CN113945861A - 一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法 - Google Patents

一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法，首先采集直流滤波器首端和尾端的电流互感器的电流，然后分别提取两者的12次谐波电流，最后计算出谐波电流比值。当直流滤波器发生接地故障后，谐波电流比值将会发生变化，若谐波电流比值大于保护阈值，判定直流滤波器发生接地故障；否则，判定直流滤波器正常运行。该方法可准确识别整个直流滤波器的接地故障，同时该方法不受区外直流母线故障和直流滤波器首尾两端电流互感器暂态特性不一致的影响，具有较强的耐接地电阻能力，且不受直流滤波器结构的影响。

Description

一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，特别是一种基于谐波电流比值的双调谐直流滤波器接地故障识别方法。
背景技术
高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)技术具有线路成本低、传输功率时线路损耗低、调节速度快、长距离大容量输电等优点，在我国电网中的重要性日趋显著。由于换流器在工作过程中会在直流侧产生特征谐波，产生干扰邻近通信系统和降低电网供电质量等不利影响。因此，在直流高压母线和中性母线之间需要安装直流滤波器来滤除直流侧的特征谐波。与单调谐滤波器相比，双调谐直流滤波器可以同时滤除两个频率的谐波，具有占地面积小和经济效益高的优点。目前国内高压直流输电工程大多使用的是双调谐直流滤波器，如葛南工程、天广工程以及三峡工程。但近年来，高压直流输电工程中直流滤波器故障现象频发。当直流滤波器发生接地故障后，轻则影响直流滤波器的滤波效果，重则造成过电压或过电流从而损坏直流滤波器，甚至引起直流输电系统停极，以上后果均危及了电网的安全稳定运行。
在已投运的高压直流输电系统中，直流滤波器接地故障属于直流滤波器差动保护的保护范围，该保护利用直流滤波器的首端电流和尾端电流的差值来检测直流滤波器是否发生了接地故障。现有直流滤波器差动保护有两种，一种是以直流滤波器首尾两端全电流作为保护量的差动保护；另一种是以直流滤波器首尾两端调谐频次电流作为保护量的差动保护。差动保护采用直流滤波器首、尾两端的全电流或调谐频次电流进行矢量相减，再求其有效值进行故障判别。然而，在直流线路故障条件下，若直流滤波器首尾两端电流互感器暂态特性不一致，电流之间存在相位差，可能使差动电流增大，导致差动保护误动。
中国专利技术公开了“一种输电线路接地故障点电压暂态值提取方法”(CN2013100400781)；通过采集输电线路电压互感器和电流互感器处的各采样时刻的接地故障相电压采样值、接地故障相电流采样值、接地故障相负序电流采样值和零度电流采样值，对微分方程进行零分离处理，利用三个相邻采样时刻的上述4种采样值直接计算得到各采样时刻的接地故障点电压暂态值，从而实现线路故障暂态过程的安全监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种不受区外直流母线故障的影响，不受直流滤波器结构的影响，不受电流互感器暂态特性不一致的影响，而能准确识别直流滤波器任意位置接地故障的基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法。
本发明所采用的技术方案为：一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法，其步骤为：
A、数据采集
以采样频率f＝10kHz实时采集电流数据：实时采集双调谐直流滤波器首端的电流互感器CT1测得的滤波器电流i1(t)和双调谐直流滤波器尾端的电流互感器CT2测得的滤波器电流i2(t)，其中t为采样时刻；
B、数据处理
使用傅里叶变换分别提取双调谐直流滤波器首端电流i1(t)和双调谐直流滤波器尾端电流i2(t)的12次谐波电流i1 12和i2 12，其中i1 12为双调谐直流滤波器首端的12次谐波电流，i2 12为双调谐直流滤波器尾端的12次谐波电流；
C、谐波电流比值计算
对B步得到的双调谐直流滤波器首端和尾端12次谐波电流做比值处理，计算出谐波电流比值Ki，
Figure BDA0003306787030000021
D、直流滤波器接地故障识别
将双调谐直流滤波器的12次谐波电流比值Ki与设定的保护阈值Kset进行比较，若Ki>KKr＝Kset，则判定直流滤波器发生了接地故障；否则判定直流滤波器没有发生接地故障。
所述步骤D中直流滤波器未发生接地故障时的谐波电流比值K为1，设定的可靠系数Kr取值为1.2，因此设定的保护阈值Kset取值为1.2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、故障识别可靠性高。本发明使用傅里叶变换提取直流滤波器首端和尾端的12次谐波电流，计算出谐波电流比值Ki。在直流滤波器发生接地故障前后，谐波电流比值Ki存在差异。直流滤波器故障后谐波电流比值Ki将大于保护阈值Kset。本发明可准确识别直流滤波器任意位置的接地故障，同时本发明不受区外直流母线故障的影响，具有较强的耐接地电阻能力，且不受直流滤波器结构的影响。基于此，本发明能对直流滤波器接地故障进行准确识别并提供可靠的保护，有利于电网的正常运行。
二、不受电流互感器暂态特性不一致的影响。现有直流滤波器差动保护受电流互感器暂态特性不一致的影响，可能会发生误动。本发明采集直流滤波器的首端电流和尾端电流，然后分别提取两者的12次谐波电流，最后将两者的谐波电流幅值做比值处理。在直流线路故障条件下，若直流滤波器首端电流和尾端电流之间存在相位差，且幅值存在测量误差时，谐波电流比值Ki始终为1左右，小于保护阈值Kset，保护不会误动。
本发明能够可靠准确地识别直流滤波器是否发生了接地故障，为双调谐直流滤波器接地故障提供了可靠的保护。
附图说明
图1为本发明仿真实验中的双调谐直流滤波器结构和接地故障位置示意图。
