本发明涉及电力系统继电保护中的故障识别方法，具体涉及一种高压直流输电系统接地极线路故障的识别方法。
背景技术：
接地极是高压直流输电系统的重要组成部分，起到为不平衡电流提供通路、钳制中性点电压的作用。为了避免直流偏磁对换流站设备的影响，接地极通常不在换流站设备处就近接地，而是经过2条上百公里的并联架空线路将换流站设备的中性点连接至偏远处进行接地。其接地极线路长、所经历的环境复杂，导致故障率高。在实际工程中，接地极线路故障威胁高压直流输电系统安全运行的事件也多有发生。如：兴安直流输电工程自2007年投运以来发生过多起接地极线路不平衡(2条并联线路上的电流偏差大)保护动作，导致双极或单极闭锁事件。2015年7月，宾金直流满负荷运行时极2直流闭锁，宾金、复奉直流共乐接地极线路电流瞬时增大，导致接地极引线1过负荷断裂。因此，接地极线路保护对保证交直流互联系统运行的安全和稳定，具有重要意义。
目前，普遍采用的接地极线路主保护为电流不平衡保护，即利用两条接地极线路的不平衡度(电流偏差)构成保护判据,当不平衡度大于规定阈值时即进行保护。保护接地极线路后部发生短路接地故障时，两条接地极线路的电流偏差小，不足以判定故障已产生；且短路接地故障的过渡电阻(短路点与地之间各种杂物形成的电阻)也会减低两条接地极线路的电流偏差,导致保护灵敏性较低，接地极线路可能长期带“病”运行，存在安全隐患。为了解决高压直流输电系统接地极线路在发生高阻、远端接地故障时，保护灵敏度低的问题，可通过将高频信号注入接地极线路，监测线路高频阻抗或电气量进而识别故障。但是，高频信号环境下接地极线路参数的漂移、偏差会严重影响阻抗监测值，客观上给此类判据的整定带来了困难；同时，该方法需要精确的高频信号注入设备和灵敏的高频信号检测装置，对硬件要求高，工程上实施较为困难。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高压直流输电系统接地极线路故障识别方法，该方法耐过渡电阻能力强、检测灵敏度高、实施成本低、易于工程实现。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为，一种高压直流输电系统接地极线路故障的识别方法，其步骤为：
A、数据采集
接地极系统的电气测量装置安装于高压直流输电系统换流站中性母线上，电气测量装置以采样频率Fs实时采集接地极线路首端的电压信号U(t)、第一条接地极线路的第一电流信号I1(t)和第二条接地极线路的第二电流信号I2(t)，并将采集到的电压信号U(t)、第一电流信号I1(t)和第二电流信号I2(t)传送至系统的继电保护装置，其中t表示采样时刻；
B、数据处理
系统的继电保护装置对电气测量装置发送来的数据进行以下处理：
利用全波傅里叶算法提取电压信号U(t)、第一电流信号I1(t)和第二电流信号I2(t)的特征谐波分量，分别得到接地极线路首端的特征谐波电压值Un、第一条接地极线路的特征谐波电流值I1n和第二条接地极线路的特征谐波电流值I2n，其中n为系统的特征谐波频率，取值为600Hz；
C、特征谐波测量阻抗幅值比的计算
C1、系统的继电保护装置根据接地极线路首端的特征谐波电压值Un，第一条接地极线路的特征谐波电流值I1n和第二条接地极线路的特征谐波电流值I2n，分别计算出接地极线路首端的特征谐波电压的幅值|Un|、第一条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I1n|和第二条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I2n|；
C2、系统的继电保护装置根据接地极线路首端的特征谐波电压幅值|Un|和第一条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I1n|和第二条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I2n|；算出：
第一条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值|Z1n|，|Z1n|＝|Un|/|I1n|；
第二条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值|Z2n|，|Z2n|＝|Un|/|I2n|；
