一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法.pdf

本发明涉及一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，包括以下步骤：1)明确行波保护功能和动作判据形式，根据动作判据形式确定极波定值和地模波定值；2)分析影响行波保护定值因素并制定各种仿真实验条件；3)搭建仿真模型，在两种工况下进行仿真，仿真过程中闭锁所有直流保护，提取极波数据和地模波数据；4)处理极波数据并提取关键故障信息量；5)计算两种工况下的极波定值；6)从得到的地模波数据中，提取地模波变化量的最小值，并结合实际工程参数，设定地模波定值；7)将得到的极波定值和地模波定值代入仿真模型，验证其合理性。本发明详细分析了仿真实验条件的制定方案，可靠性高、与实际工程贴近度高，因而可以广泛应用于高压直流输电行波保护定值整定中。

权利要求书1.  一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，包括以下步骤： 1)明确行波保护功能并确定行波保护的动作判据形式，根据动作判据形式确定行 波保护的两个重要定值，即极波定值和地模波定值； 2)对影响行波保护定值的过渡电阻、故障点位置和运行方式三种因素进行仿真分 析，并根据仿真分析结果制定各种仿真实验条件； 3)根据实际工程参数搭建仿真模型，在全压运行和非全压运行两种工况下，对步 骤2)中制定的各种仿真实验条件进行仿真，仿真过程中闭锁所有直流保护，以避免 保护对故障信息量数据产生影响，并提取各种仿真实验条件下的故障信息量数据，也 即极波数据和地模波数据； 4)对得到的极波数据进行处理，提取极波数据的关键故障信息量，分别得到全压 运行和非全压运行两种工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值 dPmax和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dPmax}min；以及非全压运行工况下， 每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dP′max和所有仿真实验条件下区内 故障的最轻微情况{dP′max}min； 5)根据得到的极波数据的关键故障信息量，分别计算全压运行和非全压运行两种 工况下的极波定值； 6)从得到的地模波数据中，提取各种仿真实验条件下地模波变化量的最小值，并 结合实际工程参数，设定地模波定值； 7)将得到的极波定值和地模波定值代入步骤3)搭建的仿真模型中，验证其合理 性，也即验证行波保护能否在区内故障时快速动作，在区外故障时可靠不动作，并且 能够保护线路全长。 2.  如权利要求1所述的一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，其特征在 于：所述步骤1)中，所述行波保护的动作判据为： dP i / dt > Δ 1 Δ G wav > Δ 2 , ]]> 其中，dPi/dt是极波变化率，ΔGwav是地模波变化量，Δ1是极波定值，Δ2是地模波 定值。 3.  如权利要求1所述的一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，其特征在 于：所述步骤4)中，所述关键故障信息量是指当前时刻的极波值与该时刻前2个采 样周期的极波值作差得到的极波差值。 4.  如权利要求2所述的一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，其特征在 于：所述步骤4)中，所述关键故障信息量是指当前时刻的极波值与该时刻前2个采 样周期的极波值作差得到的极波差值。 5.  如权利要求1或2或3或4所述的一种高压直流输电线路行波保护定值整定方 法，其特征在于：所述步骤5)中，全压运行工况下，极波定值Δ1的整定公式为： Δ 1 = { dP max } min K rel , ]]> 其中，{dPmax}min是全压运行工况下所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况， Krel是全压运行的可靠系数； 非全压运行工况下，极波定值Δ1'的整定公式为： Δ 1 ′ = { dP max ′ } min K rel ′ , ]]> 其中，{dP′max}min是非全压运行工况下所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况， K'rel是非全压运行的可靠系数。 6.  如权利要求5所述的一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，其特征在 于：所述全压运行的可靠系数的取值范围为1.05～1.2；所述非全压运行的可靠系数 的取值范围为1.1～1.3。

