一种基于反行波的高压直流输电线路区内外故障识别方法

摘要

本发明公开了一种基于反行波的高压直流输电线路区内外故障识别方法，包括以下步骤：(a)安装在直流输电系统整流站和逆变站线路侧的电压、电流互感器分别采集正极和负极线路两端的电压、电流；(b)计算正极线路和负极线路两端的电压突变量和电流突变量；(c)将得到的每一极线路的电压突变量和电流突变量转换成相应的线模电压分量和线模电流分量；(d)利用线模电压分量和线模电流计算出直流线路两端的电压反行波，并在特定的时间内对反行波幅值进行积分；(e)计算直流线路整流侧与逆变侧反行波幅值积分结果的比值，根据比值判断故障。本发明能够快速准确识别区内、外故障，在线路末端高阻故障和噪声干扰下也能正确动作，可靠性和灵敏性高。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体是一种基于反行波的高压直流输电线路区 内外故障识别方法。

背景技术

目前，直流线路以行波保护作为线路的主保护，以微分欠压保护、电流纵 联差动保护等作为后备保护来识别直流线路上是否发生故障。其中，行波保护 和微分欠压保护依据电压变化率构成保护判据，在线路发生高阻故障时，由于 电压变化率不能达到定值而容易拒动。

电流纵联差动保护作为行波保护和微分欠压保护的后备保护，可以有效检 测高阻故障，但差动保护为避免区外交流侧故障导致的线路分布电容充放电电 流和采样值波动造成的误动，其动作速度慢，动作时间为秒级，有可能在差动 保护动作前，整流侧极控中的低电压保护或最大触发角保护动作将故障极闭锁， 使得差动保护常常起不到对线路的后备保护作用。同时，电流差动保护为保证 可靠性，需要线路两端数据精确同步，对通讯设备要求较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有直流输电线路区内外故障识别方法的不足之处，提 出了一种基于反行波的高压直流输电线路区内外故障识别方法，该方法能够可靠 快速地识别出线路的区内外故障，对于高阻接地故障也能快速反应。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案来实现：一种基于反行波的 高压直流输电线路区内外故障识别方法，包括以下步骤：

(a)安装在直流输电系统整流站和逆变站线路侧的电压、电流互感器分别 采集正极和负极线路两端的电压、电流；

(b)利用采集到的线路两端的电压电流，计算正极线路和负极线路两端的 电压突变量和电流突变量；

(c)利用相模变换方法，将得到的每一极线路的电压突变量和电流突变量 转换成相应的线模电压分量和线模电流分量；

(d)利用线模电压分量和线模电流计算出直流线路两端的电压反行波，并 在特定的时间内对反行波幅值进行积分；

(e)计算直流线路整流侧与逆变侧反行波幅值积分结果的比值，若该比值 大于门槛值，判断故障发生在线路外；若该比值小于门槛值，判断故障发生在线 路上。

进一步地，作为优选方案，所述步骤(b)的具体过程为：

(b1)通过式(1)，计算出正极线路和负极线路整流侧的电压突变量与电流 突变量，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta u}}_{Rp}=u_{Rp}\left(N\right)-u_{Rp}(N-n)\\ {\mathrm{\Delta i}}_{Rp}=i_{Rp}\left(N\right)-i_{Rp}(N-n)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，Δu_Rp、Δi_Rp分别为正极线路和负极线路整流侧的电压突变量和电 流突变量；u_Rp为正极线路和负极线路整流侧的电压，其中p＝1,2，1代表正极线 路，2代表负极线路；N为采样点个数，n为10ms内的采样点数，u_Rp(N)表示正 极线路和负极线路整流侧电压的采样值，i_Rp(N)表示正极线路和负极线路整流侧 电流的采样值。

