專利名稱：一種直流輸電線路方向故障判別元件及判別方法
技術領域：
本發明屬于電力系統直流高壓輸電線路保護領域，涉及一種直流輸電線路正方向與反方向故障的快速檢測的線路保護方法，尤其是一種基于暫態信號的超高速直流線路方向元件實現方法。
背景技術：
“西電東送、南北互供、全國聯網”是21世紀中國能源與電力工業建設的基本戰略。 高壓直流輸電在遠距離大容量輸電和電力系統聯網方面具有明顯的優點，比如實現電力系統之間的非同步聯網、快速調節輸送功率等等，這使得大力發展高壓直流輸電工程成為解決電能外送的一個非常有效的手段。中國在1980年代開始發展直流輸電工程，截至2004 年底，無論從輸送容量或輸電距離都已成為直流輸電第一大國。直流輸電保護與控制系統是直流輸電工程的核心，而直流線路保護作為直流輸電保護系統不可或缺的組成部分，承擔著快速檢測并清除線路故障的重大任務，其表現的優劣直接影響到整個系統的運行性能。到目前為止，我國已投入運行的直流輸電工程中，其直流保護系統多為ABB和SIEMENS兩家公司提供。綜觀兩家的直流線路保護產品，其原理主要由以下判據構成變化率保護(或稱行波保護)判據、低電壓保護判據和差動保護判據。變化率保護是直流線路故障的主保護，其目的是檢測直流線路上的接地故障。根據行波理論可認為電壓和電流是前、后行波的疊加，行波以固有的幅值和略低于光速的速度傳播。電壓突然變化(接地故障)將造成線路突然放電，在輸電系統中產生涌流。通過對瞬時電壓和電流采樣和已知的波阻抗可計算出行波，從而檢測直流線路接地故障。該判據的核心原理即在于檢測直流電壓的變化率來判斷是否有直流線路故障發生。低電壓保護判據依靠直流電壓水平進行故障判斷，缺乏可靠性，可能出現保護誤動的情況。例如，當發生交流電壓降低時，直流側的電壓也會成比例下降，這時，基于低電壓判據的直流線路保護就有可能會誤動。此外，當逆變器發生換相失敗等故障時，也可能造成直流電壓的降低，進而發生保護誤動的情況。直流線路差動保護采用兩站直流電流的差值作為啟動判據，并延時500ms出口。 由于其需要對端的直流線路電流，所以得依靠通訊通道，這是它不可避免的缺陷。此外，通訊通道的不可靠性，常導致直流線路差動保護的功能閉鎖失去。隨著直流輸電工程電壓等級的不斷提高，為了降低設備絕緣水平，現有直流工程一般采用平波電抗器分別布置在直流極母線和直流中性母線的方法，因此布置在直流極母線上的平波電抗器電感值有所減小。這時，當換流站發生強故障時，直流電壓的變化率有可能大于線路故障，從而導致線路保護中的變化率保護誤動；并且換流站發生某些強故障時， 交流電壓側電壓會相應降低，從而導致直流側電壓成比例下降，從而導致低電壓保護誤動。 例如寧東-山東直流輸電工程布置在直流極母線上的平波電抗值為0. 075H，布置在直流中性母線上的平波電抗值為0. 225H。在線路保護實驗中發現，在本站的平波電抗器靠近閥側接地故障時，行波保護和低電壓保護會發生誤動現象(參見文獻《寧東-山東±660kV直流輸電示范工程二次系統實時仿真試驗及關鍵問題對策》，電網技術，2011，35 (I) 76-83)。而直流線路差動保護動作時間長，故障持續時間長、不利于直流輸電工程安全穩定運行。

發明內容
本發明的目的是提出一種基于暫態信號的直流輸電線路故障方向判別元件，該元件通過在直流輸電系統發生故障后計算得到電壓、電流故障分量，結合已給定的直流輸電工程波阻抗，計算得到前行波與反行波能量，作為判斷線路正方向故障或反方向故障的依據，能夠有效防止直流輸電線路保護在換流站故障時的誤動作，提高直流輸電工程運行的安全穩定性。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種直流輸電線路故障方向故障判別元件，該元件包括故障分量計算單元、前行波與反行波能量計算單元、比較與發令單元。其中故障分量計算單元在直流輸電系統發生故障后，通過延時模塊，將故障時刻電壓、電流與正常運行時刻電壓、電流相減，得到電壓、 電流故障分量；前行波與反行波能量計算單元基于前行波與反行波的計算公式，利用故障分量計算單元提供的故障電壓、電流分量信息，計算得到前行波與反行波的瞬時值，并通過對所得前行波與反行波瞬時值平方的積分，得到前行波與反行波的能量值；比較及發令單元通過比較計算得到的前行波與反行波能量值，判斷故障為正方向故障或反方向故障，并發出相應命令。所述元件的故障判別方法，其特征在于，按照如下步驟(A)針對不同直流輸電工程線路的具體參數，計算得到線路波阻抗的歸一化值，作為后續計算的參考值。線路波阻抗計算公式如式(I)所示、歸一化波阻抗計算公式如式(2) 所示
