CN102170114B - 一种高压直流输电线路低电压保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流输电线路低电压保护方法。该方法建立在时域分布参数模型的基础上，根据保护安装处的电压、电流测量值，用沿线电压的时域计算方法得到保护范围末端的电压值，利用保护范围末端的电压计算值构造保护判据。当线路末端电压计算值与保护安装处电压测量值异号时，判定为输电线路区内发生金属性或低过渡电阻故障，快速动作；当线路末端计算电压幅值小于设定值时，判定为输电线路区内发生高过渡电阻故障或区外故障，需要与相关保护的配合才具有选择性，此时保护需经延时后方能动作。该方法在时域中实现，所需数据窗短，计算量小。本发明主要用于电力***中直流输电线路的继电保护。

Description

一种高压直流输电线路低电压保护方法

技术领域：

本发明属于电力***输电线路继电保护领域，涉及一种直流输电线路低电压保护方法，尤其是一种高压直流输电线路的低电压保护方法。

背景技术：

随着我国国民经济的高速发展，对电量的需求越来越大。高压直流输电在远距离、大容量输电以及非同步***互联上具有优势。近年来高压直流输电在我国得到了快速的发展，已成为我国电力建设的重点。目前我国的直流输电工程数量在世界上已名列前茅。

高压直流输电线路作为大区电网的联络线，其安全性和可靠性将影响互联电网的稳定运行。直流输电线路一般距离较长、故障概率较高，且研究表明输电线路故障是导致直流输电***停运的主要原因。因此，高性能的直流输电线路保护是直流输电***安全可靠运行的保证。受直流控制***的作用，直流输电线路的故障特征与交流***有明显不同，故有必要对直流输电线路的保护原理进行研究。目前的高压直流输电线路主要采用行波保护作为主保护，同时配合低电压保护、横差保护和电流差动保护等作为后备保护。然而，目前的直流低电压保护缺乏整定原则、性能差，未能很好地履行后备保护的作用。

发明内容：

本发明旨在克服传统低电压保护性能的不足，给出的低电压保护判据能够快速准确识别输电线路区内的金属性故障，并通过与其它保护配合识别区内高阻故障。该方法原理简单、可靠性高，保护范围稳定，不受运行方式的影响。其具体实现方式是通过保护安装处测量得到的电压、电流量来计算输电线路末端的电压值，根据计算结果构造保护判据。当线路末端电压计算值与保护安装处电压测量值异号时，判定为输电线路区内发生金属性或低过渡电阻故障，快速动作；当线路末端计算电压幅值小于设定值时，判定为输电线路区内高阻故障或区外故障，需要与相关保护的配合才能实现选择性，此时保护需要经延时后方能动作。

为实现上述任务，本发明采取如下技术解决方案：

步骤一，在保护安装处，对直流线路本端的直流电流和直流电压瞬时值进行采样；直流双极线路之间存在耦合，为了消除耦合的影响，引入以下公式对采样数据进行解耦，得到解耦的直流电压和直流电流模量值(出处：电力***自动化-2007.31(24).57-61)：

i_m＝S^-1i    (1)；

u_m＝S^-1u    (2)；

式中：

S^-1＝S^T，是双极直流输电线路的解耦矩阵及其逆矩阵，u_m和i_m分别是模电压和模电流矩阵，u和i分别是本端双极直流输电***的直流电压和直流电流采样值；

步骤二，在输电线路分布参数模型中，根据如下公式用测量点处的直流电压和直流电流模量值计算沿线直流电压模量值(出处：中国电机工程学报-2004.24(3).24-29)：

$u_{\mathrm{ym}}(x,t)=\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_C+\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)}^2[u_m(t+\frac{x}{v})-i_m(t+\frac{x}{v})(Z_C+\frac{\mathrm{rx}}{4})]$

$+\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_C-\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)}^2\·[u_m(t-\frac{x}{v})+i_m(t-\frac{x}{v})(Z_C-\frac{\mathrm{rx}}{4})]$

