一種識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法
2023-12-11 15:55:52 2
專利名稱：一種識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法
技術領域：
本發明屬於電力系統繼電保護技術領域，具體來說，是一種利用單端電氣量識別高壓直流輸電線路區內、外故障的全線速動保護方法。
背景技術：
高壓直流(HVDC)輸電以其傳輸功率大，線路造價低，控制性能好等優點，在遠距離、大功率輸電中佔有越來越重要的地位，世界發達國家都把它作為大容量、遠距離送電和異步聯網的主要手段，在我國也因「西電東送，南北互供，全國聯網」而成為電力建設的熱點。自1989年葛洲壩至上海採用直流輸電以來，我國直流輸電工程數量在世界上已名列前茅。高壓直流輸電線路一般作為大區域聯網的聯絡線，它的安全性和可靠性不僅關係到本系統的穩定性，而且將直接影響與其連接的區域電網甚至整個電網的穩定運行。由於直流線路長，發生故障的概率高，因此提高直流輸電線路繼電保護的運行水平對保證直流輸電系統的安全性與可靠性具有重要意義。而從某種意義上來講，直流輸電線路主保護的性能標誌了直流系統繼電保護的運行水平。目前，運行中的直流線路多以行波保護作為主保護。行波保護具有動作速度快的優點，但為了有效利用電壓、電流的變化率，行波保護對採樣率要求極高。為了保證雷電幹擾情況下保護的選擇性，被迫降低了保護的靈敏度，也增加了保護判據的複雜性。國內外研究表明行波保護不但易受雷電和幹擾的影響，而且不能夠識別高阻故障，易誤動，動作的可靠性低。綜上所述，國內外投運的直流輸電工程，其直流輸電線路的主保護普遍存在著理論不完備、沒有普遍適用的整定原則、整定僅依賴於仿真結果等問題。從而導致了直流線路繼電保護裝置對採樣率要求高，且存在著選擇性差、靈敏度低、可靠性不高的問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種靈敏度高、選擇性好、動作速度快、可靠性高的高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法。從而為直流輸電線路提供繼電保護。為達到上述目的，本發明提供一種識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，其利用單端換流站直流線路側特定頻率電氣量的幅值實現區內故障、區外故障的判別。進一步的，所述的利用單端換流站直流線路側特定頻率電氣量的幅值實現區內故障、區外故障的判別按照以下步驟進行步驟一，在換流站中，從本極直流輸電線路側的傳感器中獲得電氣量信號；步驟二，根據本極電流計算單位時間內的電流突變，大於起動門檻值時起動該保護；
步驟三，利用控制保護系統中的數字濾波器對從步驟一中獲得的電氣量信號進行濾波，獲得特定頻率電氣量；步驟四，計算濾波得到的特定頻率電氣量的幅值；步驟五，比較特定頻率電氣量的幅值與設定門檻值的大小，實現區內故障、區外故障判別。進一步的，所述步驟五中的設定門檻值由平波電抗器外側(遠離直流線路側)發生金屬性故障時線路側傳感器所能感受的電氣量進行整定，其值由平波電抗器參數、直流濾波器參數以及線路參數確定。進一步的，所述設定門檻值大於平波電抗器外側發生最嚴重故障(例如金屬性接地)時由步驟四計算得到的特定頻率電氣量的幅值，並且該設定門檻值小於直流輸電線路區內發生最輕微故障(例如500歐姆過渡電阻接地)時由步驟四得到的特定頻率電氣量的幅值。進一步的，所述步驟三中的電氣量信號為電流信號，所述步驟三中的特定頻率為特定頻率點或特定頻率段，所述特定頻率點為直流濾波器的調諧頻率點，為工頻交流頻率的12、24、或36倍；所述特定頻率段為300Hz以上。