识别混合双端直流输电线路区内、外故障的纵联保护方法

摘要

本发明公开了一种识别混合双端直流输电线路区内、外故障的纵联保护方法，包括：在换流站中，从本极直流输电线路侧的电流传感器中获得电流量信号；根据本极电流计算电流故障分量；计算所选故障数据窗长度的电流故障分量的和，大于起动门槛值时起动保护；当电流故障分量与参考方向相同时其相位为0°；相反时其相位为‑180°。直流线路上发生故障时，两侧换流站的电流故障分量的相位相同；区外发生故障时，两侧换流站的电流故障分量相位相反。根据整流侧和逆变侧两端电流故障分量的相位是否相同，可以进行混合双端直流输电线路区内故障、区外故障的判别。本发明方法对保护装置的采样频率要求低、易于实现，具有对可靠性高、耐过渡电阻强的特点。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体来说，是一种利用两端换流站电流故障分量的相位识别高压直流输电线路区内、外故障的全线速动保护方法。

背景技术

随着科技的发展，传统高压直流输电(Line Commutated Converter High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)的技术已经成熟。LCC-HVDC广泛应用于远距离输电，西电东送等。但是，传统高压直流输电系统容易发生换相失败，需要消耗大量的无功。在1990年后，由于电力电子器件的进步，以全控型器件为基础的电压源换流器的高压直流输电系统(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)，又称为柔性直流输电系统，得到了快速的发展，VSC-HVDC的拓扑结构分为：两电平直流输电系统，三电平直流输电系统，模块化多电平直流输电系统(Modular Multilevel Converter Based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)。柔性直流输电系统具有可以独立地控制有功和无功、便于进行潮流反转、不存在换相失败问题等优势。

为了充分发挥传统直流输电及柔性直流输电的优势，混合直流输电已经成为研究的热点。混合直流输电有混合双端直流输电系统，混合双极直流输电系统，混合多馈入直流输电系统及混合多端直流输电系统。本发明针对由LCC-HVDC和MMC-HVDC所构成的混合双端直流系统的线路保护开展的研究。

混合直流输电线路一般作为大区域联网的联络线，它的安全性和可靠性不仅关系到本系统的稳定性，而且将直接影响与其连接的区域电网甚至整个电网的稳定运行。因为直流输电线路长，所处的环境又非常复杂和恶劣，发生故障的概率高，所以，开展直流输电线路继电保护新原理的研究，对保证直流输电系统的安全性与可靠性具有重要意义。

目前，针对传统高压直流输电已经有很成熟的保护方法，比如以行波保护作为主保护，微分欠压保护和电流差动保护作为后备保护。行波对采样频率要求很高，为了躲过雷击干扰，不得不降低保护的灵敏度，而且不能够识别高阻故障。柔性直流输电系统的保护主要根据其拓扑结构的不同，如线路两侧直流大电容等，在传统高压直流输电的基础上提出了新的保护原理。

混合直流输电系统是由传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统组成的新型直流输电系统，其拓扑结构与传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统均有所不同。因为拓扑结构的差异，直流输电系统的线路发生故障时的故障特性可能会不同于传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统，需要混合直流输电系统直流线路发生故障时的故障特性及仿真验证，为将来混合直流输电系统的安全稳定运行提供保障。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高的混合双端直流输电线路区内、外故障的纵联保护方法，从而为直流输电线路的可靠运行提供保障。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供一种识别混合双端直流输电线路区内、外故障的纵联保护方法，其包括以下步骤：

步骤一，在换流站中，从本极直流输电线路侧的电流传感器中获得电流量信号；

步骤二，对从步骤一中获得的电流量信号进行计算，获得电流故障分量；

步骤三，根据本极电流计算所选数据窗长度的电流故障分量的和，大于起动门槛值时起动保护；

步骤四，根据步骤二的电流故障分量，提取电流故障分量的相位；

步骤五，比较整流侧和逆变侧两端电流故障分量的相位，进行混合双端直流输电线路区内、区外故障的判别：

当正极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相同时，为正极区内故障；当正极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相反时，为正极区外故障；

当负极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相同时，为负极区内故障；当负极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相反时，为负极区外故障。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述步骤二中，获得电流故障分量计算方法如下：电流故障分量等于故障后的测量电流值减去故障前N个周波的电流测量值，由于系统存在偏差，N一般取1或2。

优选的，所述步骤三中，根据本极电流通过下式计算所选数据窗长度的电流故障分量的和：

其中：m＝1，2，…，N；N为单位时间内采样点数，也就是起动元件数据窗所对应的采样点数；电流故障分量Δi＝i-I_n，i为本极当前电流采样值，I_n为本极故障前正常运行电流值；k_r为可靠系数，k_r≥1；I_set为整定值。

