CN106501677A - 无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，其特点在于采用故障时在输电线路中传播快速的单端行波信号作为故障判断的原始数据，具备优良的快速性与经济性；以单端暂态电压行波信号与单端暂态电流行波信号经小波多尺度分析后的模极大值变化情况作为系统是否发生故障以及区内、区外故障的判据，同时将单端暂态电压行波信号的正行波和反行波的幅值作为故障方向判据。该方法原理简单，有效易行，无需整定及设置门槛值，避免了传统方法中依靠工程经验人为设定整定阈值，易导致发生判定错误，保护误动作，从而较其他方法具有更高的可靠性；最后，结合小波特征熵识别故障类型，有效防止误判断，有效提高故障识别准确性。

Description

无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，特别是一种无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法。

背景技术

高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)相较于传统交流输电在高电压、远距离、大容量传输电能方面具有显著的优势，而基于电力电子技术的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)以其功率控制灵活、无换相失败等优点在大电网互联、点对点功率传输方面已取得蓬勃发展，同时柔性直流输电也为随机性较强的太阳能、风能等发展迅猛的新能源并网和消纳提供了解决方案。然而，直流短路故障的隔离和切除问题仍亟待解决，具备快速开断短路电流的高压直流断路器制约着柔性直流输电网的发展。目前，国内外研究人员对直流断路器的研究大多集中在断路器本身的实现方案上，而对于作为直流故障电流开断重要组成部分的故障检测与识别相关研究则几乎没有。

实际柔性直流输电系统对直流断路器快速性的要求较高，因而直流断路器还需要与快速的故障检测与识别方案相配合，才能得以充分发挥其快速性的优势。在直流故障开断过程中，快速的故障检测与识别方案通过对相关信号进行检测，迅速判定系统是否发生故障以及判别所发生的故障类型，并将开断指令传送给直流断路器，最后直流断路器动作。因此，故障检测与识别的快速性与准确性对直流输电系统以及直流断路器本身都有着重要影响，针对柔性直流输电系统，研究新型的故障检测与识别方法，对提高直流断路器开断能力以及提高系统可靠性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，按照如下步骤实现：

步骤S1：获取柔性直流输电系统故障产生的单端电压行波信号，将该单端电压行波信号经小波多尺度变换，并将经变换后获取的模极大值幅值作为保护启动判断依据；

步骤S2：保护启动后，利用故障后[0,2T]内的单端电压行波的正向行波和反向行波的幅值作为故障方向判断依据，其中，T为行波走过一个完整线路的时间；

步骤S3：获取柔性直流输电系统故障产生的单端电流行波信号，将该单端电流行波信号经小波多尺度变换，并将经变换后获取的模极大值的正负性作为直流线路区内、区外故障判断依据；

步骤S4：若为区外故障，则防止直流线路上的高压直流断路器误动作；若为区内故障，则计算单端电压行波信号的小波特征熵，并将其与一预设不同类型区内故障小波特征熵故障特征识别表进行匹配，从而识别故障类型。

在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，采用小波进行多尺度的变换，利用小波变换模极大值构造的保护启动判断依据如下：

其中，M_i为尺度i下的模极大值。

在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，通过单端电压行波的正向行波和反向行波的幅值构造的故障方向判断依据如下：

其中，|u₊|为正向行波幅值，|u_-|为反向行波幅值。

在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，利用单端电流行波信号的模极大值的正负性构造的区内、区外故障判据如下：

式中，W_i为尺度i下的模极大值。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，利用小波分析，对原始信号进行j层小波分解，得到各尺度上的小波分解序列为S_j(i)，其中，i＝1～N/2^j，其测度：

其中，S_Fj(i)是第i个小波分解序列的FFT谱幅值，N是原始信号长度；

小波特征熵为：

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，检测与识别方法采用小波多尺度分析，利用单端电压行波信号和单端电流行波信号共同构成保护启动判据、故障方向判据以及区内区外判据，原理简单，具有快速性，与采用双端行波信号相比，无需依赖通讯，也可避免加设过多检测装置对线路造成影响，更适合工程实现；同时无需整定及设置门槛值，避免了传统方法中依靠工程经验人为设定整定阈值，易导致发生判定错误，保护误动作，从而较其他方法具有更高的可靠性；故障方向及区内、区外判定完成后，利用小波特征熵作为故障特征进行故障类型的识别判据，有效防止误判断，并提高故障判断的准确性。

