CN113572139A - 一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法及装置 - Google Patents

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CN113572139A CN202110784256.6A CN202110784256A CN113572139A CN 113572139 A CN113572139 A CN 113572139A CN 202110784256 A CN202110784256 A CN 202110784256A CN 113572139 A CN113572139 A CN 113572139A
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戴国安
倪传坤
李卓凡
崔晨
付艳
康建爽
孙巍峰
周晓风
李星奎
孙攀磊
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XJ Electric Co Ltd
Xuchang XJ Software Technology Co Ltd
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Xuji Group Co Ltd
XJ Electric Co Ltd
Xuchang XJ Software Technology Co Ltd
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    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法及装置，其中方法包括：获取本端线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；由直流线路电压突变量构造保护启动判据；依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算故障电压反行波的时域能量值；依据故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。通过采集本端正负极的电压、电流信号，由直流线路电压突变量构成启动判据，得到本端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据，区内外边界明显，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。

Description

一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法及装置
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法及装置。
背景技术
我国高压直流输电技术虽然起步较晚，经过二十多年的努力，我国直流输电技术水平逐提高,目前我国高压直流装机容量已在世界上遥遥领先。而柔性直流输电是最近几年发展的一个重要热点，作为新一代直流输电技术，它有着灵活,坚强,高效的特点,在实际使用时可以充分利用可再生能源,减少社会资源的损耗,是直流输电在未来发展的必然趋势。更重要的是它不存在常规直流不可避免的换相失败，所以近几年在直流输配电中得到了广泛的应用。
柔性直流线路故障电流具有上升速度快,峰值大的特点。对于类似张北柔性直流全是半桥型子模块的换流器拓扑结构而言，为了降低过电流对设备的冲击，导致两个及以上换流器同时闭锁，直流保护动作时间明确要求不能超过3ms。为了限制故障电流骤升电力电子元器件不被损坏,通常会在直流断路器中串联限流电抗器,形成直流线路的天然边界,但这也导致了故障电压暂态过程变化时间延长，为直流线路保护赢得了时间。区内故障时,线路两端保护安装处的暂态电压、电流高频分量明显大于区外故障，基于此特征，本发明提出一种柔性直流输电线路单端量保护方法及装置。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法及装置，通过采集本端直流输电线路正负极的电压、电流信号，由直流线路电压突变量构成启动判据，进而得到本端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据，仅采用本端的电压、电流电气量，区内外边界明显，易于整定，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法，包括如下步骤：
获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；
由直流线路电压突变量构造保护启动判据；
依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算所述故障电压反行波的时域能量值；
依据所述故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。
进一步地，所述由直流线路电压突变量构造保护启动判据，具体为：
Figure BDA0003158479760000021
式中：Δu(k)为当前时刻所述直流线路电压突变量，u(k)为当前时刻电压采样值，u(k-1)为当前时刻前1个周期的所述电压采样值，Δ1为启动判据门槛值。
进一步地，所述故障电压反行波为：
ub(t)＝[Δu(t)-zcΔi(t)]/2，
式中：zc为输电线路波阻抗，Δu(t)为电压故障分量，Δi(t)为电流故障分量。
进一步地，所述故障电压反行波时域能量值Eb的计算：
Figure BDA0003158479760000022
