CN105891676B - 电流相关性的柔性高压直流线路保护方法 - Google Patents

Abstract

一种利用电流相关性的柔性高压直流线路保护方法，通过对直流侧并联电容支路和直流线路入口处的电流进行采样，分别计算直流系统两侧电容支路电流与直流线路入口处电流的Pearson相关系数，最后比较两侧计算的相关系数，从而实现直流线路故障的判别。该保护方法运算简单，所需采样频率低，且不受数据同步、故障类型、故障位置、噪声干扰以及控制方式等因素的影响，能准确地识别直流线路区内、外故障，实现故障线路的保护。该保护方法对于柔性高压直流输电系统安全运行具有重要意义。

Description

电流相关性的柔性高压直流线路保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统领域的技术，具体是一种电流相关性的柔性高压直流线路保护方法。

背景技术

基于电压源型换流器的柔性直流输电系统(简称VSC-HVDC)具有独立调节有功和无功功率、可以向无源网络供电等特点，克服了传统高压直流输电(HVDC)的本质缺陷，因此其被广泛应用于大规模可再生能源远距离传输领域。然而，与传统高压直流输电系统相比，柔性直流系统缺乏低压限流功能和成熟的直流开关器件，直流线路的故障判别与故障处理成为限制柔性直流输电系统发展的主要因素之一。

目前柔性直流输电系统中针对交流侧故障控制保护策略的研究已经比较成熟。而直流线路的保护仅借鉴了传统高压直流的保护策略，以行波保护和微分欠压保护为主，电流差动保护作为后备保护，此外还配置直流过电压保护和直流电压不平衡保护。行波保护和微分欠压保护动作速度快，不受电流互感器饱和及长线分布电容等因素影响，但是对高阻接地故障灵敏度不足，可靠性不高；电流差动保护对高阻接地有效，但易受分布电容的影响，只能通过长延时来躲过，不适用于柔性直流线路保护快速动作的要求。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103199511A公开(公告)日2013.07.10，公开了一种基于模型参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护方法，该技术将外部故障等效为正的电容模型，识别出的电容值为正，电流和电压导数相关系数为1；内部故障等效为负的电容模型，识别出的电容值为负，电流与电压导数相关系数为-1。通过判别识别出的电容值或相关系数的正负，即可区分区内、区外故障。但该技术需要计算电压导数，电压导数的计算对扰动十分敏感，当系统因功率调节导致电压波动，使得电压导数变化明显，极易引起保护误动作。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种电流相关性的柔性高压直流线路保护方法，对全电流信号进行计算，无需补偿分布电容电流和计算电压、电流微分量，克服了利用单一暂态信息检测故障可靠性不高的缺陷；无需同步，故障判别的可靠性与快速性较高。将该方法应用于多端柔性直流线路的故障判别，具有较好的适应性，对提高多端柔性直流系统的直流线路故障处理能力有重要的参考作用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明以柔性直流输电系统中直流线路入口处分流器与电容支路电流互感器为故障判别测量点，实时采集整流侧正极/负极线路入口处及并联电容支路的电流以及逆变侧线路入口处和并联电容支路的电流，经采样后分别计算整流侧以及逆变侧电流各自对应的Pearson相关系数，当任一极的整流侧以及逆变侧电流Pearson相关系数均大于零时则为该极直流线路故障，当任一极的整流侧以及逆变侧电流Pearson相关系数均小于等于零时，则为该极直流线路区外故障。

所述的采样是指：实时监测柔性直流系统两侧电容支路电流与直流线路入口处电流，对电容支路电流和入口处电流进行采样，获得离散电流信号采样序列其中：i_{Cm_k}表示线路入口处电流，i_{Cablem_k}表示并联电容支路电流，m＝1,2分别表示正极和负极；k＝r,i分别表示整流侧与逆变侧；n表示信号序列点数。

所述的Pearson相关系数是指：计算整流侧与逆变侧所测电流信号序列i_{Cm_k}与i_{Cablem_k}的Pearson相关系数，即：

其中：N为时间窗口内的采样点个数，N＝F_s*T,F_s为采样频率，T为Pearson相关系数计算时间窗；i_{Cm_k}表示并电容支路暂态电流，i_{Cablem_k}表示直流线路入口处暂态电流，k＝r,i分别表示整流侧与逆变侧，R_mr表示整流侧计算得到的Pearson相关系数，R_mi表示逆变侧计算得到的Pearson相关系数。

所述的Pearson相关系数R_mk(i_{Cm_k},i_{Cablem_k})∈[-1,+1]，其中：+1表示两处暂态电流完全正相关，-1表示两处暂态电流完全负相关，0则表示两处暂态电流不相关，Pearson相关系数R_mk(i_{Cm_k},i_{Cablem_k})越大表示电容支路暂态电流与线路入口处暂态电流相关性越强，即差异越小。

