一种高压直流输电线路纵联方向保护方法与流程

1.本发明属于电力系统继电保护技术领域，更具体地，涉及一种高压直流输电线路纵联方向保护方法。


背景技术：

2.高压直流输电具有输送容量大、输送距离远、可连接两个不同频率的系统等优点。因此，现代电力系统中高压直流输电输送容量占比越来越大，高压直流输电线路的保护也变得尤为重要。
3.目前高压直流输电线路的后备保护一般为纵联电流差动保护，但为了防止线路电容电流造成保护的误动，保护至少需要延时1.1秒后动作，保护的作用大大降低。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种高压直流输电线路纵联方向保护方法，其目的在于实现高压直流输电线路的快速纵联方向保护；使用直流母线两端的测量电压计算直流母线两端的故障分量暂态电压并对其进行短时间的数值积分，将直流母线两侧的故障分量暂态电压积分值进行比较，能够判定故障方向，再根据直流输电线路两侧的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障；本发明能够快速地判断出高压直流输电线路是否发生故障，大大缩短纵联保护动作时间，提高了高压直流输电系统的可靠性。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压直流输电线路纵联方向保护方法，包括：步骤s1、当直流输电系统发生故障后，采集直流输电线路整流侧直流母线两侧的电压值和逆变侧直流母线两侧的电压值；步骤s2、整流侧保护装置根据整流侧直流母线两侧的测量电压计算整流侧直流母线两侧的暂态电压，逆变侧保护装置根据逆变侧直流母线两侧的测量电压计算逆变侧直流母线两侧的暂态电压；步骤s3、分别对整流侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值和逆变侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值进行短时间的数值积分；步骤s4、比较整流侧直流母线两侧暂态电压绝对值的数值积分，判定整流侧直流母线处的故障方向并向对侧保护装置发送判定结果，比较逆变侧直流母线两侧暂态电压绝对值的数值积分，判定逆变侧直流母线处的故障方向并向对侧保护装置发送判定结果；步骤s5、整流侧保护装置根据本侧直流母线处的故障方向判定结果和对侧直流母线处的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障，逆变侧保护装置根据本侧直流母线处的故障方向判定结果和对侧直流母线处的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障。
6.进一步地，所述直流母线两端暂态电压的计算方法为：
式中，ub′
(t)和uf′
(t)分别为t时刻直流母线背侧暂态电压和前侧暂态电压，ub(t)和uf(t)分别为t时刻直流母线背侧电压采样值和前侧电压采样值，um为直流输电线路额定电压值。
7.进一步地，所述直流母线两端故障暂态电压分量短时间内的数值积分为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，ub′
(j)和uf′
(j)分别为积分时间窗内第j个点的直流母线背侧和前侧的暂态电压值，δt为采样周期，n为积分时间窗内采样点的数量。
8.进一步地，正向故障的判别公式为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，kc为可靠系数。若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足上式，则判定为正向故障。
9.进一步地，反向故障的判别公式为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，kc为可靠系数。若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足上式，则判定为反向故障。
10.进一步地，当保护装置判定本侧直流母线处的故障方向为正向故障和对侧保护装置判定对侧直流母线处的故障方向为正向故障时，保护装置判定为区内故障；否则判定为区外故障。
11.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：本发明使用直流母线两端的测量电压计算直流母线两端的故障分量暂态电压，对计算得到的故障分量暂态电压的绝对值进行短时间的数值积分，将直流母线两侧的故障分量暂态电压积分值进行比较，能够判定故障方向，再根据直流输电线路两侧的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障。本发明能够快速地判断出高压直流输电线路是否发生故障，大大缩短纵联保护动作时间，提高了高压直流输电系统的可靠性。
附图说明
12.图1是本发明实施例提供的一种高压直流输电线路纵联方向保护方法的流程示意图。
13.图2是本发明实施例提供的典型的高压直流输电系统示意图。
14.图3是本发明实施例提供正极线路两端直流母线两侧的暂态电压绝对值波形图
一。
15.图4是本发明实施例提供正极线路两端直流母线两侧的暂态电压绝对值波形图二。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
17.本发明针对传统高压直流输电线路纵联保护动作时间过长的问题，提出了一种高压直流输电线路纵联方向保护，该保护可以快速识别出高压直流输电线路是否发生故障。
