CN110568308B - 一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法，属于输电线路继电保护技术领域。首先读取位于输电线路M端和N端的高速采集装置测得的电压和电流数据；其次基于Bergeron线路模型由M端电压、电流推算出N端电流；用推算出的N端电流和实测的N端电流在故障后半线长时窗内，求电流积分值的差值，若其差值小于或等于设定的阈值则为区外故障，若其差值大于阈值，则初判为区内故障；再用计算得到的线路中点处以及线长3/4处的数值，进一步确定是否为区内故障。本发明避免了分布电容电流带来的不良影响，适用于特高压直流输电线路。仿真验证结果表明，该方法正确有效。

Description

一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故 障识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法，属于输电线路继电保护技术领域。

背景技术

我国电力能源与负荷中心分布呈现极不均匀态势，表现为能源资源主要集中于西部地区，而用电负荷中心大多位于东部经济发达地区。相对于交流输电而言，直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，能够保证两端交流电网的稳定运行，适宜于远距离大功率输电，可连接两个不同频率的***，实现非同期联网。直流输电线路的保护和故障定位是直流输电工程的重要组成部分。

据统输电线路故障占直流输电***故障比例超过50％，直流输电线路故障直接威胁了直流输电***的安全，同时也影响与其连接的交流电网的可靠运行。快速响应、可靠灵敏的直流线路保护是特高压直流输电乃至电力***安全运行的重要保障。本发明提出一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法，为输电线路的保护快速、有选择性的动作提供依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法，用以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法，首先读取位于输电线路M端和N端的高速采集装置测得的电压和电流数据；其次基于Bergeron线路模型由M端电压、电流推算出N端电流；用推算出的N端电流和实测的N端电流在故障初瞬短时窗内，求电流积分值的差值，若其差值小于或等于设定的阈值则为区外故障，若其差值大于阈值，则初判为区内故障；再用计算得到的线路中点处以及线长3/4处的数值，进一步确定是否为区内故障。

具体步骤：

Step1：读取故障时直流输电线路M端和N端的电流、电压行波数据；

Step2：基于Bergeron线路模型，根据式(1)由M端获取的数据推算出N端电流；

通过式(1)、(2)可分别由M端数据和N端数据推算出沿线电流分布，式中：I_{M f,s}(x,t)和I_{N f,s}(x,t)表示由M端数据和N端数据推算出的距离M端x处t时刻的电流值，x表示距离M端的距离，t表示任意时刻，Z_c,s表示输电线路的波阻抗，r_s表示单位长度上的线路电阻，v_s表示行波波速，l表示输电线路总长度；

和

表示

时刻M端检测到的电压和电流；

u_M,s(t)和i_M,s(t)分别表示t时刻M端检测到的电压和电流；

和

表示

时刻M端检测到的电压和电流；

和

表示

时刻N端检测到的电压和电流；

u_N,s(t)和i_N,s(t)分别表示t时刻N端检测到的电压和电流；

和

表示

时刻N端检测到的电压和电流；

Step3：将Step2中推算出的N端电流与N端检测到的实际电流选取故障后半线长时窗内积分并相减，若差值小于整定值，则判断为区外故障；若差值大于等于整定值则初步判定为区内故障，并转入第四步作进一步判定，判据如下：

若

则为区外故障； (3)

若

则初判为区内故障； (4)

Step4：基于Bergeron线路模型，由M端获取的数据推算出线路中点处电流与由N端获取数据推算出线路中点处的电流在故障后半线长时窗内积分并相减，若差值小于整定值，则判断为区内故障；若差值大于等于整定值，则判断为远距离高阻故障，转入第五步作进一步判定，故障时刻中点处的电流分别用式(1)、(2)推算可得，判据如下：

若

则确定为区内故障； (5)

若

则需进一步判定； (6)

Step5：基于Bergeron线路模型，由M端获取的数据推算出线长3/4处的电流与由N端获取数据推算出线长1/4处的电流在故障后半线长时窗内积分并相减，若差值小于整定值，则判断为区内故障；若差值大于等于整定值，则判定失效，故障时刻距离M端3/4线长处的电流分别用式(1)、(2)推算可得，判据如下：