其中所述特定頻率段優選為300Hz 5kHz ο進一步的，所述步驟三中的電氣量信號為電壓信號，所述步驟三中的特定頻率為特定頻率段，所述特定頻率段為300Hz以上。其中所述特定頻率段優選為300Hz 5kHz。進一步的，所述特定頻率按照以下方法獲得步驟一以平波電抗器和直流濾波器構成直流濾波環節，該直流濾波環節與直流輸電線路連接的一端設有傳感器，該傳感器包括分流器和分壓器；步驟二獲得線路區外故障時從換流站側看所述直流濾波環節的最小輸入阻抗， 並獲得該最小輸入阻抗在不同頻率下的阻抗幅值，在此情況下流過直流輸電線路側的分流器的電流最大；步驟三獲得線路區內故障時從直流線路側看直流濾波環節的最大輸入阻抗，並獲得該最大輸入阻抗在不同頻率下的阻抗幅值，在該情況下流過直流輸電線路側分流器的電流最小；步驟四將獲得的上述最小輸入阻抗的阻抗幅值與最大輸入阻抗的阻抗幅值進行對比，最小輸入阻抗的阻抗幅值比最大輸入阻抗的阻抗幅值大10倍以上或100倍以上所對應的頻點或頻帶即為特定頻率點或特定頻率帶。進一步的，所述步驟四中計算濾波得到的特定頻率電氣量幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、積分法、以及其它求取信號幅值的算法。以下是本發明的原理請參照圖1，圖1為雙極直流輸電系統的結構簡圖。直流輸電系統由換流站1、2和直流輸電線路3構成。換流站1、2都裝設有換流閥4。圖中&、4、4為故障點，其中1發生在直流輸電線路3上，稱為區內故障點；f2和f3發生換流站側，稱為區外故障點。Uf iJP 分別是換流站1的正極直流電壓和直流電流；u#、分別是換流站1的負極直流電壓和直流電流；ukp、ikp分別是換流站2的正極直流電壓和直流電流；uto、ikn分別是換流站2的負極直流電壓和直流電流。圖1中虛線部分為平波電抗器和直流濾波器組成的濾波環節5。該直流輸電系統還包括設置在直流輸電線路3兩側的控制保護系統6，該控制保護系統6通過其中設有的A/D轉換器(未圖示)可獲得本端極電氣量的數位訊號，並進行數位訊號的處理、判別，實現保護功能。圖2是濾波環節5的電路圖。濾波環節5由平波電抗器51和直流濾波器52構成。濾波環節5與直流輸電線路3通過傳感器8連接，該傳感器8包括分流器9和分壓器 10。濾波環節5與換流站1的換流閥4通過分流器11和分壓器12連接。圖中Ul、I1分別是換流站1換流閥4側的電壓和電流，u2、i2分別是直流輸電線路3側的電壓和電流。從圖 2的濾波環節5可以看出當直流輸電線路3區外發生故障時，由於平波電抗器51的阻滯作用，使得直流輸電線路3側的分流器9感受到的較高頻電流分量很小；當直流輸電線路3 區內發生故障時，由於沒有平波電抗器51的阻擋作用，直流輸電線路3側的分流器9感受到的較高頻電流分量很大，該特性可以用來區分直流輸電線路區內、外故障，且具有較高的靈敏度和選擇性。為了充分利用濾波環節5在直流輸電線路3區內、區外故障時所表現出的這種差異性，構造具有絕對選擇性的繼電保護原理，需要分析在哪些頻帶中，直流輸電線路3區外故障時分流器9所感受到的最大電流還遠遠小於直流輸電線路3區內故障的最小短路電流。為此圖3給出了發生區外故障時從換流閥4側看濾波環節5的最小輸入阻抗，在最小輸入阻抗時直流輸電線路側的分流器9感受到的電流最大，圖4給出了某直流工程的直流濾波器參數下圖3電路的阻抗頻率特性。圖5給出了線路區內故障時從直流輸電線路3 側看濾波環節5的最大輸入阻抗&n，該情況下直流輸電線路側分流器9感受到的電流最小， 圖6給出了某直流工程的直流濾波器參數下圖5電路的阻抗頻率特性。從圖4的阻抗頻率特性可知，在直流線路區外故障時，由平波電抗器51與直流濾波器52構成的濾波環節5對高頻具有阻滯作用，頻率越高阻滯效果越明顯，即頻率較高的分量難以從直流線路區外傳到直流輸電線路上。