一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法

摘要

本发明公开了一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，包括以下步骤：仿真计算结果数据；提取直流线路保护相关的基础电气量数据；通过构造的特征量功能模块提取保护所需的特征量；形成直流线路保护特征量动态特性曲线；计算直流输电线路保护计算的边界条件；进行直流线路保护评估，得出评估值，包括直流线路保护定值评估、直流输电线路保护整体评估、特定状态保护性能评估和相关因素对保护性能影响评估。采用本发明可大幅提高保护性能评估及研究的工作效率及准确性，具有良好的实际效益。

权利要求

1.一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：仿真计算结果数据；

步骤2：提取直流线路保护相关的基础电气量数据；

步骤3：通过构造的特征量功能模块提取保护所需的特征量；

步骤4：形成直流线路保护特征量动态特性曲线；

步骤5：计算直流输电线路保护计算的边界条件；

步骤6：进行直流线路保护可靠性及灵敏性的评估，包括直流线路保护定值评估、直流输电线路保护整体评估、特定状态保护性能评估和相关因素对保护性能影响评估,其中直流线路保护定值评估的具体方法为：代入该定值，以判据的动态特性曲线及动作边界为基础反向计算该定值所具有的可靠性系数以及灵敏性系数，判断该定值下判据的灵敏度与动作边界下的灵敏度之间的裕度的大小，同时分析该定值可以耐受的过渡电阻值范围。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其特征在于，所述直流输电线路保护整体评估的具体方法为：首先按直流线路保护定值评估的方法对该直流输电线路保护整体中的各判据的当前定值分别进行评估；然后找出其中的哪个判据决定对该保护整体上的可靠性及灵敏性的影响最大。

3.根据权利要求2所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其特征在于，所述特定状态保护性能评估的具体方法为：应用电磁暂态仿真程序获取所述特定状态下的基础电气量；然后采用该特定状态保护对应的特征量功能模块提取各特征量在该特定状态下的动态特性；与该保护各特征量形成的动态特性曲线及动作边界进行对比，分析该特定状态下保护及其各判据是否动作、动作结果是否正确。

4.根据权利要求3所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其特征在于，所述相关因素对保护性能影响评估的具体方法为：进行过渡电阻变化或保护装置采样率变化的EMTDC仿真，获取基本电气量数据；提取保护特征量的动态响应特性及其变化趋势；与该保护特征量形成的动态特性曲线及动作边界进行对比，分析其对当前保护定值的可靠性及灵敏性带来的变化。

说明书

一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高压输电领域，尤其涉及的是一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法。

背景技术

[0002] 高压直流输电技术是实现电能大容量、远距离传输的有效手段。直流输电线路是直流输电系统功率传输的通道，其能否稳定可靠的工作对于整个直流输电系统的稳定运行起着至关重要的作用。直流输电线路长度增加的同时也使线路发生故障的机率大大增加，来自电力系统运行的数据显示，发生在高压直流输电系统中的故障近50％与直流输电线路有关，对系统运行的稳定与安全造成了巨大影响。因此，对直流输电线路继电保护系统的可靠性及稳定性提出了极高的要求。

[0003] 对于直流输电线路保护，不同厂家采用的保护种类及配置方案具有一定的差异性，各保护实现原理也不相同，典型的保护配置方案如图1、2所示。从图1和图2可以看到，当前直流输电系统中线路保护多采用行波保护作为主保护，采用电压突变量保护、低电压保护以及差动保护等其它保护形式作为后备保护。继电保护动作后会触发直流线路故障重启动序列以进行后续处理。

