一种高压直流输电线路的单端速动主保护方法与流程
本发明涉及一种高压直流输电线路的单端速动主保护方法。
背景技术：
我国一次能源与电力负荷的逆向分布特性决定了高压输电将在我国电网结构中占据日益重要的地位。高压输电中，相比于高压交流输电，高压直流输电的电压恒定、没有集肤效应、传输的功率更大、经济效益更好，使其在远距离输电中脱颖而出。目前，中国电网共建成并投运高压直流输电工程29个，包含7个±800kv特高压直流输电工程，形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局。到2020年跨区、跨国电网输送容量将达到4.1亿kw，西北地区到东部的输送距离达2000～3000km以上。
由于输电距离远，输电线路长且周围环境恶劣，容易出现区内短路等故障。根据现场运行经验，区内线路故障约占直流输电系统全部故障的50％，区内线路故障发生后线路主保护正确动作、断开故障线路的只有50％，另一半的区内线路故障由直流控制系统响应动作，直流闭锁，关闭整个输电系统的送端，引起不必要的系统停运，造成巨大的设备损耗和经济损失。
理想的直流输电线路主保护对位于线路两侧电流测点之间的线路区内故障进行动作，而对测点之外的区外故障应当不动作而由控制系统响应动作。我国高压直流输电线路主保护广泛采用abb和西门子公司的保护装置，其主保护配置行波保护，行波保护以故障后线路出口侧电流中的行波波头电压、电流变化量和变化率为判据，进行线路故障检测，当计算值超过整定值，输出主保护动作信号。实际工程运行经验表明，现有行波主保护方案存在一定缺陷：1)行波保护无法动作于线路远端接地电阻大于100ω的区内高阻接地故障；2)行波保护会对线路远端区外非高阻接地故障尤其是金属性接地故障误动。其拒动和误动的原因如下：当发生区内远端高阻接地故障时，由于接地电阻大和故障距离远，使行波保护计算采用的电参量(行波波头电压、电流变化量和变化率)在时域上的变化量显著减小，以致无法满足主动作判据，不能进行主保护动作；而发生区外金属性接地故障时，由于接地电阻极小，会使行波保护计算值满足保护动作判据，发生区内主保护误动。因此，行波主保护无法正确区分线路远端区内的高阻接地故障和远端区外的金属性接地故障，其可靠性低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高压直流输电线路的单端速动主保护方法，该方法对高压直流输电线路的远距离及高阻接地故障的检出率高、且对区外故障的误检出率低，能更好地保障高压直流输电系统的安全稳定和高效运行。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种高压直流输电线路的单端速动主保护方法，其步骤如下：
a、数据采集
高压直流输电系统的保护装置以100khz的采样频率，实时采集直流输电线路整流器出口侧的电流和直流滤波器出口侧的电流，分别得到当前时刻t的整流电流离散值ia(t)和当前时刻t的滤波后电流离散值ib(t)；
b、整流电流信号的处理
将之前的299个时刻和当前时刻t的整流电流离散值ia(t-299)、ia(t-298)、ia(t-297)…ia(t-2)、ia(t-1)、ia(t),构成当前时刻t的整流电流序列ia(t),ia(t)＝[ia(t-299)、ia(t-298)、ia(t-297)…ia(t-2)、ia(t-1)、ia(t)]；
对当前时刻t的整流电流序列ia(t)进行10层小波分解并重构，得到当前时刻t的10个频段的整流电流序列，记录其中的：
频率范围为12.5～6.25khz的第三频段整流小波分解电流序列
频率范围为6.25～3.12khz的第四频段整流小波分解电流序列
频率范围为3.12～1.56khz的第五频段整流小波分解电流序列
将当前时刻t的第三频段整流小波分解电流序列
c、滤波电流信号的处理
将之前的299个时刻和当前时刻t的滤波后电流离散值ib(t-299)、ib(t-298)、ib(t-297)…ib(t-2)、ib(t-1)、ib(t)，构成当前时刻t的滤波后电流序列ib(t),ib(t)＝[ib(t-299)、ib(t-298)、ib(t-297)…ib(t-2)、ib(t-1)、ib(t)]；
对当前时刻t的滤波后电流序列i2(t)进行10层小波分解并重构，得到当前时刻t的10个频段的滤波后电流序列，记录其中的：
频率范围为12.5～6.25khz的第三频段滤波后小波分解电流序列
