CN113655339A - 一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置 - Google Patents

一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置，利用直流输电线路电压电流测点进行行波计算，利用行波计算得到的保护出口信号判断是否满足保护出口判据，从而构成故障启动判据；在故障定位启动后，利用正负极输电线路上的过电压抑制电容接地线中宽频行波电流互感器信号进行故障定位，本发明的技术方案，所采用的原理公式简单，易实现，省去了工程上的故障定位装置成本；同时通过保护出口信号的判读启动故障保护定位，解决了现有技术中高阻接地故障，测距装置无启动导致定位失败的问题，提高了直流输电线路保护故障定位的速动性和可靠性。

Description

一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置
技术领域
本发明涉及直流输电线路保护技术领域，尤其涉及一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置。
背景技术
高压直流输电线路是直流输电系统的命脉所在，担负着传送电能的重任，但在运行过程中时常会发生短路故障。据相关数据显示，在2006年至2012年间，因高压直流输电线路发生短路而导致强迫停运的次数共计42次之多，占强迫停运事故总数的36.8％。特高压直流输电系统，其输电距离远，沿途地形复杂、气候多变，输电线路易发生故障，且不易查找。为了保证高压直流输电系统能够安全稳定地运行，需要第一时间定位直流输电线路的故障并给予清除。
目前，实际运行的直流输电线路故障定位装置均采用行波原理，其故障定位精度基本满足了电力运营单位的要求(通常测距误差不超过1km)，但其在高阻故障情况下可靠性相对较差。在数次电网系统的直流输电线路的永久性故障中，直流输电线路故障定位系统受故障点过渡电阻因素影响未能提供准确故障点定位信息，在多次再启动失败的情况下单极线路较长时间停电，影响了电网的正常运行调度，造成了较为严重的经济损失。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置，利用直流输电线路电压电流测点进行行波计算，从而构成故障启动判据；利用正负极输电线路上的过电压抑制电容接地线中宽频行波电流互感器信号进行故障定位，解决了高阻接地故障，定位装置无启动导致定位失败问题，提高了直流输电线路保护故障定位的速动性和可靠性。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种直流输电线路故障定位方法，包括步骤：
获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)；
根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号；
若所述保护出口信号满足预设条件，则获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号；
对所述暂态电压信号进行奇异性检测，得到直流输电线路两端小波系数模极大值点所对应的时间点tM1和时间点tN1；
根据判定发生故障前预设时间段内直流输电线路上的电压行波得到电压行波速度；
根据时间点tM1、时间点tN1和电压行波速度计算故障发生位置。
进一步的，所述利用时间点tM1、tN1和电压行波速度计算故障发生位置，包括：
获取直流输电线路总长度L和行波速度v；
根据直流输电线路总长度L、行波速度v、以及行波达到直流输电线路的两端M和N端的时间点tM1和tN1，计算故障发生位置到M端的距离L1。
进一步的，所述计算故障发生位置到M端的距离L1，利用以下公式计算：
Figure BDA0003222546850000021
进一步的，所述根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号，包括计算极波信号P_WAVE作为保护出口信号：
P_WAVE＝i(t)*XR_P-u(t)
其中，XR_P是差模波阻抗。
进一步的，所述预设条件包括条件A、B、C，其中条件A、B、C分别为：
A：u(t)<k1；
B：i(t)-i(0)>k2；
C：当P_WAVE-P_WAVET1B>XU_P后，延时第一延时时间T，P_WAVE-P_WAVET2B>XU_P且P_WAVE-P_WAVET3B>XU_P；
其中，k1和k2分别为第一和第二保护判据，i(0)为稳态前的直流输电线路电流信号，P_WAVET1B、P_WAVET2B、P_WAVET3B分别为第一时间间隔T1、第二时间间隔T2、第三时间间隔T3前的P_WAVE值，T1<T2<T3；XU_P是差模波幅值。