[0004] 交流输电系统中继电保护的整定计算方法经过多年的积累，已经形成一套成熟、完备的体系，可以采用解析化的方法进行保护的整定与校验，同时对于某一种继电保护方法也可以进行合理有效的评估。与之相比，目前广泛采用的直流输电线路继电保护中各定值的计算无法采用解析化的方法进行，主要的原因在于直流线路故障条件下故障行波沿直流线路传播的特性复杂，因而难以采用解析化的方法进行定量计算；同时故障后电气量的暂态特性受控制系统作用影响显著。当前的直流输电线路继电保护中各保护的定值均是在保护设计厂家提供参考值的基础上，经运行部门根据实际情况进行适当的调整后而得到的。保护定值的计算依据及需要考虑的相关因素均不明确，在实际运行中直流线路继电保护曾多次出现误动、拒动等情况，严重影响直流输电系统稳定可靠的运行。每次事故过后，只能依据事故发生时的故障录波数据，对直流线路继电保护的相关定值进行适当的调整。因此，直流输电线路继电保护的定值计算缺乏可靠的理论依据，而且当前保护所采用的定值的可靠性、灵敏性以及影响因素等均无法进行有效的评估与分析。

[0005] 目前各直流输电系统中，直流线路继电保护的定值均是由保护设计厂家提供推荐值，在此基础上，运行部门依据直流系统的具体特点进行适当调整后投入使用。在实际运行中，若直流线路的继电保护发生误动或者拒动等事故后，依据事故过程中的故障录波等数据对其定值进行适当的调整以避免类似故障出现时保护不能正确响应。另一方面，对于直流输电线路继电保护的定值、保护方式的可靠性与灵敏性以及影响因素等进行评估等内容，目前尚未见到相关的研究资料。

[0006] 现有的直流输电线路继电保护主要存在以下两方面的缺陷：

[0007] (1)当前直流输电线路继电保护定值的确定方法所存在的缺点是保护定值的计算依据及需要考虑的相关因素均不明确，定值的计算没有可以遵循的统一、系统化的计算方法，即每个直流输电系统中直流输电线路继电保护的定值均是针对此直流输电系统单独进行设定的，对于不同直流输电系统中直流线路保护的定值无法采用一套计算方法得到。这使得直流输电线路继电保护的整定计算无法像交流输电系统的继电保护整定计算那样形成统一的体系，因而难以将其与交流系统继电保护一起纳入电力系统继电保护的整体框架之下。

[0008] (2)当前直流线路保护的定值由厂家推荐，并经运行部门调整后采用。当保护非正常动作后，也只能依据故障录波数据及现场运行的经验对定值进行适当调整，对于定值的合理性、有效性及相关影响因素难以进行合理有效的评估，进而对线路保护本身以及保护的配置方案的可靠性等也无法进行有效的评估，保护的可靠性难以获得实质性提高。

[0009] 因此，现有技术还有待于改进和发展。本发明是在国家863计划项目基金的资助下，提供的一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法与系统，具有适用性广泛，效率高的特点。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于提供一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，旨在解决现有技术只能依据故障录波数据及现场运行的经验对定值进行适当调整，而对线路保护本身以及保护的配置方案的可靠性等也无法进行有效的评估，保护的可靠性难以获得实质性提高的问题。

[0011] 本发明的技术方案如下：

[0012] 一种高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其中，包括以下步骤：

[0013] 步骤1：仿真计算结果数据；

[0014] 步骤2：提取直流线路保护相关的基础电气量数据；

[0015] 步骤3：通过构造的特征量功能模块提取保护所需的特征量；

[0016] 步骤4：形成直流线路保护特征量动态特性曲线；

[0017] 步骤5：计算直流输电线路保护计算的边界条件；

[0018] 步骤6：进行直流线路保护评估，得出评估值，包括直流线路保护定值评估、直流输电线路保护整体评估、特定状态保护性能评估和相关因素对保护性能影响评估。

[0019] 所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其中，所述直流线路保护定值评估的具体方法为：

[0020] 代入该判据现有的定值，分析其与保护特征量动态特性曲线的关系以及与保护动作边界值之间的关系，反向计算该定值所具有的可靠性系数以及灵敏性系数。

[0021] 所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其中，所述直流输电线路保护整体评估的具体方法为：首先按上一段所述的方法对该直流输电线路保护整体中的各判据的当前定值分别进行评估；然后分析当前各定值的可靠性及灵敏性对该保护整体上的可靠性及灵敏性的影响，即评估保护整体的可靠性及灵敏性分别受哪个判据及其定值限制。

