本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域，特別涉及一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法。

背景技術(shù)：

特高壓直流輸電在遠距離、大容量輸電和大區(qū)互聯(lián)中得到廣泛應(yīng)用，但是目前特高壓直流輸電工程繼電保護的可靠性還明顯偏低，特別是直流線路的保護。因此，亟待研究新的穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快速、耐過渡電阻能力強、抗雷電干擾、具有絕對選擇性的特高壓直流輸電線路保護方法。

行波保護是現(xiàn)有特高壓直流線路保護的主保護，關(guān)于提高行波保護性能的方法主要集中在兩個方面：一是引入信號處理方法，更好地利用故障分量的頻率特性來識別故障；二是利用特高壓直流線路故障的暫態(tài)特征來識別故障。其中，利用特高壓直流線路故障的暫態(tài)特征來識別故障是提高行波保護性能的主要思路。例如，利用線路兩端電流的突變來識別區(qū)內(nèi)外故障，就是一種簡單易行的特高壓直流線路保護方案(高淑萍,索南加樂,宋國兵,張健康,侯卓.利用電流突變特性的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護新原理[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(05):52-56.)，但是該方案沒有考慮到長線路分布電容電流和數(shù)據(jù)不同步的影響，同時耐受過渡電阻能力有限且易受雷電干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法。該保護方法采用分布參數(shù)模型，即通過IED進行分布電容電流補償，消除了分布電容電流和數(shù)據(jù)不同步對保護的影響。保護判據(jù)選取電流信息中頻段為[0，100]Hz的分量，避免了直流側(cè)特征諧波、雙極直流線路之間的電磁耦合以及雷擊干擾的影響。線路兩端電流突變量的極性為布爾量，縱聯(lián)信道通信量小。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，根據(jù)特高壓直流線路區(qū)內(nèi)、外故障時，線路兩端電流突變量極性來識別區(qū)內(nèi)、外故障；區(qū)內(nèi)故障時，線路兩端檢測到的電流突變量的極性相反；區(qū)外故障時，線路兩端檢測到的電流突變量的極性相同。

一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，包括以下步驟：

步驟一：利用安裝在直流線路兩端的電壓互感器和電流互感器，檢測線路兩端的電壓、電流；

步驟二：通過IED對線路兩端電流互感器檢測到的電流進行分布電容電流補償；

步驟三：對補償后的電流進行濾波，利用IED選取頻段為[0，100]Hz的分量；

步驟四：由處理后的電流計算線路兩端電流的突變量ΔI；

步驟五：用突變量的絕對值|ΔI|與整定值I_set進行比較，判斷是否有故障產(chǎn)生；

步驟六：若判斷為有故障產(chǎn)生，則根據(jù)突變量的正負極性，判斷故障是在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外；

步驟七：若判斷為直流線路區(qū)內(nèi)故障，則保護動作。

步驟四中，采用1ms的數(shù)據(jù)窗，用檢測到的第一個電流峰值與正常運行時的電流值之差，作為電流的突變量ΔI，門檻值I_set選取0.1pu。

通過IED對電流互感器采集到的電流進行補償，消除了分布電容電流和數(shù)據(jù)不同步對保護的影響。

保護判據(jù)選取電流信息中頻段為[0，100]Hz的分量，避免了直流側(cè)特征諧波、雙極直流線路之間的電磁耦合以及雷擊干擾的影響。

線路兩端電流突變量的極性為布爾量，縱聯(lián)信道通信量小。

本發(fā)明一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，有益效果為：

(1)、僅利用電流突變量的極性來識別區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，原理簡單、通信量小、穩(wěn)定可靠。

(2)、保護量采用特定低頻分量，排除了高頻特征諧波和同桿并架雙極直流線路之間電磁耦合的影響；

(3)、采樣率低，易于工程實現(xiàn)；

(4)、選擇性好，抗雷電干擾能力強；

(5)、耐過度電阻能力強，可以實現(xiàn)全線保護。

附圖說明

圖1為直流傳輸線路示意圖。

圖2為無損直流均勻傳輸線等值電路。

圖3為正常運行時正極直流系統(tǒng)電路。

圖4為正極直流線路區(qū)內(nèi)故障時故障網(wǎng)絡(luò)圖。

圖5為正極直流線路整流側(cè)故障時的故障網(wǎng)絡(luò)圖。

圖6為正極直流線路逆變側(cè)故障時的故障網(wǎng)絡(luò)圖。

圖7為本發(fā)明系統(tǒng)方案圖。

圖8為正極直流線路區(qū)內(nèi)故障結(jié)果圖。

圖9為正極直流線路整流側(cè)故障結(jié)果圖。

圖10為正極直流線路逆變側(cè)故障結(jié)果圖。

具體實施方式

一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，根據(jù)特高壓直流線路區(qū)內(nèi)、外故障時，線路兩端電流突變量極性來識別區(qū)內(nèi)、外故障；區(qū)內(nèi)故障時，線路兩端檢測到的電流突變量的極性相反；區(qū)外故障時，線路兩端檢測到的電流突變量的極性相同。

