CN102820643A - 基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法。线路区内故障时，整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者的方向相同；此特征对正极线路和负极线路均适用；其他区外故障均不满足此条件。据此构成高压直流输电线路保护判据并提出保护方法。在直流输电线路保护中采用本发明，能够在区内故障性雷击、区内高阻抗接地故障和极-极故障时能够快速准确动作；在雷击干扰和线路保护区外故障等情况下不误动；保护方法简单清晰，对通信通道要求不高；对数据计算速度和采样频率要求低，不需要进行采样数据同步处理；适用于双极直流输电***的多种运行方式，实用价值高。

Description

基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法

技术领域

本发明涉及电力***继电保护方法，尤其是涉及一种基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法。

背景技术

直流输电工程的线路长、跨越地形复杂，故障率较高，直流输电线路保护作用重大。现有直流输电线路保护方法主要有行波保护、低电压保护和差动保护。行波保护动作速度快，但易受干扰影响，其可靠性受波头检测结果影响很大。低电压保护在线路内部发生高阻接地故障时可能拒动。电流差动保护易受故障暂态和负荷调整过程的影响，不能实现速动，其可靠性受通讯通道的影响较大。研究适用于直流输电***多种运行方式、易实现、具有可靠选择性和在区内高阻抗接地时能准确动作的高压直流输电线路保护方法十分必要。

目前提出的高压直流输电线路保护方法主要包括以下几类：1)利用线路两端电压、电流突变量或是两者乘积（即暂态能量）实现区内区外故障判断；2)结合行波保护方法和边界保护方法实现单极或双极直流***的线路保护；3)基于高压直流输电线路分布参数模型的新型电流差动保护方法或距离保护方法。以上保护方法在一定程度上解决了现有直流输电线路保护的一些缺陷，但没有讨论是否可用于直流输电***的多种运行方式，且部分保护方法对采样频率、通信通道和硬件的要求较高。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种适用于直流输电***多种运行方式、易实现、具有可靠选择性和在区内高阻抗接地和故障性雷击时能准确动作的高压直流输电线路保护方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法，该方法的实现步骤如下：

步骤（1）对直流输电线路保护安装处的电压、电流突变量的方向特征进行分析；

步骤（2）提出判别电压、电流突变量方向的判据：

将电压突变量和电流突变量在一段时间内的积分值与设定门槛值比较，判别电压突变量和电流突变量的方向；

步骤（3）提出高压直流输电线路保护判据与方法。

所述步骤（1）中，在发生故障的瞬间,即控制***未启动或控制***开始调整但仍未调整到稳定状态的暂态过程中：

1)正极或负极线路发生区内故障时，该极线路上整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者方向相同。

2)发生极-极故障时，整流侧和逆变侧保护测量处的电压、电流突变量仍符合以上特征。

3)与区内故障时不同，正极和负极整流站和逆变站电抗器外侧故障时，线路两端保护测量处的电压、电流突变量的方向同时相同或同时相反。

4)交流母线处故障时电压、电流突变量的方向特征与对应的电抗器外侧故障相同。

所述步骤（2）中，

1)由于以上电压、电流突变量方向的暂态分析均为故障发生后至调节器的调节过程没有完成前这段时间，研究表明该调节过程至少需要5ms，因此数据窗长度不宜大于5ms；雷电干扰持续时间一般为3ms，因此数据窗长度宜大于3ms。综上，积分计算的数据窗长度为5ms。

2)直流电压控制的整定值通常选取为1.05p.u.，高阻抗接地时低电压保护判据定值取为0.7p.u.，则判别电压突变量方向的门槛值宜取在0.05~0.3p.u.之间。选取0.15倍的额定电压在5ms内的积分值作为判别电压突变量方向的门槛值。直流***电流控制特性中，绝大多数高压直流输电工程所采用的电流裕度都是0.1倍的额定电流，故障稳态电流为0.1倍的额定电流，因此，判别电流突变量方向的门槛值可按0.1倍的额定电流在5ms内的积分值整定。

3)电压、电流突变量方向判别判据：

D_ir(Δu)＝1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\mathrm{\Δu}\right)>k_r{\mathrm{NU}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δu)＝-1， $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;u}\right)<-k_r{\mathrm{NU}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δi)＝1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;i}\right)>k_r{\mathrm{NI}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δi)＝-1,