优选的，取I_set＝0.1I_n，I_n为直流输电线路的额定电流，即门槛值。

优选的，所述步骤四中，采用希尔伯特变换、S变换或傅氏变换得到电流故障分量的瞬时相位。

优选的，所述步骤五中：发生正极区内故障时，两侧的电流故障分量均与参考方向一致，相位均为0°；在发生负极区内故障时，两侧的电流故障分量均与参考方向相反，相位均为-180°。

优选的，在发生正极整流侧区外故障时，整流侧的电流故障分量与参考方向相反，逆变侧的电流故障分量与参考方向一致，相位分别为-180°、0°；

在发生正极逆变侧区外故障时，整流侧的电流故障分量与参考方向一致，逆变侧的电流故障分量与参考方向相反，相位分别为0°、-180°；

发生双极区内故障时，正极两侧换流站的电流故障分量均与参考方向一致，所以相位均为0°；负极两侧换流站的电流故障分量均与参考方向相反，相位均为-180°。

优选的，当发生区内故障时，不管是正极还是负极，其整流侧电流故障分量的方向均和逆变侧电流故障分量的方向一致，具有相同的相位；当发生区外故障时，不管是正极还是负极，其整流侧电流故障分量的方向均和逆变侧电流故障分量的方向相反，具有不同的相位。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1、本方法采用双端电气量作为判据的原始信息，仅需提取直流输电线路的电流故障分量的相位即可实现区内、外故障的判别；

2、本发明是基于直流输电线路区内、外故障时两端电流故障分量相位的差异，提出直流输电线路纵联保护方法，构造的继电保护理论完备、选择性好、灵敏度高；

3、与现有方法相比，本发明方法对保护装置的采样频率要求低、易于实现。克服了现有直流输电线路行波保护对采样频率要求高、选择性差、灵敏度低、可靠性不高等问题；

4、利用线路两端电流故障分量的相位差异，其不易受过渡电阻的影响，因此利用两端电流故障分量的相位的线路保护将具有对可靠性高、耐过渡电阻强的特点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为混合双端直流输电系统结构示意图；

图2是图1所示的混合双端直流输电系统的平波电抗器和直流滤波器构成的直流滤波环节的电路图；

图3(a)-(f)是线路故障时的故障附加状态；其中：

图3(a)是故障f1的故障附加状态；

图3(b)是故障f2的故障附加状态；

图3(c)是故障f3的故障附加状态；

图3(d)是故障f4的故障附加状态；

图3(e)是故障f5的故障附加状态；

图3(f)是故障f6的故障附加状态；

图4是根据电流故障分量相位判别区内故障(正极直流输电线路中点金属性接地)的仿真图；

图5是根据电流故障分量相位判别区内故障(正极直流输电线路中点经400欧姆金过渡电阻接地)的仿真图；

图6是根据电流故障分量相位判别区内故障(负极直流输电线路中点金属性接地)的仿真图；

图7是根据电流故障分量相位判别区内故障(负极直流输电线路中点经400欧姆金过渡电阻接地)的仿真图；

图8是根据电流故障分量相位判别区外故障(正极整流侧发生金属性接地)的仿真图；

图9是根据电流故障分量相位判别区外故障(正极整流侧经400欧姆金过渡电阻接地)的仿真图；

图10是根据电流故障分量相位判别区外故障(正极逆变侧发生金属性接地)的仿真图；

图11是根据电流故障分量相位判别区外故障(正极逆变侧经400欧姆金过渡电阻接地)的仿真图；

图12(a)、(b)是根据电流故障分量相位判别双极区内接地故障(图12(a)、(b)分别为正、负双极直流输电线路中点金属性接地)的仿真图；

图13(a)、(b)是根据电流故障分量相位判别双极区内故障(图13(a)、(b)正、负双极直流输电线路中点短接)的仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明提供的识别混合双端直流输电线路区内、外故障的双端电流量全线速动保护方法，主要利用双端换流站直流线路侧电流故障分量的相位实现区内故障、区外故障的判别。

按照以下步骤进行：

步骤一，在换流站中，从本极直流输电线路两侧的传感器中获得本极电流量信号。

步骤二，对从步骤一中获得的电流量信号进行计算，获得电流故障分量；获得电流故障分量计算方法如下：电流故障分量等于故障后的测量电流值减去故障前N个周波的电流测量值，由于系统存在偏差，N一般取1或2。

步骤三，根据本极电流计算所选故障数据窗长度的电流故障分量的和，大于起动门槛值时起动保护；

其中步骤三可按照以下方法进行：

根据公式(1)用本端电流计算所故障选数据窗长度的电流故障分量的和，大于起动门槛值时起动该保护；

其中：m＝1，2，…，N；N为单位时间内采样点数，也就是起动元件数据窗所对应的采样点数，数据窗长度可取5～10ms；电流故障分量Δi＝i-I_n，i为本极当前电流采样值，I_n为本极故障前正常运行电流值；k_r为可靠系数，k_r≥1，一般可取1.2～1.5；I_set为整定值。这里取I_set＝0.1I_n，I_n为直流输电线路的额定电流，即门槛值。