附图说明

图1为本发明一实施例中柔性直流输电工程的拓扑结构。

图2为本发明一实施例中无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法的流程图。

图3为本发明一实施例中单端电压暂态波形及其6层小波变换的波形图。

图4为本发明一实施例中正向行波和反向行波波形图。

图5为本发明一实施例中单端电流行波信号及其6层小波变换的波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

柔性直流输电系统故障后各暂态信号包含故障类型、切除等丰富的信息，其中，突变点通常包含着信号中最本质的信息。小波变换可以表征信号的奇异性，信号在不同尺度上的Lipschitz指数用以表示该信号的突变特征。数学上Lipschitz指数是对函数局部特征的一种度量，其给出了信号在某一时刻处可导性的精确信息，Lipschitz指数越大，信号越规则，Lipschitz指数越小，信号在该时刻处越尖锐，信号的奇异性表征为正的奇异性，噪声则为负的奇异性。信号经小波变换的公式记为：

其中，f∈L²(R)是能量有限信号，Ψ(t)为小波基函数，a是决定频域的尺度因子，b是决定时域的平移因子。小波变换的时频窗可调，在高频处的时间分辨率高，因而其在突变信号处理中具有优异的性能。采用卷积形式定义小波变换以方便数学处理：

小波变换中，s很小时孤立奇异点取得极大值，假设小波基函数Ψ(t)为平滑函数H(t)的一阶导数，记为：那么式(2)整理为：

由式(3)可知，对应某一尺度s，Wf(s,t)沿时间轴的极大值与f*H(s)的奇异点相对应，若H(s)的等效宽度足够小，那么Wf(s,t)的模极大值点应该出现在f(t)的模极大值点附近，也即信号在奇异点处必然存在小波变换模极大值，因此可以通过小波变换模极大值确定信号的奇异点。故障时刻故障点电压暂态分量由于电压突变产生奇异，Lipschitz指数在(0,1)之间，且噪声、扰动为负的奇异性，那么故障时奇异点处的小波变换模极大值随着小波变换尺度的增加而增大，而噪声、扰动的小波变换模极大值则迅速衰减间小，因而较大尺度上的小波变换模极大值属于有效信号的奇异点。据此，可将高尺度小波变换模极大值作为故障判断依据，即：利用故障下暂态电压行波的小波变换模极大值构造的直流断路器保护启动判据如下：

其中，M_i为i尺度下的模极大值，较佳的，M_i为较高尺度i下的模极大值。由上式可以看出，与传统的电压、电流变化率作为启动判据相比，该启动判据不需要设置门槛值，无需整定，实现简单。

进一步的，系统判定为故障后，启动故障方向判据和区内、区外故障判据。线路上发生任意故障时，相当于在故障点附加一个电压源，所产生的行波从故障点沿线路两侧传播。距离故障点l处，暂态电压Δu和暂态电流Δi分别为：

式中：是行波传播速度，是波阻抗，L是单位长度线路电感，C是单位长度电路电容，u₊是沿l正方向传播的正向行波，u_{_}是沿l反方向传播的反向行波。由式(5)和(6)可得：

u₊＝(Δu+Z_cΔi)/2 (7)

u_{_}＝(Δu-Z_cΔi)/2 (8)

进一步的，由于输电线路参数分布均匀仅在故障点和母线处存在不连续的波阻抗点，行波会产生折反射。发生正向故障时，反向行波必然存在且幅值不小于正向行波，而反向故障时，不存在反向行波。即存在如下故障方向判据：若正向行波幅值大于反向行波幅值则判定为正向故障，若正向行波幅值大于反向行波幅值则判定为反向故障，可记为：

