CN113917280B - 一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法，具体包括如下步骤：步骤1，保护启动元件启动后，记录启动后5ms数据窗内正负极电压；步骤2，计算正极电压偏差度VDa；步骤3，将步骤2所得结果与设定好的阈值α进行比较，根据判断结果确定故障类型：步骤4，计算负极电压偏差度VDb；步骤5，将步骤4所得结果与设定好的阈值β进行比较，根据判断结果确定故障类型：步骤6，对步骤3中的α和步骤5中的β进行整定。本发明能够有效识别雷击干扰与雷击故障，提高高压直流输电线路保护装置的正确动作率。
Description
技术领域
本发明属于电力系统高压直流输电线路保护技术领域，涉及一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法。
背景技术
高压直流输电系统输送容量大，在我国电力建设中处于至关重要的地位。在直流输电系统中，直流输电线路是重要组成部分，一旦直流输电线路发生故障，线路的保护系统必须快速响应，否则会造成难以想象的损失。因此高压直流输电系统中，直流输电线路保护的可靠性对系统的稳定安全运行十分关键。
目前高压直流线路保护的主保护主要采用行波保护或暂态量保护，两种保护原理基于故障后的高频信号特征，均易受到雷击等高频信号的干扰。高压直流输电输送距离长，跨越范围广，途径各种复杂的地理环境，气象条件也十分复杂，因此输电线路不可避免要遭受雷击。大量统计结果表明，对于超高压输电线路，雷害故障占线路故障的40％～70％。雷电流冲击一般为单极性脉冲波，属于高频信号，而故障的暂态过程中也含有丰富的高频信号，因此在保护装置中如何正确识别雷击干扰信号和故障信号十分重要。雷电干扰的识别，直接影响着高压输电线路能否稳定、安全的运行，对整个电力系统的稳定起着关键作用。
目前，针对高压直流输电线路的雷击干扰识别研究中，大多采用时频变化的方法，利用雷击故障和雷击干扰情况下高低频能量的差异实现判别，算法较为复杂，或是存在门槛值难以确定的问题，有可能会对正确判别产生影响。并且，多数的雷击干扰识别研究给出的方法仅针对雷击引起的单极故障进行分析，未考虑双极故障情况。高压直流输电系统双极可以独立运行，针对单极和双极故障的处理方式不同，因此必须对单、双极故障此加以区分。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法，该方法能够有效识别雷击干扰与雷击故障，提高高压直流输电线路保护装置的正确动作率。
本发明所采用的技术方案是，一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法，具体包括如下步骤：
步骤1，保护启动元件启动后，记录启动后5ms数据窗内正负极电压；
步骤2，计算正极电压偏差度VDa；
步骤3，将步骤2所得结果与设定好的阈值α进行比较，判别VDa是否满足式(1)，根据判断结果确定故障类型：
VDa＜α (1)；
其中，α为正极电压偏差度门槛值；
步骤4，计算负极电压偏差度VDb；
步骤5，将步骤4所得结果与设定好的阈值β进行比较，判别VDb是否满式(2)，根据判断结果确定故障类型：
VDb＜β (2)；
其中，β为负极电压偏差度门槛值；
步骤6，对步骤3中的α和步骤5中的β进行整定。
本发明的特点还在于：
步骤2的具体过程为：
采用如下公式(3)计算正极电压偏差度：
其中：
其中，Qa为雷击后正极线路电压残差平方和；Pa为雷击后正极线路电压平均值的平方和；Ua(k)是采样得到的正极电压信号；k是保护开始时的采样点；N为数据窗内的采样点数，数据窗为保护启动后5ms；Ua0为正极线路稳态运行电压/kV。
步骤3中，若计算出的正极电压偏差度VDa小于门槛值α，则判断此时为雷击干扰，保护复位，重新开放启动元件；反之，则判断为雷击故障，继续进行步骤4。
步骤4的具体过程为：
采用如下公式(6)计算负极电压偏差度VDb：
其中：
其中，Qb为雷击后负极线路电压残差平方和；Pb为雷击后负极线路电压平均值的平方和；Ub(k)是采样得到的负极电压信号；k是保护开始时的采样点；N为数据窗内的采样点数；Ub0为负极线路稳态运行电压/kV。