(b2)同理，采用式(1)，计算出正极线路和负极线路逆变侧的电压突变量 与电流突变量。

进一步地，作为优选方案，所述步骤(c)的具体过程为：

(c1)通过式(2)，计算出直流线路整流侧的线模电压和线模电流分量，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta u}}_{R11}=\frac{{\mathrm{\Delta u}}_{R1}-{\mathrm{\Delta u}}_{R2}}{\sqrt{2}}\\ {\mathrm{\Delta i}}_{R11}=\frac{{\mathrm{\Delta i}}_{R1}-{\mathrm{\Delta i}}_{R2}}{\sqrt{2}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，Δu_R11与Δi_R11分别为直流线路整流侧的线模电压和线模电流。

(c2)同理，通过式(2)，计算出直流线路逆变侧的线模电压Δu_I11和线模电 流Δi_I11。

进一步地，作为优选方案，所述步骤(d)的具体过程为：

(d1)利用线模电压分量和线模电流，计算出直流线路整流侧和逆变侧的 电压反行波。

$\left(\begin{array}{c}{u}_{Rb}={\mathrm{\Delta u}}_{R11}-Z_C{\mathrm{\Delta i}}_{R11}\\ u_{Ib}={\mathrm{\Delta u}}_{I11}-Z_C{\mathrm{\Delta i}}_{I11}\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，u_Rb与u_Ib分别为直流线路整流侧和逆变侧的电压反行波，Z_C为直流线路波 阻抗；

(d2)在特定的时间T_d内对反行波幅值进行积分，如式(4)所示

$\left(\begin{array}{c}{b}_R={\int }_{t_1}^{t_1+T_d}\left|u_{Rb}\right|dt\\ b_I={\int }_{t_2}^{t_2+T_d}\left|u_{Ib}\right|dt\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，b_R和b_I分别是一段时间内直流线路整流侧和逆变侧反行波的幅 值积分，t₁和t₂分别为直流线路整流侧和逆变侧检测到故障的时间，T_d的范围取 值为其中，l为线路长度，v为行波传播速度。

(d3)对式(4)进行离散化，可得

$\left(\begin{array}{c}{b}_R=\underset{i=1}{\overset{Ns}{\Sigma }}\left|u_{Rb}\left(i\right)\right|\Delta t\\ b_I=\underset{i=1}{\overset{Ns}{\Sigma }}\left|u_{Ib}\left(i\right)\right|\Delta t\end{array}\right)---\left(5\right)$

式(5)中，i＝1表示检测到故障后的第一个采样点，Ns为一个积分窗长内 的采样点数，Δt为采样间隔。

进一步地，作为优选方案，所述步骤(e)的具体过程为：

(e1)将直流线路整流侧和逆变侧反行波的幅值积分值中，较大的积分值 比上较小的积分值，得到积分比值Ratio为：

$Ratio=\frac{max(b_R,b_I)}{min(b_R,b_I)}<ϵ---\left(6\right)$

式(6)中，ε为区内外故障识别判据的门槛值；

(e2)当积分比值Ratio小于门槛值ε时，判断故障发生在线路上，否则， 判断故障发生在线路外。

进一步地，作为优选方案，所述门槛值ε为5。

进一步地，作为优选方案，所述步骤(d)之后、步骤(e)之前还包括步骤 (f)，所述步骤(f)的具体过程为：将逆变站得到的线路反行波幅值积分结果传 递至整流站。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

一、本发明所需的数据窗短，不受控制系统作用的影响，可以快速准确识别 区内、外故障，在线路末端高阻故障和噪声干扰下也能正确动作，可靠性和灵敏 性高。

二、本发明仅需传输逆变侧的反行波幅值积分的结果，不用实时传递电压、 电流采样值，对通讯速率和两端数据同步要求低，能够适应现有的通信手段。

三、较之现有的基于暂态量的区内外故障识别方法，本发明提取反行波的 采样频率为10kHz，与实际直流系统控保装置的采样率相同，方便工程实施。

说明书附图

图1为直流输电工程中的双极线路接线方式。

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白，下面结合实施例和附 图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于 解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本发明所述的一种基于反行波的高压直流输电线路区内外故障识别方法，包 括以下步骤：