说明书一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电领域，特别是关于一种基于故障信息量的高压直流输电线路行波保护定值整定方法。
背景技术
高压直流输电以其传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点，在远距离、大功率送电中占有越来越重要的地位。然而，由于直流输电线路长度比较长，跨越各种复杂地形，并且承受多变的天气情况，因而高压直流输电系统中最常见的故障即为线路故障。
行波保护是现有高压直流输电工程的线路主保护之一。其中，以极波和地模波作为动作判据的行波保护能够全面利用线路故障后电压、电流行波信息，对高压直流输电线路进行保护。极波的实质是电压反行波，在第二次故障点反行波到达保护测点之前，极波不受到线路末端反射波的影响，因此相比于基于电压微分的行波保护，极波的波头上升更快，波头更加陡峭。当行波保护所在区内线路正常运行时，由于极波波头的陡度即为极波变化率，因而此时极波变化率接近于0；当行波保护所在区内线路发生故障时，极波波头瞬间上升，极波变化率会大于一个正的定值。因此，当极波变化率大于某一个定值时，判定为区内故障。地模波的实质也是电压反行波，但是其波速相对于极波较慢，因此晚于极波被保护测点检测到。当行波保护所在区内线路正常运行时，地模波接近于0；行波保护所在区内线路故障时，地模波波头，也即地模波变化量小于一个负的定值，行波保护所在区外线路故障时，地模波波头则大于一个正的定值，以此判断故障点所在的线路的方向。因此，极波定值和地模波定值是行波保护中两个重要的动作判据，当极波变化率与地模波变化量均满足动作判据时，则可确定某一极线路发生故障，此时启动后续保护动作策略。
然而，目前关于行波保护的现有研究一般集中于行波传输特性、行波保护原理、行波保护新方法等，针对行波保护定值整定的研究基本处于空白。部分文献提出了根据故障仿真结果确定行波保护定值，但是对于软件仿真的流程、实验条件的制定以及故障信息量的数据处理并未详细分析。而且，由于高压直流输电系统的特性，导致故障信息量难以通过解析方法求解，因此行波保护定值整定依赖于仿真研究，但是前期资料的梳理、仿真实验条件的制定以及仿真结果的数据处理方法尚不清晰。而直流保护对监测的变量的判定方式有延时判定和计数判定两种，导致故障信息量的处理方法不能简单套用交流继电保护的方法。在实际工程中，通常采用厂家提供的整定值，并 经过前期联调实验进行调整，缺乏系统的行波保护定值整定方法。工程运行中往往容易发生误动、拒动等情况。
综上，对于直流输电行波保护的定值整定并未形成清晰明确的整定方法，而保护可靠动作又很大程度上取决于行波保护定值的合理性，因此有必要对行波保护的定值整定开展深入研究。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种完备详细、可靠性高，且能够符合工程实际的基于故障信息量的高压直流输电线路行波保护定值整定方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高压直流输电线路行波保护定值整定方法，包括以下步骤：1)明确行波保护功能并确定行波保护的动作判据形式，根据动作判据形式确定行波保护的两个重要定值，即极波定值和地模波定值；2)对影响行波保护定值的过渡电阻、故障点位置和运行方式三种因素进行仿真分析，并根据仿真分析结果制定各种仿真实验条件；3)根据实际工程参数搭建仿真模型，在全压运行和非全压运行两种工况下，对步骤2)中制定的各种仿真实验条件进行仿真，仿真过程中闭锁所有直流保护，以避免保护对故障信息量数据产生影响，并提取各种仿真实验条件下的故障信息量数据，也即极波数据和地模波数据；4)对得到的极波数据进行处理，提取极波数据的关键故障信息量，分别得到全压运行和非全压运行两种工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dPmax和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dPmax}min；以及非全压运行工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dP′max和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dP′max}min；5)根据得到的极波数据的关键故障信息量，分别计算全压运行和非全压运行两种工况下的极波定值；6)从得到的地模波数据中提取各种仿真实验条件下，地模波变化量的最小值，并结合实际工程参数，设定地模波定值；7)将得到的极波定值和地模波定值代入步骤3)搭建的仿真模型中，验证其合理性，也即验证行波保护能否在区内故障时快速动作，在区外故障时可靠不动作，并且能够保护线路全长。
