基于单端暂态能量的高压直流输电线路保护方法和装置与流程

1.本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种基于单端暂态能量的高压直流输电线路保护方法和装置。


背景技术：

2.高压直流输电系统具有功率传输容量大、输送距离远、损耗小等优点，在远距离输电、大区域电网互联等方面得到了广泛应用。由于高压直流输电工程输送距离远、沿途地形复杂、输电线路又多为架空线，使得直流线路故障发生的概率大大增加，据统计，直流线路发生故障的概率占直流输电系统故障的50％以上。因此，设计性能更为优越的直流线路保护对提高直流输电系统的安全稳定运行至关重要。
3.目前直流输电工程中，主要配置行波保护、电压突变量保护作为直流线路保护的主保护，检测金属性接地故障，配置直流线路纵差保护作为后备保护，用来检测高阻接地故障。
4.行波保护和电压突变量保护动作较快，约5ms左右，但存在以下缺点：1)耐受过渡电阻能力有限(一般在150欧姆以内)，对高阻接地故障不够灵敏；2)由于两极线路之间存在极间互感的影响，健全极线路存在误动的风险。
5.直流线路纵差保护虽然能够识别出高阻接地故障，但依赖于换流站之间的站间通信(站间通信延时约20ms左右，且当站间通信故障时，该保护无法投入)，且抗干扰性较差，因此该保护动作时间较长，达到秒级，难以快速检测故障。


技术实现要素：

6.为解决现有直流线路行波保护、电压突变量保护存在耐受过渡电阻能力差、直流线路纵差保护动作时间长的技术问题，本发明提供了一种基于单端量的超高速直流线路保护方法与装置，能够在3ms以内实现直流线路故障超高速检测，具有耐受过渡电阻能力强(800欧姆以内)、对采样频率要求低、算法易实现、不依赖于站间通信等优点，显著提高直流线路保护的保护性能。
7.为达到上述目的，本发明提供了一种基于单端暂态能量的高压直流输电线路保护方法，包括：
8.(1)采集换流站本极和对极的直流线路电压、电流信号；
9.(2)计算本极电流差分值和电流的突变量，如果任一满足对应的阈值要求，则满足启动判据，进入步骤(3)；
10.(3)计算本极电流的积分值，当大于积分阈值时，满足方向判据；
11.根据本极直流线路电压，计算暂态积分能量值，当暂态积分能量值大于能量阈值时，满足故障区识别判据；
12.计算本极、对极行波暂态积分能量值，判断本级是否发生故障，如果是，则满足故障选极判据；
13.当方向判据、故障区识别判据以及故障选极判据同时满足时，进入步骤(4)；
14.(4)本级直流线路保护动作。
15.进一步地，本极电流差分值δidl(k)计算包括：
16.δidl(k)＝idl(k)-idl(k-1)
17.其中，idl(k)为当前时刻换流站本极电流的采样值，idl(k-1)为当前时刻前1个周期换流站本极电流的采样值；
18.电流的突变量δ
′
idl计算包括：
[0019][0020]
其中，idl(k+j)为当前时刻第j个采样周期后本极电流的采样值，idl(k-j)当前时刻第j个采样周期前本极电流的采样值。
[0021]
进一步地，计算暂态积分能量值，包括：
[0022]
计算本极直流线路电压udl(k)与n个采样点前本极直流线路电压udl(k-n)的差值，作为故障电压分量，进行一阶差分滤波消除直流分量，进行带通滤波提取2khz～3khz高频电压分量u
filter
，累加获得高频电压分量的暂态积分能量值e
hf
：
[0023][0024]
其中t0为启动判据满足的时刻，n为数据窗宽度，t为时间。
[0025]
进一步地，计算本极、对极行波暂态积分能量值，包括：
[0026]
计算本极、对极的电压故障分量δudl1(k)、δudl2(k)，本极、对极的电流故障分量δidl1(k)、δidl2(k)：
[0027]
δudl1(k)＝udl1(k)-udl1(k-10)
[0028]
δidl1(k)＝idl1(k)-idl1(k-10)
[0029]
δudl2(k)＝udl2(k)-udl2(k-10)
[0030]
δidl2(k)＝idl2(k)-idl2(k-10)
[0031]
式中，udl1(k)、udl2(k)分别为当前时刻本极和对极电压采样值；idl1(k)、idl2(k)分别为当前时刻本极和对极电流采样值；udl1(k-10)、udl2(k-10)分别为本极和对极10个采样周期前的电压采样值；idl1(k-10)、idl2(k-10)分别为本极和对极10个采样周期前的电流采样值；
