一種長距離特高壓直流輸電線路的差動保護方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種長距離特高壓直流輸電線路的差動保護方法，提出一種基于分布 電容補償的直流差動保護方法，屬電力系統繼電保護技術領域。
【背景技術】
[0002] 高壓直流輸電在輸電線路橫截面等同的情況下有更加強大、高效的輸電能力，具 有大容量、長距離、電網互聯方便、功率調節容易、輸電走廊窄等優點，因此，在遠距離、大容 量電能傳輸、非同步電網互聯、新能源接入電網、海上平臺供電，城市中心區域供電等應用 場合具有明顯優勢。目前，我國已投運直流輸電工程占世界直流輸電容量的20 %以上，是直 流輸電工程大國。
[0003] 目前，現場運行的高壓直流輸電線路繼電保護設備主要由國外廠家ABB或 SIEMENS，國內廠家南瑞繼保提供。主保護配置行波保護、微分欠壓保護；后備保護配置縱聯 電流差動保護，部分工程也配備低電壓保護。
[0004] 高壓直流輸電線路縱聯電流差動保護利用直流線路兩端電氣量，理論上能夠保證 直流差動保護的絕對的選擇性，在各種線路保護原理中，縱聯差動保護廣泛作為高壓和超 高壓輸電線路的主保護。但是，該保護應用于長距離（如500km及以上）特高壓直流輸電 線路時卻存在困難，原因在于分布電容電流的影響，由于傳統的縱聯差動保護沒有考慮長 距離大容量直流線路分布電容的影響，需要等暫態過程消失后，系統進入穩態運行差動保 護判據才能完全成立，保證直流差動保護正常動作。
[0005] 因此，直流差動保護在故障后很長時間才被投入而且需要長延時來保證保護動作 的準確性。按照現有的高壓直流線路保護設計要求，直流差動保護負責切除高阻故障，是直 流輸電線路的后備保護，未考慮長距離大容量直流線路故障暫態過程中電容電流問題，動 作速度慢、保護性能差。我國現在運行中的高壓直流線路中，曾多次發生由于極控低壓保護 或者最大觸發角保護動作而閉鎖故障極的事故，差動保護未能對高阻接地直流線路故障起 到后備作用，直流線路被迫長時間停運，造成嚴重經濟損失。
[0006] 傳統直流線路差動保護沒有考慮長距離大容量直流線路故障后的暫態電容電流 影響，任何導致直流電壓變化的暫態過程，如區外故障、啟動過程均可導致傳統直流差動保 護誤動。本發明考慮故障暫態過程中分布電容電流影響，提出改進的直流線路差動保護原 理。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是，為了防止傳統直流差動保護誤動，在考慮長距離大容量直流線 路發生故障暫態過程時分布電容電流對直流差動保護的影響的基礎上，提出一種補償故障 暫態過程中分布電容電流的直流差動保護算法。
[0008] 本發明提出的直流線路差動保護方法，考慮了分布電容對長距離直流輸電線路保 護的影響。分布電容對差動保護的影響，具體說明如下，直流輸電線路直流出口處接地故障 等值電路圖如圖1所示，麗為一條高壓直流輸電線路，Ll、L2為線路等效電感，C為線路的 等效分布電容，在N側逆變器外F點發生故障，UM為M側電壓，UN側電壓。
[0009] 流過整流側（M側）保護處的電流為
[0010]
[0011] 式中Xu、為線路感抗，RF為短路點短路電阻。
[0012] 流過逆變側（N側）保護處的電流為
[0013]
[0014] 式中，Ue。為故障前線路分布電容電壓。
[0015] 因此，在直流線路區外故障發生的瞬間，流過線路兩端保護處的直流電流同時增 大，并且流經逆變側保護的直流電流比整流側保護測量到的直流電流大。
[0016] 理論上，直流輸電線路越長，故障后的分布電容電流也越大。對于特高壓直流輸電 工程，輸電距離近2000km，當直流線路外部發生接地故障時，較大的分布電容電流可能引起 直流差動保護的誤動作。
[0017] 本發明提出一種方法，對分布電容電流進行適當地補償，大幅度地削弱分布電容 電流對于直流差動保護的影響，提高直流線路保護的靈敏度及可靠性。