所述步骤1)中，所述行波保护的动作判据为：
dP i / dt > Δ 1 Δ G wav > Δ 2 ]]>
其中，dPi/dt是极波变化率，ΔGwav是地模波变化量，Δ1是极波定值，Δ2是地模波定值。
所述步骤4)中，所述关键故障信息量是指当前时刻的极波值与该时刻前2个采样周期的极波值作差得到的极波差值。
所述步骤5)中，全压运行工况下，极波定值Δ1的整定公式为：
Δ 1 = { dP max } min K rel , ]]>
其中，{dPmax}min是全压运行工况下所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况，Krel是全压运行的可靠系数；
非全压运行工况下，极波定值Δ1'的整定公式为：
Δ 1 ′ = { dP max ′ } min K rel ′ , ]]>
其中，{dP′max}min是非全压运行工况下所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况，K'rel是非全压运行的可靠系数。
所述全压运行的可靠系数的取值范围为1.05～1.2；所述非全压运行的可靠系数的取值范围为1.1～1.3。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于根据影响行波保护定值的因素的仿真结果，制定了相应的仿真实验条件，提高了对行波保护定值研究的科学合理性。2、本发明由于根据实际工程参数搭建仿真模型，根据仿真实验条件进行仿真，进而获得故障信息量，能够动态适应实际的工程应用，与实际工程贴进度更高，适应性强。3、本发明由于根据得到的故障信息量提出了详细的数据处理方法，从中提取出关键故障信息量，提高了行波保护定值整定的可靠性。4、本发明由于根据不同的电压运行工况提出了不同的定值整定方法，提高了行波保护定值整定的准确性。本发明科学合理的对行波保护定值进行整定，可以广泛应用于高压直流输电的行波保护定值整定中。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图；
图2是本发明不同过渡电阻下的极波差值，其中，表示接地电阻为0欧姆， 表示接地电阻为50欧姆，表示接地电阻为100欧姆；
图3是本发明不同故障点位置下的极波差值；
图4是本发明不同运行方式下的极波差值，其中，为C1全阀投入运行方式， 为C2全阀投入降压560kV运行方式，为C22双极三阀组运行方式，为C5双极双阀组运行方式；
图5是本发明实施例中故障点设置示意图；
图6是本发明实施例中不同运行方式示意图，其中，图(a)为C1全阀投入运行方式；图(b)为C1’全阀投入降压560kV运行方式，图(c)为C5双极双阀组运行 方式，图(d)为C21双极三阀组运行方式，图(e)为C22双极三阀组运行方式，图(f)为C26单极大地回线，图(g)为C36单极金属回线运行方式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明高压直流输电线路行波保护定值整定方法包括以下步骤：
1)明确行波保护功能并确定行波保护的动作判据形式，根据动作判据形式确定行波保护的两个重要定值，即极波定值和地模波定值。
行波保护的主要功能是检测高压直流输电线路上发生的接地故障，在进行行波保护配置时，应能保护高压直流输电线路全长，在不依赖通信通道的情况下，保证行波保护的快速动作。本发明采用极波和地模波构成行波保护的动作判据，极波的定义为：
Pi＝ZαIdLi-UdLi               (1) 
其中，Pi是极i的极波；Zα是极波阻抗；IdLi、UdLi分别是极i的线路直流电流和直流电压。
地模波的定义为：
Gwav＝Z0(IEL+ICN1+ICN2)/2-(UdL1+UdL2)/2        (2) 
其中，Gwav是地模波；Z0是地模波阻抗；IEL是接地极的接地总电流；ICN1、ICN2分别是极1、极2的接地极母线并联电容电流；UdL1、UdL2分别是极1、极2的线路直流电压。本发明基于极波和地模波的动作判据为：
dP i / dt > Δ 1 Δ G wav > Δ 2 - - - ( 3 ) ]]>
其中，dPi/dt是极波变化率，ΔGwav是地模波变化量，Δ1是极波定值，Δ2是地模波定值。
2)对影响行波保护定值的过渡电阻、故障点位置和运行方式三种因素进行仿真分析，并根据仿真分析结果制定各种仿真实验条件。