对于计算的Pearson相关系数R_mr和R_mi进行逻辑判断：当R_mr＞0且R_mi＞0，则保护判定为极m直流线路故障，当R_mr≤0或R_mi≤0，则保护判定为直流线路区外故障。

技术效果

本发明通过Pearson相关系数来描述电容支路和直流线路入口处暂态电流的差异程度。Pearson相关系数算法的时间复杂度与信号长度成正比，运算速度快，可以满足实时性的要求。直流线路区内、外故障时，线路两端暂态电流Pearson相关系数的特征差异明显，利用Pearson相关系数差异特征能准确实现直流线路区内、外故障的判别。

本发明与传统的基于行波原理的故障判别方法相比，抗过渡电阻能力较高。利用线路双端计算的Pearson相关系数实现故障判别，传递的信息仅为对端相关系数的极性信号，与传统电流差动以及利用电流极性特征的故障判别方法相比，该方法无需同步，故障判别的可靠性与快速性较高。

附图说明

图1为实施例电网模型示意图；

图2为本发明流程图。

图3为正极线路中点故障时正极线路保护测量和计算的结果示意图；

图4为正极线路中点故障时负极线路保护测量和计算的结果示意图；

图5为距离整流端190km处极间故障时正极线路保护测量和计算的结果示意图；

图6为直流侧M点故障时正极线路保护测量和计算的结果示意图；

图7为逆变侧换流母线F三相短路故障时正极线路保护测量和计算的结果示意图；

图8为交流侧故障是正极线路保护计算的电流Pearson相关系数示意图；

图中a为整流侧不同类型故障时的电流Pearson相关系数，b为逆变侧不同类型故障时的电流Pearson相关系数；其中A-G表示单相接地故障；AB表示相间故障；AB-G表示相间接地故障；ABC表示三相短路故障示意图；

图9为正极线路中点故障时不同信噪比下正、负极线路保护计算的电流Pearson相关系数示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例以柔性直流输电系统中直流线路入口处分流器与电容支路电流互感器为故障判别测量点，实时采集整流侧极1和极2线路入口处及并联电容支路的电流i_{Cable1_r}、i_{C1_r}、i_{Cable2_r}、i_{C2_r}以及逆变侧线路入口处和并联电容支路的电流i_{Cable1_i}、i_{C1_i}、i_{Cable2_1}、i_{C2_i}，其中：电流的正方向设为图1中箭头所示方向，M、N、E、F分别表示直流线路区外故障点位置，M、N位于直流侧并联电容与换流器连接线处，E、F位于整流侧与逆变侧的交流换流母线处。

当直流线路故障时，系统两端直流侧并联电容迅速向故障点放电，在电容放电阶段，两端的直流线路入口处分流器与电容支路电流变化方向及趋势一致，呈强相关性；当发生区外故障时，一端直流线路入口处分流器与电容支路电流变化方向及趋势一致，呈强相关性，而另一端直流线路入口处分流器与电容支路电流变化方向及趋势相反，呈负相关。

在近距离故障的电容放电阶段，并联电容支路暂态电流与线路入口处故障暂态电流具有很好的吻合性。然而随着故障距离的增加，放电回路阻抗参数也将增加，同时分布电容的影响也将越来越大，电容支路暂态电流与线路入口处故障暂态电流将存在一定的差异。一方面放电电流峰值减少，交流侧馈入的电流影响增大，另一方面IGBT闭锁后，续流二极管导通联通交流侧，相关换流设备杂散电容和二极管等值电感，与直流侧电容形成高频振荡，使得电容支路电流混有高频分量。通过直接比较的方式进行故障判别容易产生较大误差。为消除高频分量，可以采用低通滤波器的方法，但增加了信号处理的延时，影响柔性直流线路故障判别与故障处理的快速性。电容支路暂态电流可以看成直流分量与高频分量的叠加，即使电容支路电流与线路入口处电流瞬时值并不完全相等，但在放电阶段的增长与衰减趋势一致，具有良好的相关性。

本实施例利用Pearson相关系数来描述电容支路暂态电流与线路入口处暂态电流的差异程度，从而进行直流线路区内外故障判别，可有效克服高频分量的影响。利用电流相关性的柔性高压直流线路保护方法流程如图2所示，具体步骤如下：

1)实时监测柔性直流系统两侧电容支路电流与直流线路入口处电流，对电容支路电流和入口处电流进行采样，获得离散电流信号采样序列：i_{Cm_k}＝{x₁,x₂,...,x_n}，i_{Cablem_k}＝{y₁,y₂,...,y_n}；