一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，包括以下步驟：

步驟一：利用安裝在直流線路兩端的電壓互感器和電流互感器，檢測線路兩端的電壓、電流；

步驟二：通過IED對線路兩端電流互感器檢測到的電流進行分布電容電流補償；

步驟三：對補償后的電流進行濾波，利用IED選取頻段為[0，100]Hz的分量；

步驟四：由處理后的電流計算線路兩端電流的突變量ΔI；

步驟五：用突變量的絕對值|ΔI|與整定值I_set進行比較，判斷是否有故障產(chǎn)生；

步驟六：若判斷為有故障產(chǎn)生，則根據(jù)突變量的正負極性，判斷故障是在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外；

步驟七：若判斷為直流線路區(qū)內(nèi)故障，則保護動作。

步驟四中，采用1ms的數(shù)據(jù)窗，用檢測到的第一個電流峰值與正常運行時的電流值之差，作為電流的突變量ΔI，門檻值I_set選取0.1pu。

通過IED對電流互感器采集到的電流進行補償，消除了分布電容電流和數(shù)據(jù)不同步對保護的影響。

保護判據(jù)選取電流信息中頻段為[0，100]Hz的分量，避免了直流側(cè)特征諧波、雙極直流線路之間的電磁耦合以及雷擊干擾的影響。

線路兩端電流突變量的極性為布爾量，縱聯(lián)信道通信量小?，F(xiàn)有技術(shù)中傳輸是多個字節(jié)的測量值，現(xiàn)在只是一個字節(jié)的極性布爾量，即0/1，減少了通信量。

原理分析：

設(shè)特高壓直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)分別為M側(cè)和N側(cè)，u_M、u_N分別表示M、N側(cè)互感器檢測到的電壓，i_M、i_N分別表示M、N側(cè)互感器檢測到的電流，電流的正方向規(guī)定為從換流站到直流線路為正。進行分布電容電流補償后的電流設(shè)為i_M’、i_N’，則：

式(1)、(2)中，Z_c為直流線路的波阻抗，τ為行波從M側(cè)傳輸?shù)絅側(cè)傳輸延時的一半，即采用“半補償”的模式。

對補償后的電流進行濾波，通過IED提取頻段為[0，100]Hz的分量，主要考慮到四個因素：(1)特高壓直流系統(tǒng)的直流側(cè)存在12k(k為自然數(shù))次和24k次特征諧波，即存在600Hz、1200Hz及其他高頻分量諧波；(2)特高壓直流線路故障時，其故障分量主要集中在低頻段(楊亞宇,邰能靈,劉劍,鄭曉冬.利用邊界能量的高壓直流線路縱聯(lián)保護方案[J].中國電機工程學(xué)報,2015,35(22):5757–5767.)；(3)高頻分量的采集對硬件要求較高，實際工程中難以實現(xiàn)，另外雷電波也是高頻脈沖，會干擾到保護判別(4)同桿并架的雙極直流線路之間會存在電磁耦合，且其耦合系數(shù)隨著頻率先增大后減小，并在[100，10000]Hz的范圍內(nèi)較大(Gang Wang,Min Wu,Haifeng Li,et al.Transient based protection for HVDC lines using wavelet-multiresolution signal decomposition[C].Transmission and Distribution Conference and Exhibition:Asia and Pacific.Dalian,China:IEEE,2005:1-4.)。