[0032]
计算本极、对极电压行波u
w1
、u
w2
：
[0033]uw1
＝δudl1(k)-z*δidl1(k)
[0034]uw2
＝δudl2(k)-z*δidl2(k)
[0035]
计算本极、对极电压行波暂态积分能量值：
[0036][0037][0038]
其中，z为直流线路波阻抗，t0为启动判据满足的时刻，ts为积分时间窗口。
[0039]
进一步地，判断本级是否发生故障包括：
[0040]
当e
w1
/e
w2
≥p时，表明本级发生故障；
[0041]
当e
w1
/e
w2
≤1/p时，表明对级发生故障；
[0042]
当1/p＜e
w1
/e
w2
＜p时，表明发生双极故障；
[0043]
p为故障选极判据门槛值；若判断本极发生故障或双极发生故障，本极保护均动作。
[0044]
另一方面提供一种基于单端暂态能量的高压直流输电线路保护装置，包括：
[0045]
模拟量采集单元，采集换流站本极和对极的直流线路电压、电流信号；
[0046]
启动单元，计算本极电流差分值和电流的突变量，如果任一满足对应的阈值要求，则满足启动判据，启动数据处理单元；
[0047]
数据处理单元，计算本极电流的积分值；根据本极直流线路电压，计算暂态积分能量值；计算本极、对极行波暂态积分能量值；
[0048]
逻辑判断单元，当大于积分阈值时，满足方向判据；当暂态积分能量值大于能量阈值时，满足故障区内识别判据；根据本极、对极行波暂态积分能量值，判断本级是否发生故障，如果是，则满足故障选极判据；
[0049]
保护出口单元，当方向判据、故障区识别判据以及故障选极判据同时满足时，本级直流线路保护动作。
[0050]
进一步地，所述启动单元计算本极电流差分值δidl(k)包括：
[0051]
δidl(k)＝idl(k)-idl(k-1)
[0052]
其中，idl(k)为当前时刻换流站本极电流的采样值，idl(k-1)为当前时刻前1个周期换流站本极电流的采样值；
[0053]
所述启动单元计算电流的突变量δ
′
idl包括：
[0054][0055]
其中，idl(k+j)为当前时刻第j个采样周期后本极电流的采样值，idl(k-j)当前时刻第j个采样周期前本极电流的采样值。
[0056]
进一步地，所述数据处理单元包括：
[0057]
差值计算部，计算本极直流线路电压udl(k)与n个采样点前本极直流线路电压udl(k-n)的差值，作为故障电压分量；
[0058]
一阶差分滤波部，进行一阶差分滤波消除直流分量；
[0059]
带通滤波部，进行带通滤波提取2khz～3khz高频电压分量u
filter
；
[0060]
累加部，累加获得高频电压分量的暂态积分能量值e
hf
：
[0061][0062]
其中t0为启动判据满足的时刻，n为数据窗宽度，t为时间。
[0063]
进一步地，所述数据处理单元包括故障分量计算部、电压行波计算部以及电压行波暂态积分能量值计算部；
[0064]
所述故障分量计算部，计算本极、对极的电压故障分量δudl1(k)、δudl2(k)，本
极、对极的电流故障分量δidl1(k)、δidl2(k)：
[0065]
δudl1(k)＝udl1(k)-udl1(k-10)
[0066]
δidl1(k)＝idl1(k)-idl1(k-10)
[0067]
δudl2(k)＝udl2(k)-udl2(k-10)
[0068]
δidl2(k)＝idl2(k)-idl2(k-10)
[0069]
式中，udl1(k)、udl2(k)分别为当前时刻本极和对极电压采样值；idl1(k)、idl2(k)分别为当前时刻本极和对极电流采样值；udl1(k-10)、udl2(k-10)分别为本极和对极10个采样周期前的电压采样值；idl1(k-10)、idl2(k-10)分别为本极和对极10个采样周期前的电流采样值；
[0070]
所述电压行波计算部，计算本极、对极电压行波u
w1
、u
w2
：
[0071]uw1
＝δudl1(k)-z*δidl1(k)
[0072]uw2
＝δudl2(k)-z*δidl2(k)
[0073]
所述电压行波暂态积分能量值计算部，计算本极、对极电压行波暂态积分能量值：
[0074][0075][0076]
其中，t0为启动判据满足的时刻，ts为积分时间窗口。
