基于电流二阶梯度的高压直流输电线路单端量保护方法

摘要

本发明公开了一种基于电流二阶梯度的高压直流输电线路单端量保护方法。包括：在线路每一端测量电流，并计算电流二阶梯度积分值，通过比较电流二阶梯度积分值与启动门槛来识别区内故障。本发明原理简单，仅利用单端电流全量，无需滤波，易于实现。在原理上，本发明保障了最严重区外故障，即平波电抗器外侧金属性接地故障时不误动，选择性好。利用现有的故障选极元件进行配合，可以正确选极动作。本发明动作速度快，拥有完备的整定原则，可以做到全线速动。相比于行波保护，本发明不受噪声影响，可靠性高。相比于突变量类保护，本发明不受区外最严重故障的影响，选择性好。本发明适宜作为高压直流线路的主保护。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统直流输电继电保护领域，尤其涉及超/特高压直流输电线路的电流单端量快速保护。

背景技术

高压直流(HVDC)输电技术具有传输功率大、线路造价低、换流器造价及损耗小、控制简单、可靠性高等优点，目前仍作为我国高电压等级、远距离、大功率输电的主要手段。

高压直流输电线路长，故障概率高，而电流源换流器缺乏对电压的硬控制手段。直流线路故障不能快速切除，直流系统将依赖VDCOL(低压限流)的慢调节特性限制故障电流，在大量直流功率损失的同时，也会对交流电网造成冲击，并对整个电网的稳定产生隐患。高压直流输电系统惯性小，受故障影响大，仅依赖控制特性进行故障调节，不能够满足电力系统长期运行的可靠性和经济性。利用继电保护快速响应和切除故障，对高压直流输电系统的可靠运行至关重要。

已投运的高压直流线路保护配置中，主要以行波暂态量类保护作为快速主保护，但现有的行波保护原理存在耐过渡电阻能力差、易受噪声干扰、整定依赖仿真等缺点。因此，有必要研究非行波类的、可靠性高的、易于实现的高压直流线路快速保护，为现代电网的可靠稳定运行保驾护航。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高，耐过渡电阻能力强，不受噪声干扰的影响，易于实现的基于电流二阶梯度的高压直流输电线路单端量保护方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于电流二阶梯度的高压直流输电线路单端量保护方法，包括以下步骤：

步骤一：在高压直流输电系统的直流线路每一端，利用数字直流电流测量装置对直流电流以预设的采样速率进行同步采样，获取线路每一端的直流电流全量；

步骤二：利用直流线路每一端采样得到的直流电流全量构造电流二阶梯度；

步骤三：利用电流二阶梯度积分的幅值与预设门槛进行比较。若线路任意一端计算得到的电流二阶梯度积分大于门槛值，则判定为区内故障，保护启动并切除故障；若线路每一端计算得到的电流二阶梯度积分均小于门槛值，则判定为区外故障，保护不启动。

所述步骤一中的高压直流输电系统，其接线形式可以是单极接线或双极接线，其拓扑结构可以是两端结构或多端并联结构。

所述步骤一中的直流线路，线路每一端出线侧装设平波电抗器。直流线路采用的直流电流测量单元为直流分流器，位于线路每一端平波电抗器的直流线路侧。

所述步骤一中的预定采样速率不小于10kHz。

所述步骤一中的直流电流全量，为离散的数字量，采用标幺值。对于单极系统，该量就是极电流；对于双极系统，该量是通过相模变换得到的1、0模电流。

所述步骤二中的电流二阶梯度，按下式进行构造：

式中，k为采样点标号；为电流二阶梯度；i(k)为步骤一中采样得到直流电流全量；Ts为直流电流测量装置的采样间隔。

所述步骤三中的电流二阶梯度积分，按下式构造：

式中，k为采样点标号，为电流二阶梯度积分，为步骤二计算得到的电流二阶梯度，n为一个积分窗内的采样点个数。积分窗的长度根据直流系统的线路长度及平波电抗器的参数确定，一般可以取1-2ms。