进一步的，所述获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号，包括：采用连接于正负极输电线路上的宽频行波电流互感器获取暂态电压信号。
进一步的，还包括，若所述保护出口信号不满足预设条件，则返回第一步，重新获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)。
根据本发明的第二个方面，提供了一种直流输电线路保护系统故障定位装置，包括信号获取模块、保护出口判断模块、暂态电压信号获取模块以及故障发生位置计算模块；其中，
所述信号获取模块用于获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)；
所述保护出口判断模块用于根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号，并判断保护出口信号是否满足预设条件；
所述暂态电压信号获取模块在所述保护出口信号满足预设条件时获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号；
所述故障发生位置计算模块用于对所述暂态电压信号进行奇异性检测，得到直流输电线路两端小波系数模极大值点所对应的时间点tM1和时间点tN1；根据判定发生故障前预设时间段内直流输电线路上的电压行波得到电压行波速度；并根据时间点tM1、时间点tN1和电压行波速度计算故障发生位置。
根据本发明的第三个方面，提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一个方面所述的方法。
根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述存储器包括存储介质，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明第一个方面所述的方法。
综上所述，本发明提供了一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置，利用直流输电线路电压电流测点进行行波计算，利用行波计算得到的保护出口信号判断是否满足保护出口判据，从而构成故障启动判据；在故障定位启动后，利用正负极输电线路上的过电压抑制电容接地线中宽频行波电流互感器信号进行故障定位，本发明的技术方案，所采用的原理公式简单，易实现，省去了工程上的故障定位装置成本；同时通过保护出口信号的判读启动故障保护定位，解决了现有技术中高阻接地故障，测距装置无启动导致定位失败的问题，提高了直流输电线路保护故障定位的速动性和可靠性。
附图说明
图1是直流输电线路保护系统的示意图；
图2是直流输电线路保护系统故障定位方法的流程图；
图3是直流输电线路保护系统故障定位装置的构成框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种直流输电线路保护系统故障定位方法。直流输电线路通常包括整流站端和逆变站端，以及在两端分别有正负极输电线路，该正负极输电线路上连接有极线冲击过电压抑制电容C，图1中示出了以整流站端为例的直流输电线路保护系统的示意图，如图1所示，整流站直流线路保护机箱通过合并单元与待检测的直流输电线路相连接，以实现对直流输电线路的故障进行定位。其中例如包括有用于输出保护出口信号的直流线路保护模块，负极输电线路上的过电压抑制电容接地线中都安装宽频行波电流互感器，用于获取故障电压行波信息，本实施例中通过FPGA高速同步采集电压行波，例如可以抽取使能前20ms的数据用于故障定位的计算将所采集的电压信号u(t)和电流信号i(t)以及故障电压行波信息经过小波变换计算得到行波达到直流输电线路两端的时刻，然后利用行波双端测距方法进行故障定位。图1中示出了直流输电线路一端的保护机箱示意图，对端的保护机箱设置与本端相同。本实施例所提供的故障定位方法的流程图如图2所示，以下结合图1和图2对该方法进行详细说明。该方法包括以下步骤：
获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)。可以通过连接于直流输电线路上的合并单元来获取电压信号u(t)和电流信号i(t)，并将其发送至直流线路保护机箱，信号发送可以采用60044-8通信协议。合并单元发送出的信号常规采样范围通常设置为10KHz～100KHz。
根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号，判断是否满足保护出口判据，若满足，则判定发生故障，并进行下一步；若不满足，则返回第一步，重新获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)。
所述利用所述电压u(t)和电流信号i(t)确定保护出口信号，包括计算极波信号P_WAVE，该极波信号P_WAVE即为保护出口信号
P_WAVE＝i(t)*XR_P-u(t)
其中，XR_P是差模波阻抗。
