本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)直流輸電繼電保護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及超/特高壓直流輸電線路的電流縱聯(lián)保護(hù)。

背景技術(shù)：

高壓直流(HVDC)輸電具有傳輸功率大，線路造價(jià)低，控制方式靈活等特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離大容量輸電、交流系統(tǒng)異步互聯(lián)等方面占有優(yōu)勢，是現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分。我國能源資源與生產(chǎn)力呈逆向分布，大型電源基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，為將部分優(yōu)質(zhì)電源在受端電力市場進(jìn)行優(yōu)化配置，以及加強(qiáng)電網(wǎng)間的互聯(lián)，直流輸電工程在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，提高直流輸電線路運(yùn)行的安全與可靠性，已成為迫切需要解決的問題。

目前直流線路保護(hù)主要有行波保護(hù)、低電壓保護(hù)以及縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。目前運(yùn)行中的直流線路多以行波保護(hù)作為主保護(hù)，行波保護(hù)動(dòng)作速度快，不受接地電阻、負(fù)載、長線分布電容等因素的影響，在直流輸電中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前國內(nèi)外所投運(yùn)的行波保護(hù)普遍存在可靠性不高的問題，易誤動(dòng)。低電壓保護(hù)耐過渡電阻能力低，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)式延遲長，可靠性不高，容易失去動(dòng)作機(jī)會(huì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，目前輸電線路故障仍然是導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)停運(yùn)的主要原因。直流輸電線路故障概率高，但現(xiàn)有的保護(hù)原理不完備，因此有必要提升現(xiàn)有直流線路保護(hù)的性能，為現(xiàn)代電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)作速度快，可靠性高，耐過渡電阻能力強(qiáng)，不受雷擊影響，易于實(shí)現(xiàn)，能夠區(qū)分單極接地故障和極間短路故障，并且可以進(jìn)行單極接地故障選極的電流突變量縱聯(lián)保護(hù)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于模量突變的雙極高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟：

步驟一：在雙極直流輸電線路兩端對直流電流以預(yù)定采樣速率進(jìn)行同步采樣，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換獲取正負(fù)極線路兩端的暫態(tài)直流電流；

步驟二：利用解耦矩陣將采樣得到的正負(fù)極線路兩端暫態(tài)直流電流解耦為線路兩端的線模(1模)和地模(0模)暫態(tài)模電流；

步驟三：利用步驟二得到的暫態(tài)模電流，分別計(jì)算故障后時(shí)間[T1,T2]內(nèi)線路兩端1模、0模電流的電流突變量，并將線路兩端1模和0模的電流突變量與整定門檻I_set對比，判斷突變方向。若電流突變量大于I_set，則為正向突變，若電流突變量小于-I_set，則為負(fù)向突變，否則為無突變。

步驟四：利用判斷得到的兩端模電流突變量方向，進(jìn)行故障識(shí)別：

若線路兩端1?；?模電流突變量方向最多僅1側(cè)為正向，則為區(qū)外故障；

若線路兩端1模和0模電流突變量方向均為正向，則為區(qū)內(nèi)正極接地故障；

若線路兩端1模電流突變量方向均為正向，而線路兩端0模電流突變量方向均為負(fù)向，則為區(qū)內(nèi)負(fù)極接地故障；

若線路兩端1模電流突變量方向均為正向，而線路兩端0模電流突變量均無突變，則為區(qū)內(nèi)極間短路故障。

所述步驟一中的暫態(tài)直流電流，通過直流線路兩端的分流器進(jìn)行采集。

所述步驟一中的預(yù)定采樣速率不小于1Hz。

所述步驟二中的解耦矩陣為如下形式：

式中，a為模量幅值系數(shù)。

所述步驟三中的故障后時(shí)間[T1,T2]，以消除雷擊影響為目標(biāo)進(jìn)行確定，并根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)最終確定。

所述步驟三中的模電流突變量，為故障暫態(tài)模電流與故障前正常運(yùn)行時(shí)模電流的差值。

所述步驟三中的整定門檻I_set，根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流I_n和解耦矩陣的模量幅值系數(shù)a按下式進(jìn)行確定：

I_set＝N_Tk_rak_sI_n

式中N_T為[T1,T2]時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；k_r為可靠性系數(shù)，k_s為故障穩(wěn)態(tài)電流突變量系數(shù)，兩系數(shù)均根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行確定。

所述步驟三中的突變方向，通過線路兩端保護(hù)安裝處的方向元件進(jìn)行判斷。

所述步驟四中的故障識(shí)別，按如下步驟進(jìn)行：

(1)直流線路一側(cè)的方向元件判定完成后，保護(hù)開放一定時(shí)間T_d，等待線路對側(cè)方向元件的判定結(jié)果，T_d由直流線路通信通道的傳遞時(shí)間和方向元件的判定時(shí)間綜合確定，選擇為10ms～20ms；