(a)安装在直流输电系统整流站和逆变站线路侧的电压、电流互感器分别 采集正极和负极线路两端的电压、电流；直流输电工程通常采用的接线方式是双 极线路方式，通过两根不同极性(即正、负极)的导线进行电能传输，这两根导 线简称为正极线路和负极线路。其中，换流站出线端对地电位为正的称为正极， 为负的称为负极，如图1所示。

(b)利用采集到的线路两端的电压电流，计算正极线路和负极线路两端的 电压突变量和电流突变量；

(c)利用相模变换方法，将得到的每一极线路的电压突变量和电流突变量 转换成相应的线模电压分量和线模电流分量，这里的每一极线路指的是正极线路 和负极线路，相模变换为一种输电线路中常用的现有技术，在此不再赘述。

(d)利用线模电压分量和线模电流计算出直流线路两端的电压反行波，并 在特定的时间内对反行波幅值进行积分，这里的直流线路两端指的是线路的整流 侧和线路的逆变侧。

(e)计算直流线路整流侧与逆变侧反行波幅值积分结果的比值，若该比值 大于门槛值，判断故障发生在线路外；若该比值小于门槛值，判断故障发生在线 路上。

具体地，步骤(b)的具体过程为：

(b1)通过式(1)，计算出正极线路和负极线路整流侧的电压突变量与电流 突变量，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta u}}_{Rp}=u_{Rp}\left(N\right)-u_{Rp}(N-n)\\ {\mathrm{\Delta i}}_{Rp}=i_{Rp}\left(N\right)-i_{Rp}(N-n)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，Δu_Rp、Δi_Rp分别为正极线路和负极线路整流侧的电压突变量和电 流突变量；u_Rp为正极线路和负极线路整流侧的电压，其中p＝1,2，1代表正极线 路，2代表负极线路；N为采样点个数，n为10ms内的采样点数，u_Rp(N)表示正 极线路和负极线路整流侧电压的采样值，i_Rp(N)表示正极线路和负极线路整流侧 电流的采样值。

(b2)同理，采用式(1)，计算出正极线路和负极线路逆变侧的电压突变量 与电流突变量。

具体地，步骤(c)的具体过程为：

(c1)通过式(2)，计算出直流线路整流侧的线模电压和线模电流分量，

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta u}}_{R11}=\frac{{\mathrm{\Delta u}}_{R1}-{\mathrm{\Delta u}}_{R2}}{\sqrt{2}}\\ {\mathrm{\Delta i}}_{R11}=\frac{{\mathrm{\Delta i}}_{R1}-{\mathrm{\Delta i}}_{R2}}{\sqrt{2}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，Δu_R11与Δi_R11分别为直流线路整流侧的线模电压和线模电流。

(c2)同理，通过式(2)，计算出直流线路逆变侧的线模电压Δu_I11和线模电 流Δi_I11。

具体地，步骤(d)的具体过程为：

(d1)利用线模电压分量和线模电流，计算出直流线路整流侧和逆变侧的 电压反行波。

$\left(\begin{array}{c}{u}_{Rb}={\mathrm{\Delta u}}_{R11}-Z_C{\mathrm{\Delta i}}_{R11}\\ u_{Ib}={\mathrm{\Delta u}}_{I11}-Z_C{\mathrm{\Delta i}}_{I11}\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，u_Rb与u_Ib分别为直流线路整流侧和逆变侧的电压反行波，Z_C为直流线路波 阻抗；

(d2)在特定的时间T_d内对反行波幅值进行积分，如式(4)所示

$\left(\begin{array}{c}{b}_R={\int }_{t_1}^{t_1+T_d}\left|u_{Rb}\right|dt\\ b_I={\int }_{t_2}^{t_2+T_d}\left|u_{Ib}\right|dt\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，b_R和b_I分别是一段时间内直流线路整流侧和逆变侧反行波的幅 值积分，t₁和t₂分别为直流线路整流侧和逆变侧检测到故障的时间，T_d的范围取 值为其中，l为线路长度，v为行波传播速度。