式中，Δu、Δi分别表示电压、电流突变量，D_ir表示突变量方向。若

成立，Δu的方向为正，记为D_ir(Δu)=1；若

成立，Δu的方向为负，记为D_ir(Δu)=-1。同理，若成立，Δi的方向为正，记为D_ir(Δi)=1；若

成立，Δi的方向为负，记为D_ir(Δi)=-1。

式中，m＝N，N为所选数据窗内的采样点个数，N为自然数；kr为可靠系数，可取1.2~1.5；U_set=0.15U_n，U_n为直流输电***的额定电压；I_set=0.1I_n，I_n为直流输电***的额定电流。4)电压、电流突变量的计算间距为10ms。若保护采样频率为10kHz，Δu和Δi的计算公式分别为：

Δu(K)＝u(K)-u(K-100)

Δi(K)＝i(K)-i(K-100)

式中，K为采样点个数，K为大于100的自然数；u(K)、i(K)分别表示电压、电流的第K个采样值，u(K-100)、i(K-100)分别表示电压、电流的第（K-100）个采样值，Δu(K)、Δi(K)分别表示计算得出的第K个电压、电流突变量的值。

所述步骤（3）中，高压直流输电线路保护判据：

线路区内故障时，整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者的方向相同；此特征对正极线路和负极线路均适用；其他区外故障均不满足此条件。由此可构成高压直流输电线路保护判据：

极i线路区内故障：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Ri}}\right)\&times;D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{Ri}}\right)=-1\\ D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Ii}}\right)\&times;D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{Ii}}\right)=1\end{array}\right.$

i为p或n，指正极或负极线路。Δu_Rp和Δi_Rp分别为正极线路整流侧保护测量处的电压、电流突变量，Δu_IP、Δi_Ip为正极线路逆变侧保护测量处的电压、电流突变量。Δu_Rn、Δi_Rn、Δu_In和Δi_In分别为负极线路整流侧和逆变侧保护测量处的电压、电流突变量。

基于以上保护判据，直流***每极均能单独判断是否线路保护区内故障，因此，本保护方法可适用于直流输电***的多种运行方式，且仅需对电压突变量和电流突变量的方向进行判定，理论上不受过渡电阻影响，不需要进行采样数据同步处理。

步骤（3）中高压直流输电线路保护方法。

在直流输电***中，识别线路故障后的电流关断和***重启功能都是在整流侧完成的。本发明的保护方法中，当整流侧电压突变量与电流突变量的方向相反，且接收到逆变侧电压突变量与电流突变量的方向相同的信息时，整流侧才会发出保护动作命令，并传递给逆变侧，然后两侧出口跳闸。在将逆变侧方向信息传递给整流侧时，站间通信时间约为20ms，考虑到同步时间补偿，应将整流侧方向信息输出延时20ms。

本发明的有益效果是：

1.保护方法简单清晰，只需对端电压、电流突变量的方向信息，对通信通道要求不高；

2.计算电压、电流突变量在5ms数据窗内的积分值，对数据计算速度和采样频率要求低，不需要进行采样数据同步处理；

3.基于电压、电流突变量的方向信息，在区内故障性雷击、区内高阻抗接地故障和极-极故障时能够快速准确动作；在雷击干扰和线路保护区外故障等情况下不误动；

4.基于电压、电流突变量方向，与直流输电***的初始运行方式无关，因此该特征分析适用于直流输电***的多种运行方式，实用价值高。

附图说明

图1为双极直流输电***结构图。

图2为保护方法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的所适用的双极直流输电***结构图，保护方法实现步骤如下：

步骤1：对直流输电线路保护安装处的电压、电流突变量的方向特征进行分析：

在发生故障的瞬间,即控制***未启动或控制***开始调整但仍未调整到稳定状态的暂态过程中：

1)正极或负极线路发生区内故障时，该极线路上整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者方向相同。

2)发生极-极故障时，整流侧和逆变侧保护测量处的电压、电流突变量仍符合以上特征。

3)与区内故障时不同，正极和负极整流站和逆变站电抗器外侧故障时，线路两端保护测量处的电压、电流突变量的方向同时相同或同时相反。

4)交流母线处故障时电压、电流突变量的方向特征与对应的电抗器外侧故障相同。

步骤2：提出判别电压、电流突变量方向的判据：

将电压突变量和电流突变量在一段时间内的积分值与设定门槛值比较，判别电压突变量和电流突变量的方向。

1)由于以上电压、电流突变量方向的暂态分析均为故障发生后至调节器的调节过程没有完成前这段时间，研究表明该调节过程至少需要5ms，因此数据窗长度不宜大于5ms；雷电干扰持续时间一般为3ms，因此数据窗长度宜大于3ms。综上，积分计算的数据窗长度为5ms。