[0022] 所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其中，所述特定状态保护性能评估的具体方法为：应用电磁暂态仿真程序获取所述特定状态下的基础电气量；然后采用保护对应的特征量功能模块提取各特征量在该特定状态下的动态特性；与该保护各特征量形成的动态特性曲线及动作边界进行对比，分析该特定状态下保护及其各判据的动作情况。

[0023] 所述的高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法，其中，所述相关因素对保护性能影响评估的具体方法为：进行过渡电阻变化或保护装置采样率变化的PSCAD/EMTDC仿真，获取基本电气量数据；提取保护特征量的动态响应特性及其随过渡电阻或保护装置采样率的变化而体现出的变化规律；与该保护特征量形成的动态特性曲线及动作边界进行对比，分析其对当前保护定值的可靠性及灵敏性带来的变化及影响。

[0024] 本发明的有益效果：本发明通过直流输电线路继电保护动态特性评估方法的提出为在不同保护配置方案下的各直流输电线路保护提供了一套系统的、操作性强的评估方案。通过采用该评估方案，可以评估现有线路保护的定值以及保护的整体配置方式的可靠性及灵敏性，研究特定状态下保护的动作性能，分析相关因素的变化对保护动作特性等方面带来的影响，由此可以客观的评价保护的性能及效果、分析制约其可靠性及灵敏性的因素，为定值修改及保护方式优化提供理论基础。直流线路继电保护动态特性评估方法的提出，也使我们对各种直流线路保护方式及其配置方案的动态特性及功能等均有了更深入的认识和理解。

附图说明

[0025] 图1现有的直流输电线路继电保护典型配置方案一。

[0026] 图2直流输电线路继电保护典型配置方案二。

[0027] 图3直流输电系统运行状态组合。

[0028] 图4正极线路保护的保护范围及相关故障分布。

[0029] 图5保护特征量功能模块的作用与效果示例。

[0030] 图6保护特征量动态特性曲线示例。

[0031] 图7保护定值评估实现方案。

[0032] 图8保护整体评估实现方案。

[0033] 图9特定运行状态保护动作性能评估实现方案。

[0034] 图10相关因素对保护性能影响评估实现方案。

[0035] 图11直流线路保护动态特性评估流程图。

具体实施方式

[0036] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

[0037] 为使不同直流输电系统下的直流线路继电保护的整定计算工作能够具有可靠的理论依据、为了明确直流输电线路继电保护中各定值的计算原则及相关影响因素、为了能对现有直流输电线路保护的定值及保护配置等进行可靠性、灵敏性的有效评估，开发了一套高压直流输电线路继电保护动态特性评估方法与系统。该评估方法与系统的开发为直流输电线路保护整定计算提供了统一、可靠的理论依据，能更加深入的认识和理解直流线路各保护在故障条件下的动态特性，从而对保护的定值及保护的配置的合理性、可靠性等进行有效评估评估，能大幅提高直流输电线路继电保护整定计算及保护动态性能评估等工作的效率。

[0038] 故障及扰动条件下的分析计算是进行继电保护研究的重要手段和基本途径，而电力系统本身的特殊性决定了其难以为继电保护研究提供足够的现场数据，同时考虑到直流线路故障分析目前难以采用解析化方法进行研究的实际情况，本发明所需的用于研究故障及扰动条件下的直流输电线路保护动态响应的基础数据来源于在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中搭建直流输电系统模型所进行的相关计算。

[0039] 以仿真分析为基础的故障及扰动分析主要需考虑两方面的因素：直流输电系统的运行状态及影响直流线路保护的故障类型。

[0040] 与传统交流输电系统明显不同的是，直流输电系统具有多种运行方式(双极运行方式、单极大地运行方式、单极金属回线运行方式)及功率传输模式(最低传输功率可为10％额定功率)，需要对不同运行方式及功率传输模式组合下的直流输电线路保护进行具体分析。综合考虑直流输电系统的运行方式及功率传输模式的组合，拟定如图3所示组合集用于保护特征量的动态特性分析。