由圖6的阻抗頻率特性可知，在直流輸電線路區內故障情況時，線路兩端的濾波環節5的阻抗特性具有帶通性質，其中對600Hz、 1200Hz和1800Hz三個頻率的信號沒有阻滯作用，也就是說這三個頻率下的電流將不會受到阻滯，直流輸電線路側的分流器9感受到的這三個頻率分量的幅值會較大。與圖6對比可知，圖4中的阻抗特性在以上三個頻點所表現的阻抗遠大於IkQ。也就是說，在區外故障情況下，直流線路側在以上三個頻率的電流分量遠小於區內故障情況。因此，可以根據以上三個頻率分量的含量來區分直流輸電線路區內、外故障。從圖4和圖6還可以看出，對於300Hz以上頻率信號，圖4的阻滯能力則比圖6高出100倍以上。考慮到直流輸電線路3區內故障時，直流濾波器52調諧頻率對信號的阻滯作用最小，調諧頻率點的電流分量將較大，可以可靠的進行區內、外故障的判別。考慮到故障信號的能量主要集中在低頻帶，以及輸電線路參數的分布特性和頻變特性對高頻信號的濾波和阻滯作用增加等因素，輸電線路故障時高頻分量含量其實較小，該結論從直流輸電線路故障的錄波中也得到了證實。因此，雖然前面分析了 300Hz以上的信號都具有區內、外故障的區分能力，但從可靠性的角度和信號處理能力與硬體裝置關係的角度考慮，利用300Hz 以上頻率分量中低頻帶進行故障判別，對提高動作可靠性和降低硬體成本有更為顯著的技術效果。
本發明具有以下有益效果1、本方法採用單端電氣量作為判據的原始信息，僅需提取直流輸電線路的單端特定頻率點或特定頻率帶的電氣量即可實現區內、外故障的判別。與利用雙端電氣量的保護相比，不受通信通道的影響可靠性高、動作速度快；2、本發明是基於直流輸電線路區內、外故障時直流濾波環節阻抗特性差異，提出直流輸電線路單端量保護方法，構造的繼電保護理論完備、選擇性好、靈敏度高；3、與現有方法相比，本發明方法對保護裝置的採樣頻率要求低、易於實現。克服了現有直流輸電線路行波保護對採樣頻率要求高、選擇性差、靈敏度低、可靠性不高等問題， 可以取代現有的行波保護作為直流輸電線路的主保護，尤其適合於利用單端電氣量實現特 /超高壓直流輸電線路的全線速動保護；4、利用與平波電抗器和直流濾波器有關的特徵頻率信號進行故障識別，由於這些信號頻率相對較低，且具有幅值高、能量大的特點，因此利用該頻率信號的繼電保護將具有對採樣率低、可靠性高的特點。
圖1為雙極直流輸電系統結構示意圖；圖2是圖1所示的雙極直流輸電系統的平波電抗器和直流濾波器構成的直流濾波環節的電路圖；圖3是線路區外故障時從換流站側看直流濾波環節的最小輸入阻抗；圖4是圖3中的最小輸入阻抗的頻率特性；圖5是線路區內故障時從直流線路側看直流濾波環節的最大輸入阻抗；圖6是圖5中的最大輸入阻抗的頻率特性；圖7是根據特定頻率段電流判別區內故障(直流輸電線路中點金屬性接地)的仿真圖；圖8是根據特定頻率點電流判別區內故障(直流輸電線路中點金屬性接地)的仿真圖；圖9是根據特定頻率段電流判別區內故障(直流輸電線路中點經500歐姆過渡電阻接地)的仿真圖；圖10是根據特定頻率點電流判別區內故障(直流輸電線路中點經500歐姆過渡電阻接地)的仿真圖；圖11是根據特定頻率段電流判別區外故障(整流側發生金屬性接地)的仿真圖；圖12是根據特定頻率點電流判別區外故障(整流側發生金屬性接地)的仿真圖；圖13是根據特定頻率段電流判別區外故障(逆變側發生金屬性接地)的仿真圖；圖14是根據特定頻率點電流判別區外故障(逆變側發生金屬性接地)的仿真圖；圖15是根據特定頻率段電壓判別區內故障(直流輸電線路中點金屬性接地)的仿真圖；圖16是根據特定頻率段電壓判別區內故障(直流輸電線路中點經500歐姆過渡電阻接地)的仿真圖；圖17是根據特定頻率段電壓判別區外故障(整流側發生金屬性接地)的仿真圖18是根據特定頻率段電壓判別區外故障(逆變側發生金屬性接地)的仿真圖。