[0077]
进一步地，所述逻辑判断单元，判断本级是否发生故障包括：
[0078]
当e
w1
/e
w2
＞p时，表明本级发生故障；
[0079]
当1/p＜e
w1
/e
w2
＜p时，表明发生双极故障；
[0080]
当e
w1
/e
w2
≤1/p时，表明对极发生故障；
[0081]
p为故障选极判据门槛值；若判断本极发生故障或双极发生故障，本极保护均动作。
[0082]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0083]
(1)本发明基于本极电流差分和电流突变量的启动判据，能够实现金属接地、高阻接地故障下快速、可靠地启动线路故障检测；基于电流变化量积分值的方向识别判据，故障特征明显，能够快速识别方向；基于直流线路边界特征，通过计算高频电压分量暂态积分能量值的区内外故障识别判据，对采样频率要求不高(10khz即可)，便于工程实施；基于故障电压行波暂态积分能量值的故障选极判据，不受极间互感影响、选极可靠。
[0084]
(2)本发明的保护方法为单端量保护，不受站间通信影响，还具备3ms以内实现直流线路故障检测、耐受过渡电阻能力强(800欧姆以内)等优点。
附图说明
[0085]
图1是本发明实施例提供的方法流程示意图；
[0086]
图2是本发明实施例涉及的高压直流输电系统示意图；
[0087]
图3是线路故障后电压故障行波向线路两端传输示意图；
[0088]
图4是故障电压行波的滤波处理过程；
[0089]
图5是本发明实施例提供基于单端暂态能量的高压直流线路保护装置示意图。
具体实施方式
[0090]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0091]
图1为根据本发明实施的基于单端暂态能量的高压直流线路保护方法流程图。根据图1，保护方法具体包括以下步骤：
[0092]
(1)采集换流站本极和对极的直流线路电压、电流信号。
[0093]
图2所示为高压直流输电系统示例。设置电压、电流采样模块，采集本极和对极的直流线路电压、电流信号。
[0094]
(2)计算本极电流差分值或电流的突变量如果均满足对应的阈值要求，则满足启动判据，进入步骤(3)。
[0095]
计算本极电流差分值，计算公式为：
[0096]
δidl(k)＝idl(k)-idl(k-1)
[0097]
|δidl(k)|＞δ1
[0098]
式中，δidl(k)为当前时刻直流线路电流差分值，idl(k)为当前时刻换流站本极电流的采样值，idl(k-1)为当前时刻前1个周期换流站本极电流的采样值，δ1为电流差分启动判据门槛值，该门槛值根据线路末端800欧姆接地故障时的电流差分值并乘以大于1的灵敏系数确定，以便能够更加快速识别金属性接地故障；灵敏系数通常取1.2至1.5。
[0099]
同时，计算电流的突变量，利用当前采样点后m个数据之和减去当前点前m个数据之和，构造电流突变量启动判据，计算公式为：
[0100][0101]
δ
′
idl＞δ2；
[0102]
式中，δ
′
idl为电流的突变量，idl(k+j)为当前时刻第j个采样周期后本极电流的采样值，idl(k-j)当前时刻第j个采样周期前本极电流的采样值，j可取3～5，δ2为电流突变量启动判据门槛值。该门槛值为末端耐受800欧姆过渡电阻接地故障时的电流突变量乘以某一小于1的可靠系数，以便可靠识别高阻接地故障。可靠系数例如为0.6至0.9。
[0103]
当电流差分启动判据和电流突变量启动判据中任何一个判据满足，则启动判据启动，并记录该时刻为t0，启动后续运算。
[0104]
(3)计算本极电流的积分值，当大于积分阈值时，满足方向判据；根据本极直流线路电压，计算暂态积分能量值，当暂态积分能量值大于能量阈值时，满足故障区识别判据；计算本极、对极行波暂态积分能量值，判断本级是否发生故障，如果是，则满足故障选极判据；当方向判据、故障区识别判据以及故障选极判据同时满足时，进入步骤(4)。
[0105]
根据步骤(2)中启动判据满足后，根据本极电流信号，计算直流线路电流变化量的积分值，构造方向判据，计算公式为：
[0106][0107]
式中，idl
int