其中，|u₊|为正向行波幅值，|u_{_}|为反向行波幅值。该判据同样也不需要设置整定阈值。

进一步的，为了防止区内保护如直流断路器等误动作，需要进行区内、区外故障判定。目前，使用比较广泛的判断方法是极性比较法，该方法通过将输电线路两端产生的电压或者电流行波的极性作比较，若极性相同，则为区内故障，若相反，则为区外故障。该方法的准确性依赖于通信通道，其方向元件也会受到母线结构的影响，总体来说可靠性不够高。针对柔性直流输电系统，采用单端电流行波信号多尺度变换后的模极大值W_i来判别区内、外故障。正常运行时，其模极大值接近为0。若系统出现故障，电流行波信号会在故障点处产生折射和反射现象并向线路两端传播，模极大值会出现明显突变，故障发生位置不同，模极大值也有着不同的正负性。若其高尺度小波变化下的模极大值为负，则为区外故障；若其模极大值为正，则为区内故障，即：

综合上述保护启动、故障方向以及区内、外故障三条判据，均无需传统故障判定方法诸如电压和电流的幅值、变化率判据等所必须的整定相应的阈值，大大优化了判据的准确性，提高了故障判断的可靠性。

采用单端电压行波信号和单端电流行波信号对故障方向和区内、区外完成判定后，若为区内故障，则可以继续利用行波信号中所包含的丰富的故障信息与预先提取的故障特征匹配识别，对故障类型、位置进行区分，结合故障方向信息以使系统保护进行相应的选择，从而最优化动作。其中，用于匹配的预设不同类型区内故障小波特征熵故障特征识别表，通过预先提取的故障特征基于多尺度小波分析，以小波特征熵为故障特征参数得到。

进一步的，在本实施例中，该用于匹配的预设不同类型区内故障小波特征熵故障特征识别表共有：1、正常2、单极接地3、双极短路三种不同的系统运行状态，预先根据每种不同运行状态的仿真，对所得数据根据公式(10)和公式(11)进行小波特征熵的求取得到，H1～H6即为不同尺度的小波特征熵值。不同故障，同一高尺度时的特征熵值呈现出规律性变化，以H6为例，故障越严重(双极短路)其值越小，正常运行时其值最大，如下表1所示。表中仅列了三个故障，还可以根据具体情况扩大为诸多不同类型的故障，同样适用。其原理见公式(11)之后的理论分析。该表为事先计算好的表，系统运行中若出现某种故障，可以对其进行进行小波分析，与表中特征熵值进行匹配，从而识别出所发生的故障类型。

在本实施例中，小波特征熵的定义以及故障特征的求取过程如下：

首先假设待分析的信号为f(t)，对其进行j层小波分解，得到各尺度上的小波分解序列为S_j(i)，其中i＝1～N/2^j，将对信号f(t)的多尺度小波分解看作对信号的划分，定义划分的测度：

式中，S_Fj(i)是第i个小波分解序列的FFT谱幅值，N是原始信号长度。小波特征熵根据信息熵的基本理论定义为：

其中，小波特征熵反映了原始信号在经小波多尺度分解后在各尺度上的能量分布不确定度。当系统正常运行时，信号表现出较好的脉动特性，能量分布相对均匀，而系统发生故障后，破坏了能量的均匀分布，小波特征熵随之减小，根据故障不同，小波特征熵减小也会表现出不同的变化特征，因而，可以利用小波特征熵作为故障特征参数进行故障识别。

在本实施例中，提供一柔性直流输电工程的拓扑结构如图1所示，换流站均采用双极连接方式，两侧换流站之间由两回直流输电线和一回金属回流线形成回路，金属回线在一个换流站接地。换流站额定电压为±320KV，额定输电容量为1000MW，送端换流站1采用定功率控制，受端换流站2采用定电流控制。在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建如图1所示的双极柔性直流输电系统模型。无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法的流程如图2所示，在直流输电线L₁靠近换流站1侧设置采样点，采样频率为100kHz。

仿真直流输电线L₁中点处发生接地故障，故障时单端电压暂态波形及其6层小波变换图如图3所示。由图3可以看出，前3层的小波变换受到噪声较大程度的干扰，随着尺度的增加，噪声迅速减弱，后3层几乎不受噪声干扰，故障时电压行波小波变换高尺度下的模极大值分别为：|W₄|＝0.4；|W₅|＝0.45；|W₆|＝1.1。此时，即随着小波变换尺度增加，在同一奇异点处的小波变换模极大值增大，判定系统发生故障而非噪声影响，系统保护启动。