C3、系统的继电保护装置由下式计算出两条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值中的最小值与最大值之比，即特征谐波测量阻抗幅值比k：
其中，min表示取最小值运算，max表示取最大值运算；
D、线路短路故障识别
系统的继电保护装置将特征谐波测量阻抗幅值比k与设定的特征谐波测量阻抗幅值比阈值k0进行比较；如k≤k0，则判定接地极线路发生接地故障；否则，判定接地极线路运行正常。
本发明故障识别方法的原理如下：
高压直流输电系统采用双12脉动的换流器，在直流侧将产生12、24、36等12倍数次以及其它高次的特征谐波电流。因此，在接地极系统的量测点可以检测到较明显的12次(50*12＝600)即600Hz的特征谐波电压及特征谐波电流。接地极系统中性母线量测点处600Hz的特征谐波电压实际上是入地的特征谐波电流在接地极及其线路上的压降。
当接地极线路正常运行时，两条并联的接地极线路流过的特征谐波电流等值同向、特征谐波测量阻抗相同。
当接地极线路发生断路故障时，故障线路的特征谐波电流量几乎为零，特征谐波测量阻抗很大，而非故障线路的特征谐波测量阻抗不发生变化；此时，特征谐波测量阻抗幅值比很小。从而本发明能够及时灵敏地判断出接地极线路发生了故障。
当接地极线路出现短路接地故障时，不论过渡电阻的阻值大小，高频的特征谐波电流均会迅速地通过过渡电阻分流。这是因为：短路接地处的过渡电阻(故障点与大地之间的杂物形成的电阻)通常为纯电阻性物质，其阻值的大小对特征谐波测量阻抗降低的影响可以忽略不计；也即一旦发生接地短路故障，不论过渡电阻大小如何，故障线路的特征谐波电流均会急剧增大、特征谐波测量阻抗均会急剧降低；而非故障线路的特征谐波测量阻抗基本不变；较之直接测直流电流值的偏差，本发明方法避免了短路接地过渡电阻的阻值对于分流电流的反比例影响，从而不受过渡电阻的影响，能够灵敏准确地测出短路接地故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明方法利用包含丰富故障信息的电压、电流信号的特征谐波量计算接地极线路特征谐波测量阻抗，故当接地极线路发生故障时，特征谐波测量阻抗的特征明显；由于接地极线路由双回并行的架空线路组成，接地极线路特征谐波测量阻抗总体呈感性，受呈阻性的过渡电阻的影响小，因此本发明方法利用特征谐波测量阻抗幅值比作为保护判据识别故障，避免了现有的直接电流不平衡判据，受过渡电阻阻值的分流影响，其检测灵敏度高，便于故障的快速有效处理，防止事故扩大，提高电力系统稳定性。
二、本发明方法只需要提取接地极线路首端的电压和两条接地极线路电流的12次谐波分量，对采样率要求不高，易于现场实现；在计算特征谐波测量阻抗幅值比时，首先提取接地极线路首端的特征谐波电压幅值和两条接地极线路的特征谐波电流幅值，再计算两条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值，不再进行向量计算过程中相位计算的步骤，减少大量的运算量，因此本发明方法运算量小、识别速度快。
三、本发明方法仅利用系统中已有的单端可测的电气测量装置和保护装置，无需增加硬件设备，便于工程应用。
进一步，本发明的步骤A中电气测量装置的采样频率F大于等于1.2kHz。
这样可以确保提取出含量比较完整的600Hz的特征谐波信号。
进一步，本发明的步骤D中特征谐波测量阻抗幅值比阈值k0为0.95。
这样既能保证检测的误检率低，检测结果可靠；同时，可以保证检测灵敏，检出率高。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种高压直流输电系统接地极线路故障的识别方法，其步骤为：
A、数据采集
接地极系统的电气测量装置安装于高压直流输电系统换流站中性母线上，电气测量装置以采样频率F实时采集接地极线路首端的电压信号U(t)、第一条接地极线路的第一电流信号I1(t)和第二条接地极线路的第二电流信号I2(t)，并将采集到的电压信号U(t)、第一电流信号I1(t)和第二电流信号I2(t)传送至系统的继电保护装置，其中t表示采样时刻；
B、数据处理
系统的继电保护装置对电气测量装置发送来的数据进行以下处理：
