本發(fā)明涉及高壓直流線路故障識(shí)別領(lǐng)域，具體涉及一種基于測(cè)量波阻抗的高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

直流線路保護(hù)用于在直流線路發(fā)生故障后快速準(zhǔn)確地識(shí)別和清除故障。對(duì)線路故障的準(zhǔn)確識(shí)別是線路保護(hù)正確動(dòng)作的前提。目前，直流線路的主保護(hù)是行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)。行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)利用電壓變化率構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，極易受過(guò)渡電阻的影響，導(dǎo)致保護(hù)靈敏性較低，在高阻故障時(shí)無(wú)法有效保護(hù)線路。對(duì)于高阻接地故障，需要依靠后備保護(hù)如電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行清除，而后備保護(hù)需要較長(zhǎng)的延時(shí)，往往導(dǎo)致故障擾動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間存在，甚至造成不必要的直流閉鎖，影響直流輸電系統(tǒng)的可靠、高效運(yùn)行。

為提高直流線路保護(hù)的靈敏性和速動(dòng)性，有學(xué)者基于信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)展了一系列研究，即利用直流線路的故障暫態(tài)信號(hào)特征構(gòu)成區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)；由于暫態(tài)量變化復(fù)雜，難以通過(guò)解析方法求解，客觀上給此類判據(jù)的整定帶來(lái)了困難，無(wú)法保證對(duì)于不同過(guò)渡電阻下的故障有完全的適應(yīng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題提供一種基于測(cè)量波阻抗的高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別方法。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

基于測(cè)量波阻抗的高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別方法，包括以下步驟：

A、分別采集直流輸電系統(tǒng)整流站正極線路和負(fù)極線路、逆變站正極線路和負(fù)極線路兩端的電壓和電流；

B、根據(jù)步驟A的結(jié)果分別計(jì)算正極線路和負(fù)極線路兩端的電壓突變量和電流突變量；

C、將每一級(jí)線路的電壓突變量和電流突變量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的線模電壓分量和線模電流分量；

D、將步驟C中的結(jié)果進(jìn)行離散S變換，得到相應(yīng)的某一頻率的電壓分量和電流分量隨時(shí)間變化的分布；

E、提取初始電壓行波和電流行波的幅值，計(jì)算直流線路兩端的測(cè)量波阻抗值；

F、將逆變站計(jì)算得到的測(cè)量波阻抗值傳遞至整流站；

G、根據(jù)直流線路整流站與逆變站測(cè)量波阻抗差值對(duì)內(nèi)外故障進(jìn)行識(shí)別。

所述步驟B中計(jì)算整流站正極線路和負(fù)極線路兩端的電壓突變量△u_Rp和電流突變量△i_Rp的具體方法為：

△u_Rp＝u_Rp(N)-u_Rp(N-n)；

△i_Rp＝i_Rp(N)-i_Rp(N-n)；

其中，p＝1、2，分別表示正極線路和負(fù)極線路；u_Rp為整流站正極線路或負(fù)極線路的電壓；N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為10ms內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

所述步驟C采用相模變換技術(shù)，計(jì)算整流站的線模電壓△u_R11和線模電流△i_R11分量的方法為：

在步驟D中，分別對(duì)線模電壓分量和線模電流分量的離散時(shí)間序列進(jìn)行離散S變換得到復(fù)時(shí)頻矩陣，從該矩陣中提取所需頻率f₁對(duì)應(yīng)的列向量，即得到該頻率的電壓分量和電流分量隨時(shí)間變化的分布。

對(duì)線模電壓分量進(jìn)行離散后的離散時(shí)間序列為u₁[kT]，其中，k＝0、1、2、…、N-1，N為故障前后3ms的采樣點(diǎn)數(shù)，T為采樣間隔；對(duì)u₁[kT]進(jìn)行離散S變換的具體方法為：

當(dāng)n≠0時(shí)，u₁[kT]的離散S變換為：

其中，為u₁[kT]的離散傅里葉變換；j為時(shí)間采樣點(diǎn)；n為頻率采樣點(diǎn)；＝0、1、…、N-1；n＝0、1、…、N-1；

當(dāng)n＝0時(shí)，u₁[kT]的離散S變換為：

計(jì)算整流站兩端的測(cè)量波阻抗值的方法為：S_uR(t,f₁)、S_iR(t,f₁)分別為頻率f₁下整流站的電壓分量和電流分量，其相應(yīng)的幅值向量為A_uR(t,f₁)、A_iR(t,f₁)，則頻率f₁下的電壓初始行波和電流初始行波幅值為A_uR(t₁,f₁)，A_iR(t₁,f₁)，其中，t₁為初始行波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻；則整流站測(cè)量波阻抗為：

在步驟G中，計(jì)算直流線路整流站與逆變站測(cè)量波阻抗差值的絕對(duì)值，若絕對(duì)值大于某閾值，判斷故障發(fā)生在線路外；若絕對(duì)值小于某閾值，判斷故障發(fā)生在線路上。