步骤5中，当计算出的负极电压偏差度VDb小于门槛值β，则判断此时为雷击单极故障，保护装置进行正极线路的重启流程；反之，则判断为双极故障，保护装置进行双极线路的重启流程。
本发明的有益效果是，本发明是针对高压直流输电线路提出的一种雷击干扰和故障判别方法，依据雷击干扰与雷击故障后正负极电压变化趋势的特征差异，定义雷击发生后电压残差平方和Q和与均值平方和P的比值为电压偏差度VD，利用正极电压的偏差度进行雷击故障与雷击干扰的识别，利用负极电压偏差度进行单极故障与双极故障的识别。本方法不仅能够有效识别雷击干扰与雷击故障，还能准确判别故障极。本方法原理清晰，计算量小，数据窗短，动作速度快，符合工程实际要求，具有很强的实用价值。
附图说明
图1是本发明一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法的流程图；
图2是某双极高压直流输电系统仿真模型图；
图3是本发明一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法在线路不同位置处发生雷击故障或干扰的仿真验证结果(正极电压偏差度)；
图4是本发明一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法在线路不同位置处发生雷击故障或干扰的仿真验证结果(负极电压偏差度)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法，通过计算高压直流输电线路雷击后线路的电压偏差度进行雷击干扰、雷击单极故障与雷击双极故障的识别，具体流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，保护启动元件启动后，记录启动后5ms数据窗内正负极电压；
步骤2，计算正极电压偏差度，具体计算公式如式(1)-(3)。
式中：VDa为正极电压偏差度；Qa为雷击后正极线路电压残差平方和；Pa为雷击后正极线路电压平均值的平方和；Ua(k)是采样得到的正极电压信号；k是保护开始时的采样点；N为数据窗内的采样点数，数据窗为保护启动后5ms；Ua0为正极线路稳态运行电压/kV。
步骤3，将计算得到的正极电压偏差度VDa与设定好的阈值α进行比较，判别VDa是否满足式(4)：
VDa＜α (4)；
式中：α为正极电压偏差度门槛值。
若计算出的正极电压偏差度VDa小于门槛值α，则判断此时为雷击干扰，保护复位，重新开放启动元件；否则判断为雷击故障，继续进行步骤4。
步骤4：计算负极电压偏差度VDb，计算公式如式(5)-(7)。
式中：VDb为负极电压偏差度；Qb为雷击后负极线路电压残差平方和；Pb为雷击后负极线路电压平均值的平方和；Ub(k)是采样得到的负极电压信号；k是保护开始时的采样点；N为数据窗内的采样点数；Ub0为负极线路稳态运行电压/kV。
步骤5：将计算得到的负极电压偏差度VDb与设定好的阈值β进行比较，判别VDb是否满式(8)：
VDb＜β (8)；
式中：β为负极电压偏差度门槛值。
若计算出的负极电压偏差度VDb小于门槛值β，则判断此时为雷击单极故障，保护装置进行正极线路的重启流程；否则判断为双极故障，保护装置进行双极线路的重启流程。
步骤3和5中门槛值α和β的整定方法如下：
取1.2/50μs雷电流模型，在距整流侧线路的20％、50％和80％处进行不同类型的雷击故障与雷击干扰仿真，根据仿真数据计算正负极电压的偏差度，计算结果如表1所示。
表1电压偏差度的计算结果
可以看出，雷击干扰情况下，正极电压偏差度都小于0.1，且和0.1之间有一定的裕度；发生雷击故障时，正极电压偏差度都大于0.1，且和0.1之间有一定的裕度。因此门槛值α确定为0.1。雷击干扰情况下和雷击单极故障情况下，负极电压偏差度都小于0.1，且和0.1之间有一定的裕度；发生雷击双极故障情况下，负极电压偏差度都大于0.1，且和0.1之间有一定的裕度。因此门槛值β也确定为0.1。