保护出口判据例如可以包括条件A、B、C，并且该条件A、B、都需要满足。其中条件A、B、C分别为：
A：u(t)<k1；
B：i(t)-i(0)>k2；
C：当P_WAVE-P_WAVET1B>XU_P后，延时T，P_WAVE-P_WAVET2B>XU_P且P_WAVE-P_WAVET3B>XU_P；
其中，k1和k2分别为第一和第二保护判据，第一保护判据k1用于避免因电压暂态变化导致的意外动作，通常为直流低电压辅助判据，低电压检测定值k1工程上一般取0.5～0.7；第二保护判据k2用于区分反向区外故障和直流线路故障，增加了方向元件，工程上一般取0.1～0.2；i(0)为稳态前的直流输电线路电流信号，P_WAVET1B、P_WAVET2B、P_WAVET3B分别为第一时间间隔T1、第二时间间隔T2、第三时间间隔T3前的P_WAVE值，且T1<T2<T3；XU_P是差模波幅值。极波是常规直流定义的一种故障行波，差模波的阻抗和幅值可以利用线路本身的参数通过仿真得到。
在上述预设条件满足，即可判定线路发生故障，在下一步骤中进行故障定位。
获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号，例如采用宽频行波电流互感器获取暂态电压信号。在实际工程应用中，正负极输电线路上的过电压抑制电容接地线中都安装宽频行波电流互感器，通过过电压抑制电容，可滤除低频信号，直流保护机箱的16高速AD采集板卡及FPGA高速同步采集可间接获取高频暂态电压信号。本实施例中，采用16位高速AD采集板卡在宽频行波电流互感器采取高速暂态电压信号UH(t)，该信号的采样范围通常为1MHz～10MHz，可以根据所需要的定位精度对采样频率进行选择。当高速AD采集板卡采样频率为1MHz时，故障位置偏差为300m，当高速AD采集板卡采样频率为10MHz时，故障位置偏差为30m。
然后利用小波变换对暂态电压信号进行奇异性检测，以得到直流输电线路两端小波系数模的极大值点所对应的时间点tM1和tN1，并利用该时间点以及电压行波速度计算故障发生位置。电压行波速度可以获取自判定发生故障前预设时间段内的直流输电线路上的电压行波。FPGA高速同步采样板卡通过机箱背板总线收到行波保护动作出口指令，即保护出口信号满足保护出口判据时发出的指令，在高速数据缓存器中抽取指令前预设时间段的电压行波数据记录，将数据记录存到低速缓冲区，同时启动故障定位计算。预设的时间段取值范围例如为0～20ms，与直流输电线路长度以及通信延时有关，特高压直流工程一般设置为20ms。
具体来说，可以利用以下公式进行计算：
Figure BDA0003222546850000071
其中，设M和N为直流输电线路的两端，L1为故障发生位置到M端的距离，L为直流输电线路总长度，v为电压行波速度，tM1和tN1分别为行波达到M和N端的时刻。计算得到故障发生位置后，可以将故障发生位置通过LAN网上传到后台主机。
根据本发明的第二个实施例，提供了一种直流输电线路保护系统故障定位装置，该装置的构成框图如图3所示，包括信号获取模块、保护出口判断模块、暂态电压信号获取模块以及故障发生位置计算模块。
信号获取模块用于获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)；
保护出口判断模块用于根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号，并判断保护出口信号是否满足预设条件；
暂态电压信号获取模块在所述保护出口信号满足预设条件时获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号；
故障发生位置计算模块用于对所述暂态电压信号进行奇异性检测，得到直流输电线路两端小波系数模极大值点所对应的时间点tM1和时间点tN1；根据判定发生故障前预设时间段内直流输电线路上的电压行波得到电压行波速度；并根据时间点tM1、时间点tN1和电压行波速度计算故障发生位置。
所述电压行波速度通过判定发生故障前预设时间段内的直流输电线路上的电压行波得到。其中，利用以下公式计算故障发生位置：
Figure BDA0003222546850000072
其中，设M和N为直流输电线路的两端，L1为故障发生位置到M端的距离，L为直流输电线路总长度，v为电压行波速度，tM1和tN1分别为行波达到M和N端的时刻。
该装置中各模块实现其功能的具体过程与本发明提供的第一个实施例中故障定位方法的各步骤相同，在此不再赘述。
根据本发明的第三个实施例，提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一个实施例中所述的方法。
根据本发明的第四个实施例，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述存储器包括存储介质，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本发明第一个方面所述的方法。