直流系統(tǒng)在發(fā)生故障后，其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用至少在5ms以后才開始(束洪春,田鑫萃,張廣斌,劉可真,孫士云.±800kV直流輸電線路故障定位的單端電壓自然頻率方法[J].中國電機工程學(xué)報,2011,31(25):104-111.)，考慮到高阻接地時的電流突變量較小，選取1ms的數(shù)據(jù)窗。用檢測到的第一個電流峰值與正常運行時的電流值之差作為電流的突變量ΔI，當(dāng)電流的突變量ΔI大于所設(shè)定的門檻值I_set時，即判斷為有故障產(chǎn)生。直流線路兩端的電流經(jīng)過分布電容電流補償和濾波之后，在正常運行的情況下，其變化量一般會小于0.08pu，在經(jīng)1000Ω高阻接地時，其變化量也可以達到0.12pu，因此I_set選取為0.1pu。

直流線路區(qū)內(nèi)故障后的暫態(tài)過程中，線路兩端保護安裝處的電流突變量相反，整流側(cè)為正，逆變側(cè)為負；直流系統(tǒng)整流側(cè)故障后的暫態(tài)過程中，線路兩端的電流突變量相同，整流側(cè)和逆變側(cè)均為負；直流系統(tǒng)逆變側(cè)故障后的暫態(tài)過程中，線路兩端的電流突變量相同，整流側(cè)和逆變側(cè)均為正。因此，根據(jù)突變量的正負極性即可判斷故障是在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。

如圖1至圖7所示，一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，包括如下步驟：

步驟一：利用安裝在直流線路兩端的電壓互感器和電流互感器，檢測線路兩端的電壓、電流。如圖1中，特高壓直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)分別為M側(cè)和N側(cè)，u_M、u_N分別表示M、N側(cè)互感器檢測到的電壓，i_M、i_N分別表示M、N側(cè)互感器檢測到的電流。

步驟二：利用IED對線路兩端檢測到的電流進行分布電容電流補償。如圖2，u、i分別為線路的電壓和電流，L₀、C₀分別為單位長度線路的等效電感、對地電容，則線路的傳輸方程為：

對式(3)、(4)兩邊分別對x和t求導(dǎo)得到波動方程為：

設(shè)從M端到N端方向為行波傳輸?shù)恼较?，從N端到M端方向為行波傳輸?shù)姆捶较?，解波動方程得到M、N兩點正反向電流行波為：

式(6)、(7)、(8)、(9)中，i_M+(t)為圖1中M點處正向電流行波，i_M-(t)為M點處反向電流行波，i_N+(t)為圖1中N點處正向，i_N-(t)為N點處反向電流行波，v＝1/√(L₀C₀)表示行波波速，Zc＝√(L₀/C₀)為直流線路的波阻抗。設(shè)行波在M、N兩點之間傳播所需時間為2τ。則M點的正向電流行波經(jīng)過時間2τ到達N點，N點的反向電流行波經(jīng)過時間2τ到達M點，該過程可以表示為：

i_M+(t-τ)＝i_N+(t) (11)

i_M-(t+τ)＝i_N-(t) (12)

設(shè)補償后的電流為i_M’、i_N’，則定義i_M’、i_N’為：

進行分布電容電流補償之后：

i_M'(t)+i_N'(t)＝0 (15)

可見，補償之后，系統(tǒng)不再受分布電容電流的影響。

步驟三：保護判據(jù)選取電流信息中頻段為[0，100]Hz的分量，主要考慮到四個因素：(1)特高壓直流系統(tǒng)的直流側(cè)存在12k(k為自然數(shù))次和24k次特征諧波，即存在600Hz、1200Hz及其他高頻分量諧波；(2)特高壓直流線路故障時，其故障分量主要集中在低頻段；(3)高頻分量的采集對硬件要求較高，實際工程中難以實現(xiàn)，另外雷電波也是高頻脈沖，會干擾到保護判別(4)同桿并架的雙極直流線路之間會存在電磁耦合，且其耦合系數(shù)隨著頻率先增大后減小，并在[100，10000]Hz的范圍內(nèi)較大。

步驟四：由處理后的電流計算線路兩端電流的突變量ΔI。直流系統(tǒng)在發(fā)生故障后，其控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用至少在5ms以后才開始，考慮到高阻接地時的電流突變量較小，選取1ms的數(shù)據(jù)窗。用檢測到的第一個電流峰值與正常運行時的電流值之差作為電流的突變量ΔI，當(dāng)電流的突變量ΔI大于所設(shè)定的門檻值I_set時，即判斷為有故障產(chǎn)生。直流線路兩端的電流經(jīng)過分布電容電流補償和濾波之后，在正常運行的情況下，其變化量一般會小于0.08pu，在經(jīng)1000Ω高阻接地時，其變化量也可以達到0.12pu，因此I_set選取為0.1pu。