图2为本发明仿真实验中工况1的高压电容器上桥臂接地故障时的谐波电流比值。
图3为本发明仿真实验中工况1的高压电容器下桥臂接地故障时的谐波电流比值。
图4为本发明仿真实验中工况1的低压调谐区接地故障时的谐波电流比值。
图5为本发明仿真实验中工况1的直流母线接地故障时的谐波电流比值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
实施例
本发明的具体实施方式是一种基于谐波电流的直流滤波器接地故障识别方法，其步骤为：
A、数据采集
以采样频率f＝10kHz实时采集电流数据：实时采集双调谐直流滤波器首端的电流互感器CT1测得的滤波器电流i1(t)和双调谐直流滤波器尾端的电流互感器CT2测得的滤波器电流i2(t)，其中t为采样时刻；
B、数据处理
使用傅里叶变换分别提取双调谐直流滤波器首端电流i1(t)和双调谐直流滤波器尾端电流i2(t)的12次谐波电流i1 12和i2 12，其中i1 12为双调谐直流滤波器首端的12次谐波电流，i2 12为双调谐直流滤波器尾端的12次谐波电流；
C、谐波电流比值计算
对B步得到的双调谐直流滤波器首端和尾端12次谐波电流做比值处理，计算出谐波电流比值Ki，
Figure BDA0003306787030000031
D、直流滤波器接地故障识别
将双调谐直流滤波器的12次谐波电流比值Ki与设定的保护阈值Kset进行比较，若Ki>KKr＝Kset，则判定直流滤波器发生了接地故障；否则判定直流滤波器没有发生接地故障。
步骤D中直流滤波器未发生接地故障时的谐波电流比值K为1，设定的可靠系数Kr取值为1.2，因此设定的保护阈值Kset取值为1.2。
本例的步骤D中设定的保护阈值Kset取值为1.2。
下面通过仿真实验对本发明进行验证。
仿真验证
采用PSCAD/EMTDC仿真平台的±500kV高压直流系统模型，设置直流滤波器在2s时发生接地故障，故障持续时间为1s。对直流滤波器高压电容器上、下桥臂、低压调谐区和区外直流母线等不同位置进行接地故障仿真，验证所提方法的正确性和适应性。12/24双调谐直流滤波器的参数如表1所示。
仿真实验中的12/24双调谐直流滤波器的结构以及接地故障位置如图1所示。高压电容器由四个相同的电容器组桥臂构成，每个桥臂又由多个电容单元串并联而成；高压电容器的等效电容为C1，四个桥臂的等效电容分别为C11、C12、C13、C14，且有C11＝C12＝C13＝C14＝C1；Z1为低压调谐区的等效阻抗；i1和i2分别为直流滤波器的首端电流和尾端电流，iun为不平衡支路电流。F1为区外直流母线的接地故障位置，F2和F3分别为高压电容器上、下桥臂的接地故障位置，F4为低压调谐区Z1的接地故障位置。直流滤波器正常运行时，谐波电流比值Ki＝1，当直流滤波器发生接地故障后，谐波电流比值将会发生变化。
表1双调谐直流滤波器参数
Figure BDA0003306787030000041
通过仿真直流滤波器不同位置发生接地故障的情况，验证所提方法的正确性。
工况1：接地电阻RF＝10Ω
a为高压电容器顶端至接地故障位置之间的电容元件数占上桥臂总电容元件数的百分比，b为不平衡支路至接地故障位置之间的电容元件数占下桥臂总电容元件数的百分比。接地故障位置a分别取0.25、0.5、0.75和1时，谐波电流比值Ki的仿真结果如图2所示；接地故障位置b分别取0.25、0.5、0.75和1时，谐波电流比值Ki的仿真结果如图3所示；直流滤波器低压调谐区发生接地故障时，谐波电流比值Ki的仿真结果如图4所示；区外直流母线发生接地故障时，谐波电流比值Ki的仿真结果如图5所示；图中虚线为保护阈值Kset。
在直流滤波器发生接地故障前，谐波电流比值Ki为1，小于保护阈值Kset＝1.2，判定直流滤波器未发生接地故障。当高压电容器上桥臂不同位置发生接地故障，即接地故障点a分别取0.25、0.5、0.75和1时，Ki将在接地故障发生后36ms、31ms、26ms和26ms左右开始大于保护阈值Kset＝1.2，最后分别稳定在1.828、1.508、2.915和14.115左右，判定直流滤波器发生接地故障。当高压电容器下桥臂不同位置发生接地故障，即接地故障点b分别取0.25、0.5、0.75和1时，Ki将在接地故障发生后11ms、3.5ms、2.4ms和3ms左右开始大于保护阈值Kset＝1.2，最后分别稳定在5.106、4.616、7.472和28.205左右，判定直流滤波器发生接地故障。当直流滤波器低压调谐区发生接地故障时，Ki将在接地故障发生后4ms左右开始大于保护阈值Kset＝1.2，最后稳定在13.690左右，判定直流滤波器发生接地故障。当区外直流母线发生接地故障时，谐波电流比值Ki始终为1，小于保护阈值Kset＝1.2，判定直流滤波器未发生接地故障。
由此可见，本发明方法在工况1的仿真实验中，能够准确识别出直流滤波器的接地故障。
工况2：接地电阻RF＝30Ω
仿真接地电阻取30Ω时直流滤波器发生接地故障，仿真结果如表2所示。
表2接地电阻取30Ω时的直流滤波器接地故障仿真结果
Figure BDA0003306787030000051
当接地电阻取30Ω时，直流滤波器不同位置发生接地故障时谐波电流比值Ki都将大于保护阈值Kset＝1.2，识别直流滤波器发生接地故障；区外直流母线发生接地故障时谐波电流比值Ki为1，小于保护阈值Kset＝1.2，识别直流滤波器未发生接地故障。
由此可见，本发明方法在工况2的仿真实验中，能够准确识别出直流滤波器的接地故障。
工况3：接地电阻RF＝50Ω
仿真接地电阻取50Ω时直流滤波器发生接地故障，仿真结果如表3所示。
表3接地电阻取50Ω时的直流滤波器接地故障仿真结果
Figure BDA0003306787030000061
当接地电阻取50Ω时，直流滤波器不同位置发生接地故障时谐波电流比值Ki都将大于保护阈值Kset＝1.2，识别直流滤波器发生了接地故障；区外直流母线发生接地故障时谐波电流比值Ki小于保护阈值Kset＝1.2，识别直流滤波器没有发生接地故障。
由此可见，本发明方法在工况3的仿真实验中，能够准确识别出直流滤波器的接地故障。

