本發(fā)明屬于高壓直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電流特征量的特高壓直流輸電線路故障識別方法。

背景技術(shù)：

特高壓直流(uhvdc)輸電線路往往在1000km以上，沿線氣候/地形復(fù)雜，線路故障概率增大，其繼電保護(hù)系統(tǒng)的作用越顯重要。uhvdc線路保護(hù)的經(jīng)典方案是行波保護(hù)為主保護(hù)，微分欠壓保護(hù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)為后備保護(hù)，橫差保護(hù)為金屬回線運(yùn)行方式下投入的后備保護(hù)。其中，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的定位是保護(hù)全線的高阻接地故障。實(shí)際中，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)需要躲避因區(qū)外故障和直流控制系統(tǒng)調(diào)控引起的電流波動(dòng)，動(dòng)作延時(shí)可能達(dá)1.1s；定值需要躲過區(qū)外故障情況下的不平衡電流，帶較高過渡電阻能力有限；此外，僅基于線路兩端電氣量“差值”特征進(jìn)行判斷，易受故障過渡電阻、補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算誤差等因素的影響。uhvdc線路縱聯(lián)類保護(hù)目前的研究熱點(diǎn)是結(jié)合時(shí)頻分析、行波分析及特定頻率分量。如基于s變換的高壓直流線路縱聯(lián)保護(hù)方法，利用s變換構(gòu)造電壓電流相角差，縱聯(lián)兩端判別方向結(jié)果判斷故障位置，無需設(shè)置延時(shí)、耐受過渡電阻能力較強(qiáng)，但計(jì)算量大。通過比較線路兩端電流故障分量的前向行波與反向行波的極性和相位，區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，或利用故障發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)線路兩端反行波幅值積分的比值來識別區(qū)內(nèi)故障。這類保護(hù)無需設(shè)置延時(shí)，但信道要求高計(jì)算前向、反向行波的過程復(fù)雜。

相關(guān)性分析在uhvdc線路保護(hù)中也有應(yīng)用，例如通過計(jì)算線路兩端行波波形的相關(guān)系數(shù)，判斷故障是否發(fā)生在區(qū)內(nèi)。計(jì)算實(shí)測電壓與通過電感元件性能方程得到計(jì)算電壓的相關(guān)系數(shù)，判斷區(qū)內(nèi)、外故障。利用正極和負(fù)極暫態(tài)電壓分別與+800和-800kv的相關(guān)系數(shù)，構(gòu)造雷擊干擾識別判據(jù)。這些方法要么計(jì)算電壓或電流的某一分量的相關(guān)系數(shù)(如行波、暫態(tài)電壓)，要么結(jié)合元件性能方程，未見基于兩端電流量相關(guān)性分析的故障識別方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1)保護(hù)動(dòng)作量的構(gòu)造，

本發(fā)明將uhvdc線路高阻故障劃分為3個(gè)階段：

從故障發(fā)生到線路末端電壓恢復(fù)正常值的時(shí)段稱為階段一，此階段電流波動(dòng)較劇烈；

從階段一結(jié)束到電流被限制在預(yù)設(shè)值的時(shí)段稱為階段二，此階段電流波動(dòng)較少向預(yù)設(shè)值變化；

階段二之后的時(shí)段稱為階段三，此階段故障線路電壓接近正常值、電流低于正常值。

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)為防止誤動(dòng)于區(qū)外故障遇到電流波動(dòng)即閉鎖一段時(shí)間，往往在階段二、階段三才起動(dòng)并按一定延時(shí)出口，導(dǎo)致快速性差。輸電線路的整流側(cè)稱為首端，逆變側(cè)稱為末端。階段一極電流波動(dòng)較劇烈，電流變化幅度受過渡電阻影響較大。若設(shè)定電流定值，則不能有效保護(hù)高阻故障。但是變量變化的幅度不影響相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，可利用相關(guān)系數(shù)提取極電流波動(dòng)趨勢信息。以變化是否同步為標(biāo)準(zhǔn)，可以把兩端電流劃分為3種組成成分：變化趨勢相同的成分稱為同步變化成分；變化趨勢相反的稱為反同步變化成分；非上述兩種成分的稱為不相關(guān)成分。本發(fā)明分析正常運(yùn)行及區(qū)內(nèi)、外故障情況下，兩端電流的相關(guān)性以及同步、反同步変化成分的產(chǎn)生原因。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于電流特征量的特高壓直流輸電線路故障識別方法，包括以下步驟：