利用全波傅里叶算法提取电压信号U(t)、第一电流信号I1(t)和第二电流信号I2(t)的特征谐波分量，分别得到接地极线路首端的特征谐波电压值Un、第一条接地极线路的特征谐波电流值I1n和第二条接地极线路的特征谐波电流值I2n，其中n为系统的特征谐波频率，取值为600Hz；
C、特征谐波测量阻抗幅值比的计算
C1、系统的继电保护装置根据接地极线路首端的特征谐波电压值Un，第一条接地极线路的特征谐波电流值I1n和第二条接地极线路的特征谐波电流值I2n，分别计算出接地极线路首端的特征谐波电压的幅值|Un|、第一条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I1n|和第二条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I2n|；
C2、系统的继电保护装置根据接地极线路首端的特征谐波电压幅值|Un|和第一条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I1n|和第二条接地极线路的特征谐波电流的幅值|I2n|；算出：
第一条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值|Z1n|，|Z1n|＝|Un|/|I1n|；
第二条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值|Z2n|，|Z2n|＝|Un|/|I2n|；
C3、系统的继电保护装置由下式计算出两条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值中的最小值与最大值之比，即特征谐波测量阻抗幅值比k：
其中，min表示取最小值运算，max表示取最大值运算；
D、线路短路故障识别
系统的继电保护装置将特征谐波测量阻抗幅值比k与设定的特征谐波测量阻抗幅值比阈值k0进行比较；如k≤k0，则判定接地极线路发生接地故障；否则，判定接地极线路运行正常。
本例的步骤A中，电气测量装置的采样频率F等于1.2kHz。
本例的步骤D中，特征谐波测量阻抗幅值比阈值k0为0.95。
以下通过仿真实验，对本发明方法进行验证。
仿真实验
为验证所提方法在不同工况下的有效性和可靠性，根据实际工程参数基于PSCAD/EMTDC软件搭建含接地极系统的±800kV/5kA双极高压直流输电系统仿真模型。模型中直流输电系统额定输送容量为8000MW，输电线路长度为1652km。其接地极系统中，极址电阻为0.2Ω，线路长度为101.4km，线路采用Bergeron模型。
在系统双极运行模式下，进行接地极线路的故障仿真研究，当系统正常运行时，接地极两极的不平衡电流直流分量为50A，不平衡电压直流分量为0.107kV。对于单线接地故障，故障点F设在第二条接地极线路上，故障起始时间为3s，持续时间为0.5s。设置电压、电流的采样频率为10kHz，取阈值k0＝0.95。
第二条接地极线路在不同故障距离、不同过渡电阻情况下，发生接地故障时，本发明方法的仿真结果见下表。表中“√”表示故障被识别，“×”表示故障不被识别。
接地极线路经不同故障距离和过渡电阻故障下的仿真结果
由表可知，利用本发明提出的故障识别方法，当接地极线路发生过渡电阻200Ω以内的单线接地故障时，在90％以上的线路全长范围内，两条接地极线路600Hz特征谐波测量阻抗幅值比均低于阈值，能够可靠识别出故障。在小于线路全长10％的末端线路处发生故障时，由于两条接地极线路600Hz特征谐波测量阻抗值近似相等，导致两条接地极线路600Hz特征谐波测量阻抗幅值比大于阈值，不能识别出故障。但是接地极线路在靠近极址点发生接地故障对系统运行的可靠性影响较小，故本发明提出的故障识别方法可以满足系统对接地极线路保护可靠性的要求。
上表还可以看出：过渡电阻增大会导致两条接地极线路600Hz特征谐波测量阻抗比值略微变大，主要是由于线路特征谐波测量阻抗由等效电路中的阻抗参数和故障距离决定，过渡电阻的变化对等效电路参数有一定的影响，但该影响不会影响判别结果。因此，本发明提出的故障识别方法具有抗过渡电阻的能力。
总之，当接地极线路发生过渡电阻200Ω以内的单线接地故障时，本发明方法的故障检测距离大于线路全长的90％，而现有的电流不平衡判据方法，在过渡电阻10Ω以下，其故障距离的检测范围也仅为线路全长的60％。