步驟G的識(shí)別方法具體為：

|abs(Z_mR)-abs(Z_mI)|<Z_set，

其中，abs為取幅值運(yùn)算；Zset為區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)的閾值。

所述Zset的計(jì)算方法為：

其中，Z_{eq_f1}為頻率f₁下的平波電抗器和直流濾波器的并聯(lián)阻抗；Z_{C_f1}為頻率f₁下的線路波阻抗。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，至少具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明基于測(cè)量波阻抗實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)內(nèi)外故障的識(shí)別，其能夠可靠快速地識(shí)別出線路的區(qū)內(nèi)外故障。由于測(cè)量波阻抗只與測(cè)點(diǎn)背側(cè)阻抗和線路波阻抗有關(guān)，而與故障位置、故障電阻無(wú)關(guān)，因此本發(fā)明不受故障位置和故障電阻的影響，對(duì)于高阻接地故障也能快速反應(yīng)，而且故障識(shí)別判據(jù)易于整定，可靠性和靈敏性高。

2、本發(fā)明利用離散S變換計(jì)算策略波阻抗，雖然整個(gè)離散S變換的運(yùn)算量偏大，但由于本發(fā)明只需計(jì)算單個(gè)頻率下的S變換結(jié)果，因此在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)大大減小了運(yùn)算量，利用高性能的DSP芯片可以在1～2ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)單個(gè)頻率下的離散S變換，有利于保護(hù)的快速動(dòng)作。

3、本發(fā)明充分利用了直流線路兩端的物理邊界，保證故障識(shí)別判據(jù)的門檻值有明確的整定依據(jù)，提高對(duì)故障識(shí)別的可靠性。

4、本發(fā)明僅需傳輸逆變站的測(cè)量波阻抗值，不用實(shí)時(shí)傳遞電壓、電流采樣值，對(duì)通訊速率和兩端數(shù)據(jù)同步要求低，能夠適應(yīng)現(xiàn)有的通信手段。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例1

基于測(cè)量波阻抗的高壓直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別方法，包括以下步驟：

A、分別采集直流輸電系統(tǒng)整流站正極線路和負(fù)極線路、逆變站正極線路和負(fù)極線路兩端的電壓和電流，此步驟可通過(guò)安裝在直流輸電系統(tǒng)整流站和逆變站線路側(cè)的電壓、電流互感器獲得電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)；

B、根據(jù)步驟A的結(jié)果分別計(jì)算正極線路和負(fù)極線路兩端的電壓突變量和電流突變量；

C、將每一級(jí)線路的電壓突變量和電流突變量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的線模電壓分量和線模電流分量；

D、將步驟C中的結(jié)果進(jìn)行離散S變換，得到相應(yīng)的某一頻率的電壓分量和電流分量隨時(shí)間變化的分布；

E、提取初始電壓行波和電流行波的幅值，計(jì)算直流線路兩端的測(cè)量波阻抗值；

F、將逆變站計(jì)算得到的測(cè)量波阻抗值傳遞至整流站；

G、根據(jù)直流線路整流站與逆變站測(cè)量波阻抗差值對(duì)內(nèi)外故障進(jìn)行識(shí)別。

在直流輸電系統(tǒng)中，直流線路的重啟動(dòng)邏輯是在整流側(cè)完成的，因此只需將逆變站的測(cè)量波阻抗信息傳遞至整流站即可。

實(shí)施例2

本實(shí)施例對(duì)上述實(shí)施例的1的各步驟具體實(shí)施方法進(jìn)行細(xì)化。

步驟B中計(jì)算整流站正極線路和負(fù)極線路兩端的電壓突變量△u_Rp和電流突變量△i_Rp的具體方法為：

△u_Rp＝u_Rp(N)-u_Rp(N-n)；

△i_Rp＝i_Rp(N)-i_Rp(N-n)；

其中，p＝1、2，分別表示正極線路和負(fù)極線路；u_Rp為整流站正極線路或負(fù)極線路的電壓；N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為10ms內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。

逆變站正極線路和負(fù)極線路的電壓突變量與電流突變量計(jì)算方法與整流站正極線路和負(fù)極線路的電壓突變量與電流突變量計(jì)算方法相同。

步驟C采用相模變換技術(shù)，計(jì)算整流站的線模電壓△u_R11和線模電流△i_R11分量的方法為：

逆變站的線模電壓△u_I11和線模電流△i_I11計(jì)算方法與整流站的線模電壓△u_R11和線模電流△i_R11的計(jì)算方法相同。

在步驟D中，分別對(duì)線模電壓分量和線模電流分量的離散時(shí)間序列進(jìn)行離散S變換得到復(fù)時(shí)頻矩陣，具體的，對(duì)線模電壓分量進(jìn)行離散后的離散時(shí)間序列為u₁[kT]，其中，k＝0、1、2、…、N-1，N為故障前后3ms的采樣點(diǎn)數(shù)，T為采樣間隔；為了避免取得的初始行波受到數(shù)據(jù)邊界的影響，取故障前一段數(shù)據(jù)加上故障后一段數(shù)據(jù)進(jìn)行S變換。為了兼顧保護(hù)的快速性和可靠性，取故障前后3毫秒的數(shù)據(jù)。對(duì)u₁[kT]進(jìn)行離散S變換的具體方法為：