(2)線路對側(cè)方向元件的判定結(jié)果傳遞到本側(cè)后，將本側(cè)和對側(cè)的方向元件的判定結(jié)果傳遞到本側(cè)保護(hù)裝置；

(3)根據(jù)步驟四中的故障識(shí)別方法，由保護(hù)裝置中的邏輯運(yùn)算進(jìn)行故障類型的判斷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明僅利用電流突變量，無需利用電壓量，耐過渡電阻能力強(qiáng)；

2)本發(fā)明所利用的暫態(tài)過程故障特征明顯，可靠性高；

3)本發(fā)明無需輔助判據(jù)即能夠區(qū)分區(qū)內(nèi)單極接地故障和極間短路故障，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單極接地故障選極，相比現(xiàn)有的直流線路保護(hù)和近年來提出的直流線路保護(hù)新原理，適應(yīng)性更強(qiáng)；

4)本發(fā)明僅需要利用通信通道傳遞方向元件的判定結(jié)果，無需兩端電氣量的采樣同步，不受通信通道延時(shí)不一致和延時(shí)突變的影響；

5)本發(fā)明所需采樣率低，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為直雙極流輸電系統(tǒng)示意圖；

圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所介紹方法的流程圖；

圖3為區(qū)外整流側(cè)直流母線f1處金屬性接地故障仿真圖，圖3(a)為1模突變量，圖3(b)為0模突變量；

圖4為區(qū)外逆變側(cè)交流母線f2處單相高阻接地故障仿真圖，圖4(a)為1模突變量，圖4(b)為0模突變量；

圖5為區(qū)內(nèi)f3處正極高阻接地故障，圖5(a)為1模突變量，圖5(b)為0模突變量；

圖6為區(qū)內(nèi)f4處負(fù)極高阻接地故障，圖6(a)為1模突變量，圖6(b)為0模突變量；

圖7為區(qū)內(nèi)f5處極間短路故障，圖7(a)為1模突變量，圖7(b)為0模突變量。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

首先，根據(jù)模量幅值系數(shù)確定解耦矩陣。從若解耦后的模電流與極電流的總數(shù)值不變，則模量幅值系數(shù)取解耦矩陣如式(1)所示：

請參閱圖1所示，直流輸電線路位于整流站和逆變站之間，直流分流器位于平波電抗器外側(cè)。i_Mp、i_Mn分別為直流線路M側(cè)采樣得到的正、負(fù)極電流，i_Np、i_Nn分別為直流線路N側(cè)測量裝置采樣得到的正、負(fù)極電流。采樣頻率不小于1Hz。

請參閱圖2所示的流程圖，保護(hù)啟動(dòng)后，將采樣得到的極電流按照解耦矩陣(1)進(jìn)行相模解耦得到線路兩端1模、0模的直流電流：

式中，i_M1、i_M0分別為直流線路M側(cè)的1時(shí)模、0模直流電流，i_N1、i_N0分別為直流線路N側(cè)的1模、0模直流電流。

在故障后[T1,T2]時(shí)間內(nèi)，分別計(jì)算直流線路M側(cè)、N側(cè)的1模、0模直流電流突變量。T1應(yīng)按照躲過雷擊的影響確定，T2應(yīng)考慮躲過直流輸電系統(tǒng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)結(jié)束之后的故障穩(wěn)態(tài)過程。本實(shí)例僅提出一種選取方案，任何根據(jù)上述原則的選取方案均在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。對于典型的直流輸電工程，調(diào)節(jié)器作用的時(shí)間一般不超過30ms，則[T1,T2]可以取[3ms,30ms]。從減小數(shù)據(jù)窗，提高動(dòng)作速度的角度考慮，可以選取[3ms,10ms]。

直流線路M側(cè)、N側(cè)的模電流突變量按照式(3)進(jìn)行計(jì)算：

式中，k為采樣點(diǎn)標(biāo)號；j為模量標(biāo)號，取1或0；i_jk為故障后第k個(gè)采樣點(diǎn)下線路一側(cè)的模電流；i_js為直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的線路一側(cè)的模電流；Δi_jk為故障后第k個(gè)采樣點(diǎn)下直流線路一側(cè)的模電流突變量。

按照式(4)確定突變量方向元件的動(dòng)作門檻I_set，考慮模電流與極電流的總數(shù)值不變：

式中，j為模量標(biāo)號，取1或0；k_r為可靠性系數(shù)，取1.2～1.5；k_s為故障穩(wěn)態(tài)電流突變量系數(shù)，根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的故障穩(wěn)態(tài)模電流與正常運(yùn)行時(shí)的模電流的差值確定，考慮一定的裕度，一般可以取0.03；I_n是直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流。