(t)为电流变化量的积分值，t0为启动判据满足的时刻，δ3为积分阈值，为一个大于零的小门槛值。δ3可以为线路末端800欧姆过渡电阻接地故障时的电流变化量的积分值，积分的时间窗口通常取0.5ms～1ms。计算电流变化量时的窗口大小和计算δ3的窗口大小一致。结合图3，当满足方向判据，表明为正方向故障，故障有可能发生在直流线路上(两个线路边界之间)。否则表明为反方向故障，故障在线路边界外。
[0108]
根据步骤(1)中采集到的直流电压信号计算当前采样点与之前第n个采样点的差值得到故障电压分量后，依次进行一阶差分滤波，消除直流分,、带通滤波(可采用八阶)后提取频率为2khz-3khz高频电压分量u
filter
。结合图4，为获取u
filter
的计算流程。n可取10～15。进一步计算该故障电压高频分量的暂态积分能量值，实现对直流输电线路的区内、区外故障的识别，计算公式为：
[0109][0110]
式中，t0为启动判据满足的时刻，n为数据窗宽度，u
filter
为滤波处理后的电压信号，e
hf
为高频电压分量暂态积分能量值，δ4为能量阈值，该能量阈值可以为：区外故障时，高频电压分量暂态积分能量值的最大值乘以可靠系数；可靠系数1.5至3。
[0111]
根据本极和对极电压、电流的采样值，计算本极和对极的故障电压分量、故障电流分量，计算公式为：
[0112]
δudl1(k)＝udl1(k)-udl1(k-10)
[0113]
δidl1(k)＝idl1(k)-idl1(k-10)
[0114]
δudl2(k)＝udl2(k)-udl2(k-10)
[0115]
δidl2(k)＝idl2(k)-idl2(k-10)
[0116]
式中，δudl1(k)、δudl2(k)分别为极1、极2电压故障分量；δidl1(k)、δidl2(k)分别极1、极2为电流故障分量；udl1(k)、udl2(k)分别为当前时刻本极和对极电压采样值；idl1(k)、idl2(k)分别为当前时刻本极和对极电流采样值；udl1(k-10)、udl2(k-10)分别为10个采样周期前的本极和对极电压采样值；idl1(k-10)、idl2(k-10)分别为10个采样周期前的本极和对极电流采样值。
[0117]
根据线路波阻抗、直流线路电流、直流线路电压，分别计算本极、对极电压行波，计算公式为：
[0118]uw1
＝δudl1(k)-z*δidl1(k)
[0119]uw2
＝δudl2(k)-z*δidl2(k)
[0120]
式中，u
w1
、u
w2
分别为极1、极2电压行波计算值；z为直流线路波阻抗；
[0121]
进一步地，计算本极、对极电压行波暂态积分能量值，构造故障选极判据，计算公式为：
[0122]
[0123][0124]
式中，e
w1
、e
w2
分别为极1、极2电压行波暂态积分能量值，t0为启动判据满足的时刻，ts为积分时间窗口，ts取值范围为0.3ms～1ms。
[0125]
进一步计算本极电压行波暂态积分能量与对极电压行波暂态积分能量的比值，实现故障选极，具体为：
[0126]
若满足e
w1
/e
w2
≥p，则表明故障发生在本极；
[0127]
若满足e
w1
/e
w2
≤1/p，则表明故障发生在对极；
[0128]
若满足1/p＜e
w1
/e
w2
＜p，则表明该故障为双极故障；
[0129]
式中，p为故障选极判据门槛值(该值大于1)。实际工程应用中，线路保护一般按照极(或者线路)进行配置，如果判断出本极或双极故障，本极(或本线路)线路保护能够动作；如果判断故障发生在对极，则本极线路保护不动作，而是由对极的线路保护动作。p值以本极线路末端800欧姆过渡电阻接地故障时本极与对极电压行波暂态积分能量比值并乘以一定的可靠系数(比如0.8)整定。
[0130]
若最终判断为本极故障或双极故障，本极保护均能够动作。
[0131]
(4)本级直流线路保护动作。
[0132]
当满足了步骤(3)的三个条件后，本级直流线路保护动作出口。
[0133]
一个实施例中，提供一种基于单端暂态能量的高压直流输电线路保护装置，如图5所示，包括模拟量采集单元201、启动单元202、数据处理单元203、逻辑判断单元204以及保护出口单元205。
[0134]
模拟量采集单元201，实现直流输电线路换流站本极和对极直流线路电压、电流的采集。
[0135]
启动单元202，计算本极电流差分值和电流的突变量，如果任一满足对应的阈值要求，则满足启动判据，启动数据处理单元。
[0136]