2)直流电压控制的整定值通常选取为1.05p.u.，高阻抗接地时低电压保护判据定值取为0.7p.u.，则判别电压突变量方向的门槛值宜取在0.05~0.3p.u.之间。选取0.15倍的额定电压在5ms内的积分值作为判别电压突变量方向的门槛值。直流***电流控制特性中，绝大多数高压直流输电工程所采用的电流裕度都是0.1倍的额定电流，故障稳态电流为0.1倍的额定电流，因此，判别电流突变量方向的门槛值可按0.1倍的额定电流在5ms内的积分值整定。

3)电压、电流突变量方向判别判据：

D_ir(Δu)＝1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;u}\right)>k_r{\mathrm{NU}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δu)＝-1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;u}\right)<-k_r{\mathrm{NU}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δi)＝1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;i}\right)>k_r{\mathrm{NI}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δi)＝-1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;i}\right)<-k_r{\mathrm{NI}}_{\mathrm{set}})$

式中，Δu、Δi分别表示电压、电流突变量，D_ir表示突变量方向。若

成立，Δu的方向为正，记为D_ir(Δu)=1；若

成立，Δu的方向为负，记为D_ir(Δu)=-1。同理，若

成立，Δi的方向为正，记为D_ir(Δi)=1；若成立，Δi的方向为负，记为D_ir(Δi)=-1。

式中，m＝N，N为所选数据窗内的采样点个数，N为自然数；k_r为可靠系数，可取1.2~1.5；U_set=0.15U_n，U_n为直流输电***的额定电压；I_set=0.1I_n，I_n为直流输电***的额定电流。4)电压、电流突变量的计算间距为10ms。若保护采样频率为10kHz，Δu和Δi的计算公式分别为：

Δu(K)＝u(K)-u(K-100)

Δi(K)＝i(K)-i(K-100)

式中，K为采样点个数，K为大于100的自然数；u(K)、i(K)分别表示电压、电流的第K个采样值，u(K-100)、i(K-100)分别表示电压、电流的第（K-100）个采样值，Δu(K)、Δi(K)分别表示计算得出的第K个电压、电流突变量的值。

步骤3：提出高压直流输电线路保护判据与方法：

线路区内故障时，整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者的方向相同；此特征对正极线路和负极线路均适用；其他区外故障均不满足此条件。由此可构成高压直流输电线路保护判据：

极i线路区内故障：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Ri}}\right)\&times;D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{Ri}}\right)=-1\\ D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Ii}}\right)\&times;D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{Ii}}\right)=1\end{array}\right.$

i为p或n，指正极或负极线路。Δu_Rp和Δi_Rp分别为正极线路整流侧保护测量处的电压、电流突变量，Δu_Ip、Δi_Ip为正极线路逆变侧保护测量处的电压、电流突变量。Δu_Rn、Δi_Rn、Δu_In和Δi_In分别为负极线路整流侧和逆变侧保护测量处的电压、电流突变量。

基于以上保护判据，直流***每极均能单独判断是否线路保护区内故障，因此，本保护方法可适用于直流输电***的多种运行方式，且仅需对电压突变量和电流突变量的方向进行判定，理论上不受过渡电阻影响，不需要进行采样数据同步处理。

在直流输电***中，识别线路故障后的电流关断和***重启功能都是在整流侧完成的。本实施例的保护方法中，当整流侧电压突变量与电流突变量的方向相反，且接收到逆变侧电压突变量与电流突变量的方向相同的信息时，整流侧才会发出保护动作命令，并传递给逆变侧，然后两侧出口跳闸。在将逆变侧方向信息传递给整流侧时，站间通信时间约为20ms，考虑到同步时间补偿，应将整流侧方向信息输出延时20ms。

Claims (5)

1.一种基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法，该方法的实现步骤如下：

步骤（1）对直流输电线路保护安装处的电压、电流突变量的方向特征进行分析；

步骤（2）提出判别电压、电流突变量方向的判据：

将电压突变量和电流突变量在一段时间内的积分值与设定门槛值比较，判别电压突变量和电流突变量的方向；

步骤（3）提出高压直流输电线路保护判据与方法。

2.如权利要求1所述的基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法，其特征是，所述步骤（1）中，在发生故障的瞬间,即控制***未启动或控制***开始调整但仍未调整到稳定状态的暂态过程中：

1)正极或负极线路发生区内故障时，该极线路上整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者方向相同；