综上所述，本发明涉及一种直流输电线路保护系统故障定位方法及装置，利用直流输电线路电压电流测点进行行波计算，利用行波计算得到的保护出口信号判断是否满足保护出口判据，从而构成故障启动判据；在故障定位启动后，利用正负极输电线路上的过电压抑制电容接地线中宽频行波电流互感器信号进行故障定位，本发明的技术方案，所采用的原理公式简单，易实现，省去了工程上的故障定位装置成本；同时通过保护出口信号的判读启动故障保护定位，解决了现有技术中高阻接地故障，测距装置无启动导致定位失败的问题，提高了直流输电线路保护故障定位的速动性和可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流输电线路故障定位方法，其特征在于，包括步骤：
获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)；
根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号；
若所述保护出口信号满足预设条件，则获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号；
对所述暂态电压信号进行奇异性检测，得到直流输电线路两端小波系数模极大值点所对应的时间点tM1和时间点tN1；
根据判定发生故障前预设时间段内直流输电线路上的电压行波得到电压行波速度；
根据时间点tM1、时间点tN1和电压行波速度计算故障发生位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用时间点tM1、tN1和电压行波速度计算故障发生位置，包括：
获取直流输电线路总长度L和行波速度v；
根据直流输电线路总长度L、行波速度v、以及行波达到直流输电线路的两端M和N端的时间点tM1和tN1，计算故障发生位置到M端的距离L1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算故障发生位置到M端的距离L1，利用以下公式计算：
Figure FDA0003222546840000011
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号，包括计算极波信号P_WAVE作为保护出口信号：
P_WAVE＝i(t)*XR_P-u(t)
其中，XR_P是差模波阻抗。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括条件A、B、C，其中条件A、B、C分别为：
A：u(t)＜k1；
B：i(t)-i(0)＞k2；
C：当P_WAVE-P_WAVET1B＞XU_P后，延时第一延时时间T，P_WAVE-P_WAVET2B＞XU_P且P_WAVE-P_WAVET3B＞XU_P；
其中，k1和k2分别为第一和第二保护判据，i(0)为稳态前的直流输电线路电流信号，P_WAVET1B、P_WAVET2B、P_WAVET3B分别为第一时间间隔T1、第二时间间隔T2、第三时间间隔T3前的P_WAVE值，T1＜T2＜T3；XU_P是差模波幅值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号，包括：采用连接于正负极输电线路上的宽频行波电流互感器获取暂态电压信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，若所述保护出口信号不满足预设条件，则返回第一步，重新获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)。
8.一种直流输电线路保护系统故障定位装置，其特征在于，包括信号获取模块、保护出口判断模块、暂态电压信号获取模块以及故障发生位置计算模块；其中，所述信号获取模块用于获取直流输电线路的电压信号u(t)和电流信号i(t)；
所述保护出口判断模块用于根据所述电压信号u(t)和电流信号i(t)，确定保护出口信号，并判断保护出口信号是否满足预设条件；
所述暂态电压信号获取模块在所述保护出口信号满足预设条件时获取直流输电线路两端正负极输电线路上的暂态电压信号；
所述故障发生位置计算模块用于对所述暂态电压信号进行奇异性检测，得到直流输电线路两端小波系数模极大值点所对应的时间点tM1和时间点tN1；根据判定发生故障前预设时间段内直流输电线路上的电压行波得到电压行波速度；并根据时间点tM1、时间点tN1和电压行波速度计算故障发生位置。
9.一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述存储器包括存储介质，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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