CN103346542A - 基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，包括以下步骤：步骤1、实时监测整流站侧和逆变站侧的直流线路电流，如果在连续3ms时间内满足||I_R|-|I_I||>I_set时，则判断该高压直流输电线路中有故障点存在，执行步骤2；步骤2、分别从整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm，如果U_RFm≥0.1I_dR，则判断为区内高阻接地故障，延时t₁保护出口；如果U_RFm<0.1I_dR，则判断为区内金属性故障，延时t₂保护出口。本发明通过比较高压直流线路接地故障时故障点残余电压与高阻接地故障时初始稳态电压的大小，判断是否发生高阻接地故障，从而启动保护出口，其不受过渡电阻影响，弥补了现有直流线路保护高阻接地故障拒动的不足，提高了保护动作的灵敏性。

Description

基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法。

背景技术

高压直流输电线路多以行波保护作为快速主保护，电流差动保护作为慢速后备保护。行波保护动作速度快，不易受负载、长线分布电容等因素的影响,但在高阻接地故障时，易拒动。直流线路发生对地闪络等高阻接地故障时，如果不采取措施切除直流电源，则熄弧是非常困难的,如果故障持续存在，将严重影响直流输电***稳定运行和周围环境安全。

目前国内外行波保护包括ABB行波保护和Siemens行波保护。其原理如下：

1、ABB行波保护

ABB行波保护的基本原理是可利用直流线路上的电压和电流行波，以及电容冲击电流分别构成极波和地模波，通过检测极波的大小及其变化率实现直流线路的快速保护；并根据地模波的极性判断故障极。

2、Siemens行波保护

SIEMENS行波保护是基于直流线路发生接地故障时线路两端直流电压急剧下降的特点，采用电压下降率(du/dt)作为保护起动判据，并对故障前后极波的变化量进行积分，以积分值的大小作为保护动作判据。

3、现有行波保护的不足

初始行波幅值随过渡电阻增大而减小，而实际保护以差分计算电压变化率和变化量,因此二者随过渡电阻增大而减小。过渡电阻使电压变化率和变化量下降是目前行波保护难以检测线路高阻接地故障的主要原因。

故障行波是一种非平稳变化的高频暂态信号，是时间和频率的函数，利用传统的数学方法难以全面、准确地提取行波故障信息和描述行波故障特征。传统的互感器难以准确传递这种高频行波暂态信号，目前行波保护所采用的采样频率不足以扑捉到行波波头，当采样值受到噪声干扰时，行波保护将有可能出现误动。

发明内容

针对以上不足，本发明提供一种基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，其通过比较高压直流线路接地故障时故障点残余电压与高阻接地故障时初始稳态电压的大小，判断是否发生高阻接地故障，从而启动保护出口，闭锁高压直流***。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，包括以下步骤：

步骤1、实时监测整流站侧和逆变站侧的直流线路电流，如果在连续3ms时间内满足式（1）时，则判断该高压直流输电线路中有故障点存在，执行步骤2；

||I_R|-|I_I||>I_set    （1）

其中，I_R为整流站侧的直流线路电流，I_I为逆变站侧的直流线路电流，I_set为设定值，I_set=max{1.6I_co,0.05I_n}，I_co为整流站侧传感器和逆变站侧传感器在额定电流时的误差值，I_n为直流输电***额定电流；

步骤2、分别从整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm，二者满足式（2）：

|U_RFm-U_IFm|≤10^-3kV    （2）

如果U_RFm≥0.1I_dR，则判断为区内高阻接地故障，延时t₁保护出口；

如果U_RFm<0.1I_dR，则判断为区内金属性故障，延时t₂保护出口；

其中：I_d为故障前整流站侧的直流线路电流，R为300Ω，0.1I_dR为高阻接地故障时初始稳态电压。

所述整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{RFm}}=U_R\mathrm{ch}\left(\mathrm{rm}\right)-Z_C{I}_R\mathrm{sh}\left(\mathrm{rm}\right)\\ U_{\mathrm{IFm}}=U_I\mathrm{ch}\left(r(l-m)\right)-Z_C{I}_I\mathrm{sh}\left(r(l-m)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式（3）中，l为该高压直流输电线路的总长，m为故障点距离整流站侧的长度，Z_c、r分别为该高压直流输电线路的波阻抗、单位长度的电阻，U_R为整流站侧的直流线路电压，U_I为逆变站侧的直流线路电压。