由于极波的波速较快，能够快速反应线路接地故障，因此极波定值的准确性直接影响了保护灵敏性、动作可靠性、保护区域的覆盖，因此需要对极波定值进行整定，并且验证区外故障下是否存在误动现象。而影响极波定值的主要因素为：过渡电阻、故障点位置和运行方式。本发明针对过渡电阻、故障点位置和运行方式三种影响因素进行仿真，得到的仿真结果为：故障点接地的过渡电阻越大，极波变化率越小；故障点距离线路首端越远，极波变化率越小；不同的运行方式下，极波变化率不同。
如图2～图4所示，为三种影响因素对极波差值的影响。实际工程中，通常以差 分代替微分进行计算，也即将当前时刻的极波值与若干采样周期前的极波值作差得到极波差值，用以表征极波变化率。极波差值越大，极波变化率也就越大。从图2中可以看出，故障点接地的过渡电阻越大，极波变化率越小。从图3中可以看出，故障点距离线路首端越远，极波变化率越小。从图4中可以看出，不同的运行方式下，极波变化率不同。因而，距线路首端较远处的大过渡电阻接地故障决定了极波定值的灵敏性，极波定值应该能够正确动作于该类故障。另外，由于不同运行方式对极波定值也有一定影响，因此需要根据运行方式的不同对极波定值进行调整。
根据上述分析结果，在制定仿真实验条件时，应综合考虑过渡电阻、故障点位置以及运行方式的影响。同时，为了保证发生区外故障时不存在误动现象，还需要设置一定的区外故障进行验证。
3)根据实际工程参数搭建仿真模型，在全压运行(800kV)和非全压运行(低于800kV)两种工况下，对步骤2)中制定的各种仿真实验条件进行仿真，仿真过程中闭锁所有直流保护，以避免保护对故障信息量数据产生影响，并提取各种仿真实验条件下的故障信息量数据，也即极波数据和地模波数据。
4)对得到的极波数据进行处理，提取极波数据的关键故障信息量，分别得到全压运行工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dPmax和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dPmax}min；以及非全压运行工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dPm'ax和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dP′max}min。
分别计算全压运行和非全压运行两种工况下，每种仿真实验条件中，当前时刻的极波值与该时刻前2、6、10、21个采样周期前的极波差值，共得到4组极波差值，用以表征极波变化率。在4组极波差值中，当前时刻的极波值与该时刻前2个采样周期前的极波值作差得到的极波差值最小，最能体现故障瞬间极波变化情况，因此本发明将其作为关键故障信息量，其他组极波差值则用于行波保护中延时锁定控制逻辑。从得到的关键故障信息量中，得到全压运行工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dPmax和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dPmax}min；以及非全压运行工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值dP'max和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况{dP′max}min。
5)根据得到的极波数据的关键故障信息量，分别计算全压运行和非全压运行两种工况下的极波定值。
全压运行工况下，极波定值的整定公式为：
Δ 1 = { dP max } min K rel - - - ( 4 ) ]]>
其中，Krel是全压运行的可靠系数，且由于全压运行下，系统运行于正常状态，为保证行波保护的可靠性，取值范围为1.05～1.2。
非全压运行工况下，极波定值Δ1'的整定公式为：
Δ 1 ′ = { dP max ′ } min K rel ′ - - - ( 5 ) ]]>
其中，K'rel是非全压运行的可靠系数，且由于此时系统运行于非正常状态，为保证行波保护的灵敏性，其取值范围为1.1～1.3。
6)从得到的地模波数据中提取各种仿真实验条件下，地模波变化量的最小值，并结合实际工程参数，设定地模波定值Δ2。
由于地模波变化量的判定是一个方向问题，也即根据地模波变化量的正负来判断故障点所在的位置。根据仿真以及现场联调实验数据证明，地模波变化量往往远大于地模波定值。因此本发明根据仿真实验得到的地模波变化量的最小值，结合实际工程参数情况，将地模波定值Δ2设定为一个较小值，以保证区内任何故障情况下均能动作和一定的抗干扰能力，然后再经过仿真验证。
7)将得到的极波定值和地模波定值代入步骤3)搭建的仿真模型中，验证其合理性，也即验证行波保护能否在区内故障时快速动作，在区外故障时可靠不动作，并且能够保护线路全长。
实施例