[0041] 用以研究直流输电线路保护的故障保护范围可分为两类，区内与区外故障：

[0042] (1)区内故障，即为本极线路上发生的故障。主要研究各保护特征量随本极线路上故障点位置变化所呈现的规律性；

[0043] (2)区外故障，主要包括：线路两端平波电抗器的阀侧故障(此时故障分量经过平波电抗器后沿线路传播会对行波保护产生影响)；整流侧交流系统母线故障(此时引发的电压波动会对行波保护造成影响)；逆变侧交流系统母线故障(此时逆变器产生换相失败故障的程度最为严重，继而引起的电压波动对行波保护造成影响)以及对极线路上的故障(其与本极线路间的耦合作用会对本极线路行波保护产生影响)。

[0044] 以安装于正极直流输电线路上的保护为例，继电保护的保护范围及整定计算时所需考虑的故障类型的分布如图4所示，关于故障的具体描述如表1所示。

[0045]范围 编号 故障描述
区内 d1 本极线路上不同位置发生的接地故障
区外 d2 对极线路上不同位置发生的接地故障
区外 d3 本极线路整流侧平波电抗器阀侧的接地故障
区外 d4 本极线路逆变侧平波电抗器阀侧的接地故障
区外 d5 整流侧交流母线三相短路故障
区外 d6 逆变侧交流母线三相短路故障

[0046] 表1 故障类型的具体描述

[0047] 每种直流输电线路保护均由相应的保护判据组成，而保护判据又是由保护特征量所构成。以图1所示的保护配置方案一中的行波保护为例，其保护动作方程为：

[0048]

[0049] 由式(1)可以看到，此保护由三个判据构成，每个判据中分别包含一个保护特征量，即电压变化率du/dt、电压变化量Δu以及电流变化量Δi，当保护装置检测到的某个特征量的值大于其对应的定值，则此判据启动，若三个判据均启动，则保护动作，发出触发脉冲以启动后续的故障处理序列。对于每个保护而言，保护特征量在不同运行状态下以及不同故障条件下的响应情况，即动态特性，是直流线路保护研究及性能评估的重点和出发点。

[0050] 根据各保护实现的基本原理，开发了用于提取各种保护特征量的功能模块，即可从与保护相关的基础电气量中方便地提取特征量的响应，以图2中所示的配置方案二中电压突变量保护中检测电压突变量du/dt的功能模块为例的实际效果如图5所示。

[0051] 如图6所示，直流输电线路各保护中的特征量以此方式均可以得到其在不同直流系统运行状态及不同故障条件下的动态响应。在此基础上对数据按故障类型进行分类、计算，获取故障条件下响应的特征值，得到各保护特征量的动态响应特性曲线及动作边界条件。按此方式得到的各保护特征量的动态特性曲线及动作边界条件是进行保护动态特性评估的基础。

[0052] 以直流输电线路各保护特征量动态特性曲线为基础，获取线路保护的动作边界，由此计算各判据的可靠性及灵敏性的可能的变化范围，进而确定保护整体的可靠性及灵敏性的可变化空间，明确保护整体的可靠性及灵敏性分别受其中哪个判据所约束，这样就形成了直流输电线路保护动态性能评价体系。引入现有直流输电系统中直流线路继电保护及其定值，按照动态性能评估体系的标准进行评估，主要包括：现有保护定值的可靠性、灵敏性评估；现有保护的整体可靠性、灵敏性评估；给定系统运行状态及相关变化信息条件下的保护动作情况分析；相关因素(如：继电保护装置采样频率、过渡电阻等)的变化对继电保护影响的评估。直流输电线路继电保护动态特性评估的主要功能及实现方案如图7－图10所示。