其中，T0为保护启动判据启动时刻，Ts为所述积分窗长。
进一步地，所述区内外故障识别判据：
Eb＞k·Emax,
其中，Eb为暂态故障反行波时域能量值，Emax为区外极母线金属性接地故障反行波时域能量最大值，k为可靠系数。
进一步地，所述构成区内外故障识别判据之后，还包括：
依据共模电压故障分量，构成故障选极判据。
进一步地，所述依据共模电压故障分量构成故障选极判据，包括：
Figure BDA0003158479760000031
其中，u0为共模电压,up、un分别为两极正负极电压；Δu0为共模电压故障分量，u0(0)为正常运行共模电压；Δ2为启动判据门槛值。
相应地，本发明实施例的第一方面提供了一种柔性直流输电线路单端量故障保护***，包括：
获取模块，其用于获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；
第一判定模块，其用于由直流线路电压突变量构造保护启动判据；
计算模块，其用于依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算所述故障电压反行波的时域能量值；
第二判定模块，其用于依据所述故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。
进一步地，所述第一判定模块的判据具体为：
Figure BDA0003158479760000032
式中：Δu(k)为当前时刻所述直流线路电压突变量，u(k)为当前时刻电压采样值，u(k-1)为当前时刻前1个周期的所述电压采样值，Δ1为启动判据门槛值。
进一步地，所述故障电压反行波具体为：
ub(t)＝[Δu(t)-zcΔi(t)]/2，
式中：zc为输电线路波阻抗，Δu(t)为电压故障分量，Δi(t)为电流故障分量。
进一步地，所述故障电压反行波时域能量值Eb的计算公式为：
Figure BDA0003158479760000041
其中，T0为保护启动判据启动时刻，Ts为所述积分窗长。
进一步地，所述区内外故障识别判据：
Eb＞k·Emax,
其中，Eb为暂态故障反行波时域能量值，Emax为区外极母线金属性接地故障反行波时域能量最大值，k为可靠系数。
进一步地，所述柔性直流输电线路单端量故障保护装置还包括：
第三判定模块，其用于依据共模电压故障分量，构成故障选极判据。
进一步地，所述第三判定模块的判据为：
Figure BDA0003158479760000042
其中，u0为共模电压,up、un分别为两极正负极电压；Δu0为共模电压故障分量，u0(0)为正常运行共模电压；Δ2为启动判据门槛值。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
通过采集本端直流输电线路正负极的电压、电流信号，由直流线路电压突变量构成启动判据，进而得到本端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据，仅采用本端的电压、电流电气量，区内外边界明显，易于整定，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
附图说明
图1是高压直流输电***故障正方向示意图；
图2是两端区外发生故障时反行波传输过程图；
图3是本发明实施例提供的柔性直流输电线路单端量故障保护方法流程图；
图4是本发明实施例提供的柔性直流输电线路单端量故障保护方法逻辑图；
图5是本发明实施例提供的柔性直流输电线路单端量故障保护装置模块框图。
附图标记：
1、获取模块，2、第一判定模块，3、计算模块，4、第二判定模块，5、第三判定模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是高压直流输电***故障正方向示意图。
图2是两端区外发生故障时反行波传输过程图。
图3是本发明实施例提供的柔性直流输电线路单端量故障保护方法流程图。
图4是本发明实施例提供的柔性直流输电线路单端量故障保护方法逻辑图。
请参照图1、图2、图3和图4，本发明实施例的第一方面提供了一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法，包括如下步骤：
S100，当直流线路发生故障时，将产生由故障点向线路两端传播的故障行波，获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；
S200，由直流线路电压突变量构造保护启动判据。
其中，直流线路电压突变量表示采样间隔的变化。
S300，依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内由滤波后的电压反行波计算故障电压反行波的时域能量值。
S400，依据故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。若甄别出故障后，该单端量保护动作，直流线路两端直流断路器跳开，切断故障源。
其中，单端量指的仅用一个站的电压、电流电气量，也就是仅用本站信息。
上述柔性直流输电线路单端量故障保护方法通过采集本端直流输电线路正负极的电压、电流信号，由直流线路电压突变量构成启动判据，进而得到本端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据，仅采用本端的电压、电流电气量，区内外边界明显，易于整定，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
具体的，步骤S100中的电压故障分量Δu(t)、电流故障分量Δi(t)计算公式为：
Figure BDA0003158479760000061
