一种直流线路50Hz谐波保护防误动的方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，具体是一种直流线路50Hz谐波保护防误动的方法。

背景技术：

直流线路50Hz谐波保护作为桥差动保护/换相失败保护的后备保护，能够快速检测到连续换相失败或触发系统故障，并能够快速检测整流器或逆变器处的误触发。近年来现场发生了多起相邻变压器空投导致的谐波保护误动，进而导致直流闭锁的事件，严重影响交直流互联系统的安全稳定运行。

变压器空投产生的励磁涌流中含有较大的二次谐波，导致换流站交流母线电压发生畸变，进而使得直流侧产生50Hz谐波，易导致谐波保护误动作。对此问题，相关文献提到了一些解决方案。种芝艺等(西北电网主变充电引起青藏直流闭锁的原因分析及对策.电力建设,2013,(3):88-91)提出采用正序二次谐波电压闭锁的方法以防止谐波保护在励磁涌流期间的误动作，该方法直接可以有效避免谐波保护在励磁涌流期间的误动作，但是直接采用正序二次谐波闭锁判据，可能会导致谐波保护在某些故障情况下出现拒动。田银刚等(换流站直流谐波保护动作原因分析及处理.青海电力,2014,(S1):66-68)提出在交流母线处加装100Hz滤波器，以抑制交流母线电压在励磁涌流期间的畸变，该方法需要增加一次设备，成本较高，不利于工程实现。

技术实现要素：

本发明提供一种直流线路50Hz谐波保护防误动的方法，该方法利用交流正序二次谐波电压能够准确判断励磁涌流的产生以及直流侧谐波是否由励磁涌流造成，不会导致谐波保护的拒动，且无需增加一次设备，易于工程实现。

本发明采用如下技术方案实现：

一种直流线路50Hz谐波保护防误动的方法，在整个过程中保持对电压电流进行等间隔采样，采样时间间隔Ts为T/N，其中T为电网工频周期，N为每周期的采样点数，所述方法包括如下步骤：

步骤一、执行常规50Hz谐波保护功能，在每个采样间隔都进步骤二，且置标志位flag为0；

步骤二、判断换流站交流母线电压是否产生二次谐波

测量换流站交流母线侧三相电压，计算测量电压中的正序二次谐波幅值U₂₊，当式(2)满足且flag＝0时，转入步骤三，将flag置为1，并从0开始计时，计时结果记为t，同时从1开始计数，计数结果记为n，每隔一个采样点加1；当式(2)满足，且flag＝1时，直接转入步骤三，并继续计时、计数；当式(2)不满足时，返回步骤一；

U₂₊>U_set (2)

式中：U₂₊为通过快速傅里叶变换计算得到的换流站交流母线电压二次谐波幅值，U_set为整定值，根据工程经验设定为30kV；

步骤三、判断是否产生励磁涌流，若判断结果为是则转入步骤四，否则返回步骤二；

步骤四、判断直流线路整流侧二次谐波是否由励磁涌流产生；

当式(4)或(5)满足时，则判断直流线路整流侧二次谐波由励磁涌流产生，进入步骤五，否则返回步骤二：

式(4)中：U₂₊(k)代表进入步骤三后第k个采样点的换流站交流母线电压正序二次谐波幅值，代表I_{r_50}与U₂₊衰减的同步程度，β_r越接近于0，意味着衰减越同步，t_set2为整定的延时，根据工程经验取0.2s，I_{r_50}(k)代表进入步骤三后第k个采样点的直流线路整流侧电流50Hz谐波分量幅值，β_set为判断波形相似程度的整定值，根据工程经验取0.01，

式(5)中：β_i代表I_{i_50}与U₂₊衰减的同步程度，β_i越接近于0，意味着衰减越同步，I_{i_50}(k)代表进入步骤三后第k个采样点的直流线路整流侧电流50Hz谐波分量幅值；

步骤五、调整50Hz谐波保护判据，防止保护误动

当确定直流线路50Hz谐波电流由励磁涌流产生后，则在谐波保护的判据中抬高谐波保护的动作门槛值，以提高谐波保护的可靠性，防止误动：

当判据(4)满足时，将式(1)所示的谐波保护判据调整为：

I_{r_50}>I_{set_N}+k_{set_N}×I_dCN (6)

当判据(5)满足时，将式(1)所示的谐波保护判据调整为：

I_{i_50}>I_{set_N}+k_{set_N}×I_dCN (7)

式中：I_{set_N}为修改后的动作电流，k_{set_N}为修改后的制动系数。

进一步的，步骤四中当式(4)或(5)满足时，当如下条件满足时，开始计时，时间记为t₁，步骤五调整50Hz谐波保护判据后，当如下条件满足时，返回步骤一：

条件1：t₁>t_set3，t_set3为整定的返回延时，根据工程经验取1s。

条件2：U₂₊<U_set。

进一步的，步骤一中常规50Hz谐波保护的动作判据如式(1)所示：

I_{dCN_50}>I_z＝I_set+k_set×I_dCN (1)