[0053] 图7为直流线路保护定值评估的示意图。对直流线路的一个保护中某个判据的定值进行评估时，首先需要按照式(1)中所示的方法，从仿真数据中提取与该保护判据相关的基础电气量并进行相关特征量的响应计算，形成该特征量的动态响应曲线，确定其在区内区外故障条件下的动作边界，然后代入该判据的定值分析其与保护动作曲线的关系以及与保护动作边界值之间的关系，反向计算该定值所具有的可靠性系数以及灵敏性系数，论证其可靠性及灵敏性在评估体系中所处的状态、具有的灵敏性裕度以及可以耐受的相关因素(如过渡电阻)影响的能力的大小。评价体系中的动作边界及可靠性灵敏性的裕度空间是通过仿真结果来确定的，需要评估的是当前定值在可靠性灵敏性空间中的位置，以明确其还具有多大的裕度，能耐受多大过渡电阻的影响等。

[0054] 图8为直流输电线路保护整体评估的示意图。对直流线路的某个保护进行整体评估时，首先要对该保护中各判据的当前定值分别进行评估，其实现方案及步骤按图7的流程实现。在此基础上对该保护从整体上进行可靠性及灵敏性的评估，主要分析该保护在当前定值下，保护整体的可靠性及灵敏性分别受哪个判据及其定值限制，保护整体的灵敏性裕度以及能够耐受过渡电阻等因素影响的能力大小。

[0055] 图9所示为在给定的运行条件下对直流线路各保护的动作性能进行评估的实现方案，其主要评估过程如下：在给定的直流系统运行状态下，应用电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC搭建的模型进行仿真计算，获取指定状态下的基础电气量；采用该保护对应的特征量功能模块提取各特征量在该指定状态下的动态特性；与该保护各特征量按式(1)内容形成的动态特性曲线及动作边界进行对比，分析该运行状态下保护及其各判据的动作情况。

[0056] 图10所示为直流线路保护动态性能影响因素评估的实现方案。主要包括过渡电阻和保护装置采样率两方面对直流线路保护的可靠性及灵敏性的影响。当过渡电阻或保护装置采样率发生变化时主要影响保护特征量的动态响应的强度，进而会带来保护特征量的动态特性曲线及动作边界的变化。对过渡电阻及保护装置采样率影响评估主要采取如下方式：进行过渡电阻变化或保护装置采样率变化的EMTDC仿真，获取基本电气量数据；提取保护特征量的动态响应特性及其随过渡电阻或保护装置采样率的变化而体现出的变化趋势；与按照式(1)内容形成的动态特性曲线及动作边界进行对比，分析其对当前保护定值的可靠性及灵敏性带来的变化。

[0057] 以上述电磁暂态仿真计算得到的结果数据为基础，进行直流输电线路保护动态特性的评估，其主要的流程如图11所示，包括以下步骤：

[0058] 步骤1：仿真计算结果数据；

[0059] 步骤2：提取直流线路保护相关的基础电气量数据；

[0060] 步骤3：通过构造的特征量功能模块提取保护所需的特征量；

[0061] 步骤4：形成直流线路保护特征量动态特性曲线；

[0062] 步骤5：计算直流输电线路保护计算的边界条件；

[0063] 步骤6：进行直流线路保护评估，包括直流线路保护定值评估、直流输电线路保护整体评估、特定状态保护性能评估和相关因素对保护性能影响评估。

[0064] 直流输电线路继电保护动态特性评估方法的提出为在不同保护配置方案下的各直流输电线路保护提供了一套系统的、操作性强的评估方案。通过采用该评估方案，可以评估现有线路保护的定值以及保护的整体配置方式的可靠性及灵敏性，研究特定状态下保护的动作性能，分析相关因素的变化对保护动作特性等方面带来的影响，由此可以客观的评价保护的性能及效果、分析制约其可靠性及灵敏性的因素，为定值修改及保护方式优化提供理论基础。直流线路继电保护动态特性评估方法的提出，也使我们对各种直流线路保护方式及其配置方案的动态特性及功能等均有了更深入的认识和理解。

[0065] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。