步驟五：用突變量的絕對值|ΔI|與整定值I_set進行比較，判斷是否有故障產(chǎn)生。

步驟六：若判斷為有故障產(chǎn)生則根據(jù)突變量的正負極性識別區(qū)、外故障。如圖3所示為正常運行時正極直流系統(tǒng)電路，直流線路故障后的暫態(tài)過程中，可以等效為在故障點疊加一個故障電壓源。如圖4所示為正極直流線路區(qū)內(nèi)故障時故障網(wǎng)絡(luò)圖，可見，正極直流線路區(qū)內(nèi)故障后的暫態(tài)過程中，線路兩端保護安裝處的電流突變量相反，整流側(cè)為正，逆變側(cè)為負。如圖5所示為正極直流線路整流側(cè)故障時故障網(wǎng)絡(luò)圖，可見，正極直流線路整流側(cè)故障后的暫態(tài)過程中，線路兩端保護安裝處的電流突變量相同，均為負。如圖6所示為正極直流線路逆變側(cè)故障時故障網(wǎng)絡(luò)圖，可見，正極直流線路逆變側(cè)故障后的暫態(tài)過程中，線路兩端保護安裝處的電流突變量相同，均為正。由此根據(jù)突變量的正負極性即可判斷故障是在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。

步驟七：若判斷為直流線路區(qū)內(nèi)故障，則保護動作，否則返回重新判斷。

本發(fā)明一種基于分布參數(shù)模型下利用電流突變特性的特高壓直流線路保護方法，僅利用電流突變量的極性來識別區(qū)內(nèi)、外故障，原理簡單、通信量小、穩(wěn)定可靠。保護量采用特定低頻分量，排除了高頻特征諧波和同桿并架雙極直流線路之間電磁耦合的影響。該方法采樣率低，易于工程實現(xiàn)，抗雷電干擾和耐過度電阻能力強，可以實現(xiàn)全線保護

實施例：

按照圖7所示的系統(tǒng)方案圖，搭建±800kV特高壓直流輸電模型，線路全長1418km,直流額定電流為3.125kA，I_set選取為0.1pu,即0.3125kA。在此模型上，按照本發(fā)明方法對特高壓直流輸電系統(tǒng)的正極線路不同位置故障時進行判別。

正極直流線路中點處在0.5s時經(jīng)過200Ω過渡電阻接地，故障時間為0.5s，結(jié)果如圖8所示。圖8中，第一個圖為正極直流線路電流互感器采集到的原始電流波形，第二個圖為經(jīng)過IED進行電容電流補償和低通濾波處理之后的電流波形。由圖8可以看出，故障后，正極直流線路整流側(cè)電流增大，逆變側(cè)電流減小，電流突變極性相反，可以判定為區(qū)內(nèi)故障。

正極直流線路整流側(cè)在0.5s時經(jīng)過200Ω過渡電阻接地，故障時間為0.5s，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，故障后，正極直流線路整流側(cè)電流和逆變側(cè)電流突變量都為負，電流突變極性相同，可以判定為區(qū)外故障。

正極直流線路逆變側(cè)在0.5s時經(jīng)過200Ω過渡電阻接地，故障時間為0.5s，結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，故障后，整流側(cè)電流和逆變側(cè)電流突變量都為正，電流突變極性相同，可以判定為區(qū)外故障。

由圖8、9、10可以看出，只有在本極線路區(qū)內(nèi)故障時，線路兩端保護安裝處檢測到的電流的突變量極性才是相反的，利用該特性就可以識別區(qū)內(nèi)外故障。直流線路電流在未經(jīng)過電容電流補償和濾波之前有高頻分量干擾，經(jīng)過補償和濾波之后，電流波形明顯改善，有利于保護判別。從圖9和圖10可以看到，由于短路點離兩端保護安裝處的距離不同，使得兩端電流變化情況不同步，這會影響保護的判別，甚至?xí)斐杀Ｗo拒動。經(jīng)過電容電流補償和濾波之后，兩端電流變化完全同步，消除了數(shù)據(jù)不同步的影響。

正極直流線路整流側(cè)、逆變側(cè)以及離線路始端不同位置處，經(jīng)不同過渡電阻接地時的結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，直流線路經(jīng)1000Ω高阻接地時，該保護方法仍然可以正確判別故障，因此本發(fā)明的保護方法具有很強的耐過度電阻的能力。

表1 各種故障條件下的仿真結(jié)果