一种长距离特高压直流输电线路的差动保护方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种长距离特高压直流输电线路的差动保护方法，提出一种基于分布 电容补偿的直流差动保护方法，属电力系统继电保护技术领域。
【背景技术】
[0002] 高压直流输电在输电线路横截面等同的情况下有更加强大、高效的输电能力，具 有大容量、长距离、电网互联方便、功率调节容易、输电走廊窄等优点，因此，在远距离、大容 量电能传输、非同步电网互联、新能源接入电网、海上平台供电，城市中心区域供电等应用 场合具有明显优势。目前，我国已投运直流输电工程占世界直流输电容量的20 %以上，是直 流输电工程大国。
[0003] 目前，现场运行的高压直流输电线路继电保护设备主要由国外厂家ABB或 SIEMENS，国内厂家南瑞继保提供。主保护配置行波保护、微分欠压保护；后备保护配置纵联 电流差动保护，部分工程也配备低电压保护。
[0004] 高压直流输电线路纵联电流差动保护利用直流线路两端电气量，理论上能够保证 直流差动保护的绝对的选择性，在各种线路保护原理中，纵联差动保护广泛作为高压和超 高压输电线路的主保护。但是，该保护应用于长距离（如500km及以上）特高压直流输电 线路时却存在困难，原因在于分布电容电流的影响，由于传统的纵联差动保护没有考虑长 距离大容量直流线路分布电容的影响，需要等暂态过程消失后，系统进入稳态运行差动保 护判据才能完全成立，保证直流差动保护正常动作。
[0005] 因此，直流差动保护在故障后很长时间才被投入而且需要长延时来保证保护动作 的准确性。按照现有的高压直流线路保护设计要求，直流差动保护负责切除高阻故障，是直 流输电线路的后备保护，未考虑长距离大容量直流线路故障暂态过程中电容电流问题，动 作速度慢、保护性能差。我国现在运行中的高压直流线路中，曾多次发生由于极控低压保护 或者最大触发角保护动作而闭锁故障极的事故，差动保护未能对高阻接地直流线路故障起 到后备作用，直流线路被迫长时间停运，造成严重经济损失。
[0006] 传统直流线路差动保护没有考虑长距离大容量直流线路故障后的暂态电容电流 影响，任何导致直流电压变化的暂态过程，如区外故障、启动过程均可导致传统直流差动保 护误动。本发明考虑故障暂态过程中分布电容电流影响，提出改进的直流线路差动保护原 理。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是，为了防止传统直流差动保护误动，在考虑长距离大容量直流线 路发生故障暂态过程时分布电容电流对直流差动保护的影响的基础上，提出一种补偿故障 暂态过程中分布电容电流的直流差动保护算法。
[0008] 本发明提出的直流线路差动保护方法，考虑了分布电容对长距离直流输电线路保 护的影响。分布电容对差动保护的影响，具体说明如下，直流输电线路直流出口处接地故障 等值电路图如图1所示，丽为一条高压直流输电线路，Ll、L2为线路等效电感，C为线路的 等效分布电容，在N侧逆变器外F点发生故障，UM为M侧电压，UN侧电压。
[0009] 流过整流侧（M侧）保护处的电流为
[0010]
[0011] 式中Xu、为线路感抗，RF为短路点短路电阻。
[0012] 流过逆变侧（N侧）保护处的电流为
[0013]
[0014] 式中，Ue。为故障前线路分布电容电压。
[0015] 因此，在直流线路区外故障发生的瞬间，流过线路两端保护处的直流电流同时增 大，并且流经逆变侧保护的直流电流比整流侧保护测量到的直流电流大。
[0016] 理论上，直流输电线路越长，故障后的分布电容电流也越大。对于特高压直流输电 工程，输电距离近2000km，当直流线路外部发生接地故障时，较大的分布电容电流可能引起 直流差动保护的误动作。
[0017] 本发明提出一种方法，对分布电容电流进行适当地补偿，大幅度地削弱分布电容 电流对于直流差动保护的影响，提高直流线路保护的灵敏度及可靠性。