频率范围为6.25～3.12khz的第四频段滤波后小波分解电流序列
频率范围为3.12～1.56khz的第五频段滤波后小波分解电流序列
将当前时刻t的第三频段滤波后小波分解电流序列
d、电流信号差值的计算
将c步的当前时刻t的次高频段滤波后小波分解电流总和b(t)，减去b步的当前时刻t的次高频段整流小波分解电流总和a(t)，得到当前时刻t的次高频段电流信号差值d(t)，d(t)＝b(t)－a(t)；
将当前时刻t和之前的99个时刻的次高频段电流信号差值d(t)进行平均，得到当前时刻t的次高频段电流信号差平均值
e、保护动作
如当前时刻t的次高频段电流信号差平均值
本发明方法的原理如下：
输电线路故障电流蕴含着丰富的暂态信息，不同故障位置尤其是区内、外故障受直流线路两侧电抗器和滤波器的影响，传输到测点处的暂态信息区别很大。相比于传统行波保护只利用线路故障电流的时域特征进行故障识别，本发明采用滤波前后两个故障电流来识别区内外故障，且提取其中最能反应区内故障的暂态信息，其准确性更高。
当故障未发生时，线路处于正常运行工况下，此时，直流滤波器对其两侧的12k次基波电流(k＝1,2,3…，基波频率50hz)有过滤作用，这几个频点仅占本发明所选频段很小一部分，滤波器对其余电流分量影响很小，故线路正常工作时，电流ib(t)、ia(t)的特定频段差较小，只体现了滤波器两侧电流的自然差异。
当线路区内发生接地故障时，故障点产生的大量暂态高频信号迅速传输到线路侧电流测点，因此线路侧电流信号ib(t)所含高频分量丰富，而经过滤波器传输到整流侧后，ia(t)的高频分量大大衰减，计算所得特定频段差远远大于系统正常工作及区外接地故障。因此，计算出的两电流信号在所选频段差值很大，能进行可靠的主保护。
当线路末端区外发生接地故障时，故障点同样产生大量暂态信号，但由于暂态信号的传播经过逆变侧滤波器及整个线路，使ia(t)和ib(t)所含高频分量较之区内故障大大减少，而整流器侧电流ia(t)所含高频分量又在经过整流侧滤波器后衰减，故线路侧直流电流ib(t)所含高频分量仍多于整流器侧直流电流ia(t)所含高频分量，且所得特定频段差大于系统正常工作值，但又小于区内故障产生的特定频段差。因此，计算出的两电流信号在所选频段差较小，不会产生主保护误动作。
根据以上特点，本发明对高压输电线路高阻故障及远端区内外故障具有较强的识别能力和快速的动作能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、当线路区内发生接地故障时，故障点产生的大量暂态高频信号迅速传输到线路侧电流测点，因此线路侧电流信号ib(t)所含高频分量丰富，而经过滤波器传输到整流侧后，ia(t)的高频分量大大衰减，计算所得特定频段差远远大于系统正常工作及区外接地故障。因此，计算出的两电流信号在所选频段差值很大，能进行可靠的主保护。总之，本发明不采用易受故障距离和故障电阻影响的电流的时域特征，而是选择了三个能够反应接地故障特征的频段，所选的频段受故障电阻和故障位置的影响小，使之对故障电阻和故障位置的耐受能力增强，提高了对区内故障的识别能力，保护动作不受故障距离的影响，能够可靠地保护线路全长。
二、当线路末端区外发生接地故障时，故障点同样产生大量暂态信号，但由于暂态信号的传播经过逆变侧滤波器及整个线路，使ia(t)和ib(t)所含高频分量较之区内故障大大减少，而整流器侧电流ia(t)所含高频分量又在经过整流侧滤波器后衰减，故线路侧直流电流ib(t)所含高频分量仍多于整流器侧直流电流ia(t)所含高频分量，且所得特定频段差大于系统正常工作值，但又小于区内故障产生的特定频段差。因此，对区外故障不会产生主保护误动作。其主保护准确、可靠、误动率低。
三、本发明在一次计算中使用4ms内所有数据，并利用逐点滑动窗提高了数据采样的精确性，减少了瞬时干扰信号对识别、保护的干扰、影响，进一步提高了其可靠性；同时，仅使用线路单端电参量，无需在线路两侧进行数据交换，减少了保护动作延迟；在故障发生后4ms内即可识别区内故障，保护动作速度快。
四、本发明无需改变高压直流输电系统的结构和硬件，只需基于系统现有的保护点，实时采集电气量信号，速度快，实时性好，适于工程应用。
进一步，本发明的次高频段电流信号差设定值dset的取值为2。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明仿真实验中线路末端区内发生高阻接地故障所在时间段的次高频段电流信号差值d(t)变化图；