在发生雷击干扰时，电压幅值变化较小，因此Q值计算的结果较小，P值较大，所以求出的电压偏差度VD值较小；而在发生雷击故障时，故障极电压幅值变化较大，因此Q值计算的结果较大，P值较小，所以求出的电压偏差度VD值较大。此方法可以使得在雷击干扰时的计算结果缩小，雷击故障时的计算结果放大，使雷击故障与干扰的区别更明显，更清晰的识别出雷击干扰和故障。
实施例1
如图2所示，为某双极直流输电系统仿真模型图。系统额定直流电压±500kV，额定运行电流为3kA，额定容量3000MW，输送距离1000km。
为了验证故障距离对判别结果的影响，分别在5km、100km、200km、300km、400km、500km、600km、700km、800km、900km、995km处设置不同的雷击干扰和雷击故障，根据仿真结果对提出的雷击干扰识别方法进行验证。验证结果如图3和图4所示。
图3为正极电压偏差度计算结果，其中雷击避雷线，雷击导线干扰和雷击塔顶干扰三种情况，正极电压偏差度计算结果均小于0.1；雷击导线单、双极故障和雷击塔顶单、双极故障，正极电压偏差度计算结果均大于0.1。本发明提出的方法能够正确判别雷击故障与雷击干扰。
图4为负极电压偏差度计算结果，其中雷击导线单极故障和雷击塔顶单极故障，负极电压偏差度计算结果均小于0.1；雷击导线双极故障和雷击塔顶双极故障，负极电压偏差度计算结果均大于0.1。本发明提出的方法能够正确判别雷击故障中的单极故障情况与双极故障情况。
可以看出，在不同位置发生雷击干扰或雷击故障情况下，本发明提出的雷击干扰与故障判别方法均可以正确判别故障类型，判别结果不受雷击发生距离的影响。
实施例2
通常使用的雷电流波形有三种，为了验证不同雷电流波形对判别结果的影响，对2.6/50μs和5/100μs两种雷电流波形进行不同雷击干扰与雷击故障仿真。根据仿真的结果对提出的雷击干扰识别方案进行验证，具体的计算结果如表2和表3：
表2 2.6/50μs雷电流的仿真验证结果
表3 5/100μs雷电流的仿真验证结果
可以看出，对于不同雷电流波形，本发明提出的雷击干扰与故障判别方法均可以正确判别故障类型，判别结果不受雷电流波形的影响。
Claims (1)
1.一种高压直流输电线路雷击干扰与故障判别方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，保护启动元件启动后，记录启动后5ms数据窗内正负极电压；
步骤2，计算正极电压偏差度VDa；
所述步骤2的具体过程为：
采用如下公式(3)计算正极电压偏差度：
其中：
其中，Qa为雷击后正极线路电压残差平方和；Pa为雷击后正极线路电压平均值的平方和；Ua(k)是采样得到的正极电压信号；k是保护开始时的采样点；N为数据窗内的采样点数，数据窗为保护启动后5ms；Ua0为正极线路稳态运行电压/kV；
步骤3，将步骤2所得结果与设定好的阈值α进行比较，判别VDa是否满足式(1)，根据判断结果确定故障类型：
VDa＜α (1)；
其中，α为正极电压偏差度门槛值；
所述步骤3中，若计算出的正极电压偏差度VDa小于门槛值α，则判断此时为雷击干扰，保护复位，重新开放启动元件；反之，则判断为雷击故障，继续进行步骤4；
步骤4，计算负极电压偏差度VDb；
所述步骤4的具体过程为：
采用如下公式(6)计算负极电压偏差度VDb：
其中：
其中，Qb为雷击后负极线路电压残差平方和；Pb为雷击后负极线路电压平均值的平方和；Ub(k)是采样得到的负极电压信号；k是保护开始时的采样点；N为数据窗内的采样点数；Ub0为负极线路稳态运行电压/kV；
步骤5，将步骤4所得结果与设定好的阈值β进行比较，判别VDb是否满式(2)，根据判断结果确定故障类型：
VDb＜β (2)；
其中，β为负极电压偏差度门槛值；
所述步骤5中，当计算出的负极电压偏差度VDb小于门槛值β，则判断此时为雷击单极故障，保护装置进行正极线路的重启流程；反之，则判断为双极故障，保护装置进行双极线路的重启流程；
步骤6，对步骤3中的α和步骤5中的β进行整定。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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