式中：u(t)为采集的电压信号、i(t)为采集的电流信号；u(0)为稳态时刻电压信号、i(0)为稳态时刻电流信号。
具体的，步骤S200中的由直流线路电压突变量构造保护启动判据，具体为：
Figure BDA0003158479760000062
式中：Δu(k)为当前时刻直流线路电压突变量，u(k)为当前时刻电压采样值，u(k-1)为当前时刻前1个周期的电压采样值，Δ1为启动判据门槛值，一般取0.02。
具体的，步骤S300中，故障电压反行波为：
ub(t)＝[Δu(t)-zcΔi(t)]/2，
式中：zc为输电线路波阻抗，Δu(t)为电压故障分量，Δi(t)为电流故障分量。
高频分量是指电压反行波经过了8阶IIR高通滤波环节，即只允许2KHz以上的高频信号通过。
具体的，步骤S300中的故障电压反行波时域能量值Eb的计算：
Figure BDA0003158479760000071
其中，T0为保护启动判据启动时刻，Ts为积分窗长，取值应大于行波在输电线路单向传输所用的时间且小于其来回所用的时间。
对上式离散化可得：
Figure BDA0003158479760000072
式中：N积分窗长内采样点数，Δt为执行周期。
具体的，步骤S400中的区内外故障识别判据：
Eb＞k·Emax,
其中，Eb为暂态故障反行波时域能量值，Emax为区外极母线金属性接地故障反行波时域能量最大值，k为可靠系数，取值一般取1.2～1.5。若上式条件满足，则直流线路区内发生故障，否则直流线路区外发生故障。
进一步地，步骤S400中的构成区内外故障识别判据之后，还包括：
S500，依据共模电压故障分量，构成故障选极判据。
进一步地，步骤S500中的依据共模电压故障分量构成故障选极判据，包括：
Figure BDA0003158479760000081
其中，u0为共模电压,up、un分别为两极正负极电压；Δu0为共模电压故障分量，u0(0)为正常运行共模电压；Δ2为启动判据门槛值。
当线路发生正极故障时，共模电压为负值；当线路发生负极故障时，共模电压为正值；当线路发生双极故障时，共模电压为趋于0的值。
直流线路区内区外发生故障时，线路两端暂态故障反行波时域能量值特征不同。当线路区内故障时，两端都能检测到反行波，反行波能量大小和线路衰减常数和线路故障位置有关；当线路区外故障时，在积分窗长Ts内，只有一端能检测到反行波，所以根据区内外故障反行波时域能量区别构成保护判据。
图5是本发明实施例提供的柔性直流输电线路单端量故障保护装置模块框图。
相应地，请参照图5，本发明实施例的第一方面提供了一种柔性直流输电线路单端量故障保护***，包括：
获取模块1，其用于获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；
第一判定模块2，其用于由直流线路电压突变量构造保护启动判据；
计算模块3，其用于依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算故障电压反行波的时域能量值；
第二判定模块4，其用于依据故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。
进一步地，第一判定模块2的判据具体为：
Figure BDA0003158479760000091
式中：Δu(k)为当前时刻直流线路电压突变量，u(k)为当前时刻电压采样值，u(k-1)为当前时刻前1个周期的电压采样值，Δ1为启动判据门槛值。
进一步地，故障电压反行波具体为：
ub(t)＝[Δu(t)-zcΔi(t)]/2，
式中：zc为输电线路波阻抗，Δu(t)为电压故障分量，Δi(t)为电流故障分量。
进一步地，故障电压反行波时域能量值Eb的计算公式为：
Figure BDA0003158479760000092
其中，T0为保护启动判据启动时刻，Ts为积分窗长。
进一步地，区内外故障识别判据：
Eb＞k·Emax,
其中，Eb为暂态故障反行波时域能量值，Emax为区外极母线金属性接地故障反行波时域能量最大值，k为可靠系数。
进一步地，柔性直流输电线路单端量故障保护装置还包括：
第三判定模块5，其用于依据共模电压故障分量，构成故障选极判据。
进一步地，第三判定模块5的判据为：
Figure BDA0003158479760000093
其中，u0为共模电压,up、un分别为两极正负极电压；Δu0为共模电压故障分量，u0(0)为正常运行共模电压；Δ2为启动判据门槛值。
上述柔性直流输电线路单端量故障保护装置通过采集本端直流输电线路正负极的电压、电流信号，由直流线路电压突变量构成启动判据，进而得到本端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据，仅采用本端的电压、电流电气量，区内外边界明显，易于整定，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
相应地，本发明实施例的第三方面还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述柔性直流输电线路单端量故障保护方法。
此外，本发明实施例的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述柔性直流输电线路单端量故障保护方法。
本发明实施例旨在保护一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法及装置，其中方法包括：获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；由直流线路电压突变量构造保护启动判据；依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算故障电压反行波的时域能量值；依据故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。上述技术方案具备如下效果：