2)计算整流侧与逆变侧所测电流信号序列i_{Cm_k}与i_{Cablem_k}的Pearson相关系数，R_mk(i_{Cm_k},i_{Cablem_k})∈[-1,+1]，+1表示两处暂态电流完全正相关，-1表示两处暂态电流完全负相关，0则表示两处暂态电流不相关。

3)对于计算的Pearson相关系数R_mr和R_mi进行逻辑判断：

a.当R_mr＞0且R_mi＞0，则保护判定为极m直流线路故障；

b.当R_mr≤0或R_mi≤0，则保护判定为直流线路区外故障。

本实施例基于图1所示系统对本发明所述方法进行仿真验证如图1所示系统，两端系统额定运行电压±60kV，容量为60MW，正负极线路直流侧电容均为1000uF，直流线路采用频变参数电缆模型，线路长度200km。电流采样频率为10kHz，Pearson相关系数计算时间窗为3ms。由于VSC-HVDC系统正负极线路对称，对于交流侧区外故障，仅给出正极线路保护测量和计算的结果。具体如图3至图9。图3至5表明本方法能可靠识别直流线路故障类型，且对于单极故障，健全极保护能可靠不同动作。图6至图8表明本方法能可靠识别区外故障，保护可靠不动作。图9表明，本方法具有较强的抗噪声干扰能力。

本方法基于电流相关性的特点，通过计算电流的Pearson相关系数来判定故障。Pearson相关系数算法的时间复杂度与信号长度成正比，运算速度快，可以满足实时性的要求，因此采用2～4ms数据窗即可满足速度要求。同时，采用全电流进行计算，对采样频率要求不高，克服了利用单一频次电流检测故障可靠性不高的缺陷。此外，系统两侧电流Pearson相关系数独立计算，故障判定传递的信息仅为对端相关系数的极性信号，因此本方法无需补偿分布电容电流和数据同步，双极线路能准确、独立地实现直流线路区内、外故障的判别。与传统电流差动以及利用电流极性特征的故障判别方法相比，该方法无需同步，故障判别的可靠性与快速性较高。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种电流相关性的柔性高压直流线路保护方法，其特征在于，以柔性直流输电系统中直流线路入口处分流器与电容支路电流互感器为故障判别测量点，实时采集整流侧正极和负极线路入口处及并联电容支路的电流以及逆变侧线路入口处和并联电容支路的电流，经采样后分别计算整流侧以及逆变侧电流各自对应的Pearson相关系数，当任一极的整流侧以及逆变侧电流Pearson相关系数均大于零时则为该极直流线路故障，当任一极的整流侧以及逆变侧电流Pearson相关系数均小于等于零时，则为该极直流线路区外故障。

2.根据权利要求1所述的柔性高压直流线路保护方法，其特征是，所述的采样是指：实时监测柔性直流系统两侧电容支路电流与直流线路入口处电流，对电容支路电流和入口处电流进行采样，获得离散电流信号采样序列其中：i_{Cm_k}表示线路入口处电流，i_{Cablem_k}表示并联电容支路电流，m＝1，2分别表示正极和负极；k＝r，i分别表示整流侧与逆变侧；n表示信号序列点数。

3.根据权利要求1所述的柔性高压直流线路保护方法，其特征是，所述的Pearson相关系数是指：计算整流侧与逆变侧所测电流信号序列i_{Cm_k}与i_{Cablem_k}的Pearson相关系数，即：

其中：N为时间窗口内的采样点个数，N＝F_s*T，F_s为采样频率，T为Pearson相关系数计算时间窗；i_{Cn_k}表示并电容支路暂态电流，i_{Cm_k}＝{x₁，x₂，...，x_N}，i_{Cablem_k}表示直流线路入口处暂态电流，i_{Cablem_k}＝{y₁，y₂，...，y_N}，k＝r，i分别表示整流侧与逆变侧，R_mr表示整流侧计算得到的Pearson相关系数，R_mi表示逆变侧计算得到的Pearson相关系数。

4.根据权利要求3所述的柔性高压直流线路保护方法，其特征是，所述的Pearson相关系数R_mk(i_{Cm_k}，i_{Cablem_k})∈[-1，+1]，其中：+1表示两处暂态电流完全正相关，-1表示两处暂态电流完全负相关，0则表示两处暂态电流不相关，Pearson相关系数R_mk(i_{Cm_k}，i_{Cablem_k})越大表示电容支路暂态电流与线路入口处暂态电流相关性越强，即差异越小。

5.根据权利要求3所述的柔性高压直流线路保护方法，其特征是，当R_mr＞0且R_mi＞0，则保护判定为极m直流线路故障，当R_my≤0或R_mi≤0，则保护判定为直流线路区外故障。