数据处理单元203，根据保护启动单元202中保护启动信号及模拟量采集单元201采集的模拟量信号，计算本极电流的积分值；根据本极直流线路电压，计算暂态积分能量值；计算本极、对极行波暂态积分能量值。
[0137]
逻辑判断单元204，根据数据处理单元203的计算结果，分别进行方向识别逻辑、故障区内外识别逻辑、以及故障选极逻辑判断；当大于积分阈值时，满足方向判据；当暂态积分能量值大于能量阈值时，满足故障区内识别判据；根据本极、对极行波暂态积分能量值，判断本级是否发生故障，如果是，则满足故障选极判据。
[0138]
保护出口单元205，根据逻辑单元204的运算结果，判断方向识别判据、故障区内外识别判据、故障选极判据是否同时满足，若同时满足则保护最终动作出口。
[0139]
进一步的，所述的保护启动单元202中，电流差分启动判据计算公式为：
[0140]
δidl(k)＝idl(k)-idl(k-1)
[0141]
|δidl(k)|＞δ1
[0142]
式中，idl(k)为当前时刻换流站本极电流的采样值，idl(k-1)为当前时刻前1个周期换流站本极电流的采样值，δ1为电流差分启动判据门槛值。
[0143]
电流突变量启动判据的计算公式为：
[0144][0145]
δ
′
idl＞δ2；
[0146]
式中，δ
′
idl为电流的突变量，idl(k+j)为当前时刻第j个采样周期后本极电流的采样值，idl(k-j)当前时刻第j个采样周期前本极电流的采样值；j可取3～5，δ2为电流突变量启动判据门槛值。当电流差分启动判据或电流变化量启动判据中任一判据满足后，记录该时刻t0，启动后续运算。
[0147]
所述数据处理单元203中，电流变化量积分值运算用于方向识别判据，其计算公式为：
[0148][0149]
式中，idl
int
(t)为电流变化量的积分值，t0为启动判据满足的时刻，δ3为积分阈值，为一个大于零的小门槛值。
[0150]
所述数据处理单元203中，故障电压高频分量的积分能量值运算用于区内外故障识别判据，其计算公式为：
[0151][0152]
式中，t0为积分启动时刻，n为数据窗宽度，u
filter
为滤波处理后的暂态电压信号，e
hf
为高频电压分量暂态积分能量值，δ4为能量阈值。
[0153]
所述数据处理单元203中，本极和对极故障电压行波及其暂态积分能量值运算用于故障选极判据，其计算公式为：
[0154]uw1
＝δudl1(k)-z*δidl1(k)
[0155]uw2
＝δudl2(k)-z*δidl2(k)
[0156][0157][0158]
式中，u
w1
、u
w2
分别为极1、极2电压行波计算值；δudl1(k)、δudl2(k)分别为极1、极2电压故障分量；δidl1(k)、δidl2(k)分别极1、极2为电流故障分量；z为直流线路波阻抗；e
w1
、e
w2
分别为极1、极2电压行波暂态积分能量值；t0为积分起始时刻，ts为积分时间窗口。
[0159]
根据本极电压行波暂态积分能量与对极电压行波暂态积分能量的比值判断故障极,具体为：
[0160]
若满足e
w1
/e
w2
≥p，则表明故障发生在本极；
[0161]
若满足e
w1
/e
w2
≤1/p，则表明故障发生在对极；
[0162]
若满足1/p＜e
w1
/e
w2
＜p，则表明该故障为双极故障；
[0163]
式中，p为故障选极判据门槛值(该值大于1)。该门槛值以本极线路末端800欧姆过渡电阻接地故障时本极与对极电压行波暂态积分能量比值并乘以一定的可靠系数(比如0.8)整定。
[0164]
若最终判断为本极故障或双极故障，本极保护均能够动作。
[0165]
综上所述，本发明涉及一种基于单端暂态能量的高压直流输电线路保护方法和装置，采集换流站本极和对极的直流线路电压、电流信号；计算本极电流差分值和电流的突变量，作为启动判据；计算本极电流的积分值，作为方向判据；根据本极直流线路电压，计算暂态积分能量值，作为故障区识别判据；计算本极、对极行波暂态积分能量值，判断本级是否发生故障，作为故障选极判据；当方向判据、故障区识别判据以及故障选极判据同时满足时本级直流线路保护动作。本发明所述的方法与装置能够在3ms以内实现直流线路故障超高速检测，具有耐受过渡电阻能力强、对采样频率要求低、算法易实现、不依赖于站间通信等优点，显著提高直流线路保护的保护性能。
[0166]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。