具體實施例方式實施例1 識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，主要利用單端換流站直流線路側特定頻率電氣量的幅值實現區內故障、區外故障的判別。按照以下步驟進行1)在換流站中，從本極直流輸電線路側的傳感器中獲得本極電流信號；2)根據本極電流計算單位時間內的電流突變，大於起動門檻值時起動保護；3)利用控制保護系統中的數字濾波器對從步驟一中獲得的本極電流進行濾波，獲得特定頻率電流量；4)計算濾波得到的特定頻率電流的幅值；5)比較特定頻率電流的幅值與設定門檻值的大小，實現直流輸電線路區內故障、 區外故障判別。其中步驟2)可按照以下方法進行根據公式(1)用本端電流計算單位時間內的電流突變，大於起動門檻值時起動該保護；
NYjM > KNIset(1)
m=l其中m= 1,2, ...，N;N為單位時間內採樣點數，也就是起動元件數據窗所對應的採樣點數，數據窗長度可取5 IOms ；電流突變Δ i = i-In, i為本極當前電流採樣值，In 為本極故障前正常運行電流值；b為可靠係數，kr彡1，一般可取1. 2 1. 5 ； Iset = 0. IIn, In為直流輸電線路的額定電流。步驟4)所採用的特定頻率包括特定頻率段和特定頻率點。所述特定頻率點為直流濾波器的調諧頻率點，為工頻交流頻率的12、24、或36倍(即600Hz、1200Hz和1800Hz)； 所述特定頻率段為300Hz以上。若從可靠性的角度和信號處理能力與硬體裝置關係的角度考慮，利用300Hz以上頻率分量中低頻帶進行故障判別，對提高動作可靠性和降低硬體成本有更為顯著的技術效果，則採用特定頻率段300Hz 5kHz為優選方案。步驟4)中計算濾波得到的特定頻率電流幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、 積分法、以及其它求取信號幅值的算法。步驟幻中所述的設定門檻值由平波電抗器外側(遠離直流線路側)發生金屬性故障時線路側傳感器所能感受的電氣量進行整定，其值由平波電抗器參數、直流濾波器參數以及線路參數確定。所述設定門檻值大於平波電抗器外側發生最嚴重故障(例如金屬性接地)時由步驟四計算得到的特定頻率電流的幅值，並且該設定門檻值小於直流輸電線路區內發生最輕微故障(例如500歐姆過渡電阻接地)時由步驟四得到的特定頻率電流的幅值。本實施例中對不同的區內、區外故障進行了仿真驗證。請參照圖7至圖14，其中圖7和圖8對直流輸電線路區內中點金屬性接地故障進行了驗證；圖9和圖10對直流輸電線路區內中點經500歐姆過度電阻接地故障進行了驗證；圖11和圖12是直流輸電線路區外、整流側發生金屬性接地故障的驗證結果；圖13和圖14是直流輸電線路區外、逆變側發生金屬性接地故障的驗證結果。其中圖7、圖9、圖11、圖13均是是根據特定頻率段為 500Hz-4. SKHz的電流所作出的判別結果。其中起動門檻值為0. lln，特定頻段信號的門檻值設定為0.0051η。圖8、圖10、圖12及圖14均是根據特定頻率點600Hz的電流所作出的判別結果。其中起動門檻值為0. lln，特定頻點信號的門檻值設定為0. 0021η。根據圖7至圖14的驗證結果，可以顯著地顯示本發明的方法對於區內、區外故障判別的靈敏度高、選擇性好、動作速度快、可靠性高。從而為直流輸電線路提供可靠的繼電保護。實施例2:識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，主要利用單端換流站直流線路側特定頻率電氣量的幅值實現區內故障、區外故障的判別。按照以下步驟進行1)在換流站中，從本極直流輸電線路側的傳感器中獲得本極電壓信號和本極電流