[0018] 为达到此目的，本发明采用以下技术方案。
[0019] 如图2,高压直流输电线路MN，线路长度为1，中点为0点，各点电压电流正方向如 图所示，由于高压直流输电线路的电阻和电导可以忽略，线路可以看成是无损长线，根据电 路原理，电量沿线路以行波方式传播的，虚线表示行波方向，+表示正方向，-表示反方向。
[0020] M点正向行波ifc(t)、反向行波iMf⑴可用M点电流电压表示为
[0021]
[0022] 同样N点的正向行波、反向行波iNf⑴为
[0023]
[0024] 式中，Zc为线路的特征阻抗。
[0025] 本算法定义M、N两侧差动保护的计算电流为
[0026]
[0027]式中，t=V(2v)为一半线路上的行波传播延时，显然iM' (t)、iN'⑴大小都 等于0点电流，方向相反，即
[0028] iM' （t) = _iN' (t) =i〇(t)
[0029] iM' （t)+iN' (t) = 0
[0030] 这样，在纵联差动保护中，使用iM' (t)作为M侧计算电流，iN' (t)作为N侧计 算电流，便将线路全长的分布电容电流完全补偿掉了。由于上述推导是基于瞬时值的，在暂 态和稳态过程中都成立，所以在故障发生时与没有故障时都具有同样的补偿效果。
[0031] 由于直流线路故障时表现为电压突降，且线路两端电流矢量和出现差值，故本发 Aijfjii 明采用电压变化率作为差动保护的启动值，Au为启动阈值，若y，则直流差动保 atat 护启动，直流差动启动后，再进行利用以下判据进行判断：
[0032]
[0033] 式中，I分别为M侧和N侧电流向量（正方向由母线流向线路）+ |、 | |分别为差动保护动作量和制动量，k为制动系数，0 <k< 1，差动保护动作 电流门槛值。
[0034] 本发明提出的新算法的步骤为：
[0035] (1)检测线路MN两侧的电压电流，计算电压变化率^ 2 △〃是否成立，如成立，则 dt 启动差动保护；若否则继续检测电量。
[0036] (2)根据事先已经输入的线路参数、检测的电压电流数据计算丽两侧的电流正向 行波、反向行波，并用t=V(2v)按照公式
对行波进行 补偿，计算差动电流大小；
[0037] 式中iM' (t)作为差动保护的计算电流，iMr(t)、iMf(t)为M侧正向行波、 反向行波，ite(t)、iNf(t)为N侧正向行波、反向行波，t=V(2v)为一半线路上的行波传 播延时，1为线路长度，v为线路上行波的传播速度，由线路参数决定。
[0038] (3)利用纵联差动保护判据：| +1# |> 4且I^h1>叫h-厶卜判断是否 发生故障，如果两个条件均满足，则差动保护动作；否则，返回步骤（2)继续计算；式中， Lv分别为M侧和N侧电流向量（正方向由母线流向线路）-Li分 别为差动保护动作量和制动量，k为制动系数，0 <k<l，Iset为差动保护动作电流门槛值。
[0039] (4)保护动作跳线路两侧开关。
[0040] 保护动作流程如图3所示。
[0041] 本发明提出的新差动算法，可以有效补偿该延时，从根本上消除分布电容的影响。 在不同情况下的补偿效果如下所述：
[0042]当线路区内区外都没有故障时，电压变化率不满足保护启动条件，保护不会启 动；
[0043] 当线路区外发生故障，区内没有故障时，线路电压变化率启动差动保护，而故障发 生在区外，电流始终丨两足/aj. _ +10t保护不会^动作。
[0044] 当线路区内发生故障时，如果故障点正好发生在中点0处，采用新的算法计算差 动电流，差动电流就等于0点附近两侧电流，消除了分布电容电流的影响。
[0045] 如果故障点发生于区内中点之外的其他位置，设故障为金属性故障，发生在中点 与N侧之间某处，如图5所示。
[0046] 由于M侧与0点之间没有故障，故：
[0047] =j：0
[0048] 即M侧的计算电流补偿了M0段的电容电流。
[0049] 设故障点右侧的电流为，计及故障点X上的电压Ux= 0,方向电流行波为：
[0050]
[005