率对保护性能的影响

以最不易于进行区分的两种故障类型为例：正极线路末端f₁故障以及逆变侧平波电抗器阀侧区外f₅故障，均为金属性接地故障。采样频率分别取50kHz、20kHz、10kHz，考察采样频率对保护性能的影响。

表4不同采样频率下区内外故障条件下的仿真结果

由表可知，随着数据采样率的提高，区内外故障时保护识别因子的差异更为明显，即采样率越高越有利于故障类型的准确判别。但所述三种情况下，区内故障时识别因子始终小于保护动作门槛值H_set，区外故障时始终大于保护动作门槛值H_set，因此本发明所采用的数据采样频率10kHz仍然能满足保护所需数据量的需求，对采样装置要求较低。

目前实际运行中的直流控制保护系统采样率为10kHz，本发明所提保护方案数据采样率满足该实际工况。

(2)高过渡电阻对保护性能的影响

以最不易于进行区分的两种故障类型为例：正极线路末端f₁故障以及逆变侧平波电抗器阀侧区外f₅故障。采样频率固定为10kHz，过渡电阻值分别取0.1Ω、300Ω、750Ω，考察高过渡电阻对保护性能的影响。

表5不同过渡电阻、区内外故障条件下的仿真结果

由表可知，过渡电阻越小，区内外故障时保护识别因子的差异更为明显，即低过渡电阻更有利于故障类型的准确判别。但所述三种情况下，区内故障时识别因子始终小于保护动作门槛值H_set，区外故障时始终大于保护动作门槛值H_set，过渡电阻值增大至750Ω时，保护仍能可靠地判别出区内外故障，具有足够高的灵敏度。

文献《葛南直流线路高阻接地故障保护分析》指出,2007年8月27日葛南直流线路发生300Ω高阻接地故障时,行波保护中的地模波变化率判据和电压突变量判据都小于整定值,从而导致线路的主保护─行波保护发生拒动。同年，天广直流输电系统发生了两起直流系统闭锁事故，均为线路高阻接地故障时保护灵敏度不足所引起。文献《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》指出，在直流线路不同位置发生接地故障时，所接过渡电阻在高于113Ω时，保护便会发生拒动。总而言之，运行中的直流线路控制保护系统仍存在着较大的缺陷，应对高阻接地故障时可靠性不足。本发明提出的保护方案耐过渡电阻能力高达750Ω，与现有行波保护相比具有明显的优势。

从上面的案例分析来看，本发明所提保护方案具备如下优点：

1)本发明所提出的保护方案仅使用单端暂态电流即可完成保护装置的准确启动、故障识别和选极功能，有效避免了双端量保护中对通信要求高的弊端，节约了设备成本的投入。

2)本发明提出的保护方案对采样装置的要求不高，采样间隔短，动作时间为毫秒级，满足保护的速动性要求，动作性能好。

3)本发明提出的保护方案对线路高过渡电阻接地故障仍然具有较高的灵敏性，耐过渡电阻能力达到750Ω，灵敏性、可靠性高。

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 (8)

1.一种新型的高压直流输电线路单端量保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立双极高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，进行线路区内外故障仿真，采集线路边界保护装置的电流；计算线路边界保护装置获取的暂态电流与系统正常运行时的直流电流之差，即电流突变量值；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、末端及负极直流输电线路首、末端；

S2：根据电流突变量值定义保护启动因子并构造启动判据，进行保护启动门槛值的整定，以判定直流系统是否发生了故障；

S3：提取暂态电流特征频段分量，将暂态电流特征频段分量作为判别故障类型及故障选极的特征量，计算暂态电流特征频段分量的Shannon熵值，与保护动作门槛值进行比较，以判定直流系统发生故障的区段；

S4：根据所提取的暂态电流特征频段分量，计算正负两极直流输电线上的暂态电流特征频段分量幅值积分的比值，构造选极判据，选出故障极。

2.根据权利要求1所述的一种新型的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：

根据实时采集到的正、负两极暂态电流i₁、i₂，将其与前一个工频周期直流系统正常运行无故障情况时对应的直流电流做差，即计算正、负两极的电流突变量值Δi₁、Δi₂，正、负两极的电流突变量值提取公式为：

式中，m为采样点序列号，T为工频周期0.02s。

3.根据权利要求1所述的一种新型的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S2定义保护启动因子如下：

式中，Δi(m)为电流故障分量，m为采样点序列号，N为采样点数，Q表示保护启动因子。

4.根据权利要求3所述的一种新型的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S2中启动判据为：设定保护启动门槛值设为Q_set，若满足Q＞Q_set，则说明直流系统发生了故障。

5.根据权利要求4所述的一种新型的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S2中保护启动门槛值的整定具体为：

保护启动门槛值的定值应小于最轻型故障情况下取得的电流突变量最小值Q_min，可按下式进行整定：

Q_set＝K_rel·Q_min； (3)

式中，K_rel为可靠系数。

6.根据权利要求1所述的一种新型的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S3中采用切比雪夫带通滤波器提取暂态电流特征频段分量，并根据下式计算特征频段分量电流的Shannon熵值H，并将之定义为保护识别因子：

式中，H表示保护识别因子，i_m表示暂态电流特征频段分量的第m个采样点的值。

7.根据权利要求6所述的一种新型的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S3中保护动作门槛值设为H_set，若满足H≤H_set，则说明直流系统发生线路区内故障，反之为区外故障。

8.根据权利要求1所述的一种新型的高压直流输电线路保护方法，其特征在于：所述步骤S4中具体如下：

构造如下选极函数：

K＝S₁/S₂； (6)

选极判据为：

式中，l取1、2，分别表示表示正、负极，I^(l)(m)表示l极线上暂态电流特征频带分量，m为采样点序列号，S_l表示l极故障电流特征频带分量幅值积分，K为选极因子，定义为正、负极线上故障电流频带分量幅值积分的比值，K_set1和K_set2为选极门槛值。

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