權利要求
1.一種基于單端暫態信號的超高速直流輸電線路方向故障判別元件，其特征在于該元件包括故障分量計算單元、前行波、反行波能量計算單元、比較及發令單元；其中故障分量計算單元在直流輸電系統發生故障后，通過延時模塊，將故障時刻電壓、電流與正常運行時刻電壓、電流相減，得到電壓、電流故障分量；前行波與反行波能量計算單元基于前行波與反行波的計算公式，利用故障分量計算單元提供的故障電壓、電流分量信息，計算得到前行波與反行波的瞬時值，并通過對所得前行波與反行波瞬時值平方的積分，得到前行波與反行波的能量值；比較及發令單元通過比較計算得到的前行波與反行波能量值，判斷故障為正方向故障或反方向故障，并發出相應命令。
2.權利要求I所述方向故障判別元件的故障判別方法，其特征在于，按照如下步驟(A)針對不同直流輸電工程線路的具體參數，計算得到線路波阻抗的歸一化值，作為后續計算的參考值；線路波阻抗計算公式如式(I)所示、歸一化波阻抗計算公式如式(2)所示式中，hp為導線對地平均高度，h為導線懸掛點高度，f為導線的弧垂，為導線的等效半徑，r為單根導線的半徑，d為導線之間的幾何均距，單位均為m，η為每極導線分裂導線數；式中，Z為線路計算波阻抗，單位Ω，U為直流系統額定運行電壓，單位kV，P為雙極額定輸送功率，單位MW;(B)在直流輸電工程發生故障后，將當前時刻線路的電壓Udl、電流idl，即故障電壓和故障電流，與IOms前的電壓u[°]、iM，即未發生故障時的正常電壓和正常電流相減，得到直流輸電工程線路的電壓、電流故障分量Λudl、Aidl，計算公式如式(3)、式(4)所示(C)利用得到的電壓故障分量Audl、電流故障分量Aidl、歸一化的波阻抗十算得到前行波Auf與反行波Aub，計算公式如式(5)、式(6)所示(D)對從故障發生時刻起至故障發生后5ms的前行波Λuf、反行波Aub的平方和進行積分，得到前行波暫態能量Ef和反行波暫態能量Eb，公式如式(7)所示式中，Ns為啟動時刻對應的采樣點，N為數據窗寬度，AT為采樣間隔，k為數據窗內對應的采樣點；(E)比較前行波暫態能量Ef和反行波暫態能量Eb的大小，若滿MEf< Eb，則判斷為線路正方向故障，若滿足Ef >Eb，則判斷為線路反方向故障。(F)根據方向元件判別結果，保護裝置進行相應動作。
3.如權利要求2所述的故障判別方法，其特征在于，所述步驟(F)是指 a :若判定結果為線路正方向故障，則結合線路保護裝置其余元件共同判斷是否動作； b :若判定結果為線路反方向故障，則線路保護裝置不動作。
全文摘要
本發明公開了一種基于單端暫態信號的超高速直流輸電線路方向故障判別元件及判別方法，該元件包括故障分量計算單元、前行波與反行波能量計算單元、比較及發令單元，通過比較計算得到的前行波與反行波能量值判斷故障方向，若前行波能量值小于反行波能量值，則判定故障為正方向故障，反之則判定故障為反方向故障，并發出相應命令。測試結果表明，該直流輸電線路方向故障判別元件僅利用線路單端的電壓電流信號，在不同的直流輸電工程以及不同直流輸電工程運行工況下均能正確區分線路正方向、反方向故障，且不受故障位置、過渡電阻的影響，并且對于不同的直流輸電工程保護整定，僅需計算歸一化波阻抗值，減小了保護工作者和現場運行人員的工作量。
文檔編號G01R31/02GK102590655SQ20121000742
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者孔飛, 張保會, 甄威, 郝治國 申請人:四川電力科學研究院, 西安交通大學