图2为本发明仿真实验中线路末端区外发生金属性接地故障所在时间段的次高频段电流信号差值d(t)变化图。
具体实施方式
实施例
本发明的一种具体实施方式是，一种高压直流输电线路的单端速动主保护方法，其步骤如下：
a、数据采集
高压直流输电系统的保护装置以100khz的采样频率，实时采集直流输电线路整流器出口侧的电流和直流滤波器出口侧的电流，分别得到当前时刻t的整流电流离散值ia(t)和当前时刻t的滤波后电流离散值ib(t)；
b、整流电流信号的处理
将之前的299个时刻和当前时刻t的整流电流离散值ia(t-299)、ia(t-298)、ia(t-297)…ia(t-2)、ia(t-1)、ia(t),构成当前时刻t的整流电流序列ia(t),ia(t)＝[ia(t-299)、ia(t-298)、ia(t-297)…ia(t-2)、ia(t-1)、ia(t)]；
对当前时刻t的整流电流序列ia(t)进行10层小波分解并重构，得到当前时刻t的10个频段的整流电流序列，记录其中的：
频率范围为12.5～6.25khz的第三频段整流小波分解电流序列
频率范围为6.25～3.12khz的第四频段整流小波分解电流序列
频率范围为3.12～1.56khz的第五频段整流小波分解电流序列
将当前时刻t的第三频段整流小波分解电流序列
c、滤波电流信号的处理
将之前的299个时刻和当前时刻t的滤波后电流离散值ib(t-299)、ib(t-298)、ib(t-297)…ib(t-2)、ib(t-1)、ib(t)，构成当前时刻t的滤波后电流序列ib(t),ib(t)＝[ib(t-299)、ib(t-298)、ib(t-297)…ib(t-2)、ib(t-1)、ib(t)]；
对当前时刻t的滤波后电流序列i2(t)进行10层小波分解并重构，得到当前时刻t的10个频段的滤波后电流序列，记录其中的：
频率范围为12.5～6.25khz的第三频段滤波后小波分解电流序列
频率范围为6.25～3.12khz的第四频段滤波后小波分解电流序列
频率范围为3.12～1.56khz的第五频段滤波后小波分解电流序列
将当前时刻t的第三频段滤波后小波分解电流序列
d、电流信号差值的计算
将c步的当前时刻t的次高频段滤波后小波分解电流总和b(t)，减去b步的当前时刻t的次高频段整流小波分解电流总和a(t)，得到当前时刻t的次高频段电流信号差值d(t)，d(t)＝b(t)－a(t)；
将当前时刻t和之前的99个时刻的次高频段电流信号差值d(t)进行平均，得到当前时刻t的次高频段电流信号差平均值
e、保护动作
如当前时刻t的次高频段电流信号差平均值
本例的次高频段电流信号差设定值dset的取值为2。
仿真实验
为验证本发明的保护方法的线路区内故障检测的准确性，采用pscad/emtdc建立高压直流输电系统仿真模型；设置不同距离、不同接地电阻的区内故障和区外故障，来对比说明本方法对于区内故障的可靠动作以及对区外故障的可靠不动作；用matlab处理故障信号，得到在行波保护无法正确动作的故障情况下的特定频段差的平均值及保护动作情况，如表1所示。
表1各种故障情况下保护动作情况(均为行波保护无法正确动作的故障)
表1表明，对于行波保护无法正确动作的接地电阻为100ω、500ω，故障距离在1000-2500km的接地故障，本发明方法保护均可准确、快速识别；也即本发明可有效识别线路末端区内发生的高阻接地故障。图1为本发明仿真实验中线路末端区内发生高阻接地故障所在时间段的次高频段电流信号差值d(t)变化图；图1说明，区内线路远端高阻故障发生时，本发明方法得到的次高频段电流信号差值d(t)值明显大于保护整定值，能快速识别并保护动作。说明本发明对于区内的线路远端高阻故障识别能力强。
表2还表明，对区外(大于2500km)接地电阻为0.1ω的金属性接地故障，本发明方法也不会识别并动作，也即本发明对于任何区外故障均能能够可靠不动作(不发生主保护误动作)，符合区内保护的基本原理和要求。图2为本发明仿真实验中线路末端区外发生金属性接地故障所在时间段的次高频段电流信号差值d(t)变化图；图2说明，区外线路发生金属性(低阻)接地故障故障时，本发明方法得到的次高频段电流信号差值d(t)值小于保护设定值，不会识别并进行主保护动作。也说明本发明对于任何区外故障均能能够可靠不动作，符合区内保护的基本原理和要求。
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