根据仿真所得数据，正向行波和反向行波波形如图4所示，从图中可以看出，|u₊|≤|u_{_}|，故障方向判定为正方向，即直流输电线L₁中点处发生接地对于直流输电线L₁来说是正方向故障。单端电流行波信号及其6层小波变换的波形图如图5所示，显然W₆＝2.2＞0，故障判定为区内故障。

为了判断故障类型，对系统正常运行、单极接地以及双极短路等工况和典型位置故障情况进行仿真，因该柔性直流输电系统换流站之间电气距离较近，取线路中点处为典型故障位置，通过对各工况下单端电压行波信号进行多尺度的小波分解并按式(10)和式(11)计算小波特征熵，提取故障特征，最终得到故障特征识别表，如下表1所示。

表1故障特征识别表

小波特征熵	H1	H2	H3	H4	H5	H6
							正常	9.3995×10-5	0.0037	0.0304	0.2336	0.3258	0.3662
单极接地	7.712×10-8	3.7×10-6	0.0078	0.3491	0.2848	0.3104
							双极短路	4.994×10-6	4.3494×10-5	0.0005	0.0229	0.1109	0.0359

从表1可以看出，在较高尺度的小波特征熵H₅和H₆的值随着故障严重程度的不同均呈现下降趋势，说明将单端电压行波信号多尺度小波分解后的高尺度的小波特征熵值可以作为区分系统故障类型的判断指标是可行的。将采集的故障行波信号与一预设特征识别表匹配查询后，结合故障方向信息，使保护最优化动作。

在实施例中，通过在某双极柔性直流输电工程的仿真模型中施加单极接地故障进行仿真，并采用无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法对所取得的数据进行分析与处理，结果表明该方法有效易行，能显著缩短检测延时，同时提高故障检测的准确性，可以满足实际柔性直流输电工程中对故障检测与识别快速性的要求。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S1：获取柔性直流输电系统故障产生的单端电压行波信号，将该单端电压行波信号经小波多尺度变换，并将经变换后获取的模极大值幅值作为保护启动判断依据；

步骤S2：保护启动后，利用故障后[0,2T]内的单端电压行波的正向行波和反向行波的幅值作为故障方向判断依据，其中，T为行波走过一个完整线路的时间；

步骤S3：获取柔性直流输电系统故障产生的单端电流行波信号，将该单端电流行波信号经小波多尺度变换，并将经变换后获取的模极大值的正负性作为直流线路区内、区外故障判断依据；

步骤S4：若为区外故障，则防止直流线路上的高压直流断路器误动作；若为区内故障，则计算单端电压行波信号的小波特征熵，并将其与一预设不同类型区内故障小波特征熵故障特征识别表进行匹配，从而识别故障类型。

2.根据权利要求1所述的无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用小波进行多尺度的变换，利用小波变换模极大值构造的保护启动判断依据如下：

其中，M_i为尺度i下的模极大值。

3.根据权利要求1所述的无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过单端电压行波的正向行波和反向行波的幅值构造的故障方向判断依据如下：

其中，|u₊|为正向行波幅值，|u_-|为反向行波幅值。

4.根据权利要求1所述的无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用单端电流行波信号的模极大值的正负性构造的区内、区外故障判据如下：

式中，W_i为尺度i下的模极大值。

5.根据权利要求1所述的无需整定阈值的柔性直流输电架空线路故障快速判断方法，其特征在于，在所述步骤S4中，利用小波分析，对原始信号进行j层小波分解，得到各尺度上的小波分解序列为S_j(i)，其中，i＝1～N/2^j，其测度：

$u_j\left(i\right)=\frac{S_{Fj}\left(i\right)}{\underset{i=1}{\overset{N/2^j}{\Σ}}{S}_{Fj}\left(i\right)};$

其中，S_Fj(i)是第i个小波分解序列的FFT谱幅值，N是原始信号长度；

小波特征熵为：

$H_j=-\underset{i=1}{\overset{N/2^j}{\Σ}}{u}_j\left(i\right){\mathrm{logu}}_j\left(i\right).$