式(1)中：I_z为制动电流；I_{dCN_50}为直流电流中50Hz分量；I_set为电流保护定值，根据工程经验取0.0333倍的额定电流；k_set为比率系数定值，根据工程经验取0.05；I_dCN为直流电流，每隔采样时间Ts检测以上值，若判据持续满足0.5s后保护动作。

进一步的，步骤三中判断是否产生励磁涌流具体步骤为：

当式(3)满足时，则判断随着时间逐步衰减，出现了相邻变压器空投的情况，产生励磁涌流，此时，转入步骤四；否则返回步骤二；

式中：α代表电压衰减率，N为每个周波测量电压的采样点数；n代表当前电压采样点的编号；U₂₊(k)代表进入步骤三后第k个采样点的换流站交流母线电压正序二次谐波幅值；t_set1为整定的延时，根据工程经验取0.2s；α_set为判断电压衰减的门坎值，根据工程经验取0.97。

进一步的，步骤五中I_{set_N}根据工程经验取0.1倍的额定电流，k_{set_N}根据工程经验修改为0.1。

本发明创新性的提出利用交流母线电压的二次谐波判断励磁涌流的产生，并利用谐波电压和直流线路电流50Hz谐波衰减的同步情况确定直流侧谐波是否由励磁涌流导致，能够有效的避免谐波保护在励磁涌流期间误动，从而保障交直流混联系统的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明实例中直流输电系统各部分连接以及测量电气量的示意图，电压U2+测点位于极I整流侧交流母线处，电流Ir_50和Ii_50的测点分别位于极I直流线路的整流侧和逆变侧，其参考方向如图中的箭头所示；

图2(a)为直流线路整流侧50Hz谐波电流波形示意图，图2(b)为直流线路逆变侧50Hz谐波电流波形示意图；

图3为换流站交流母线电压正序二次谐波；

图4为换流站交流系统母线电压正序二次谐波的衰减情况；

图5为直流线路逆变侧50Hz谐波是否由励磁涌流引起的判据的满足情况；

图6为改进后的直流线路逆变侧50Hz谐波保护的动作情况。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，直流输电系统采用单极大地回线运行方式；直流输电线路中电流大小为额定值1500A。极II整流侧的变压器空投。检测换流站整流侧交流母线三相电压的正序二次谐波，以及直流线路整流侧和逆变侧50Hz谐波来构成改进过的50Hz谐波保护。在下述过程中，保持对电压电流进行等间隔采样，采样时间间隔Ts为T/N，其中T为电网工频周期，N为每周期的采样点数，本算例中设置为200。

一种直流线路50Hz谐波保护防误动的方法，包括如下步骤：

步骤一、执行常规50Hz谐波保护功能

常规50Hz谐波保护的动作判据如式(1)所示：

I_{dCN_50}>I_z＝I_set+k_set×I_dCN(1)

式(1)中：I_z为制动电流；I_{dCN_50}为直流电流中50Hz分量；I_set为电流保护定值，根据工程经验取0.0333倍的额定电流；k_set为比率系数定值，根据工程经验取0.05；I_dCN为直流电流。每隔采样时间Ts，检测以上值，若判据持续满足0.5s后保护动作。

每个采样间隔都进步骤二，且置标志位flag为0。

步骤二、判断换流站交流母线电压是否产生二次谐波

测量换流站交流母线侧三相电压，计算测量电压中的正序二次谐波幅值U₂₊。当式(2)满足且flag＝0时，转入步骤三，将flag置为1，并从0开始计时，计时结果记为t，同时从1开始计数，计数结果记为n，每隔一个采样点加1；当式(2)满足，且flag＝1时，直接转入步骤三，并继续计时、计数；当式(2)不满足时，返回步骤一。

U₂₊>U_set (2)

式中：U₂₊为通过快速傅里叶变换计算得到的换流站交流母线电压二次谐波幅值；U_set为整定值，根据工程经验设定为30kV。

步骤三、判断是否产生励磁涌流

当相邻变压器空投产生励磁涌流中含有大量正序二次谐波，会使得换流站交流系统母线电压产生正序二次谐波(记为)，且该正序二次谐波电压会与励磁涌流同步衰减。故可以根据换流站交流系统母线正序二次电压的衰减情况，判据是否发生励磁涌流。

当式(3)满足时，则判断随着时间逐步衰减，出现了相邻变压器空投的情况，产生励磁涌流，此时，转入步骤四；否则返回步骤二。

式中：α代表电压衰减率，N为每个周波测量电压的采样点数；n代表当前电压采样点的编号；U₂₊(k)代表进入步骤三后第k个采样点的换流站交流母线电压正序二次谐波幅值；t_set1为整定的延时，根据工程经验取0.2s；α_set为判断电压衰减的门坎值，根据工程经验取0.97。

