CN104538940A - 一种特高压直流输电线路单端保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压直流输电线路单端保护方法，属于高压直流输电***继电保护技术领域。本发明首先利用数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据并求取1模分量；然后将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量并对其进行求和运算，接着根据求和结果判断信号是来自整流侧区外还是来自线路或者逆变侧区外；对于来自线路或者逆变侧区外的故障电流信号利用希尔伯特黄变换求得其瞬时频率极大值，再将所求的瞬时频率极大值与预设门槛值作比较来判断故障发生在线路上还是逆变侧区外。本发明可以实现特高压直流输电线路全线保护，并能够保证良好的速动性。

Description

一种特高压直流输电线路单端保护方法

技术领域

本发明涉及一种特高压直流输电线路单端保护方法，属于高压直流输电***继电保护技术领域。

背景技术

目前直流线路保护中均以行波保护为主保护，以微分欠压保护、差动保护为后备保护。行波保护和微分欠压保护在高阻接地故障时容易拒动，电流差动保护灵敏度不高，保护动作较慢。

利用边界对高频量衰减特性的暂态保护是特高压直流输电线路保护的发展方向，近几年学者们研究的利用边界对高频量衰减特性的暂态保护是特高压直流输电线路保护方法通常没有考虑特高压直流超长输电线路的衰减特性，因而不能实现真正意义上的全线保护。因此有必要研究具有更高可靠性和能实现全线保护的特高压直流输电线保护方法。

发明内容

本发明提供了一种特高压直流输电线路单端保护方法，以用于实现特高压直流输电线路全线保护。

本发明的技术方案是：一种特高压直流输电线路单端保护方法，首先利用数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据并求取1模分量；然后将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量并对其进行求和运算，接着根据求和结果判断信号是来自整流侧区外还是来自线路或者逆变侧区外；对于来自线路或者逆变侧区外的故障电流信号利用希尔伯特黄变换求得其瞬时频率极大值，再将所求的瞬时频率极大值与预设门槛值作比较来判断判断故障发生在线路上还是逆变侧区外。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、当特高压直流输电***发生故障后，整流侧数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据，正极线电流为i⁺，负极线电流为i^-，并求取1模分量i_l；

Step2、将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量Δi，对Δi进行求和运算，得到

如果求和结果P小于零，则判断故障位于整流侧区外，线路保护不动作；

如果求和结果P大于零，则判断故障位置位于线路或者逆变侧区外，接着执行步骤Step3；式中，t₀表示故障起始时刻，Δt表示采样间隔，n＝1、2...K表示采样的点数；

Step3、对故障电流信号利用EMD分解得到最高分量IMF1，对IMF1进行希尔伯特变换，求得其瞬时频率极大值f_max，将f_max与预设门槛值F_set作比较：

若f_max≥F_set，则判断为线路故障，线路保护动作；

若f_max＜F_set，则判断为逆变侧区外故障，线路保护不动作。

所述步骤Step1中数据采集装置采样频率为10kHz。

本发明的工作原理是：

直流输电***发生故障时，整流侧保护装置采集的故障电流呈现特定的突变规律，利用如图1所示的双极***来具体说明。当d₁处发生接地故障时，故障电流I_f1不经过保护装置而是从故障点通过接地极流回整流站，导致保护装置处检测到的电流减小；当线路d₂处或者逆变侧母线d₃处发生接地故障时，同样会产生故障电流I_f2和I_f3，但此时的故障电流仍然经过整流侧保护装置处，导致保护装置处检测到的电流增大。

对于整流侧保护装置，来自本侧区外和对侧的故障电流信号突变方向相反，来自本侧区外的故障电流向下突变，来自对侧的故障电流向上突变。据此，对突变点处的信号进行求导运算，如果求导结果在一段连续时间内恒大于零可认为故障电流信号来自线路或者对侧区外，如果求导结果在一段连续时间内恒小于零可认为故障电流信号来自本侧区外。但这种判断方法的缺陷是信号中的高频谐波分量会影响求导结果，导致判断不准确。

利用检测到的正负极线上的电流求取1模电流分量，1模分量的求取公式为：

i_l＝i⁺-i^-  (1)

如果定义直接检测到的故障状态下的电流减去故障前正常运行时的电流为故障电流变化量，那么故障电流变化Δi可表示为

Δi＝i_l-i_normal  (2)

其中i_l表示故障状态下检测到的线模电流，i_normal为正常运行时的1模电流。很显然公式(2)的作用就是将故障电流在坐标系中向下平移i_normal个单位，使得故障电流变化量在故障起始一段时间内偏向横轴某一侧。如果故障电流信号来自对侧，故障电流变化量在故障起始一段时间偏向横轴上方；若果故障电流信号来自本侧区外，故障电流变化量在故障起始一段时间偏向横轴下方。对故障电流做这样的处理的好处是：如果对Δi在故障起始一段时间进行积分运算结果将只有大于零和小于零两种情况，从而可以判断故障信号来自哪个方向。由于采集的信号和计算机处理信号都是离散的，用如下求和方式代替对Δi的求积分运算：

