一种长距离高压直流输电线路差动保护方法与流程

本发明涉及电力系统保护控制领域，具体涉及一种适用于长距离高压直流输电线路电流差动保护方法。

背景技术：

随着电力电子技术的迅速发展，直流输电技术在远距离、大功率输电上体现出了诸多交流输电所不具备的优势，直流输电技术发展迅速，国内的直流输电工程也逐步增加。直流输电线路是整个直流输电工程中故障率最高的部分，因此直流输电线路的继电保护技术至关重要。目前实际直流输电工程往往将电流差动保护作为输电线路的后备保护，需要经过一个较长的时间延时来躲过区外故障不平衡电流等因素的影响，以保证电流差动保护的选择性。

为了提高直流输电线路电流差动保护的性能，可以通过利用分布参数模型计算线路某参考点处的差动电流消除线路故障暂态期间的分布电容电流影响，以提高电流差动保护的动作性能。同时，输电线路参数不仅具有分布特性且具有频变特性，导致在长距离直流输电线路上的行波色散现象明显，该现象限制了直流输电线路电流差动保护性能的进一步提升。因此，通过设计一种兼顾线路参数分布特性和频变特性的直流输电线路差动保护方法，能够使其速动性、灵敏性和可靠性得到更明显的提高。

技术实现要素：

针对目前直流输电线路电流差动保护动作特性较差的问题，本发明提出一种能够快速可靠动作的直流输电线路电流差动保护方法。技术方案如下：

一种长距离高压直流输电线路差动保护方法，设输电线路的两端为j侧和k侧，以线路中点r处为参考点，包括以下步骤：

(1)对线路两侧换流站出口的电压互感器和电流互感器采集到的线路两端电压电流采样值ujp、ujn、ijp、ijn、ukp、ukn、ikp、ikn进行解耦得到线路两侧的电压电流线模分量uj1、uk1、ij1、ik1和地模分量uj0、uk0、ij0、ik0；

(2)根据贝瑞隆等效模型，利用线路j侧的电压电流线模分量uj1、ij1计算得到线路中点r处的线模计算电流值isjr1，利用线路k侧的电压电流线模分量uk1、ik1计算得到线路中点r处的线模计算电流值iskr1，参考点的线模差电流i1diff为二者的差值：

i1diff＝isjr1-iskr1

同理，可以计算得到参考点的地模差电流i0diff；

(3)利用参考点的线模差电流构造直流输电线路电流差动保护的动作判据：

式中，iset为电流差动保护判据的门槛值，max{i1unbalance}表示各种区外故障情况下贝瑞隆线模差动电流可能出现的最大不平衡电流值，krel为可靠系数；

(4)利用参考点处地模差电流和线模差电流的比值构造故障选极判据：

式中m为门槛值，考虑一定的裕量设置为0.1时已可以保证各类故障类型判别具有足够的灵敏性。

优选地，max{i1unbalance}取值为保护区外近端双极极间金属性故障时差动保护出现的不平衡电流。krel取1.3～1.5。

附图说明

图1为高压直流输电线路示意图。

图2为线模波速与地模波速的变化趋势图。

图3为各类型故障示意图，其中(a)为两极线路极间短路故障，(b)为正极线路接地故障，(c)为负极线路接地故障。

具体实施方式

输电线路的贝瑞隆等效模型是一种常系数分布参数模型，能够较好的反映线路参数的分布特性。利用贝瑞隆等效模型可以通过线路两端的电压电流测量值计算线路某参考点处的差电流，利用该差电流构造电流差动保护判据，可以提高差动保护的动作特性。但是直流输电线路往往较长，直流输电线路参数的频变特性引起的行波色散现象不可忽略，此时利用贝瑞隆等效模型构建直流输电线路分极电流差动保护，将由于未考虑线路参数的频变特性而影响计算精度，致使差动保护性能降低。

根据贝瑞隆模型计算线路中点(参考点)r处的线模差电流和地模差电流，利用参考点r处的线模差电流作为差动电流构造直流输电线路差动保护的动作判据，随后利用参考点r处地模差电流与线模差电流的比值构造故障选极判据。

所述方法包括以下步骤：

如图1所示，高压直流输电系统的输电线路通常由正极、负极两根输电线路构成。图中，ujp、ujn、ijp、ijn分别为换流站j出口测量装置采集到的正负极电压电流；ukp、ukn、ikp、ikn分别为换流站k出口测量装置采集到的正负极电压电流。正负极电气量之间存在电气耦合，可采用式(1)所示解耦矩阵s对正负极电压进行解耦。