步骤四、判断直流线路整流侧二次谐波是否由励磁涌流产生

在励磁涌流期间，由于换流站交流母线产生了正序二次谐波电压，故会在直流线路产生50Hz谐波电流(直流线路整流侧和逆变侧50Hz谐波电流幅值分别记为I_{r_50}和I_{i_50})。因此，根据I_{r_50}、I_{i_50}与U₂₊的衰减是否同步(即判断波形I_{r_50}、I_{i_50}与U₂₊的相似程度)，可以判据直流线路50Hz谐波电流是否由励磁涌流产生，进而调整已有的直流50Hz谐波保护动作定值，以躲过潜在误动的风险。

当式(4)满足时，则判断直流线路整流侧二次谐波由励磁涌流产生。

式中：β_r代表I_{r_50}与U₂₊衰减的同步程度，β_r越接近于0，意味着衰减越同步；t_set2为整定的延时，根据工程经验取0.2s；I_{r_50}(k)代表进入步骤三后第k个采样点的直流线路整流侧电流50Hz谐波分量幅值；β_set为判断波形相似程度的整定值，根据工程经验取0.01。

同理，式(5)满足时，则判断直流线路逆变侧二次谐波由励磁涌流产生。

式中：β_i代表I_{i_50}与U₂₊衰减的同步程度，β_i越接近于0，意味着衰减越同步；I_{i_50}(k)代表进入步骤三后第k个采样点的直流线路整流侧电流50Hz谐波分量幅值。

当式(4)或者式(5)满足时，进入步骤五，并开始计时，时间记为t₁；否则返回步骤二。

步骤五、调整50Hz谐波保护判据，防止保护误动

当确定直流线路50Hz谐波电流由励磁涌流产生后，则在谐波保护的判据中抬高谐波保护的动作门槛值以躲过误动，以提高谐波保护的可靠性，防止误动。

当判据(4)满足时，将式(1)所示的谐波保护判据调整为：

I_{r_50}>I_{set_N}+k_{set_N}×I_dCN (6)

当判据(5)满足时，将式(1)所示的谐波保护判据调整为：

I_{i_50}>I_{set_N}+k_{set_N}×I_dCN (7)

式中：I_{set_N}为修改后的动作电流，根据工程经验取0.1倍的额定电流；k_{set_N}为修改后的制动系数，根据工程经验修改为0.1。

当如下条件满足时，返回步骤一。

条件1：t₁>t_set3，t_set3为整定的返回延时，根据工程经验取1s。

条件2：U₂₊<U_set

实例说明

下面根据如图2至图6所示的仿真结果说明改进后的直流线路50Hz谐波保护判据的效果。

极II的变压器空投后，极I线路整流侧和逆变侧50Hz谐波的幅值如图2所示。通过分析可得，在直流线路的逆变侧，由励磁涌流产生的电流50Hz谐波分量大于整定值，且持续时间超过0.8s，会导致50Hz谐波保护误动。

采用本文所提的方法，动作情况如下：

在步骤一和步骤二中，测量换流站交流母线三相电压，通过快速傅里叶变换计算得到测量电压中的正序二次谐波幅值U₂₊。U₂₊的变化情况如图3所示。极II的变压器空投后，U₂₊大于30kV时(此时判断换流站交流母线电压产生二次谐波)，此时flag由0转变为1；并从0开始计时，计时结果记为t；同时从1开始计数，计数结果记为n，每隔一个采样点加1。同时进入步骤三。

在步骤三中计算的电压衰减率α如图4所示，可见在0.2s后，α值持续小于α_set(α_set取0.97)，当t大于0.2s，即t>t_set1时，式(3)满足(判断产生励磁涌流)，转入步骤四。

在步骤四中，I_{i_50}与U₂₊的衰减同步程度β_i的计算结果如图5所示。可以看出，β_i的值远小于整定值0.01，这表明I_{i_50}与U₂₊的波形变化趋势较为一致，故识别逆变侧50Hz谐波电流由励磁涌流产生。因此进入步骤五。

在步骤五中将50Hz谐波保护判据改为I_{i_50}>I_{set_N}+k_{set_N}×I_dCN，如图6所示。通过分析可见，改进判据后，50Hz谐波电流大于整定值的持续时间小于0.5s，故保护不会误动。

在0.72s时，U₂₊小于30kV，退出改进后的50Hz谐波保护判据，恢复原有的50Hz谐波保护动作特性，如图6所示。

通过上述实例说明可见，本发明提出的方法可以有效防止直流线路谐波保护在变压器励磁涌流期间的误动作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。