(d3)对式(4)进行离散化，可得

$\left(\begin{array}{c}{b}_R=\underset{i=1}{\overset{Ns}{\Sigma }}\left|u_{Rb}\left(i\right)\right|\Delta t\\ b_I=\underset{i=1}{\overset{Ns}{\Sigma }}\left|u_{Ib}\left(i\right)\right|\Delta t\end{array}\right)---\left(5\right)$

式(5)中，i＝1表示检测到故障后的第一个采样点，Ns为一个积分窗长内 的采样点数，Δt为采样间隔。

具体地，步骤(e)的具体过程为：

(e1)将直流线路整流侧和逆变侧反行波的幅值积分值中，较大的积分值 比上较小的积分值，得到积分比值Ratio为：

$Ratio=\frac{max(b_R,b_I)}{min(b_R,b_I)}<ϵ---\left(6\right)$

式(6)中，ε为区内外故障识别判据的门槛值，门槛值的大小可根据需要 而定；

(e2)当积分比值Ratio小于门槛值ε时，判断故障发生在线路上，否则， 判断故障发生在线路外。

具体地，本实施例优选门槛值ε为5，即当积分比值Ratio小于5时，判断故 障发生在线路上，否则，判断故障发生在线路外。

具体地，步骤(d)之后、步骤(e)之前还包括步骤(f)，所述步骤(f)的 具体过程为：将逆变站得到的线路反行波幅值积分结果传递至整流站，在直流输 电系统中，直流线路的重启动逻辑是在整流侧完成的，仅需要逆变侧向整流侧提 供反行波幅值积分信息，不需要将整流站的反行波幅值积分结果传递给逆变站。

结合本发明方法的内容，对于某一直流输电系统模型提供以下仿真实施例：

本发明方法搭建了±500kV直流输电系统仿真模型，模型参数参考三峡-常 州直流输电工程。其中，送电功率为3000MW，额定电压和额定电流分别为 500kV和3kA。输电线路长度设为2000km。线路模型采用频率相关模型，杆塔 结构采用DC2。采样频率为10kHz。取5kHz下的线模波阻抗计算反行波，由 线路参数计算得5kHz下的波阻抗为213Ω。设置F1～F5为故障点，其中，F1表 示正极线路故障，F2表示负极线路故障，F3表示整流站平波电抗器外侧故障， F4表示逆变站交流侧故障，F5表示双极线路故障。

表1给出了不同故障距离和过渡电阻下区内正极F1故障、负极F2故障， 双极F5故障下的故障识别结果。

表1不同区内故障条件下的故障识别结果

由表1可知，发生区内故障时，虽然随着过渡电阻的增加，线路两端的反 行波的幅值积分降低，但线路两端的反行波幅值积分比值基本不变，在不同故 障极、故障距离情况下，反行波幅值积分之比均不超过1.5，小于门槛值，判断 为区内故障。

表2给出了整流站平波电抗器外侧F3故障和逆变站交流侧F4故障下的故 障识别结果。

表2不同区外故障条件下保护算法的测试结果

由表2可知，当发生区外故障时，线路一端的反行波幅值积分远大于另一 端的反行波幅值积分，利用线路两端的反行波幅值积分的明显差异可以准确识 别出区外故障。

以上试验未考虑噪声影响，为验证该发明在实际工程应用中的适应性，在 仿真中加入信噪比为20dB的噪声以模拟实际应用中可能会出现的信号干扰。故 障识别的结果见表3。

表3噪声干扰情况下的故障识别结果

由表3仿真结果可知，区内故障时，噪声对保护的影响较小；区外故障时， 由于噪声干扰的存在，增大了一端反行波的计算误差，使得线路两端反行波幅 值积分的比值下降，但仍有足够的裕度来准确识别出区外故障。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了 进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已， 并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何 修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。