解耦后得到相互独立的线模分量和地模分量。其中，线模分量通过正负两极线路构成回路，而地模分量通过大地回路进行回流。由于线模分量无需受到大地回路集肤效应的影响，其线路参数的频变现象要明显轻于地模分量。线路参数频变特性导致的行波色散现象是降低贝瑞隆等效模型计算精度的主要原因。图2给出了通常情况下，线模波速和地模波速的对比。可以看出，线模波速随频率的变化很小，无论在低频段还是高频段，线模波速都较为接近于真空中的光速；而地模波速的频变特性则十分明显，其在低频段的大小仅略高于真空中光速的一半，随着频率的升高，地模波速逐渐升高。由此可见，对于线路的线模分量，贝瑞隆等效模型的仍能够保证很高的计算精度。

(1)利用式(1)的解耦矩阵s对线路两侧换流站出口的电压互感器和电流互感器采集到的线路两端电压电流采样值ujp、ujn、ijp、ijn、ukp、ukn、ikp、ikn进行解耦得到线路两侧的电压电流线模分量uj1、uk1、ij1、ik1和地模分量uj0、uk0、ij0、ik0。

(2)根据贝瑞隆等效模型，利用线路j侧的电压电流线模分量uj1、ij1计算得到线路中点r处的线模计算电流值isjr1，利用线路k侧的电压电流线模分量uk1、ik1计算得到线路中点r处的线模计算电流值iskr1，参考点的线模差电流i1diff为二者的差值：

i1diff＝isjr1-iskr1(2)

同理，可以计算得到参考点的地模差电流i0diff。

(3)由于直流输电线路线模分量的行波色散现象较为轻微，利用贝瑞隆模型的计算精度较高，利用参考点的线模差电流构造直流输电线路电流差动保护的动作判据：

式中，iset为电流差动保护判据的门槛值，max{i1unbalance}表示各种区外故障情况下贝瑞隆线模差动电流可能出现的最大不平衡电流值(一般来说该值可取保护区外近端双极极间金属性故障时差动保护出现的不平衡电流)，krel为可靠系数一般取1.3～1.5。

(4)利用线模差电流构造直流输电线路电流差动保护使得差动保护丧失了其自身的天然故障选极能力，需另外设置故障选极判据。仍考虑利用参考点r处的模量差电流信息来构造故障选极判据。因为故障选极判据动作应动作在电流差动保护动作之后，仅需实现故障类别的判定，可以适当放宽线路参数频变现象对贝瑞隆等效模型计算精度的影响。若不考虑直流输电线路参数的频变特性导致的色散现象，那么参考点的地模差电流和线模差电流将满足下式：

式中，if0、if1分别是故障电流的地模分量和线模分量；ifp、ifn分别是正极线路和负极线路注入故障点的故障电流。

分析参考点的模量差电流与故障类型的关系：

a)如图3(a)所示，双极极间故障时正极线路和负极线路注入故障点的故障电流有如下关系：

将式(5)代入式(4)，可得双极极间故障时参考点的模量差电流与故障电流的关系为：

二者的比值为0。

b)如图3(b)所示，正极接地故障时正极线路和负极线路注入故障点的故障电流有如下关系：

将式(7)代入式(4)，可得正极接地故障时参考点的模量差电流与故障电流的关系为：

二者的比值为1。

c)如图3(b)所示，负极接地故障时正极线路和负极线路注入故障点的故障电流有如下关系：

将式(10)代入式(4)，可得负极接地故障时参考点的模量差电流与故障电流的关系为：

二者的比值为-1。

据此，可以设计利用参考点处地模差电流和线模差电流的比值构造故障选极判据：

式中m为门槛值，考虑一定的裕量设置为0.1时已可以保证各类故障类型判别具有足够的灵敏性。在式(3)的电流差动保护判据动作后，即可利用式(9)判断故障类型。

本发明针对直流输电线路电流差动保护动作特性较差的问题，设计了一种基于模量的直流输电线路电流差动保护方法及其配套的故障类型判断方法。该方法充分考虑了输电线路参数的分布特性和频变特性，通过利用贝瑞隆模型计算参考点的线模差电流构造电流差动的保护判据，同时消除了分布电容电流的影响和行波色散现象对差电流计算精度的影响；此外，故障选极判据保证了基于模量信息的电流差动保护的故障选极能力。本发明彻底消除了传统直流输电电流差动保护需要长延时闭锁躲过不平衡电流的问题，提高了电流差动保护的速动性、灵敏性和可靠性，且本发明同样适用于输电距离较长，行波色散现象较为明显的(特)高压直流输电线路。