步骤四，根据步骤二的电流故障分量，提取电流故障分量的相位；电流故障分量相位的方法包括希尔伯特变换、S变换、以及傅氏变换求取信号相位的算法。

步骤五，比较线路两端电流故障分量的相位大小，实现直流输电线路区内故障、区外故障判别：

当正极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相同时，为正极区内故障；当正极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相反时，为正极区外故障。

当负极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相同时，为负极区内故障；当负极整流侧和逆变侧的电流故障分量相位相反时，为负极区外故障。具体的：

相位大小在发生正极区内故障时，两侧的电流故障分量均与参考方向一致，所以相位均为0°；在发生负极区内故障时，两侧的电流故障分量均与参考方向相反，所以相位均为-180°；在发生正极整流侧区外故障时，整流侧的电流故障分量与参考方向相反，逆变侧的电流故障分量与参考方向一致，所以相位分别为-180°、0°；在发生正极逆变侧区外故障时，整流侧的电流故障分量与参考方向一致，逆变侧的电流故障分量与参考方向相反，所以相位分别为0°、-180°。

当发生区内故障时，不管是正极还是负极，其整流侧电流故障分量的方向均和逆变侧电流故障分量的方向一致，具有相同的相位；当发生区外故障时，不管是正极还是负极，其整流侧电流故障分量的方向均和逆变侧电流故障分量的方向相反，具有不同的相位。

以下给出具体实施例来进一步说明本发明的原理：

请参照图1，图1为混合双端直流输电系统的结构简图。正极直流电压为+500kV，直流电流为1kA，负极直流电压为-500kV，直流电流为-1kA。正极和负极的直流输电线路都采用架空线，其线路长度均为1000kM。利用PSCAD进行不同故障类型的仿真，故障发生时刻为1.5S，故障持续时间为0.02S，采样频率为20kHZ，故障数据窗取3ms。直流输电系统由换流站1、2和直流输电线路3构成。换流站1、2都装设有换流阀4和换流阀7。图中f1、f2、f3、f4、f5、f6为故障点，其中f1发生在直流输电线路3上，称为正极区内故障点；f2发生在直流输电线路3上，称为负极区内故障点；f3和f4分别发生在整流站和逆变站，称为区外故障点。f5和f6分别为正负双极接地故障和正负双极短接故障。upr、ipr分别是换流站1的正极电压故障分量和电流故障分量；unr、inr分别是换流站1的负极电压故障分量和电流故障分量；upi、ipi分别是换流站2的正极电压故障分量和电流故障分量；uni、ini分别是换流站2的负极电压故障分量和电流故障分量。图1中虚线部分为平波电抗器和直流滤波器组成的滤波环节5。该直流输电系统还包括设置在直流输电线路3两侧的保护系统6，实现保护功能。

图2是滤波环节5的电路图。滤波环节5由平波电抗器51和直流滤波器52构成。滤波环节5与直流输电线路3通过传感器8连接，该传感器8包括分流器9和分压器10。滤波环节5与换流站1的换流阀4通过分流器11和分压器12连接。按照本发明步骤1从本极直流输电线路两侧的传感器中获得电流量信号；图中u₁、i₁分别是换流站1换流阀4侧的电压和电流，u₂、i₂分别是直流输电线路3侧的电压和电流。

步骤2，对从步骤一中获得的电流量信号减去故障前2个周波的电流量信号，获得电流故障分量。

步骤3，根据本极电流计算所选数据窗长度的电流故障分量的和，大于起动门槛值时起动保护。

步骤4，通过对步骤3中得到的电流故障分量进行希尔伯特变换得到电流故障分量的相位。

图3(a)-图3(f)是混合双端直流输电系统发生故障时的故障附加状态。整流侧和逆变侧的电流故障分量正方向都规定为由母线指向线路是正方向。当故障发生的瞬间，根据叠加原理，当正极线路发生接地故障时，可以等效为在正常运行的网络上叠加了一个负极性的电源U_f。当负极线路发生接地故障时，可以等效为在正常运行的网络上叠加了一个正极性的电源U_f。图3(a)-图3(f)中：ipr和ipi分别表示正极整流侧和逆变侧的电流故障分量；inr和ini分别表示负极整流侧和逆变侧的电流故障分量。

