CN106253240A - 基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，首先采用小波分解提取出故障电流中的高频分量；计算出故障电流的高频暂态能量E_j和平波电抗器上的压降V_L；然后利用平波电抗器上的压降V_L判断故障方向；如果判断出正方向无故障，则退出故障保护流程；如果判断出有正方向故障，进一步利用高频暂态能量E_j判据判断区内是否存在故障；如果满足E_j＞E_set判定为区内故障，执行故障保护动作；否则，判定为区内无故障，退出故障保护流程。与现有技术相比，本发明能够在几个毫秒内实现故障的快速识别，保护动作速度快；并且仅采取本端电气量进行故障判断、识别，无需和其他换流站通信，节约成本；具有较强的抗过渡电阻能力，保护适用性强。

Description

基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护控制领域，提出了一种多端柔性直流电网直流线路保护方案。

背景技术

直流故障的快速、可靠识别是柔性直流电网发展的关键技术。对于多端柔性直流电网，当直流场中任何一处出现直流故障时，由于直流线路阻抗小同时各换流站以及直流线路相互连接，各直流线路将迅速出现不同程度的过流现象，故障过电流将会影响整个直流系统的安全可靠运行，因此对多端柔性直流电网的保护提出了能够快速、可靠识别故障的高要求。

在直流系统中，传统的故障保护有过流保护、距离保护以及行波保护等保护。然而，过流保护抗过渡电阻能力差并要求直流断路器超快速动作；距离保护需要采用延时来满足保护选择性，不能满足快速动作以保护直流线路的要求；行波保护易受干扰且对采样率有很高要求。

发明内容

针对多端柔性直流电网中故障识别困难以及目前传统交流系统、常规高压直流输电系统保护原理直接应用于多端柔性直流配电网存在不足的问题，本发明提出了一种基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，提出了一种新型的利用直流电抗器压降判定方向，并通过高频暂态能量识别故障的单端量保护方案，从而实现对故障的快速、可靠识别。

本发明提出了一种基于边界特性的多端柔性直流电网方法，该方法包括以下步骤：

步骤101、首先采用小波分解提取出故障电流中的高频分量，采用Mallat算法对故障电流离散信号进行分解：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_j\left(k\right)=\underset{n}{\Σ}{a}_{j-1}\left(n\right)h_0(n-2k)\\ d_j\left(k\right)=\underset{n}{\Σ}{a}_{j-1}\left(n\right)h_1(n-2k)\end{array}\right.$

上式中h₀、h₁分别为低通滤波器和高通滤波器，a_j(k)和d_j(k)是对第j-1层平滑逼近系数a_j-1(k)分解得到的低频段和高频段信号。

步骤102、计算出故障电流的高频暂态能量E_j和平波电抗器上的压降V_L；

利用步骤101中计算得到的故障信号第j层高频段信号d_j(k)计算高频能量：

$E_j=\underset{k}{\Σ}|d_j\left(k\right){|}^2$

式中，E_j为故障信号中第j层的高频能量；

通过以下公式计算平波电抗器上的压降V_L：

$V_L=L_r\frac{di}{dt}$

式中，L_r为平波电抗器电感值，i为故障电流，t为时间；

步骤103、利用平波电抗器上的压降V_L判断故障方向；

步骤104、如果不满足V_L>V_set，则判断正方向无故障，退出故障保护流程，其中V_set为方向元件判据的门槛值；

步骤105、如果满足V_L>V_set，判断有正方向故障，进一步利用高频暂态能量E_j判据判断区内是否存在故障；

步骤106、如果满足E_j＞E_set判定为区内故障，执行故障保护动作；

步骤107、否则，判定为区内无故障，退出故障保护流程。

与现有技术相比，本发明能够在几个ms内实现故障的快速识别，保护动作速度快；并且仅采取本端电气量进行故障判断、识别，无需和其他换流站通信，节约成本；具有较强的抗过渡电阻能力，保护适用性强。

附图说明

图1为多端柔性直流电网被保护直流线路发生区外故障时的等效电路图；(a)、交流侧故障等效电路(交流侧单相接地故障)；(b)、对端换流站出口故障等效电路；(c)相邻直流线路出口故障等效电路；

图2为柔性直流系统的方向判据示意图，附图标记：1、直流母线，2、换流站，21、故障保护系统；

图3多端柔性直流系统单端量保护方案流程图。

具体实施方式

如图1所示，多端柔性直流电网被保护直流线路发生区外故障时的等效电路图有多种形式，本发明列举出其中三种等效电路。其中换流器出口处设置的平波电抗器在本发明中作为高频能量边界，由于发生故障时，对于故障电流中高频段，平波电抗器将会体现出极大的阻抗值，从而对高频分量起到了阻隔作用。因而在区外发生故障时，高频分量被高频边界阻隔，区内高频分量很小；而当发生区内发生故障时，由于没有高频阻隔，区内高频分量相对较大。所以可以利用暂态能量(即高频分量能量)来可靠识别区内、和区外故障。保护判据如下

E_j＞E_set (1)

式中，E_j为采用离散小波提取的的某一层电流小波系数能量，代表了电流暂态量在对应频段的能量大小；E_set为高频暂态能量判据的整定值，该整定值可利用正方向区外故障时故障电流中对应频段暂态能量乘以一个可靠系数的方法整定。