[0018] 為達到此目的，本發明采用以下技術方案。
[0019] 如圖2,高壓直流輸電線路MN，線路長度為1，中點為0點，各點電壓電流正方向如 圖所示，由于高壓直流輸電線路的電阻和電導可以忽略，線路可以看成是無損長線，根據電 路原理，電量沿線路以行波方式傳播的，虛線表示行波方向，+表示正方向，-表示反方向。
[0020] M點正向行波ifc(t)、反向行波iMf⑴可用M點電流電壓表示為
[0021]
[0022] 同樣N點的正向行波、反向行波iNf⑴為
[0023]
[0024] 式中，Zc為線路的特征阻抗。
[0025] 本算法定義M、N兩側差動保護的計算電流為
[0026]
[0027]式中，t=V(2v)為一半線路上的行波傳播延時，顯然iM' (t)、iN'⑴大小都 等于0點電流，方向相反，即
[0028] iM' （t) = _iN' (t) =i〇(t)
[0029] iM' （t)+iN' (t) = 0
[0030] 這樣，在縱聯差動保護中，使用iM' (t)作為M側計算電流，iN' (t)作為N側計 算電流，便將線路全長的分布電容電流完全補償掉了。由于上述推導是基于瞬時值的，在暫 態和穩態過程中都成立，所以在故障發生時與沒有故障時都具有同樣的補償效果。
[0031] 由于直流線路故障時表現為電壓突降，且線路兩端電流矢量和出現差值，故本發 Aijfjii 明采用電壓變化率作為差動保護的啟動值，Au為啟動閾值，若y，則直流差動保 atat 護啟動，直流差動啟動后，再進行利用以下判據進行判斷：
[0032]
[0033] 式中，I分別為M側和N側電流向量（正方向由母線流向線路）+ |、 | |分別為差動保護動作量和制動量，k為制動系數，0 <k< 1，差動保護動作 電流門檻值。
[0034] 本發明提出的新算法的步驟為：
[0035] (1)檢測線路MN兩側的電壓電流，計算電壓變化率^ 2 △〃是否成立，如成立，則 dt 啟動差動保護；若否則繼續檢測電量。
[0036] (2)根據事先已經輸入的線路參數、檢測的電壓電流數據計算麗兩側的電流正向 行波、反向行波，并用t=V(2v)按照公式
對行波進行 補償，計算差動電流大小；
[0037] 式中iM' (t)作為差動保護的計算電流，iMr(t)、iMf(t)為M側正向行波、 反向行波，ite(t)、iNf(t)為N側正向行波、反向行波，t=V(2v)為一半線路上的行波傳 播延時，1為線路長度，v為線路上行波的傳播速度，由線路參數決定。
[0038] (3)利用縱聯差動保護判據：| +1# |> 4且I^h1>叫h-厶卜判斷是否 發生故障，如果兩個條件均滿足，則差動保護動作；否則，返回步驟（2)繼續計算；式中， Lv分別為M側和N側電流向量（正方向由母線流向線路）-Li分 別為差動保護動作量和制動量，k為制動系數，0 <k<l，Iset為差動保護動作電流門檻值。
[0039] (4)保護動作跳線路兩側開關。
[0040] 保護動作流程如圖3所示。
[0041] 本發明提出的新差動算法，可以有效補償該延時，從根本上消除分布電容的影響。 在不同情況下的補償效果如下所述：
[0042]當線路區內區外都沒有故障時，電壓變化率不滿足保護啟動條件，保護不會啟 動；
[0043] 當線路區外發生故障，區內沒有故障時，線路電壓變化率啟動差動保護，而故障發 生在區外，電流始終丨兩足/aj. _ +10t保護不會^動作。
[0044] 當線路區內發生故障時，如果故障點正好發生在中點0處，采用新的算法計算差 動電流，差動電流就等于0點附近兩側電流，消除了分布電容電流的影響。
[0045] 如果故障點發生于區內中點之外的其他位置，設故障為金屬性故障，發生在中點 與N側之間某處，如圖5所示。
[0046] 由于M側與0點之間沒有故障，故：
[0047] =j：0
[0048] 即M側的計算電流補償了M0段的電容電流。
[0049] 設故障點右側的電流為，計及故障點X上的電壓Ux= 0,方向電流行波為：
[0050]
[005