步骤5，比较整流侧和逆变侧两端电流故障分量的相位，根据两侧电流故障分量的相位是否相同，进行混合双端直流输电线路区内故障、区外故障的判别：

当ipr和ipi的相位相同，均为0°，说明整流侧电流故障分量ipr和逆变侧电流故障分量ipi均与电流故障分量参考方向一致。因此，故障f1是正极区内故障。由图3(a)可以看出：整流侧电流故障分量ipr和逆变侧电流故障分量ipi均与电流故障分量参考方向一致；ipr和ipi的相位相同，均为0°。

当inr和ini的相位相同，均为-180°，说明整流侧电流故障分量inr和逆变侧电流故障分量ini均与电流故障分量参考方向相反。因此，故障f2是负极区内故障。由图3(b)可以看出：整流侧电流故障分量inr和逆变侧电流故障分量ini均与电流故障分量参考方向相反；inr和ini的相位相同，均为-180°。

当ipr的相位为-180°，ipi的相位为0°，ipr和ipi的相位不同，因此，故障f3是正极区外(整流侧)故障。由图3(c)可以看出：整流侧电流故障分量ipr与电流故障分量的参考方向相反，电流相位为-180°；逆变侧电流故障分量ipi与电流故障分量参考方向一致，电流相位为0°；ipr和ipi的相位不同。

当ipr的相位为0°，ipi的相位为-180°，ipr和ipi的相位不同。因此，故障f4是正极区外(逆变侧)故障。由图3(d)可以看出：整流侧电流故障分量ipr与电流故障分量的参考方向一致，电流相位为0°；逆变侧电流故障分量ipi与电流故障分量参考方向相反，电流相位为-180°；ipr和ipi的相位不同。

当ipr的相位为0°，ipi的相位为0°，ipr和ipi的相位相同；inr的相位为-180°，ini的相位为-180°，inr和ini的相位也相同。因此，故障f5是正负双极区内接地故障。由图3(e)可以看出：正极整流侧电流故障分量ipr和逆变侧电流故障分量ipi均与电流故障分量参考方向一致，均为0°；ipr和ipi的相位相同。负极整流侧电流故障分量inr和逆变侧电流故障分量ini均与电流故障分量参考方向相反，均为-180°；inr和ini的相位也相同。

当ipr的相位为0°，ipi的相位为0°，ipr和ipi的相位相同；inr的相位为-180°，ini的相位为-180°，inr和ini的相位也相同。因此，故障f6是正负双极区内接地故障。由图3(f)可以看出：正极整流侧电流故障分量ipr和逆变侧电流故障分量ipi均与电流故障分量参考方向一致，均为0°；ipr和ipi的相位相同。负极整流侧电流故障分量inr和逆变侧电流故障分量ini均与电流故障分量参考方向相反，均为-180°；inr和ini的相位也相同。综上分析，可以发现，当发生区内故障时，不管是正极还是负极，其整流侧电流故障分量的方向均和逆变侧电流故障分量的方向一致，具有相同的相位；当发生区外故障时，不管是正极还是负极，其整流侧电流故障分量的方向均和逆变侧电流故障分量的方向相反，具有不同的相位。根据此差异，提出了一种仅利用电流故障分量相位的混合双端高压直流输电线路纵联保护新原理。

线路保护算法的整定：

为了满足继电保护装置的需求，构造如下的判据：

式中，w_ipr，w_ipi，w_inr，w_ini分别为电流故障分量ipr，ipi，inr，ini的相位。W_pr，W_pi，W_nr，W_ni分别为相位的继电保护信号。当-40°＜w＜40°时，即方向与参考方向一致，将W_pr，W_pi，W_nr，W_ni分别置1；当-220°＜w＜-140°时，即方向与参考方向相反，则将W_pr，W_pi，W_nr，W_ni分别置-1；。即当W_pr*W_pi＝1时，为正极区内故障，否则为区外故障；当W_nr*W_ni＝1时，为负极区内故障，否则为区外故障。

本实施例中对不同的区内、区外故障进行了仿真验证。请参照图4至图13，其中图4和图6对直流输电线路区内中点金属性接地故障进行了验证；图5和图7对直流输电线路区内中点经400欧姆过度电阻接地故障进行了验证；图8是直流输电线路区外、整流侧发生金属性接地故障的验证结果；图9是直流输电线路区外、整流侧经400欧姆过度电阻接地故障的验证结果；图10是直流输电线路区外、逆变侧发生金属性接地故障的验证结果；图11是直流输电线路区外、逆变侧经400欧姆过度电阻接地故障的验证结果；图12(a)、(b)对直流输电线路双极区内中点金属性接地故障进行了验证；图13(a)、(b)对直流输电线路双极区内短接故障进行了验证。

根据图4至图13(a)、(b)的验证结果，可以显著地显示本发明的方法对于区内、区外故障判别的灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高，从而为混合高压直流输电系统的可靠运行的提供保障。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。