18.如图1所示，是本发明实施例提供的一种高压直流输电线路纵联方向保护的流程示意图，包括以下步骤：步骤s1、当直流输电系统发生故障后，采集直流输电线路整流侧直流母线两侧的电压值和逆变侧直流母线两侧的电压值；步骤s2、整流侧保护装置根据整流侧直流母线两侧的测量电压计算整流侧直流母线两侧的暂态电压，逆变侧保护装置根据逆变侧直流母线两侧的测量电压计算逆变侧直流母线两侧的暂态电压；步骤s3、分别对整流侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值和逆变侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值进行短时间的数值积分；步骤s4、比较整流侧直流母线两侧暂态电压绝对值的数值积分，判定整流侧直流母线处的故障方向并向对侧保护装置发送判定结果，比较逆变侧直流母线两侧暂态电压绝对值的数值积分，判定逆变侧直流母线处的故障方向并向对侧保护装置发送判定结果；步骤s5、整流侧保护装置根据本侧直流母线处的故障方向判定结果和对侧直流母线处的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障，逆变侧保护装置根据本侧直流母线处的故障方向判定结果和对侧直流母线处的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障。
19.在一个可选的实施方式中，在步骤s2中，使用直流母线两侧的电压采样值计算直流母线两侧的暂态电压，具体包括：直流母线两端暂态电压的计算方法为：式中，ub′
(t)和uf′
(t)分别为t时刻直流母线背侧暂态电压和前侧暂态电压(定义靠近输电线路的一侧为前侧，靠近换流阀的一侧为背侧，下同)，ub(t)和uf(t)分别为t时刻直流母线背侧电压采样值和前侧电压采样值，um为直流输电线路额定电压值。
20.在一个可选的实施方式中，在步骤s3中，对计算得到的暂态电压取绝对值，并对其进行短时间的积分，具体包括：直流母线两端暂态电压绝对值短时间内的数值积分的计算方法为：
式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，ub′
(j)和uf′
(j)分别为积分时间窗内第j个点的直流母线背侧和前侧的暂态电压值，δt为采样周期，n为积分时间窗内采样点的数量。
21.在一个可选的实施方式中，在步骤s4中，将直流母线两端的数值积分进行比较，判断直流母线处的故障方向，再综合直流输电线路两端直流母线故障方向判断结果，判断是否发生区内故障，具体包括：正向故障判别公式为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，kc为可靠系数。若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足上式，则判定为正向故障。
22.反向故障判别公式为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，kc为可靠系数。若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足上式，则判定为反向故障。
23.当保护装置判定本侧直流母线处的故障方向为正向故障和对侧保护装置判定对侧直流母线处的故障方向为正向故障时，保护装置判定为区内故障；否则判定为区外故障。
24.如图2所示，以典型的高压直流输电系统为例，该高压直流输电系统包括整流侧交流电源场站1、整流侧交流母线2、换流阀3、背侧电压测量单元4、正极线路直流母线5、前侧电压测量单元6、正极直流输电线路7、逆变侧交流电源场站8、负极直流输电线路9、负极线路直流母线10、逆变侧交流母线11。
25.针对上述典型高压直流输电系统，采用上述保护方法对正极直流输电线路7进行保护。
26.在本实施例中，步骤s2中直流母线两侧的暂态电压的计算为：式中，ub′
(t)和uf′
(t)分别为t时刻直流母线背侧暂态电压和前侧暂态电压(定义靠近输电线路的一侧为前侧，靠近换流阀的一侧为背侧，下同)，ub(t)和uf(t)分别为t时刻直流母线背侧电压采样值和前侧电压采样值，um为直流输电线路额定电压值。
27.在本实施例中，步骤s3中暂态电压绝对值短时间内的数值积分值的计算为：
式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，ub′
(j)和uf′
(j)分别为积分时间窗内第j个点的直流母线背侧和前侧的暂态电压值，δt为采样周期，n为积分时间窗内采样点的数量。
28.在本实施例中，步骤s4中直流母线正向故障判别公式为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，kc为可靠系数。若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足上式，则判定为正向故障。
29.在本实施例中，步骤s4中直流母线反向故障判别公式为：式中，sb和sf分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，kc为可靠系数。若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足上式，则判定为反向故障。
30.在本实施例中，暂态电压绝对值的积分时间设置成3ms。
31.图3是本发明实施例提供的输电系统结构中f1点处发生三相接地短路故障时，正极线路两端的直流母线两侧的暂态电压绝对值波形。经积分计算，整流侧正极直流母线前侧和背侧暂态电压数值积分分别为s
rpf
＝876.5vs和s
rpb
＝2032.5vs，逆变侧正极直流母线前侧和背侧暂态电压数值积分分别为s
ipf
＝633.3vs和s
ipb
＝281.9vs。根据故障方向判定公式，整流侧直流母线判定为反向故障，逆变侧直流母线判定为正向故障。因此，纵联方向保护判定为区外故障，保护不动作。
32.图4是本发明实施例提供的输电系统结构中f2点处发生接地短路故障时，正极线路两端的直流母线两侧的暂态电压绝对值波形。经积分计算，整流侧正极直流母线前侧和背侧暂态电压数值积分分别为s