1)構(gòu)造中間量：

為突出故障特征，進(jìn)行相關(guān)性分析的2個(gè)中間量，應(yīng)分別反映兩端電流的同步、反同步變化。本發(fā)明利用兩端電流構(gòu)造中間量，便于工程應(yīng)用。將兩端電流求和并除以2，部分抵消反同步變化成分，放大同步變化成分。將兩端電流作差并除以2，部分抵消同步變化成分，放大反同步變化成分。為簡化計(jì)算，兩端電流取標(biāo)幺值，構(gòu)造中間量如式(1)：

式中：i1(t)、i2(t)分別為t時(shí)刻線路首、末端測量電流的標(biāo)幺值，s0、s1是構(gòu)造的中間量，s0主要反映兩端電流反同步變化成分，因正常運(yùn)行時(shí)線路存在對地電容，造成首端電流略大于末端電流，s0接近0但大于0。s1主要反映兩端電流同步變化成分，正常運(yùn)行時(shí)接近1。因變化幅度的大小不影響相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，所構(gòu)造s0、s1數(shù)值范圍不必相近。每產(chǎn)生a個(gè)s0、s1計(jì)算一次相關(guān)系數(shù)，兩次計(jì)算使用的數(shù)據(jù)不重復(fù)。t時(shí)刻最新產(chǎn)生的a個(gè)s0、s1組成的數(shù)組記為s0(t)、s1(t)。

式中：ts為兩端電流的采樣周期。

2)基于中間量，進(jìn)一步構(gòu)造判據(jù)特征量r。它是新產(chǎn)生的b個(gè)相關(guān)系數(shù)的累加，兩次累加范圍不重疊，可表示為：

式中：ts為兩端電流的采樣周期；r(t)為t時(shí)刻保護(hù)動(dòng)作量；d(x)表示數(shù)組x的方差；e(x)表示數(shù)組x的期望。a、b的取值應(yīng)保證r有合適的值域和正常運(yùn)行時(shí)r的范圍穩(wěn)定；b不宜過小，避免單個(gè)異常相關(guān)系數(shù)造成判據(jù)特征量異常。

3)判據(jù)設(shè)置與整定

3.1判據(jù)原理

本發(fā)明含3種動(dòng)作判據(jù)：

1)r波動(dòng)次數(shù)判據(jù)：定值包括判斷波動(dòng)定值dz11和波動(dòng)次數(shù)定值dz12。相繼產(chǎn)生的2個(gè)判據(jù)特征量若1個(gè)小于dz11另1個(gè)大于dz11記為波動(dòng)1次。在0.4s內(nèi)波動(dòng)次數(shù)達(dá)到或超過dz12，認(rèn)為發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

2)r平均值判據(jù)1：主要針對第2節(jié)中提及的故障階段三。定值包括穩(wěn)定段判定定值dz21，平均值低定值dz22，平均值高定值dz23。計(jì)算最近產(chǎn)生的10個(gè)判據(jù)特征量的極差，每產(chǎn)生1個(gè)r就計(jì)算1次。極差若小于dz21則計(jì)算這10個(gè)判據(jù)特征量的平均值，若平均值位于dz22和dz23之間，認(rèn)為發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

