[发明专利]一种直流输电线路方向故障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直流高压输电线路保护领域，涉及一种直流输电线路正方向与反方向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方向元件实现方法。

背景技术：

“西电东送、南北互供、全国联网”是21世纪中国能源与电力工业建设的基本战略。高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点，比如实现电力系统之间的非同步联网、快速调节输送功率等等，这使得大力发展高压直流输电工程成为解决电能外送的一个非常有效的手段。中国在1980年代开始发展直流输电工程，截至2004年底，无论从输送容量或输电距离都已成为直流输电第一大国。

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。到目前为止，我国已投入运行的直流输电工程中，其直流保护系统多为ABB和SIEMENS两家公司提供。综观两家的直流线路保护产品，其原理主要由以下判据构成：变化率保护(或称行波保护)判据、低电压保护判据和差动保护判据。

变化率保护是直流线路故障的主保护，其目的是检测直流线路上的接地故障。根据行波理论可认为电压和电流是前、后行波的叠加，行波以固有的幅值和略低于光速的速度传播。电压突然变化(接地故障)将造成线路突然放电，在输电系统中产生涌流。通过对瞬时电压和电流采样和已知的波阻抗可计算出行波，从而检测直流线路接地故障。该判据的核心原理即在于检测直流电压的变化率来判断是否有直流线路故障发生。

低电压保护判据依靠直流电压水平进行故障判断，缺乏可靠性，可能出现保护误动的情况。例如，当发生交流电压降低时，直流侧的电压也会成比例下降，这时，基于低电压判据的直流线路保护就有可能会误动。此外，当逆变器发生换相失败等故障时，也可能造成直流电压的降低，进而发生保护误动的情况。

直流线路差动保护采用两站直流电流的差值作为启动判据，并延时500ms出口。由于其需要对端的直流线路电流，所以得依靠通讯通道，这是它不可避免的缺陷。此外，通讯通道的不可靠性，常导致直流线路差动保护的功能闭锁失去。

随着直流输电工程电压等级的不断提高，为了降低设备绝缘水平，现有直流工程一般采用平波电抗器分别布置在直流极母线和直流中性母线的方法，因此布置在直流极母线上的平波电抗器电感值有所减小。这时，当换流站发生强故障时，直流电压的变化率有可能大于线路故障，从而导致线路保护中的变化率保护误动；并且换流站发生某些强故障时，交流电压侧电压会相应降低，从而导致直流侧电压成比例下降，从而导致低电压保护误动。例如宁东-山东直流输电工程布置在直流极母线上的平波电抗值为0.075H，布置在直流中性母线上的平波电抗值为0.225H。在线路保护实验中发现，在本站的平波电抗器靠近阀侧接地故障时，行波保护和低电压保护会发生误动现象(参见文献《宁东-山东±660kV直流输电示范工程二次系统实时仿真试验及关键问题对策》，电网技术，2011，35(1)：76-83)。而直流线路差动保护动作时间长，故障持续时间长、不利于直流输电工程安全稳定运行。

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方向判别元件，该元件通过在直流输电系统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，计算得到前行波与反行波能量，作为判断线路正方向故障或反方向故障的依据，能够有效防止直流输电线路保护在换流站故障时的误动作，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方向故障判别元件，该元件包括故障分量计算单元、前行波与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；前行波与反行波能量计算单元基于前行波与反行波的计算公式，利用故障分量计算单元提供的故障电压、电流分量信息，计算得到前行波与反行波的瞬时值，并通过对所得前行波与反行波瞬时值平方的积分，得到前行波与反行波的能量值；比较及发令单元通过比较计算得到的前行波与反行波能量值，判断故障为正方向故障或反方向故障，并发出相应命令。

所述元件的故障判别方法，其特征在于，按照如下步骤：