以向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程参数(下简称向上工程参数)为参考，搭建PSCAD/EMTDC仿真模型，对本发明进行进一步详细介绍。
1)明确行波保护功能并确定行波保护的动作判据形式，根据动作判据形式确定行波保护的两个重要定值，即极波定值和地模波定值。
2)对影响行波保护定值的因素进行仿真分析，并根据仿真分析结果制定仿真实验条件。
根据仿真分析结果，结合实际工程的运行状况，本实施例制定的仿真实验条件为：
①选择接地故障过渡电阻为100欧姆。
②如图5所示，直流输电线路共包括两极线路P1-P1和P2-P2，以线路P1-P1作为本级线路，图中Ld为线路中设置的平波电抗器，两极电路内的UdL是线路直流电压。故障点设置情况为：区内故障包括本极线路(P1-P1)距首端60％、80％、100％处的100欧姆过渡电阻接地故障F1_6、F1_8、F1_10；区外故障包括对极线路(P2-P2)中点金 属接地故障F2_5、整流侧与逆变侧的平波电抗器换流器侧金属接地故障FR_L和FI_L、整流侧与逆变侧交流母线三相金属接地故障FR_a和FI_a。
③如图6所示，指定的运行方式包括7种：C1全阀投入运行方式(图6(a)所示)、C1’全阀投入降压560kV运行方式(图6(b)所示)、C5双极双阀组运行方式(每极投一对阀组)(图6(c)所示)、C21双极三阀组运行方式(极一缺阀组)(图6(d)所示)、C22双极三阀组运行方式(极二缺阀组)(图6(e)所示)、C26单极大地回线运行方式(图6(f)所示)和C36单极金属回线运行方式(图6(g)所示)。
3)根据实际工程参数搭建仿真模型，在全压运行(800kV)和非全压运行(低于800kV)两种工况下，对步骤2)中制定的各种仿真实验条件进行仿真，仿真过程中闭锁所有直流保护，以避免保护对故障信息量数据产生影响，并提取各种仿真实验条件下的故障信息量数据。
根据向上工程参数搭建仿真模型，其额定电压为±800kV，额定电流为4kA，每极采用双12脉动换流器组，线路模型采用频变相域模型，全长1935km，极波阻抗为Zα＝256Ω，地模波阻抗为Z0＝493Ω。按照仿真实验条件进行仿真，仿真过程中闭锁所有直流保护，避免保护动作影响故障信息量数据的准确性，并提取各种仿真实验条件下的极波数据。
4)对得到的故障信息量数据进行处理，提取关键故障信息量，进而分别得到全压运行和非全压运行两种工况下，每种仿真实验条件下区内故障后极波差值的最大值和所有仿真实验条件下区内故障的最轻微情况。
5)根据得到的关键故障信息量数据，分别计算全压运行和非全压运行两种工况下的极波定值。
本实施例中，全压运行工况下，得到的最轻微情况{dPmax}min为205.8kV，采用的全压运行的可靠系数为1.05，得到全压工况下的极波定值Δ1为：
{ dP max } min = 205.8 kV Δ 1 = { dP max } min K rel = 205.8 1.05 = 196 kV - - - ( 6 ) ]]>
非全压运行工况下，得到的最轻微情况{dP′max}min为136.3kV，采用的可靠系数为1.3，得到非全压工况下的极波定值Δ1'为：
{ dP max ′ } min = 136.3 kV Δ 1 ′ = { dP max ′ } min K rel ′ = 136.3 1.3 = 104.8 kV - - - ( 7 ) ]]>
6)由于各种仿真实验条件下，区内故障时，地模波变化量的最小值为125.1kV， 因此本实施例取一个远小于该最小值的15kV作为地模波定值。
7)将得到的极波定值和地模波定值代入仿真模型，验证其合理性，得到的行波保护动作情况表如下(如表1所示)。
表1 行波保护动作情况表
故障位置 接地电阻/(Ω) 极波判据 地模波判据 行波保护 F1_6 100 动作 动作 正确动作 F1_8 100 动作 动作 正确动作 F1_10 100 动作 动作 正确动作 F2_5 0 不动作 不动作 正确不动作 F2_5 100 不动作 不动作 正确不动作 FR_L 0 不动作 动作 正确不动作 FI_L 0 动作 动作 误动 FR_a 0 不动作 不动作 正确不动作 FI_a 0 不动作 不动作 正确不动作
由表可知除逆变侧极母线金属接地故障外，其他故障情况均能保证区内正确动作，区外正确不动作。由于行波配置时考虑保护线路全长，因此在线路末端无法区分线路与逆变侧极母线故障。但是，逆变侧极母线故障时，逆变侧极母线差动保护会快速动作，同时通过通信通道向整流侧发送动作信号，因此行波保护不区分这一区外故障不影响控制保护系统的动作策略，能够确保故障电流的快速消除。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。