3)r平均值判據(jù)2：主要針對階段一、二定值包括波動(dòng)段判定定值dz31，平均值低定值dz32，平均值高定值dz33。計(jì)算最近產(chǎn)生的10個(gè)判據(jù)特征量的極差，每產(chǎn)生1個(gè)r就計(jì)算1次。極差若大于dz31則計(jì)算這10個(gè)判據(jù)特征量的平均值，若平均值位于dz32和dz33之間，認(rèn)為發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

3.2判據(jù)中的定值整定方法

本發(fā)明涉及的定值整定計(jì)算，流程分兩步：

1)由故障前后特征，設(shè)置大概范圍。dz11應(yīng)小于r正常運(yùn)行的值(下文記為rn)并留有合適裕度，如選取rn的85％作為dz11的上限；選取rn相反數(shù)或更小的值作為dz11的下限。dz12的下限設(shè)置為3次，上限應(yīng)稍大于典型過渡電阻下首端故障r的增減次數(shù)。

dz21下限應(yīng)取典型過渡電阻下末端故障r較穩(wěn)定段的極差；上限可取rn的一半左右。dz22下限應(yīng)為較小正數(shù)，可取rn的10％；上限為rn的85％和dz21下限的差。dz23下限為dz22與dz21下限的和，上限應(yīng)不超過rn的85％。

dz31下限可取為1；上限為rn的一半左右。dz32下限應(yīng)為較小正數(shù)，如rn的10％；上限可取rn的85％。dz33下限可取等于dz32，上限則取rn的85％。

2)選擇步長并按照典型故障計(jì)算進(jìn)行具體定值的確定。為保證較優(yōu)解，步長可取rn的2％左右的整數(shù)。典型故障包括線路等距分點(diǎn)處的各種故障，和兩端平波電抗器閥側(cè)的故障，每處故障應(yīng)考慮典型過渡電阻，如0、50、300、1000ω。記錄每種判據(jù)能保護(hù)的故障位置和過渡電阻情況，取能保護(hù)區(qū)內(nèi)故障多、區(qū)外故障誤動(dòng)少的定值為最終定值。

3.3閉鎖判據(jù)

r平均值判據(jù)1需引入閉鎖判據(jù)。閉鎖判據(jù)利用s0的數(shù)值構(gòu)成，且每過c毫秒執(zhí)行一次判斷。若s0在此時(shí)段內(nèi)的最小值大于d(p.u.)則閉鎖判據(jù)不起動(dòng)，否則閉鎖保護(hù)出口c毫秒，并將s波動(dòng)次數(shù)判據(jù)的波動(dòng)次數(shù)計(jì)數(shù)置為0。c可取r的產(chǎn)生周期或者其整數(shù)倍，d應(yīng)取較接近0的負(fù)數(shù)。整體判據(jù)邏輯如圖1所示。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出的相關(guān)性分析故障識別方法可以改善縱聯(lián)保護(hù)的性能，其優(yōu)勢是：1)反映兩個(gè)變量的變化趨勢，是兩個(gè)電量變化趨勢的定量描述，可用以設(shè)置暫態(tài)過程中的判據(jù)；2)變量變化的幅度大小不影響相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，可用于構(gòu)造反映區(qū)內(nèi)高阻故障并且兼顧快速性的判據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法判據(jù)邏輯流程圖。

圖2為本發(fā)明方法中模型輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，用仿真模型對本發(fā)明進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

線路模型為±800kv/5ka雙極uhvdc模型，一次回路的參數(shù)來源于實(shí)際工程。線路采用依頻(相)模型，總長度1891km，代表檔距選用500m，弧垂26m，桿塔的具體參數(shù)如圖2所示。導(dǎo)線采用6分裂，等效半徑0.4572m，類型為絞線，總股數(shù)52，最外層股數(shù)21，每股半徑2.265mm，電阻0.03984ω/km。地線1、2的電阻分別為0.4696ω/km和0.465ω/km。整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定電壓控制；整流側(cè)額定觸發(fā)角13°，逆變側(cè)額定熄弧角17°。研究對象為正極線路，線路兩端測量的電流以整流站流向逆變站為正方向，測點(diǎn)位于直流濾波器線路側(cè)，采樣頻率100khz。故障位置有15處：區(qū)內(nèi)故障有線路全長的0.5％、10％-90％，99.5％共11處、區(qū)外故障有整流站平波電抗器閥側(cè)、逆變站平波電抗器閥側(cè)、整流站交流母線、逆變站交流母線。直流故障類型為正極接地故障，過渡電阻取0(0.01)、50、300、1000、2000ω；交流故障類型為三相接地故障，過渡電阻取0(0.01)、10、30、50ω。

