同塔双回直流线路故障选线方法

2023-05-26余多何廷一彭俊臻马红升邢超李胜男奚鑫泽张明强许珂玮

云南电力技术 2023年2期

余多，何廷一，彭俊臻，马红升，邢超，李胜男，奚鑫泽，张明强，许珂玮

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217）

0 前言

高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电[1-2]。随着我国经济和人口的快速增长，土地资源愈发紧俏，在保证传输功率的基础上减少送电线路所需的占地走廊具有即时的经济效益和实际意义。同塔双回输电技术是指在一个杆塔上架设两回线路。与常规单回线相比，同塔架设双回线路的走廊数量明显减少，土地占用面积随之减少，其线路走廊的输送容量可视为几回线路输送容量之和，相当于增加了总输电容量，明显提高经济效益[3]。而同塔双回直流输电技术兼具直流输电和同塔架设送电线路的双重特点，伴随直流输电技术的逐渐成熟和电压等级的逐步提高，同塔双回直流输电技术将越来越受到关注。直流线路是同塔双回直流输电系统的重要组成部分，每回的正极与负极，回线与回线之间均存在耦合，故障类型复杂多样，这些都给双回线的解耦、故障分析与故障测距等带来复杂性和特殊性[4-5]。同时，同塔双回直流线路电压等级高，输电距离远，在输送大容量电能的过程中途经区域大多为人烟稀少的偏远山区，其环境恶劣，地质条件和气象条件复杂多样，极易引发故障[6]。

故障选线研究是同塔双回直流线路保护的重要组成部分，准确判断出故障线路有助于运维人员快速处理故障，有效保障直流系统安全稳定运行[7]。本文提出一种同塔双回直流线路故障选线方法，在1 MHz采样率下，利用量测端获取故障前10 ms和故障后10 ms时窗长度下各极线故障电压，用各极线故障电压减去正常情况下的各极线电压得到故障分量电压；再对故障分量电压进行标准化处理得到标准化极线电压；最后选取故障后10 ms时窗长度标准化极线电压来进行方差计算;若计算出的方差小于设定的阈值，则判断该极线发生故障。仿真试验表明该方法计算简单，易于实现，选线效果好。

1 故障分量法

图1为一个简化的电力系统图，当图1（a）所示的线路发生短路故障后，利用叠加原理可以把短路点电压等效为两个串联的、大小相等方向相反的电压是故障发生之前短路点的电压[8]。因此图1（a）故障状态可分解为图1（b）正常状态和图1（c）故障附加状态的叠加。故障附加状态的电气量又称为故障分量、突变量或变化量。故障分量仅在故障时出现，正常运行时为零[9-10]。因此，反映故障分量的保护在正常运行时不会起动，灵敏度高。

图1 电力系统故障分解图

以图1所示m端为例，计算故障分量如式(1)所示：

其中，Um(k)、Im(k)分别为故障状态下m端的电压、电流；Um[0]、Im[0]分别为正常状态下m端的运行电压、负荷电流；ΔUm(k)、ΔIm(k)分别为m端的电压、电流故障分量。

2 同塔双回直流线路故障选线方法

步骤一：极线故障电压的获取：单极线接地故障时，在1 MHz的采样率下，取故障前10 ms和故障后10 ms时窗长度下各极线的电压uR,IP(k)、uR,IN(k)、uR,IIP(k)、uR,IIN(k)，其中采样点k=1,2,…,204；下标R为量测端；IP、IN、ⅡP、ⅡN分别为I回正极线、I回负极线、Ⅱ回正极线、Ⅱ回负极线；

步骤二：故障分量电压的计算：用步骤一所得各极线的故障电压减去正常情况下的各极线电压得到故障分量电压；

式(2)中，u′R,IP(k)、u′R,IN(k)、u′R,IIP(k)、u′R,IIN(k)为故障分量电压；uR,IP(k)、uR,IN(k)、uR,IIP(k)、uR,IIN(k)为故障前10 ms和故障后10 ms时窗长度下各极线的电压，其中采样点k=1，2，…，204；uR,IP|0|、uR,IN|0|、uR,IIP|0|、uR,IIN|0|为正常情况下的各极线电压；

步骤三：故障分量电压的标准化。为了保证结果的可靠性，需要先对原始数据，即对故障分量电压进行标准化处理，利用标准化后的数据进行数据分析。

式(3)中，u′R,IP(k)、u′R,IN(k)、u′R,IIP(k)、u′R,IIN(k)为标准化极线电压；μR,IP、μR,IN、μR,IIP、μR,IIN为故障分量电压的均值；σR,IP、σR,IN、σR,IIP、σR,IIN为故障分量电压的标准差。

经过上述标准化处理后，原始数据均转换为无量纲化值（即：处于同一个数量级别上），可以进行综合评价分析。

步骤四：故障选线判据的构造：

式(4)中，u′R,h(q)为故障后10 ms时窗长度标准化极线电压，其中采样点q=104,…,204；为故障后10 ms时窗长度标准化极线电压的平均值；ξ2R,h为10 ms时窗长度标准化极线电压的方差；下标h代表极线，即：I回正极线IP、I回负极线IN、Ⅱ回正极线ⅡP、Ⅱ回负极线ⅡN；N为故障后10 ms时窗长度采样点q的总数，N=150001。

经过大量仿真计算结果验证，取阈值ξ2R,h=1，提出如下判据：

ξ2R,h≤1时，判断为极线发生故障；

ξ2R,h＞1时，判断为极线未发生故障。

综上，具体的故障选线流程如图2所示。

图2 同塔双回直流线路故障选线流程图

3 仿真分析与验证

搭建同塔双回直流输电系统进行大量数字仿真试验，以验证本文所提出的故障选线判据。仿真中，采样频率为1 MHz。

3.1 算例1

假设Ⅰ回正极线距整流侧500 km处发生金属性接地故障，利用式(1)得到的整流侧量测端各极线故障分量电压波形如图3所示。对故障分量电压进行标准化处理得到标准化极线电压分量，并选取故障后10 ms时窗长度标准化极线电压分量来进行方差计算，得到ξ2R,IP=0.7648，ξ2R,IN=1.9319，ξ2R,IIP=1.9175，ξ2R,IIN=1.9030。因为ξ2R,IP=0.7648＜1，因此判断Ⅰ回正极线发生故障。

图3 算例1中量测端所获的各极线故障分量电压波形

3.2 算例2

假设Ⅱ回负极线距整流侧900 km处发生金属性接地故障，利用式(1)得到整流侧量测端的各极线故障分量电压波形如图4所示。对故障分量电压进行标准化处理得到标准化极线电压分量，并选取故障后10 ms时窗长度标准化极线电压分量来进行方差计算，得到ξ2R,IP=1.9601，ξ2R,IN=1.9979，ξ2R,IIP=1.9648，ξ2R,IIN=0.6489。因为ξ2R,IIN=0.6489＜1，因此判断Ⅱ回负极线发生故障。