在步骤2之前还包括：

计算故障点的位置；

所述故障点的位置的计算方法为：

令

其中，n为正整数，对m从n=1依次取值，直至满足式（2）；两项之间的±选用+或-的方法是：如果

时，U_IFm-U_RFm>10^-3kV，则令

继续比较U_RFm和U_IFm的大小，反之，如果

时，U_RFm-U_IFm>10^-3kV，则令

继续比较U_RFm和U_IFm的大小，其中a为正整数且1≤a<n。

所述t₁为3ms。

所述t₂为2ms。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）本发明不受过渡电阻影响，可以有效识别高阻接地故障，弥补了现有直流线路保护高阻接地故障拒动的不足，提高了保护动作的灵敏性。

（2）保护动作时限短，从发生故障至保护动作共需35ms左右，满足保护动作快速性要求，弥补了纵差保护动作延时过长（约1秒）的不足。

（3）实际工程中易于实现，不需要额外硬件设备和电缆，只需对现有高压直流输电线路保护软件逻辑进行修改，不影响控制***的稳定运行。

（4）该保护作为直流线路主保护（行波保护）的近后备保护，优化了直流线路保护的整体配置。

附图说明

图1为本发明基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法的流程图；

图2为高压直流输电线路的结构示意图；

图3为高压直流输电线路发生故障后，整流站侧和逆变站侧至故障点的沿线电压变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参照图1所示，并结合图2所示高压直流输电线路的模型图。一种分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，包括以下步骤：

S01、实时监测整流站侧和逆变站侧的直流线路电流，如果在连续3ms时间内满足式（1）时，则判断该高压直流输电线路中有故障点存在，执行S02，否则，继续监视整流站侧和逆变站侧的直流线路电流；

||I_R|-|I_I||>I_set    （1）

式（1）为本发明对高压直流输电线路进行保护的入口。其中，I_R为整流站侧的直流线路电流，I_I为逆变站侧的直流线路电流，I_set为设定值，I_set=max{1.6I_co,0.05I_n}，I_co为整流站侧传感器和逆变站侧传感器在额定电流时的误差值，I_n为直流输电***额定电流。

S02、计算故障点的位置（即计算故障点距离整流站侧的长度），然后分别从整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm，二者满足式（2）：

|U_RFm-U_IFm|≤10^-3kV    （2）

式（2）中10^-3为误差系数。

如果U_RFm≥0.1I_dR，则判断为区内高阻接地故障，延时t₁（优选3ms）保护出口；

如果U_RFm<0.1I_dR，则判断为区内金属性故障，延时t₂（优选2ms）保护出口；

其中：I_d为故障前整流站侧的直流线路电流，R为300Ω，0.1I_dR为高阻接地故障时初始稳态电压（固定值），区内高阻接地故障和区内金属性故障的保护出口方式相同，均采用闭锁高压直流输电线路，且保护出口后均启动高压直流输电线路故障重起功能。

整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{RFm}}=U_R\mathrm{ch}\left(\mathrm{rm}\right)-Z_C{I}_R\mathrm{sh}\left(\mathrm{rm}\right)\\ U_{\mathrm{IFm}}=U_I\left(r(l-m)\right)-Z_C{I}_I\mathrm{sh}\left(r(l-m)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式（3）中，l为该高压直流输电线路的总长，m为故障点距离整流站侧的长度，Z_c、r分别为该高压直流输电线路的波阻抗、单位长度的电阻，U_R为整流站侧的直流线路电压，U_I为逆变站侧的直流线路电压。

故障点的位置的计算方法可以是直接令式（3）中的两个公式相等，得到m的值。而由于该计算是通过微处理器进行的，直接计算则会花费较多时间，不能满足保护动作快速性的要求，为此，在本发明中，转换成机器语言对m的值进行计算，具体为，令：