Claims (2)

1.一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法，其步骤为：
A、数据采集
以采样频率f＝10kHz实时采集电流数据：实时采集双调谐直流滤波器首端的电流互感器CT1测得的滤波器电流i1(t)和双调谐直流滤波器尾端的电流互感器CT2测得的滤波器电流i2(t)，其中t为采样时刻；
B、数据处理
使用傅里叶变换分别提取双调谐直流滤波器首端电流i1(t)和双调谐直流滤波器尾端电流i2(t)的12次谐波电流i1 12和i2 12，其中i1 12为双调谐直流滤波器首端的12次谐波电流，i2 12为双调谐直流滤波器尾端的12次谐波电流；
C、谐波电流比值计算
对B步得到的双调谐直流滤波器首端和尾端12次谐波电流做比值处理，计算出谐波电流比值Ki，
Figure FDA0003306787020000011
D、直流滤波器接地故障识别
将双调谐直流滤波器的12次谐波电流比值Ki与设定的保护阈值Kset进行比较，若Ki>KKr＝Kset，则判定直流滤波器发生了接地故障；否则判定直流滤波器没有发生接地故障。
2.如权利要求1中所述的一种基于谐波电流比值的直流滤波器接地故障识别方法，其特征在于：所述步骤D中直流滤波器未发生接地故障时的谐波电流比值K为1，设定的可靠系数Kr取值为1.2，因此设定的保护阈值Kset取值为1.2。
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