2)发生极-极故障时，整流侧和逆变侧保护测量处的电压、电流突变量仍符合以上特征；

3)与区内故障时不同，正极和负极整流站和逆变站电抗器外侧故障时，线路两端保护测量处的电压、电流突变量的方向同时相同或同时相反；

4)交流母线处故障时电压、电流突变量的方向特征与对应的电抗器外侧故障相同。

3.如权利要求1所述的基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法，其特征是，所述步骤（2）中，

1)由于以上电压、电流突变量方向的暂态分析均为故障发生后至调节器的调节过程没有完成前这段时间，研究表明该调节过程至少需要5ms，因此数据窗长度不宜大于5ms；雷电干扰持续时间一般为3ms，因此数据窗长度宜大于3ms；综上，积分计算的数据窗长度为5ms；

2)直流电压控制的整定值通常选取为1.05p.u.，高阻抗接地时低电压保护判据定值取为0.7p.u.，则判别电压突变量方向的门槛值宜取在0.05~0.3p.u.之间；选取0.15倍的额定电压在5ms内的积分值作为判别电压突变量方向的门槛值；直流***电流控制特性中，绝大多数高压直流输电工程所采用的电流裕度都是0.1倍的额定电流，故障稳态电流为0.1倍的额定电流，因此，判别电流突变量方向的门槛值按0.1倍的额定电流在5ms内的积分值整定；

3)电压、电流突变量方向判别判据：

D_ir(Δu)＝1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;u}\right)>k_r{\mathrm{NU}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δu)＝-1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;u}\right)<-k_r{\mathrm{NU}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δi)＝1, $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;i}\right)>k_r{\mathrm{NI}}_{\mathrm{set}})$

D_ir(Δi)＝-1， $(\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\mathrm{\&Delta;i}\right)<-k_r{\mathrm{NI}}_{\mathrm{set}})$

式中，Δu、Δi分别表示电压、电流突变量，D_ir表示突变量方向；若

成立，Δu的方向为正，记为D_ir(Δu)=1；若

成立，Δu的方向为负，记为D_ir(Δu)=-1；同理，若

成立，Δi的方向为正，记为D_ir(Δi)=1；若

成立，Δi的方向为负，记为D_ir(Δi)=-1；

式中，m＝N，N为所选数据窗内的采样点个数，N为自然数；kr为可靠系数，取1.2~1.5；U_set=0.15U_n，U_n为直流输电***的额定电压；I_set=0.1I_n，I_n为直流输电***的额定电流；

4)电压、电流突变量的计算间距为10ms；若保护采样频率为10kHz，Δu和Δi的计算公式分别为：

Δu(K)＝u(K)-u(K-100)

Δi(K)＝i(K)-i(K-100)

式中，K为采样点个数，K为大于100的自然数；u(K)、i(K)分别表示电压、电流的第K个采样值，u(K-100)、i(K-100)分别表示电压、电流的第（K-100）个采样值，Δu(K)、Δi(k)分别表示计算得出的第K个电压、电流突变量的值。

4.如权利要求1所述的基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法，其特征是，所述步骤（3）中，高压直流输电线路保护判据：

线路区内故障时，整流侧保护测量处的电压突变量与电流突变量的方向相反，逆变侧两者的方向相同；此特征对正极线路和负极线路均适用；其他区外故障均不满足此条件；由此构成高压直流输电线路保护判据：

极i线路区内故障：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Ri}}\right)\&times;D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{Ri}}\right)=-1\\ D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{Ii}}\right)\&times;D_{\mathrm{ir}}\left({\mathrm{\&Delta;i}}_{\mathrm{Ii}}\right)=1\end{array}\right.$

i为p或n，指正极或负极线路；Δu_Rp和Δi_Rp分别为正极线路整流侧保护测量处的电压、电流突变量，Δu_Ip、Δi_Ip为正极线路逆变侧保护测量处的电压、电流突变量；Δu_Rn、Δi_Rn、Δu_In和Δi_In分别为负极线路整流侧和逆变侧保护测量处的电压、电流突变量。

5.如权利要求1所述的基于电压、电流突变方向的高压直流输电线路保护方法，其特征是，步骤（3）中高压直流输电线路保护方法：

在直流输电***中，识别线路故障后的电流关断和***重启功能都是在整流侧完成的；本发明的保护方法中，当整流侧电压突变量与电流突变量的方向相反，且接收到逆变侧电压突变量与电流突变量的方向相同的信息时，整流侧才会发出保护动作命令，并传递给逆变侧，然后两侧出口跳闸；在将逆变侧方向信息传递给整流侧时，站间通信时间约为20ms，考虑到同步时间补偿，应将整流侧方向信息输出延时20ms。

Images