根據(jù)模電流突變量式(3)和方向元件動(dòng)作門檻式(4)，在直流線路兩側(cè)的保護(hù)安裝處利用方向元件對線路兩側(cè)的1模、0模電流突變量進(jìn)行方向判別。若則模電流突變量判定為正向，若則模電流突變量判定為負(fù)向，否則為無突變。

本側(cè)方向元件判定結(jié)束后，保護(hù)鎖定一定的時(shí)間T_d，等待線路對側(cè)方向元件的判定結(jié)果傳遞至本側(cè)后，并將本側(cè)與對側(cè)的方向判別結(jié)果傳遞至本側(cè)保護(hù)裝置處。鎖定時(shí)間T_d由直流線路通信通道的傳遞時(shí)間和方向元件的判定時(shí)間綜合確定，一般可以取10～20ms。

當(dāng)本側(cè)和對策方向元件的判定結(jié)果均傳遞至保護(hù)裝置后，利用本側(cè)保護(hù)裝置的邏輯運(yùn)算進(jìn)行故障類型的判斷。原理上，本發(fā)明1?；?模電流突變方向均可以識(shí)別區(qū)外故障，利用1模和0模電流突變方向的關(guān)系識(shí)別區(qū)內(nèi)單極接地故障和極間短路故障，并進(jìn)行單極接地故障選極。本實(shí)例采用1模電流突變量識(shí)別區(qū)外故障，邏輯如下：

若線路兩端1模電流突變量方向最多僅1側(cè)為正向，則為區(qū)外故障；

若線路兩端1模電流突變量方向均為正向，則根據(jù)0模電流突變方向繼續(xù)判定區(qū)內(nèi)故障的類型：

若線路兩端0模電流突變量方向均為正向，則為區(qū)內(nèi)正極接地故障；若線路兩端0模電流突變量方向均為負(fù)向，則為區(qū)內(nèi)負(fù)極接地故障；否則為區(qū)內(nèi)極間短路故障。保護(hù)按照相應(yīng)的故障類型動(dòng)作。

請參閱圖3為區(qū)外整流側(cè)直流母線f1處金屬性接地故障仿真圖，圖4為區(qū)外逆變側(cè)交流母線f2處單相高阻接地故障仿真圖，圖5為區(qū)內(nèi)f3處正極高阻接地故障仿真圖，圖6為區(qū)內(nèi)f4處負(fù)極高阻接地故障仿真圖，圖7為區(qū)內(nèi)f5處極間短路故障仿真圖。

對于圖3，為區(qū)外故障，可以看出圖3(a)中兩端1模電流突變量僅有逆變側(cè)(n側(cè))大于I_set，因而僅有1側(cè)為正向；圖3(b)中兩端0模電流突變量僅有逆變側(cè)(n側(cè))大于I_set，因而僅有1側(cè)為正向。根據(jù)本發(fā)明的故障識(shí)別原理，可以正確判定為區(qū)外故障，保護(hù)裝置不動(dòng)作。

對于圖4，為區(qū)外故障，可以看出圖4(a)和圖4(b)中，兩端1模、0模電流突變量均介于I_set和-I_set之間，因而均為無突變。根據(jù)本發(fā)明的故障識(shí)別原理，可以正確判定為區(qū)外故障，保護(hù)裝置不動(dòng)作。

對于圖5，為區(qū)內(nèi)正極接地故障，可以看出圖5(a)中兩端1模、0模電流突變量均大于I_set，因而均為正向。根據(jù)本發(fā)明的故障識(shí)別原理，可以正確判定為區(qū)內(nèi)正極接地故障，保護(hù)裝置按正極接地故障動(dòng)作。

對于圖6，為區(qū)內(nèi)負(fù)極接地故障，可以看出圖6(a)中兩端1模電流突變量均大于I_set，因而均為正向；圖6(b)中兩端0模電流突變量均小于-I_set，因而均為負(fù)向。根據(jù)本發(fā)明的故障識(shí)別原理，可以正確判定為區(qū)內(nèi)負(fù)極接地故障，保護(hù)裝置按負(fù)極接地故障動(dòng)作。

對于圖7，為區(qū)內(nèi)極間短路故障，可以看出圖7(a)中兩端1模電流突變量均大于I_set，因而均為正向；圖7(b)中兩端0模電流突變量均介于I_set和-I_set之間，因而均為無突變。根據(jù)本發(fā)明的故障識(shí)別原理，可以正確判定為區(qū)內(nèi)極間短路故障，保護(hù)裝置按極間短路故障動(dòng)作。