$P=\underset{t_0}{\overset{t_0+\mathrm{K\Δt}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δi}(t_0+\mathrm{n\Δt})(n=\mathrm{1,2}...K)---\left(3\right)$

其中t₀表示故障起始时刻，Δt表示采样间隔，KΔt表示故障后一段时间。通过比较P与0的大小就可判断信号是来自本侧区外还是来自线路或者对侧区外，判据如下：

若P>0，判断为故障电流信号来自线路或者对侧区外；

若P<0，判断为故障电流信号来自本侧区外。

当排除整流侧区外故障之后，需要进一步判断故障信号来自线路还是逆变侧区外，判断故障信号来自线路还是逆变侧区外的原理如图2所示。当逆变侧区外d₂点发生故障时，故障产生的故障高频暂态电流信号要通过特高压直流输电线路“边界”和特高压直流输电线路的双重衰减后才能到达整流侧保护安装处；而当区内线路末端d₁点故障时，故障所产生的故障高频暂态电流信号则只通过特高压直流输电线路的衰减就能到达整流侧保护安装处。因此通过提取来自对侧的故障电流特征量，并与预先设置的阈值作比较，便可判断故障发生在线路上还是对侧区外。其特征量的提取利用希尔伯特黄变换，方法如下：

1、对故障电流信号进行EMD分解，提取包含最高频率分量的IMF1分量；

2、对IMF1分量进行希尔伯特变换，求得IMF1的瞬时频率，提取其中的极大值f_max；

3、将f_max和预设阈值F_set作比较，若f_max≥F_set判断为线路故障，线路保护动作；若f_max＜F_set，判断为逆变侧区外故障，线路保护不动作。

本发明的有益效果是：利用了故障后整流侧单端检测到的一段时窗内的故障暂态电流可以实现特高压直流输电线路全线保护，并能够保证良好的速动性。

附图说明

图1为故障电流突变方向原理图；

图2为区分故障是位于线路还是逆变侧区外原理图；

图中各标号为：1-交流***，2-换流变压器，3-整流桥，4-逆变桥，5-平波电抗器，6-直流滤波器，7-直流线路，8-保护装置。

具体实施方式

实施例1：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，首先利用数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据并求取1模分量；然后将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量并对其进行求和运算，接着根据求和结果判断信号是来自整流侧区外还是来自线路或者逆变侧区外；对于来自线路或者逆变侧区外的故障电流信号利用希尔伯特黄变换求得其瞬时频率极大值，再将所求的瞬时频率极大值与预设门槛值作比较来判断判断故障发生在线路上还是逆变侧区外。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、当特高压直流输电***发生故障后，整流侧数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据，正极线电流为i⁺，负极线电流为i^-，并求取1模分量i_l；

Step2、将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量Δi，对Δi进行求和运算，得到

如果求和结果P小于零，则判断故障位于整流侧区外，线路保护不动作；

如果求和结果P大于零，则判断故障位置位于线路或者逆变侧区外，接着执行步骤Step3；式中，t₀表示故障起始时刻，Δt表示采样间隔，n＝1、2...K表示采样的点数；

Step3、对故障电流信号利用EMD分解得到最高分量IMF1，对IMF1进行希尔伯特变换，求得其瞬时频率极大值f_max，将f_max与预设门槛值F_set作比较：

若f_max≥F_set，则判断为线路故障，线路保护动作；

若f_max＜F_set，则判断为逆变侧区外故障，线路保护不动作。

所述步骤Step1中数据采集装置采样频率为10kHz。

实施例2：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，首先利用数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据并求取1模分量；然后将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量并对其进行求和运算，接着根据求和结果判断信号是来自整流侧区外还是来自线路或者逆变侧区外；对于来自线路或者逆变侧区外的故障电流信号利用希尔伯特黄变换求得其瞬时频率极大值，再将所求的瞬时频率极大值与预设门槛值作比较来判断判断故障发生在线路上还是逆变侧区外。

所述方法的具体步骤如下：

Step1、当特高压直流输电***发生故障后，整流侧数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据，正极线电流为i⁺，负极线电流为i^-，并求取1模分量i_l；

Step2、将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量Δi，对Δi进行求和运算，得到

如果求和结果P小于零，则判断故障位于整流侧区外，线路保护不动作；

如果求和结果P大于零，则判断故障位置位于线路或者逆变侧区外，接着执行步骤Step3；式中，t₀表示故障起始时刻，Δt表示采样间隔，n＝1、2...K表示采样的点数；

Step3、对故障电流信号利用EMD分解得到最高分量IMF1，对IMF1进行希尔伯特变换，求得其瞬时频率极大值f_max，将f_max与预设门槛值F_set作比较：