$m=\frac{l}{2}\&PlusMinus;\frac{l}{2^2}\&PlusMinus;...\&PlusMinus;\frac{l}{2^n}---\left(4\right)$

其中，n为正整数，对通项公式（4）中的m从n=1依次取值，并代入式（3）中直至满足式（2）。通项公式（4）中两项之间的“±”择一选用正号或负号，选用正号或负号的原则是：如果时，U_IFm-U_RFm>10^-3kV，则令

继续比较U_RFm和U_IFm的大小，反之，如果时，U_RFm-U_IFm>10^-3kV，则令

继续比较U_RFm和U_IFm的大小，其中a为正整数且1≤a<n。

例如，首先取

将

代入式（3）中，若U_RFm-U_IFm>10^-3kV，则取然后将

再次代入式（3）中，若U_IFm-U_RFm>10^-3kV，则取

依次类推。

判断高压直流输电线路是否发生高阻接地故障的理论基础是：高压直流输电线路发生故障后，从整流站侧至故障点和从逆变站侧至故障点沿线电压均呈下降趋势，理想情况下沿线电压f(x)分布示意图如图3所示（横轴为故障点距离，纵轴为沿线电压f(x)，故障点为x_f）。并且从高压直流输电线路高阻接地故障初瞬间至高阻接地初始稳态过程中，随着直流控制***的作用，故障点的电压呈下降趋势，直到下降至初始稳态的残余电压。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的保护范围中。

Claims (5)

1.基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、实时监测整流站侧和逆变站侧的直流线路电流，如果在连续3ms时间内满足式（1）时，则判断该高压直流输电线路中有故障点存在，执行步骤2；

||I_R|-|I_I||>I_set    （1）

其中，I_R为整流站侧的直流线路电流，I_I为逆变站侧的直流线路电流，I_set为设定值，I_set=max{1.6I_co,0.05I_n}，I_co为整流站侧传感器和逆变站侧传感器在额定电流时的误差值，I_n为直流输电***额定电流；

步骤2、分别从整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm，二者满足式（2）：

|U_RFm-U_IFm|≤10^-3kV    （2）

如果U_RFm≥0.1I_dR，则判断为区内高阻接地故障，延时t₁保护出口；

如果U_RFm<0.1I_dR，则判断为区内金属性故障，延时t₂保护出口；

其中：I_d为故障前整流站侧的直流线路电流，R为300Ω，0.1I_dR为高阻接地故障时初始稳态电压。

2.根据权利要求1所述的基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，其特征在于，所述整流站侧计算故障点残余电压U_RFm和逆变站侧计算故障点残余电压U_IFm的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{RFm}}=U_R\mathrm{ch}\left(\mathrm{rm}\right)-Z_C{I}_R\mathrm{sh}\left(\mathrm{rm}\right)\\ U_{\mathrm{IFm}}=U_I\mathrm{ch}\left(r(l-m)\right)-Z_C{I}_I\mathrm{sh}\left(r(l-m)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式（3）中，l为该高压直流输电线路的总长，m为故障点距离整流站侧的长度，Z_c、r分别为该高压直流输电线路的波阻抗、单位长度的电阻，U_R为整流站侧的直流线路电压，U_I为逆变站侧的直流线路电压。

3.根据权利要求2所述的基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，其特征在于，在步骤2之前还包括：

计算故障点的位置；

所述故障点的位置的计算方法为：

令其中，n为正整数，对m从n=1依次取值，直至满足式（2）；两项之间的±选用+或-的方法是：如果

时，U_IFm-U_RFm>10^-3kV，则令

继续比较U_RFm和U_IFm的大小，反之，如果

时，U_RFm-U_IFm>10^-3kV，则令

继续比较U_RFm和U_IFm的大小，其中a为正整数且1≤a<n。

4.根据权利要求1或2所述的基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，其特征在于，所述t₁为3ms。

5.根据权利要求1或2所述的基于分布参数的高压直流输电线路高阻接地故障识别方法，其特征在于，所述t₂为2ms。

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