所述步骤三中的预设门槛，根据直流线路平波电抗器的参数进行整定。其整定原则是，躲过平波电抗器外侧发生金属性接地故障时，改进电流二阶梯度判据的最大值。电流二阶梯度采用标幺值进行计算，整定门槛一般取0.8～1.2。

所述步骤三中的故障切除，对于双极接线的直流输电系统，需要故障选极元件配合。该故障选极元件可以是极电流选极元件或模电流选极元件。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

1)本发明仅利用电流构造保护判据，无需利用电压量，耐过渡电阻能力强；

2)本发明仅利用的单端量，无需通信通道配合，动作速度快；

3)本发明用于取代行波保护，但无需识别行波波头，所构造的保护判据不受噪声干扰，可靠性高；

4)本发明利用电流全量构造判据，相比于近年来提出的直流线路边界保护，本发明无需进行定频电气量的提取或数字滤波，实现简单；

5)本发明利用电流二阶梯度构造保护判据，相比于电流一阶梯度，故障特征更加明显，动作速度更快，选择性和速动性好。

6)本发明仅利用了线路边界平波电抗器的特征，而无需依赖换流器自身的边界参数特性，适用于大多数高压直流输电系统，普适性强。

7)本发明原理简单，易于硬件实现。

附图说明

图1为直流输电线路边界的拓扑结构图；

图2为直流线路边界的阻抗特性图；

图3为并联多端双极直流输电系统结构简图；

图4为并联多端单极直流输电系统结构简图；

图5为双端双极直流输电系统的结构图；

图6为本发明的流程图；

图7为平波电抗器外侧f1处发生区外金属性接地故障时，模电流判据的仿真结果。

图8为M端近端1km f2处发生正极区内高阻接地故障时，模电流判据的仿真结果。

图9为M端远端999km f3处发生负极区内高阻接地故障时，模电流判据的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

请参照图1，图1为直流输电线路边界的拓扑结构图。直流系统的边界由平波电抗器和直流滤波器构成，直流电流的测量装置位于直流滤波器的线路侧。可以看出，直流输电系统的边界元件全部位于直流电流测量装置的换流阀侧，边界电气元件主要对区外故障有影响。可以利用边界元件对区内外故障时电气量影响的不同，构造识别区内故障的保护原理。

请参照图2，图2为直流线路边界的阻抗特性图。曲线1为直流滤波器并联支路的阻抗特性，曲线2为平波电抗器的阻抗特性图，曲线3为区外故障时，从区外故障点向直流线路边界看进去的最小输入阻抗特性图，即忽略了线路阻抗的影响，仅考虑区外故障时线路边界的阻抗特性。由曲线1可以看出，工程中直流滤波器选为三调谐滤波器，滤波支路仅对600Hz、1200Hz、1800Hz三个频率下的阻抗较小，也就是说区外故障时，仅有这三个频率的电气量仅入滤波支路，其余频带的电气量主要通过平波电抗器直接进入直流线路。结合曲线2和曲线3可以看出，在高频带时，区外故障的边界最小输入阻抗与平波电抗器阻抗基本一致，也就是说区外故障时，直流系统边界的高频阻抗主要由平波电抗器提供，并且电频率越大，边界阻抗越大，对高频电流的阻滞效应就越大。这就意味着，平波电抗器对区外故障的电流有平滑作用，并且频率越高，平滑作用越明显，因此电流变化的加速度不会很大。对于区内故障，故障电流直接到达电流测量装置，电流变化的加速度很大。所以，受边界特性的影响，区内外故障时故障电流变化的加速度存在很大的差异。

本发明利用了区内外故障时电流变化加速度的差异，来识别区内故障。利用电流二阶梯度，来反映故障电流变化的加速度，避免了行波波头的识别。所利用的故障信息更为丰富，保护的可靠性相比行波保护有所提升。