若f_max≥F_set，则判断为线路故障，线路保护动作；

若f_max＜F_set，则判断为逆变侧区外故障，线路保护不动作。

实施例3：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，所述方法的具体步骤如下：整流侧正极母线发生接地故障，过渡电阻为1欧姆。采集故障行波首波头到达后5ms时窗内两极线上的电流，并求得电流1模分量；求取故障电流变化量Δi(其中，本实例中i_normal为***满负荷正常运行时的值，值大小为6.25kA)，再利用公式求得P值为-148.8482，判断为整流侧区外故障，保护不动作。

因本发明中采样率为10kHz，采样时窗为5ms，所用的K值为50，后面的实例中相同。

实施例4：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，所述方法的具体步骤如下：距离整流侧800km的线路正极线处发生接地故障，过渡电阻为100欧姆。采集故障行波首波头到达后5ms时窗内两极线上的电流，并求得电流1模分量；求取故障电流变化量Δi(其中，本实例中i_normal为***满负荷正常运行时的值，大小为6.25kA)，再利用公式求得P值为51.0254，判断为线路或逆变侧区外发生故障，接着进一步判断故障信号来自线路还是逆变侧区外。

实施例5：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，所述方法的具体步骤如下：逆变侧区外负极母线发生接地故障，过渡电阻为10欧姆。采集故障行波首波头到达后5ms时窗内两极线上的电流，并求得电流1模分量；求取故障电流变化量Δi(其中，本实例中i_normal为***满负荷正常运行时的值，大小为6.25kA)，再利用公式求得P值为106.5706，判断为线路或逆变侧区外发生故障。对故障电流信号利用EMD分解得到最高分量IMF1，对IMF1进行希尔伯特变换，求得其瞬时频率极大值f_max＝479，将f_max与预设门槛值F_set作比较，对本***模型进行大量仿真经验表明当线路故障时f_max通常为几千赫兹，而逆变侧区外故障时f_max通常为几百赫兹，所以门槛值F_set的大小根据经验取值为1000Hz。很显然479小于1000，所以判断为逆变侧区外故障，线路保护不动作。

实施例6：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，所述方法的具体步骤如下：距离整流侧700km的线路负极线处发生接地故障，过渡电阻为10欧姆。采集故障行波首波头到达后5ms时窗内两极线上的电流，并求得电流1模分量；求取故障电流变化量Δi(其中，本实例中i_normal为***满负荷正常运行时的值，大小为6.25kA)，再利用公式求得P值为72.6001，判断为线路或逆变侧区外发生故障。对故障电流信号利用EMD分解得到最高分量IMF1，对IMF1进行希尔伯特变换，求得其瞬时频率极大值f_max＝3307，将f_max与预设门槛值F_set作比较，门槛值F_set的大小根据经验取值为1000Hz。很显然3307大于1000，所以判断为线路发生故障，线路保护动作。

实施例7：如图1-2所示，一种特高压直流输电线路单端保护方法，所述方法的具体步骤如下：

用本发明对不同条件下的区内外故障进行测试，得到不同条件下的测距结果如表1所示，门槛值F_set的大小根据经验取值为1000Hz：

表1 测距结果

分析表1中所示仿真结果可知，不同过渡电阻，不同故障极条件下，本发明方法均能正确识别区内外故障。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种特高压直流输电线路单端保护方法，其特征在于：首先利用数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据并求取1模分量；然后将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量并对其进行求和运算，接着根据求和结果判断信号是来自整流侧区外还是来自线路或者逆变侧区外；对于来自线路或者逆变侧区外的故障电流信号利用希尔伯特黄变换求得其瞬时频率极大值，再将所求的瞬时频率极大值与预设门槛值作比较来判断判断故障发生在线路上还是逆变侧区外。

2.根据权利要求1所述的特高压直流输电线路单端保护方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

Step1、当特高压直流输电***发生故障后，整流侧数据采集装置采集故障电流行波首波头到达后5ms时窗内的故障电流数据，正极线电流为i⁺，负极线电流为i^-，并求取1模分量i_l；

Step2、将1模分量电流信号减去故障前正常运行时的1模电流，得到故障电流变化量Δi，对Δi进行求和运算，得到 $P=\underset{t_0}{\overset{t_0+\mathrm{K\&Delta;t}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;i}(t_0+\mathrm{n\&Delta;t}):$

如果求和结果P小于零，则判断故障位于整流侧区外，线路保护不动作；

如果求和结果P大于零，则判断故障位置位于线路或者逆变侧区外，接着执行步骤Step3；式中，t₀表示故障起始时刻，Δt表示采样间隔，n＝1、2...K表示采样的点数；

Step3、对故障电流信号利用EMD分解得到最高分量IMF1，对IMF1进行希尔伯特变换，求得其瞬时频率极大值f_max，将f_max与预设门槛值F_set作比较：

若f_max≥F_set，则判断为线路故障，线路保护动作；

若f_max＜F_set，则判断为逆变侧区外故障，线路保护不动作。

3.根据权利要求2所述的特高压直流输电线路单端保护方法，其特征在于：所述步骤Step1中数据采集装置采样频率为10kHz。