$-{\left(\frac{\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)}^2{u}_m\left(t\right)-\frac{\mathrm{rx}}{4}\left(\frac{Z_C+\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)\·\left(\frac{Z_C-\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)i_m\left(t\right)---\left(3\right);$

式中：u_ym(x，t)为t时刻距离保护安装x处的模电压瞬时值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_m(t)和i_m(t)分别为t时刻保护安装处电压和电流值经过相模变换后得到的模电压和模电流；

步骤三，由于使用保护范围末端的极电压构造保护判据，故要经相模反变换得到保护范围末端的极电压瞬时值：

u(l_set，t)＝S·u_ym(l_set，t)          (4)；

式中：u(l_set，t)为t时刻距本端为l_set处极电压计算值，u_ym(l_set，t)为t时刻距本端为l_set处模电压计算值，l_set为直流低电压保护末端与保护安装处的距离；

步骤四，用计算得到的保护范围末端极电压瞬时值与本端测量电压构成保护判据，本保护判据由快速动作判据和延时动作判据组成：

(1)快速动作判据为：

u(t)·u(l_set，t)＜0            (5)；

式中：u(t)为t时刻本侧直流电压测量值；

(2)延时动作判据为：

$\left\{\begin{array}{c}u(l_{\mathrm{set}},t)<U_{\mathrm{th}}\\ t>\mathrm{\&Delta;t}\end{array}\right.---\left(6\right);$

式中：u(l_set，t)为保护范围末端的极电压计算值，U_th为设定的门槛值；

当满足式(5)时，判定为输电线路区内发生金属性或低过渡电阻故障，保护可快速动作，并具有绝对的选择性。为了保护动作的可靠性，可采取5～10ms内判据持续满足方可动作的策略。当满足式(6)时，则判定为输电线路区内发生高过渡电阻故障或区外故障，经延时后保护方能动作。快速判据或延时判据动作都将判定为直流线路区内故障。

本发明在时域里进行计算，能够利用故障全频带信息，动作速度快，可靠性好，并能在故障后全程投入，具有完备的整定原则，对于区内金属性故障和低电阻故障能够快速识别并可靠动作，对于区内高阻故障需经延时动作。

附图说明：

图1为双极直流输电线路的***结构简图。

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。

直流输电***由整流站、逆变站和直流输电线路三部分组成，如图1所示。整流站将交流变换为直流，输电线路将直流电能传输到对端的逆变站，逆变站将直流变换为交流。本发明的核心内容是为直流输电线路提供低电压保护。

本发明提出的低电压保护原理建立在输电线路分布参数模型的基础上，适用于长线路。为实现该保护原理，首先在输电线路贝瑞隆模型上，通过保护安装处的直流电压、直流电流测量值，计算保护范围末端的直流电压瞬时值，之后利用该直流电压计算值构造保护判据，具体步骤如下：

在换流站中，采集故障时保护安装处分压器和分流器的直流电压、直流电流，得到直流电压和直流电流的采样值；

对采集得到的直流电压、直流电流数据通过低通滤波器滤除高频分量，提高计算的可靠性；

根据式(1)、式(2)将测量得到的直流电压、电流瞬时值转换为模电压、模电流瞬时值；

再根据式(3)计算保护范围末端直流模电压瞬时值，结合式(4)对计算结果进行相模反变换，得到保护范围末端的极电压瞬时值，并用计算得到的保护范围末端极电压瞬时值与本端测量电压构成保护判据；

低电压保护的动作判据包括一个快速动作判据和一个延时动作判据：

(1)快速动作判据为：

u(t)·u(l_set，t)＜0        (5)；

式中：u(t)为t时刻本侧直流电压测量值，u(l_set，t)为t时刻保护范围末端的极电压计算值；

(2)延时动作判据为：

$\left\{\begin{array}{c}u(l_{\mathrm{set}},t)<U_{\mathrm{th}}\\ t>\mathrm{\&Delta;t}\end{array}\right.---\left(6\right);$