信號；2)根據本極電流信號計算單位時間內的電流突變，大於起動門檻值時起動保護；3)利用控制保護系統中的數字濾波器對從步驟一中獲得的本極電壓信號進行濾波，獲得特定頻率電壓量；4)計算濾波得到的特定頻率電壓量的幅值；5)比較特定頻率電壓量的幅值與設定門檻值的大小，實現區內故障、區外故障判別。其中步驟2)採用的具體步驟與實施例1中的一致。不再重複。在此也可以採用電壓量起動方法，如採用電壓量起動，本實施例僅用電壓即可實現。步驟4)所採用的特定頻率為特定頻率段。所述特定頻率段為300Hz以上。若從可靠性的角度和信號處理能力與硬體裝置關係的角度考慮，利用300Hz以上頻率分量中低頻帶進行故障判別，對提高動作可靠性和降低硬體成本有更為顯著的技術效果，則採用特定頻率段為300Hz 5kHz為優選方案。步驟4)中計算濾波得到的特定頻率電壓幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、 積分法、以及其它求取信號幅值的算法。步驟幻中所述的設定門檻值由平波電抗器外側(遠離直流線路側)發生金屬性故障時線路側傳感器所能感受的電氣量進行整定，其值由平波電抗器參數、直流濾波器參數以及線路參數確定。所述設定門檻值大於平波電抗器外側發生最嚴重故障(例如金屬性接地)時由步驟四計算得到的特定頻率電壓的幅值，並且該設定門檻值小於直流輸電線路區內發生最輕微故障(例如500歐姆過渡電阻接地)時由步驟四得到的特定頻率電壓的幅值。本實施例中對不同的區內、區外故障進行了仿真驗證。請參照圖15至圖18，其中圖15對直流輸電線路區內中點金屬性接地故障進行了驗證；圖16對直流輸電線路區內中點經500歐姆過度電阻接地故障進行了驗證；圖17是直流輸電線路區外、整流側發生金屬性接地故障的驗證結果；圖18是直流輸電線路區外、逆變側發生金屬性接地故障的驗證結果。其中圖15至圖18均是根據特定頻率段為500HZ-4. SkHz的電流所作出的判別結果。其中起動門檻值為0. lln，特定頻段信號的門檻值設定為0. 005Un，其中Un為直流輸電線路的額定電壓。根據圖15至圖18的驗證結果，可以顯著地顯示本發明的方法對於區內、區外故障判別的靈敏度高、選擇性好、動作速度快、可靠性高。從而為直流輸電線路提供可靠的繼電保護。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。
權利要求
1.一種識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，其特徵在於利用單端換流站直流線路側特定頻率電氣量的幅值實現區內故障、區外故障的判別。
2.根據權利要求1所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，其特徵在於所述的利用單端換流站直流線路側特定頻率電氣量的幅值實現區內故障、區外故障的判別按照以下步驟進行步驟一，在換流站中，從本極直流輸電線路側的傳感器中獲得電氣量信號；步驟二，根據本極電流計算單位時間內的電流突變，大於起動門檻值時起動該保護；步驟三，利用控制保護系統中的數字濾波器對從步驟一中獲得的電氣量信號進行濾波，獲得特定頻率電氣量；步驟四，計算濾波得到的特定頻率電氣量的幅值；步驟五，比較特定頻率電氣量的幅值與設定門檻值的大小，實現區內故障、區外故障判別。
3.根據權利要求2所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動檢測方法，其特徵在於所述換流站包括換流閥及直流濾波環節，該直流濾波環節設有平波電抗器和直流濾波器，所述步驟五中的設定門檻值由所述平波電抗器外側發生金屬性故障時直流輸電線路側的傳感器所能感受的電氣量進行整定，其值由平波電抗器參數、直流濾波器參數以及線路參數確定。