通过采集本端直流输电线路正负极的电压、电流信号，由直流线路电压突变量构成启动判据，进而得到本端故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据，仅采用本端的电压、电流电气量，区内外边界明显，易于整定，提高了直流输电线路保护的速动性和可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；
由直流线路电压突变量构造保护启动判据；
依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算所述故障电压反行波的时域能量值；
依据所述故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，所述由直流线路电压突变量构造保护启动判据，具体为：
Figure FDA0003158479750000011
式中：Δu(k)为当前时刻所述直流线路电压突变量，u(k)为当前时刻电压采样值，u(k-1)为当前时刻前1个周期的所述电压采样值，Δ1为启动判据门槛值。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，所述故障电压反行波为：
ub(t)＝[Δu(t)-zcΔi(t)]/2，
式中：zc为输电线路波阻抗，Δu(t)为电压故障分量，Δi(t)为电流故障分量。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，所述故障电压反行波时域能量值Eb的计算：
Figure FDA0003158479750000012
其中，T0为保护启动判据启动时刻，Ts为所述积分窗长。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，所述区内外故障识别判据：
Eb＞k·Emax,
其中，Eb为暂态故障反行波时域能量值，Emax为区外极母线金属性接地故障反行波时域能量最大值，k为可靠系数。
6.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，所述构成区内外故障识别判据之后，还包括：
依据共模电压故障分量，构成故障选极判据。
7.根据权利要求6所述的柔性直流输电线路单端量故障保护方法，其特征在于，所述依据共模电压故障分量构成故障选极判据，包括：
Figure FDA0003158479750000021
其中，u0为共模电压,up、un分别为两极正负极电压；Δu0为共模电压故障分量，u0(0)为正常运行共模电压；Δ2为启动判据门槛值。
8.一种柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，包括：
获取模块，其用于获取本端直流输电线路正负极的电压信号和电流信号，并依据稳态时刻电压信号和稳态时刻电流信号得到电压故障分量和电流故障分量；
第一判定模块，其用于由直流线路电压突变量构造保护启动判据；
计算模块，其用于依据直流输电线路波阻抗、电压故障分量及电流故障分量计算故障电压反行波及其高频分量，进而在预设积分窗长内计算所述故障电压反行波的时域能量值；
第二判定模块，其用于依据所述故障电压反行波的时域能量值，构成区内外故障识别判据。
9.根据权利要求8所述的柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，所述第一判定模块的判据具体为：
Figure FDA0003158479750000031
式中：Δu(k)为当前时刻所述直流线路电压突变量，u(k)为当前时刻电压采样值，u(k-1)为当前时刻前1个周期的所述电压采样值，Δ1为启动判据门槛值。
10.根据权利要求8所述的柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，所述故障电压反行波具体为：
ub(t)＝[Δu(t)-zcΔi(t)]/2，
式中：zc为输电线路波阻抗，Δu(t)为电压故障分量，Δi(t)为电流故障分量。
11.根据权利要求8所述的柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，所述故障电压反行波时域能量值Eb的计算公式为：
Figure FDA0003158479750000032
其中，T0为保护启动判据启动时刻，Ts为所述积分窗长。
12.根据权利要求8所述的柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，所述区内外故障识别判据：
Eb＞k·Emax,
其中，Eb为暂态故障反行波时域能量值，Emax为区外极母线金属性接地故障反行波时域能量最大值，k为可靠系数。
13.根据权利要求8所述的柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，还包括：
第三判定模块，其用于依据共模电压故障分量，构成故障选极判据。
14.根据权利要求13所述的柔性直流输电线路单端量故障保护装置，其特征在于，所述第三判定模块的判据为：
Figure FDA0003158479750000041
其中，u0为共模电压,up、un分别为两极正负极电压；Δu0为共模电压故障分量，u0(0)为正常运行共模电压；Δ2为启动判据门槛值。
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