若

则确定为区内故障； (7)

若

则判定失效； (8)

上述(3)～(8)式中，t₀为故障发生时刻，Δt为时积分时窗，I_M,l,s(t)为由M推算出的N端电流，I_N(t)为N端检测到的电流，ΔI_1set为整定值，ΔI_1set＝2；I_M,l/2,s(t)为由M推算出的线路中点处的电流，I_N,l/2,s(t)为N推算出的线路中点处的电流，ΔI_2set为整定值，ΔI_2set＝0.4，I_M,3l/4,s(t)为由M推算出的线长3/4处的电流，I_N,l/4,s(t)为N推算出的线长1/4处处的电流，ΔI_3set为整定值，ΔI_3set＝10。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所提出的判断区内外故障的方法基于Bergeron输电线路模型的沿线电流分布计算公式和基尔霍夫电流定律，原理简单。

(2)参考点的电流计算到了参考点的两侧，避免了分布电流带来的不良影响。

(3)选取了线路N端、l/2处、3l/4处作为参考点，分别计算3个参考点的两端Bergeron电流与横轴的积分差值，判断故障位于线路内部或是外部，多个参考点的选取避免了计算值受唯一参考点影响的问题。

附图说明

图1是本发明特高压直流输电***仿真模型图；

图2是本发明f1故障情况下由M端推算至N端的推算电流值和N端实测电流值图；

图3是本发明f1故障情况下由M端、N端推算至线路中点时的推算电流值图；

图4是本发明f2故障情况下由M端推算至N端的推算电流值和N端实测电流值图；

图5是本发明f2故障情况下由M端、N端推算至线路中点时的推算电流值图；

图6是本发明f2故障情况下由M端推算至3l/4处和N端推算至3l/4时的推算电流值图；

图7是本发明f3故障情况下由M端推算至N端的推算电流值和N端实测电流值图；

图8是本发明f3故障情况下由M端、N端推算至线路中点时的积分差值图；

图9是本发明f4故障情况下由M端推算至N端的推算电流值和N端实测电流值图；

图10是本发明f4故障情况下由M端、N端推算至线路中点时的推算电流值图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

本发明用PSCAD/EMTDC仿真软件对高压直流输电线模型进行仿真验证，作用仿真模型为真双极两端LCC直流输电***，其中M端到N端的线路长度为3300km，电压等级为±1100kV，为仿真模型拓扑如图1所示，仿真时的采样频率为50kHz，以行波传播一半线路长度所需的时间(xl/2v_s)作为时窗，即以故障后5.56ms作为数据处理时窗，0.8s时刻发生故障。输电线路波阻抗Z_c,s＝390.1416Ω，电阻r_s＝0.04633Ω/km,波速度v_s＝2.9657×10⁵km/s。

具体实施如下：

实施例1：图1所示的高压直流输电***模型中，M端和N端为量测端。MN区段内发生单极接地故障f1，故障距离M端1908km，过渡电阻为20Ω。

(1)根据说明书中的step1，分别用量测端M和量测端N获取到故障后5.6ms时窗内的电流、电压i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)。

(2)根据step2，以M端为参考端，将M端获取的数据代入式(1)中，推算出满足贝杰龙模型时N端的电流I_M,s,l(t)。

(3)根据step3,对step1获取的到N端电流I_N(t)和step2推算得出N端电流I_M,s,l(t)在半线长时窗内积分，并计算其积分差值，即

求得其值为2.7962。与保护判据ΔI_1set进行比较，2.7962＞ΔI_1set＝2,初步判断故障发生在MN区段内。

(4)根据step4，对故障位置进行进一步确定，分别由M端和N端原始数据由式(1)、式(2)推算出线路中点l/2处的电流，即将i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)代入式(1)、式(2)，分别由M端和N端数据推得线路中点处的电流为I_M,l/2,s(t)和I_N,l/2,s(t)。在半线长时窗内计算积分差值并与保护判据ΔI_2set进行比较，即