本发明仅依赖平波电抗器的阻抗效应，不受直流线路拓扑结构的影响。对于图3所示的并联多端双极系统和图4所示的并联多端单极系统均适用。实施案例以图5所示的双端双极系统为例，探讨利用极量和模量实现的差异。

请参照图5双极直流输电系统结构。i_Mp、i_Mn分别为直流线路M侧采样得到的正、负极电流，i_Np、i_Nn分别为直流线路N侧测量装置采样得到的正、负极电流。采样率不小于10kHz。

利用相模变换矩阵S，将线路M、N两端的正负极电流转换为1、0模电流。转换方程如下：

利用下式分别构造线路M、N两侧的1模电流二阶梯度：

式中，Ts为采样间隔。

利用下式计算1ms积分窗内，M、N两侧的1模电流二阶梯度的积分值：

式中，n为1ms积分窗内的采样点个数。

在M、N两侧分别比较电流二阶梯度的积分与1模启动门槛，如下式所示：

式中，I_set1为模量启动判据。若式(7)成立则M端保护启动，若式(8)成立则N端保护启动。两式成立则两侧保护均启动。本发明为单端量保护，任意一侧保护启动均可以识别区内故障。

保护启动后，进行故障选极。模量判据可以采用现有的模电流选极方法。以M端为例，现有的0模电流选极判据如下式所示：

∑i_M0(k)＞I_set0(9)

∑i_M0(k)＜-I_set0(10)

式中，I_set0为模电流选极判据；∑i_M0(k)为零模电流积分或零模电流突变量积分。采用哪种积分的形式，或采用多大的积分窗长，以实际运行中采用的模电流选极元件为准。

若式(9)成立，则判定为正极故障，正极线路保护动作；若式(10)成立，则判定为负极故障，负极线路保护动作；若两式均布成立，则判定为极间短路故障，两极线路保护均动作。本发明为单端量保护，利用一端的选极结果即可以正确选极动作。

本发明实施方法的流程图参见图6。需要说明的是，对于多端系统，本发明需要计算线路每一端电流的二阶梯度积分，并进行启动判别。若任意一端满足启动判据，则保护启动并进行故障选极。对于单极双端或多端系统，仅适宜采用极量原理，并且保护无需故障选极，直接动作。

针对上述实施案例进行仿真验证。图7至图9分别为图5中平波电抗器外侧f1处发生区外金属性接地故障、M端近端1km f2处发生正极区内高阻接地故障、M端远端999kmf3处发生负极区内高阻接地故障时，采用模电流二阶梯度判据的仿真结果。故障发生在0.5s，高阻故障的过渡电阻为500Ω，仿真中均加入了5％的噪声。

图7反映了区外最严重故障时的保护动作结果。可以看出，电流二阶梯度判据可以可靠识别区外故障，保护不受噪声干扰，保护不启动。需要说明的是，图7反映的是区外最严重故障，此时保护没有误动，则说明在非故障运行方式下，保护更不易误动。

图8反映了区内M端近端正极高阻故障时的保护动作结果。可以看出，线路近端M端和远端N端的电流二阶梯度判据可以正确启动的判定为正极故障，保护可以做到全线速动。

图9反映了区内M端远端负极高阻故障时的保护动作结果。可以看出，线路近端M端和远端N端的电流二阶梯度判据可以正确启动的判定为负极故障，保护可以做到全线速动。

本发明原理上保障了区外最严重故障时，保护不误动。结合现有的故障选极元件，可以正确判断故障极。本发明原理简单，仅利用单端电流全量，无需滤波，易于实现。本发明动作速度快，在5ms内即可以完成故障甄别，在选择性的基础上保障了保护的速动性。本发明原理完备，拥有完备的整定原则。相比于行波保护，本发明不受噪声影响，不易误动，可靠性高。相比于突变量类保护，本发明不受区外最严重故障的影响，选择性好。本发明适宜作为高压直流线路的主保护。