當(dāng)n≠0時(shí)，u₁[kT]的離散S變換為：

其中，為u₁[kT]的離散傅里葉變換；j為時(shí)間采樣點(diǎn)；n為頻率采樣點(diǎn)；＝0、1、…、N-1；n＝0、1、…、N-1；

當(dāng)n＝0時(shí)，u₁[kT]的離散S變換為：

變換后得到一個(gè)復(fù)時(shí)頻矩陣，該矩陣的列向量為電壓分量在某一時(shí)刻隨頻率變化的分布，該矩陣的行向量為某一頻率的電壓分量隨時(shí)間變化的分布。從該矩陣中提取所需頻率f₁對(duì)應(yīng)的列向量，譬如f₁＝10kHz，即得到該頻率的電壓分量隨時(shí)間變化的分布。

得到某一頻率的電流分量隨時(shí)間變化的分布的方式與上述得到電壓分量隨時(shí)間變化的分布的方式相同。

計(jì)算整流站兩端的測(cè)量波阻抗值的方法為：S_uR(t,f₁)、S_iR(t,f₁)分別為頻率f₁下整流站的電壓分量和電流分量，其相應(yīng)的幅值向量為A_uR(t,f₁)、A_iR(t,f₁)，則頻率f₁下的電壓初始行波和電流初始行波幅值為A_uR(t₁,f₁)，A_iR(t₁,f₁)，其中，t₁為初始行波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻；則整流站測(cè)量波阻抗為：

逆變站測(cè)量波阻抗值的計(jì)算方式與整流站測(cè)量波阻抗值的計(jì)算方式相同。

在步驟G中，計(jì)算直流線路整流站與逆變站測(cè)量波阻抗差值的絕對(duì)值，

步驟G的識(shí)別方法具體為：

|abs(Z_mR)-abs(Z_mI)|<Z_set，

其中，abs為取幅值運(yùn)算；Zset為區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)的閾值。若絕對(duì)值大于閾值Zset，判斷故障發(fā)生在線路外；若絕對(duì)值小于閾值Zset，判斷故障發(fā)生在線路上。

閾值Zset的計(jì)算方法為：

其中，Z_{eq_f1}為頻率f₁下的平波電抗器和直流濾波器的并聯(lián)阻抗；Z_{C_f1}為頻率f₁下的線路波阻抗。

實(shí)施例3

結(jié)合上述實(shí)施例，本實(shí)施例公開(kāi)上述方法的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例。具體的以一直流輸電系統(tǒng)模型為例，提供一仿真實(shí)例。

本發(fā)明方法搭建了±500kV直流輸電系統(tǒng)仿真模型，模型參數(shù)參考三峽-常州直流輸電工程。其中，送電功率為3000MW，額定電壓和額定電流分別為500kV和3kA。輸電線路長(zhǎng)度設(shè)為1000km。線路模型采用頻率相關(guān)模型，桿塔結(jié)構(gòu)采用DC2。采樣頻率為100kHz。代入線路參數(shù)，計(jì)算10kHz頻率下線路的線模波阻抗和平波電抗器和直流濾波器的并聯(lián)阻抗分別為213Ω、934.6Ω，則區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)的門檻值為360.8Ω。設(shè)置F1～F5為故障點(diǎn)，其中，F(xiàn)1表示正極線路故障，F(xiàn)2表示負(fù)極線路故障，F(xiàn)3表示整流站平波電抗器外側(cè)故障，F(xiàn)4表示逆變站交流側(cè)故障，F(xiàn)5表示雙極線路故障。

表1給出了不同故障距離和過(guò)渡電阻下區(qū)內(nèi)正極F1故障、負(fù)極F2故障，雙極F5故障下的故障識(shí)別結(jié)果。

表1不同區(qū)內(nèi)故障條件下的故障識(shí)別結(jié)果

由表1可知，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，直流線路兩端的測(cè)量波阻抗基本相等，在不同故障距離和過(guò)渡電阻等情況下，線路兩端測(cè)量波阻抗之差均不大于30Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整定值360.8Ω，判斷為區(qū)內(nèi)故障。

表2給出了整流站平波電抗器外側(cè)F3故障和逆變站交流側(cè)F4故障下的故障識(shí)別結(jié)果。

表2不同區(qū)外故障條件下故障識(shí)別判據(jù)的測(cè)試結(jié)果

由表2可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，線路兩端測(cè)量波阻抗差異很大，利用線路兩端測(cè)量波阻抗的明顯差異可以準(zhǔn)確識(shí)別出區(qū)外故障。

由上述實(shí)例可知本發(fā)明在各種故障情況下均能可靠、快速地識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障，對(duì)高阻故障也有良好的動(dòng)作性能，且故障判據(jù)有明確的整定原則。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。