求得其积分差值为0.3552，与保护判据ΔI_2set进行比较，0.3552＜ΔI_2set＝0.4，小于阈值，可知故障在MN区段内。

实施例2：图1所示的高压直流输电***模型中，M端和N端为量测端。MN区段内发生单极接地故障f2，故障距离M端3279km，过渡电阻为50Ω。

(1)根据说明书中的step1，分别用量测端M和量测端N获取到故障后5.6ms时窗内的电流、电压i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)。

(2)根据step2，以M端为参考端，将M端获取的数据代入式(1)中，推算出满足贝杰龙模型时N端的电流I_M,s,l(t)。

(3)根据step3,对step1获取的到N端电流I_N(t)和step2推算得出N端电流I_M,s,l(t)在半线长时窗内积分，并计算其积分差值，即

求得其值为2.2701。与保护判据ΔI_1set进行比较，2.2701＞ΔI_1set＝2,初步判断故障发生在MN区段内。

(4)根据step4，对故障位置进行进一步确定，分别由M端和N端原始数据由式(1)、式(2)推算出线路中点l/2处的电流，即将i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)代入式(1)、式(2)，分别由M端和N端数据推得线路中点处的电流为I_M,l/2,s(t)和I_N,l/2,s(t)。在半线长时窗内计算积分差值并与保护判据ΔI_2set进行比较，即

求得其积分差值为7.5492，与保护判据ΔI_2set进行比较，则有7.5492＞ΔI_2set＝0.4，差值大于阈值，有可能为远距离高阻故障，需要转入第五步作进一步判定。

(5)根据step5，由M端获取的数据推算出线长3l/4处的电流与由N端获取数据推算出线长1l/4处的电流在故障后半线长时窗内积分并相减，即

求得其积分差值为9.4233，与保护判据ΔI_3set进行比较，则有9.4233＜ΔI_3set＝10，差值小于阈值，可判断故障在MN区段内。

实施例3：图1所示的高压直流输电***模型中，M端和N端为量测端。在整流侧发生A相接地短路故障f3。

(1)根据说明书中的step1，分别用量测端M和量测端N获取到故障后5.6ms时窗内的电流、电压i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)。

(2)根据step2，以M端为参考端，将M端获取的数据代入式(1)中，推算出满足贝杰龙模型时N端的电流I_M,s,l(t)。

(3)根据step3，对step1获取的到N端电流I_N(t)和step2推算得出N端电流I_M,s,l(t)在半线长时窗内积分，并计算其积分差值，即

求得其值为1.4787。与保护判据ΔI_1set进行比较，1.4787＜ΔI_1set＝2,判断故障发生在MN区段外。

(4)根据step4，对故障位置进行进一步确定，分别由M端和N端原始数据由式(1)、式(2)推算出线路中点l/2处的电流，即将i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)代入式(1)、式(2)，分别由M端和N端数据推得线路中点处的电流为I_M,l/2,s(t)和I_N,l/2,s(t)。在半线长时窗内计算积分差值并与保护判据ΔI_2set进行比较，即

求得其积分差值为0.4946，与保护判据ΔI_2set进行比较，则有0.4946＞ΔI_2set＝0.4，差值大于阈值。两次判定均为MN区段外故障。

实施例4：图1所示的高压直流输电***模型中，M端和N端为量测端。在逆变侧发生AB两相短路接地故障f4。

(1)根据说明书中的step1，分别用量测端M和量测端N获取到故障后5.6ms时窗内的电流、电压i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)。