式中：u(l_set，t)为保护范围末端的极电压计算值，U_th为设定门槛值；

当满足式(5)时，判定为输电线路区内发生金属性或低过渡电阻故障，保护可快速动作，并具有绝对的选择性。为了保护动作的可靠性，可采取5～10ms内判据持续满足方可动作的策略。当满足式(6)时，则判定为输电线路区内发生高过渡电阻故障或区外故障，经延时后保护方能动作。快速判据或延时判据动作都将判定为直流线路区内故障。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种高压直流输电线路低电压保护方法，其特征在于：该方法基于分布参数模型，在时域中利用单端电气量构成判据，对区内金属性或低过渡电阻故障具有绝对的选择性；对区内高阻故障，需要与相关保护的配合才能实现选择性；具体实现过程包括下列步骤：

步骤一，在保护安装处，对直流线路本端的直流电流、直流电压进行采样；然后根据以下公式对采样数据进行解耦：

i_m＝S^-1i    （1）；

u_m＝S^-1u    （2）；

式中， $S=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right],$ S^-1＝S^T，是双极直流输电线路的解耦矩阵及其逆矩阵，u_m和i_m分别是模电压和模电流矩阵，u和i分别是本端双极直流输电***的直流电压和直流电流采样值；

步骤二，在输电线路分布参数模型中，根据如下公式计算沿线直流电压模量值：

$u_{\mathrm{ym}}(x,t)=\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_C+\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)}^2\&lsqb;u_m(t+\frac{x}{v})-i_m(t+\frac{x}{v})(Z_C+\frac{\mathrm{rx}}{4})\&rsqb;$

$+\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_C-\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)}^2.\&lsqb;u_m(t-\frac{x}{v})+i_m(t-\frac{x}{v})(Z_C-\frac{\mathrm{rx}}{4})\&rsqb;$

$-{\left(\frac{\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)}^2{u}_m\left(t\right)-\frac{\mathrm{rx}}{4}\left(\frac{Z_C+\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right).\left(\frac{Z_C-\mathrm{rx}/4}{Z_C}\right)i_m\left(t\right)---\left(3\right);$

式中，u_ym(x,t)为t时刻距离保护安装x处的模电压瞬时值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_m(t)和i_m(t)分别为t时刻保护安装处采样的电压和电流值经过相模变换后得到的模电压和模电流；

步骤三，按照相模反变换公式得到保护范围末端的极电压瞬时值：

u(l_set,t)＝S·u_ym(l_set,t)    （4）；

式中：u(l_set,t)为t时刻距本端l_set处极电压计算值，u_ym(l_set,t)为t时刻距本端l_set处模电压计算值，l_set为直流低电压保护末端与保护安装处的距离；

步骤四，用计算得到的保护范围末端极电压瞬时值与本端测量电压构成保护判据，本保护判据由快速动作判据和延时动作判据组成；

（1）快速动作判据为：

u(t)·u(l_set,t)<0    （5）；

式中，u(t)为t时刻本侧直流电压测量值；

（2）延时动作判据为：

$\left\{\begin{array}{c}u(l_{\mathrm{set}},t)<U_{\mathrm{th}}\\ t>\mathrm{\&Delta;t}\end{array}\right.---\left(6\right);$

式中，u(l_set,t)为保护范围末端的极电压计算值，U_th为设定的门槛值；

当满足式（5）时，判定为输电线路区内发生金属性或低过渡电阻故障，保护可快速动作，并具有绝对的选择性；为了保护动作的可靠性，采取5～10ms内判据持续满足方可动作的策略；当满足式（6）时，则判定为输电线路区内发生高过渡电阻故障或区外故障，经延时后保护方能动作；快速判据或延时判据动作都将判定为直流线路区内故障。

Images