E_j可由下式计算得到

$E_j=\underset{k}{\Σ}|d_j\left(k\right){|}^2---\left(2\right)$

式中，d_j(k)为离散小波分解第j-1层平滑逼近系数，j为离散小波分解的层数，k为小波分解系数的时域位置。

如图2所示，以故障保护系统21(故障保护系统是指对故障进行识别、判断，并对相应开关或断路器发出指令的控制保护系统，可以理解由各种针对不同类型故障的保护算法有效集成在一起的保护算法系统。它对设备运行中电压电流等信号进行计算，将得到的结果进行分析，判断是否有故障？是什么故障？并给相应设备发送故障后的动作指令)为例，其正方向发生故障类型为直流线路故障f1，反方向发生的故障类型有换流器出口故障f₃、交流系统故障f₅和相邻直流线路故障f₇。规定柔性直流系统的电流正方向为母线流向线路。为了避免故障保护系统21在安装处反方向出现故障时出现误动作，本发明对提出的保护方案设计了方向元件。当故障保护系统21发生正方向的直流线路故障故障f₁时，换流器并联大电容快速向故障点放电。平波电抗器位于并联大电容放电回路中，此时流过平波电抗器的电流快速正向增长，于是有V_L＝L_r·di/dt>0，式中V_L为平波电抗器上的压降，L_r为平波电抗器上的电感，i为流过平波电抗器的电流，t为时间。

当故障保护系统21反方向发生故障f₃(f₅或f₇)时，换流器并联大电容仍然快速向故障点放电。但由于平波电抗器位于并联大电容放电回路的反方向，此时流过平波电抗器的电流快速负向增长，于是有V_L＝L_r·di/dt<0。

因此，可以利用平波电抗器压降的正负来区分保护的正方向故障和反方向故障，即故障时检测到平波电抗器压降为正，可判断故障位于保护正方向；故障时检测到平波电抗器压降为负，可判断故障位于保护反方向。

得到方向判据如下

根据上述的保护原理，本发明的多端柔性直流电网的单端量保护方案如图3所示，实现流程包括以下步骤：

首先采用小波分解提取出故障电流中的高频分量，步骤101，计算出故障电流的高频暂态能量E_j和平波电抗器上的压降V_L，步骤102；然后利用平波电抗器上的压降V_L判断故障方向，此处判断依据为V_L>V_set，式中V_set为方向元件判据的门槛值，可将V_set设为一个略大于零的正值，其整定的基本原则是躲过正常运行期间的直流电抗器压降，步骤103；如果不满足V_L>V_set，判断正方向无故障，则退出故障保护流程，步骤104；如果满足V_L>V_set，判断有正方向故障，进一步利用高频暂态能量E_j判据判断区内是否存在故障，步骤105；如果满足E_j＞E_set判定为区内故障，执行故障保护动作，步骤106，否则，判定为区内无故障，退出故障保护流程，步骤107。

Claims (3)

1.一种基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(101)、首先采用小波分解提取出故障电流中的高频分量，采用Mallat算法对故障电流离散信号进行分解：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_j\left(k\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_{j-1}\left(n\right)h_0(n-2k)\\ d_j\left(k\right)=\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_{j-1}\left(n\right)h_1(n-2k)\end{array}\right.$

式中，h₀、h₁分别为低通滤波器和高通滤波器，a_j(k)和d_j(k)是对第j-1层平滑逼近系数a_j-1(k)分解得到的低频段和高频段信号。

步骤(102)、计算出故障电流的高频暂态能量E_j和平波电抗器上的压降V_L；

利用步骤(101)中计算得到的故障信号第j层高频段信号d_j(k)计算高频能量：

$E_j=\underset{k}{\&Sigma;}|d_j\left(k\right){|}^2$

式中，E_j为故障信号中第j层的高频能量；

通过以下公式计算平波电抗器上的压降V_L：

$V_L=L_r\frac{di}{dt}$

式中，L_r为平波电抗器电感值，i为故障电流，t为时间；

步骤(103)、利用平波电抗器上的压降V_L判断故障方向；

步骤(104)、如果不满足V_L>V_set，则判断正方向无故障，退出故障保护流程，其中V_set为方向元件判据的门槛值；

步骤(105)、如果满足V_L>V_set，判断有正方向故障，进一步利用高频暂态能量E_j判据判断区内是否存在故障；

步骤(106)、如果满足E_j＞E_set判定为区内故障，执行故障保护动作；

步骤(107)、否则，判定为区内无故障，退出故障保护流程。

2.如权利要求1所述的基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，其特征在于，所述步骤(103)中的平波电抗器上的压降V_L表示为：

V_L＝L_r·di/dt，

式中，V_L为平波电抗器上的压降，L_r为平波电抗器上的电感，i为流过平波电抗器的电流。

3.如权利要求1所述的基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，其特征在于，所述步骤(103)中的高频暂态能量E_j表示为：

$E_j=\underset{k}{\&Sigma;}|d_j\left(k\right){|}^2$

式中，d_j(k)为离散小波分解第j-1层平滑逼近系数，j为离散小波分解的层数，k为小波分解系数的时域位置。