設(shè)置前述15種故障位置每個(gè)位置4種過渡電阻，共60種故障情況，對分別生成的r進(jìn)行分析，確定定值，分析步長取0.02rn≈1。最終各判據(jù)定值如表1所示。

區(qū)內(nèi)故障

5套動(dòng)作判據(jù)結(jié)合使用，可以可靠保護(hù)全線300ω，1000ω和2000ω的故障，在區(qū)內(nèi)的44種故障情況中，不能保護(hù)5種故障情況：即，線路0.5％金屬接地故障；線路0.5％處50ω過渡電阻接地故障；線路10％處金屬接地故障；線路99.5％處金屬接地故障和線路99.5％處的50ω過渡電阻接地故障。這5種故障處于行波保護(hù)，微分欠壓保護(hù)，傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的可靠動(dòng)作范圍內(nèi)，因此適用于高阻接地故障的判據(jù)可以不考慮保護(hù)這5種故障。

如表所示，全線50ω接地的故障(除線路首端0.5％處的50歐姆接地故障)，最慢出口時(shí)間為120ms；全線300ω接地的故障，最慢出口時(shí)間為200ms；全線1000ω接地的故障，最慢出口時(shí)間為220ms；全線2000ω單極接地故障，最慢出口時(shí)間為220ms。本發(fā)明提出的判據(jù)的快速性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，即使考慮到兩端數(shù)據(jù)對時(shí)需要75ms，動(dòng)作時(shí)間也具有相當(dāng)優(yōu)勢。

表1判據(jù)定值

表1區(qū)內(nèi)故障的判據(jù)動(dòng)作情況一覽表

表中數(shù)據(jù)含義為：判據(jù)出口時(shí)間-編號。編號如表2所示。例如表第2行第4列的50-4表示表2中4號判據(jù)在50ms出口于線路0.5％處的300ω故障。區(qū)外故障

設(shè)置閉鎖判據(jù)前，判據(jù)1會誤動(dòng)作于逆變站平波電抗器閥側(cè)故障與逆變站交流母線故障；判據(jù)2會誤動(dòng)作于整流站平波電抗器閥側(cè)故障、整流站交流母線故障，其他區(qū)外故障發(fā)生2-3s之后判據(jù)2也可能誤動(dòng)作；判據(jù)3會誤動(dòng)作于逆變站平波電抗器閥側(cè)的某些過渡阻值故障。設(shè)置閉鎖判據(jù)后，無誤動(dòng)作，但是區(qū)內(nèi)線路99.5％處的50ω過渡電阻故障被閉鎖動(dòng)作，區(qū)內(nèi)其他故障情況下的判據(jù)動(dòng)作不受影響。區(qū)內(nèi)線路99.5％處的50ω故障屬于其他線路保護(hù)的可靠動(dòng)作區(qū)，因此可以應(yīng)用提出的閉鎖判據(jù)。

結(jié)論

經(jīng)仿真驗(yàn)證，提出的uhvdc單極線路高阻保護(hù)能有效保護(hù)本極線路300-2000ω的故障。

1)兩端電流形成的保護(hù)動(dòng)作量，能定量反映線路兩端電流的變化趨勢，以此特征量的數(shù)值特征可區(qū)分正常運(yùn)行、區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。

2)基于相關(guān)系數(shù)的保護(hù)動(dòng)作量受過渡電阻影響小，帶過渡電阻能力強(qiáng)。

上述實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。