(2)根据step2，以M端为参考端，将M端获取的数据代入式(1)中，推算出满足贝杰龙模型时N端的电流I_M,s,l(t)。

(3)根据step3,对step1获取的到N端电流I_N(t)和step2推算得出N端电流I_M,s,l(t)在半线长时窗内积分，并计算其积分差值，即

求得其值为0.3770。与保护判据ΔI_1set进行比较，0.3770＜ΔI_1set＝2,判断故障发生在MN区段外。

(4)根据step4，对故障位置进行进一步确定，分别由M端和N端原始数据由式(1)、式(2)推算出线路中点l/2处的电流，即将i_M,s(t)、i_N,s(t)、I_M(t)、I_N(t)代入式(1)、式(2)，分别由M端和N端数据推得线路中点处的电流为I_M,l/2,s(t)和I_N,l/2,s(t)。在半线长时窗内计算积分差值并与保护判据ΔI_2set进行比较，即

求得其积分差值为1.7079，与保护判据ΔI_2set进行比较，则有1.7079＞ΔI_2set＝0.4，差值大于阈值。两次判定均为MN区段外故障。

以上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 (1)

1.一种基于Bergeron线路模型的特高压直流输电线路区内外故障识别方法，其特征在于：首先读取位于输电线路M端和N端的高速采集装置测得的电压和电流数据；其次基于Bergeron线路模型由M端电压、电流推算出N端电流；用推算出的N端电流和实测的N端电流在故障后半线长窗内，求电流积分值的差值，若其差值小于整定值则为区外故障，若其差值大于或等于整定值，则初判为区内故障；再用计算得到的线路中点处以及线长3/4处的数值，进一步判断是否为区内故障；

具体步骤：

Step1：读取故障时直流输电线路M端和N端的电流、电压行波数据；

Step2：基于Bergeron线路模型，根据式(1)由M端获取的数据推算出N端电流；

通过式(1)、(2)可分别由M端数据和N端数据推算出沿线电流分布，式中：I_Mf,s(x,t)和I_Nf,s(x,t)表示由M端数据和N端数据推算出的距离M端x处t时刻的电流值，x表示距离M端的距离，t表示任意时刻，Z_c,s表示输电线路的波阻抗，r_s表示单位长度上的线路电阻，v_s表示行波波速，l表示输电线路总长度；

和

表示

时刻M端检测到的电压和电流；

u_M,s(t)和i_M,s(t)分别表示t时刻M端检测到的电压和电流；

和

表示

时刻M端检测到的电压和电流；

和

表示

时刻N端检测到的电压和电流；

u_N,s(t)和i_N,s(t)分别表示t时刻N端检测到的电压和电流；

和

表示

时刻N端检测到的电压和电流；

Step3：将Step2中推算出的N端电流与N端检测到的实际电流选取故障后半线长时窗内积分并相减，若差值小于整定值，则判断为区外故障；若差值大于或等于整定值则初步判定为区内故障，并转入第四步作进一步判定，判据如下：

若

若

Step4：基于Bergeron线路模型，由M端获取的数据推算出线路中点处电流与由N端获取数据推算出线路中点处的电流在故障后半线长时窗内积分并相减，若差值小于整定值，则判断为区内故障；若差值大于等于整定值，则判断为远距离高阻故障，转入第五步作进一步判定，故障时刻中点处的电流分别用式(1)、(2)推算可得，判据如下：

若

若

Step5：基于Bergeron线路模型，由M端获取的数据推算出线长3/4处的电流与由N端获取数据推算出线长1/4处的电流在故障后半线长时窗内积分并相减，若差值小于整定值，则判断为区内故障；若差值大于等于整定值，则判定失效，故障时刻距离M端3/4线长处的电流分别用式(1)、(2)推算可得，判据如下：

若

若

上述(3)～(8)式中，t₀为故障发生时刻，Δt为时积分时窗，I_M,l,s(t)为由M推算出的N端电流，I_N(t)为N端检测到的电流，ΔI_1set为整定值，ΔI_1set＝2；I_M,l/2,s(t)为由M推算出的线路中点处的电流，I_N,l/2,s(t)为N推算出的线路中点处的电流，ΔI_2set为整定值，ΔI_2set＝0.4，I_M,3l/4,s(t)为由M推算出的线长3/4处的电流，I_N,l/4,s(t)为N推算出的线长1/4处处的电流，ΔI_3set为整定值，ΔI_3set＝10。

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