4.根據權利要求3所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動檢測方法，其特徵在於所述設定門檻值大於平波電抗器外側發生最嚴重故障時由步驟四計算得到的特定頻率電氣量的幅值，並且該設定門檻值小於直流輸電線路區內發生最輕微故障時由步驟四得到的特定頻率電氣量的幅值。
5.根據權利要求2所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動檢測方法，其特徵在於所述步驟三中的電氣量信號為電流信號，所述步驟三中的特定頻率為特定頻率點或特定頻率段，所述特定頻率點為直流濾波器的調諧頻率點，為工頻交流頻率的12、24、或36倍；所述特定頻率段為300Hz以上。
6.根據權利要求5所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動檢測方法，其特徵在於所述特定頻率段為300Hz 5kHz。
7.根據權利要求2所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動檢測方法，其特徵在於所述步驟三中的電氣量信號為電壓信號，所述步驟三中的特定頻率為特定頻率段，所述特定頻率段為300Hz以上。
8.根據權利要求7所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動檢測方法，其特徵在於所述特定頻率段為300Hz 5kHz。
9.根據權利要求2、3、4、5、6、7或8所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，其特徵在於所述特定頻率按照以下方法獲得步驟一以平波電抗器和直流濾波器構成直流濾波環節，該直流濾波環節與直流輸電線路連接的一端設有傳感器，該傳感器包括分流器和分壓器；步驟二 獲得線路區外故障時從換流站側看所述直流濾波環節的最小輸入阻抗，並獲得該最小輸入阻抗在不同頻率下的阻抗幅值，在此情況下流過直流輸電線路側的分流器的電流最大；步驟三獲得線路區內故障時從直流線路側看直流濾波環節的最大輸入阻抗，並獲得該最大輸入阻抗在不同頻率下的阻抗幅值，在該情況下流過直流輸電線路側分流器的電流最小；步驟四將獲得的上述最小輸入阻抗的阻抗幅值與最大輸入阻抗的阻抗幅值進行對比，最小輸入阻抗的阻抗幅值比最大輸入阻抗的阻抗幅值大10倍以上或100倍以上所對應的頻點或頻帶即為特定頻率點或特定頻率帶。
10.根據權利要求2所述的識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，其特徵在於所述步驟四中計算濾波得到的特定頻率電氣量幅值的方法包括傅氏算法、最小二乘法、積分法、以及其它求取信號幅值的算法。
全文摘要
本發明涉及電力系統直流輸電線路繼電保護領域，尤其涉及一種識別高壓直流輸電線路區內、外故障的單端電氣量全線速動保護方法，其利用單端換流站直流線路側電氣量的特定頻率分量的幅值實現區內故障、區外故障的判別。本發明主要用於電力系統中直流輸電線路的單端量全線速動保護，該保護僅需要採用單端電氣量，對採樣頻率要求不高，算法簡單，在工程上易於實現；不僅具有動作速度快，選擇性好，可靠性高的優點，而且理論完備易於整定。本發明所述的保護方法可以取代現有的行波保護作為直流輸電線路的主保護，尤其適合於利用單端電氣量實現特/超高壓直流輸電線路的全線速動保護。
文檔編號G01R31/08GK102255293SQ20111020968
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者宋國兵, 索南加樂, 蔡新雷, 高淑萍 申請人:西安交通大學