[发明专利]一种直流输电线路故障极判别元件及判别方法

说明书

技术领域：

本发明属于电力系统高压输电线路保护领域，涉及一种直流线路本极与对极故障的快速检测的线路保护方法，尤其是一种基于暂态信号的超高速直流线路故障极判别元件实现方法。

背景技术：

直流输电以其输送容量大、稳定性高、控制响应快速、联网后不增加被联电网的短路容量等优点在我国实施西电东送战略，实现全国联网工程中起到了十分重要的作用。到目前为止，我国不仅已拥有葛洲坝-南桥、天生桥-广州、德阳-宝鸡、三峡-常州、三峡-上海，三峡-广东、以及舟山-嵊泗等±500kV高压直流输电线路20余条，还拥有电压等级为±660kV宁东-山东直流输电线路以及电压等级为±800kV云广特高压直流输电线路，另外±1000kV的直流输电工程也正在规划中。这些工程的成功投运都说明，直流联网输电技术不仅已经成熟，并且成为了我国区域电网互联的重要形式。

直流输电保护与控制系统是直流输电工程的核心，而直流线路保护作为直流输电保护系统不可或缺的组成部分，承担着快速检测并清除线路故障的重大任务，其表现的优劣直接影响到整个系统的运行性能。纵观我国目前已投入运营的高压直流输电工程，其线路保护的原理与技术绝大部分仍来源于ABB和SIEMENS两家公司，其保护配置如下：

1)直流线路行波保护。行波保护是直流线路的主保护，其主要作用是高速检测直流线路上的金属性接地故障或弱过渡电阻接地故障。根据行波理论，电压和电流可认为是由前行波和反行波的叠加形成的电磁波。接地故障引起的电压瞬间跌落将造成线路放电并在输电线路中产生高频暂态电压和电流。通过采样瞬时电压和电流，结合已知的波阻抗即能计算出行波，从而完成直流线路接地故障的检测；

2)微分欠压保护。由微分和欠压两种不同的保护动作条件构成。当直流线路发生接地故障时，直流电压以较高的速率降低到一个较低值，微分检测部分快速动作；为使微分检测更完善，同时要检测直流欠电压，较高的微分整定值和较低的欠电压水平，再考虑适当的延时可以防止暂态电压下的保护误动。此类保护与行波保护的计算方法和整定方式相同，它只检测整流侧的直流电压和电流；

3)低电压保护。该保护主要用于检测不易被行波和微分欠压保护检测到的高阻接地故障。低电压保护依靠直流电压水平直接进行故障判断，但一般动作前需经过约几百ms的延时；

4)直流线路纵差保护。这是一种利用基尔霍夫电流定律测量并比较两站的极线电流进行故障判断的线路保护。其作用是检测直流线路上由行波和微分欠电压保护都不能检测到的高阻接地故障。

现有直流输电工程绝大部分均为双极系统，并且随着电压等级的提高，线路之间的耦合效应也随之增大，在一极线路发生故障时，由故障极耦合到健全极上的电压、电流分量极有可能造成健全极线路保护的误动作，造成健全极的停运。但由上述保护原理可知，现有直流输电工程线路保护并无区分本极故障及对极故障的原理及元件，可靠性不高，不利于直流输电工程运行的安全稳定性。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于暂态信号的直流输电线路故障极判别元件，该元件通过在发生故障后计算得到电压、电流故障分量，结合已给定的直流输电工程波阻抗，计算得到反行波能量，作为判断线路本极故障或对极故障的依据，有效防止本极线路保护在对极线路故障时的误动作，提高直流输电工程运行的安全稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种直流输电线路故障极判别元件，该元件包括故障分量计算单元、反行波能量计算单元、比较与发令单元。其中故障分量计算单元在直流输电系统发生故障后，通过延时模块，将故障时刻电压、电流与正常运行时刻电压、电流相减，得到电压、电流故障分量；反行波能量计算单元基于反行波的计算公式，利用故障分量计算单元提供的故障电压、电流分量信息，计算得到反行波的瞬时值，并通过对所得反行波瞬时值平方的积分，得到反行波的能量值；比较及发令单元通过比较计算得到的反行波能量值与故障极判别元件门槛值，判定直流输电线路运行极为故障极或健全极，并发出相应命令。

所述故障极判别元件的判别方法，其特征在于，按照如下步骤：

(A)针对不同直流输电工程线路的具体参数，计算得到线路波阻抗的归一化值，作为后续计算的参考值。线路波阻抗计算公式如式(1)所示、归一化公式如式(2)所示：