rpf
＝1200.6vs和s
rpb
＝521.9vs，逆变侧正极直流母线前侧和背侧暂态电压数值积分分别为s
ipf
＝1221.2vs和s
ipb
＝527.3vs。根据故障方向判定公式，整流侧直流母线判定为正向故障，逆变侧直流母线判定为正向故障。因此，纵联方向保护判定为区内故障，保护动作。从故障发生到保护判定为区内故障共用时5.9ms。
33.从本实施例中可以看出，本发明可以快速识别高压直流输电线路故障，并在区外故障时可靠不动作，本保护具有速动性和较高的可靠性。
34.本发明实施例中，使用直流母线两端的测量电压计算直流母线两端的故障分量暂态电压，对计算得到的故障分量暂态电压的绝对值进行短时间的数值积分，将直流母线两侧的故障分量暂态电压积分值进行比较，能够判定故障方向，再根据直流输电线路两侧的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障。本发明能够快速地判断出高压直流输电线路
是否发生故障，大大缩短纵联保护动作时间，提高了高压直流输电系统的可靠性。
35.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高压直流输电线路纵联方向保护方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、当直流输电系统发生故障后，采集直流输电线路整流侧直流母线两侧的电压值和逆变侧直流母线两侧的电压值；步骤s2、整流侧保护装置根据整流侧直流母线两侧的测量电压计算整流侧直流母线两侧的暂态电压，逆变侧保护装置根据逆变侧直流母线两侧的测量电压计算逆变侧直流母线两侧的暂态电压；步骤s3、分别对整流侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值和逆变侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值进行短时间的数值积分；步骤s4、比较整流侧直流母线两侧暂态电压绝对值的数值积分，判定整流侧直流母线处的故障方向并向对侧保护装置发送判定结果，比较逆变侧直流母线两侧暂态电压绝对值的数值积分，判定逆变侧直流母线处的故障方向并向对侧保护装置发送判定结果；步骤s5、整流侧保护装置根据本侧直流母线处的故障方向判定结果和对侧直流母线处的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障，逆变侧保护装置根据本侧直流母线处的故障方向判定结果和对侧直流母线处的故障方向判定结果，判定是否发生区内故障。2.根据权利要求1所述的纵联方向保护方法，其特征在于，所述的直流母线两侧的暂态电压的计算方法为：式中，u
b
′
(t)和u
f
′
(t)分别为t时刻直流母线背侧暂态电压和前侧暂态电压(定义靠近输电线路的一侧为前侧，靠近换流阀的一侧为背侧，下同)，u
b
(t)和u
f
(t)分别为t时刻直流母线背侧电压采样值和前侧电压采样值，u
m
为直流母线发生故障前的电压值。3.根据权利要求1所述的故障方向判别方法，其特征在于，所述直流母线两侧的暂态电压绝对值短时间内的数值积分为：式中，s
b
和s
f
分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，u
b
′
(j)和u
f
′
(j)分别为积分时间窗内第j个点的直流母线背侧和前侧的暂态电压值，δt为采样周期，n为积分时间窗内采样点的数量。4.根据权利要求1所述的故障方向判别方法，其特征在于，所述的故障方向包括正向故障和反向故障。5.根据权利要求4所述的故障方向判别方法，其特征在于，所述的正向故障的判别公式为：式中，s
b
和s
f
分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为故障暂态电压分量绝对值的数值积分的整定值，k
c
为可靠系数；
若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足所述正向故障的判别公式，则判定为正向故障。6.根据权利要求4所述的故障方向判别方法，其特征在于，所述的反向故障的判别公式为：式中，s
b
和s
f
分别为直流母线背侧和前侧的暂态电压绝对值的数值积分值，s
set
为暂态电压绝对值的数值积分的整定值，k
c
为可靠系数；若故障发生后，直流母线两侧的暂态电压绝对值积分结果满足所述反向故障的判别公式，则判定为反向故障。7.根据权利要求1所述的线路区内故障的判别方法，其特征在于，当保护装置判定本侧直流母线处的故障方向为正向故障和对侧保护装置判定对侧直流母线处的故障方向为正向故障时，保护装置判定为区内故障；否则判定为区外故障。

技术总结
本发明公开了一种高压直流输电线路纵联方向保护方法，包括如下步骤：步骤S1、当直流输电系统发生故障后，采集直流输电线路整流侧直流母线两侧的电压值和逆变侧直流母线两侧的电压值；步骤S2、整流侧保护装置计算整流侧直流母线两侧的暂态电压，逆变侧保护装置计算逆变侧直流母线两侧的暂态电压；步骤S3、分别对整流侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值和逆变侧直流母线两侧的暂态电压的绝对值进行短时间的数值积分；步骤S4、基于数值积分判定故障方向；步骤S5、根据故障方向判定结果判定是否发生区内故障。本发明能够快速地判断出高压直流输电线路是否发生故障，大大缩短纵联保护动作时间，提高了高压直流输电系统的可靠性。提高了高压直流输电系统的可靠性。提高了高压直流输电系统的可靠性。


技术研发人员：俞小虎 张锋明 方愉冬 钱建国 王松 潘利江 王五静 张永建 俞晨阳 陈骏杰 周戴明 徐洋超 李康毅 程恩 戚宣威
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/10/19