CN108599114B - 一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，具体包括如下步骤：通过混联系统线路两端的电流互感器分别检测被保护交流线路两端的电气量信号；对检测到的电气量信号进行预处理，得到被保护交流线路两端的电流突变量，将保护系统的采样切换到高数据采集频率下，并根据数据窗的宽度提取相应的电压和电流；计算电流前行波和反行波全量；计算小波系数；自适应剔除所得的小波系数的干扰值，并通过对小波系数的挤压处理获得同步挤压小波系数，该小波系数表征暂态电流波的能量，然后计算电流前行波和反行波的暂态能量比；比较能量比与整定值的大小区分区内外故障。本发明为高压交直流混联系统交流线路提供继电保护。

Description

一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法。

背景技术

资源紧张、环境污染等问题成为当下世界各国的棘手问题，绿色低碳也将成为能源生产与消费的主要转变方向，为此，世界各国纷纷制订了相应的发展目标和规划。超/特高压输电是解决清洁能源的大规模开发和远距离输送所必须依赖的媒介，电网的“全球互联”亦促使各国高压交直流混联系统蓬勃发展。到2020年，16回直流输电线路和世界上最高电压等级的柔性直流环网也将投入运行，电网交直流混联的深度将进一步增大。

保障大型交直流混联电网安全运行是各国重大且紧迫的需求。单个交流系统的简单故障或者单个换流站的异常过程均有可能引起换流站间同时换相失败、直流系统闭锁、交流线路过负荷跳闸等连锁故障的发生，交直流混联电网呈现出复杂的耦合特性。比如，2013年华东地区曾发生交流线路故障引发的四回直流同时换相失败，导致一回直流双极闭锁、附近六条交流通道大容量功率反转的连锁故障，严重冲击电网的安全稳定运行。因此，针对高压交直流混联系统交流线路继电保护提出新原理，快速准确地将故障切除以保证互联电网的安全可靠，显得尤为重要。

暂态量技术是系统故障后快速继电保护保护、故障选相、故障定位或故障测距的新手段。交直流混联系统中，近逆变站交流母线处安装有大容量无功补偿装置和交流滤波装置，交流系统故障时，近逆变侧表现出强电流行波和弱电压行波的特征。此外，考虑高压电网上广泛使用的电容式电压互感器因截止频率低、行波传变不佳，高频电压行波的采集也需额外的手段考虑，而电流互感器则仍可正确传变高达100kHz的电流行波信号。一些学者提出了基于电流行波极性的高压输电系统方向保护，然而判断极性非常有赖于行波初始部分数据的检测和变换，而这易受到数据采集可靠性和阈值问题的干扰。再则，混联电网对保护超高速动作的需求与保护动作高可靠性要求之间的矛盾等均需要通过继电保护动作性能的超高速和高可靠来协调，因此，还面临故障暂态量提取与信息处理的方法问题，保护难以实现快速动作。综上，针对高压交直流混联电网更为苛刻的继电保护要求，交流线路快速可靠切除故障的方案亟待提出。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，针对当前高压交直流混联系统复杂的故障暂态过程，提出一种基于暂态量的快速、可靠、有选择性且灵敏度高的全线速动的保护算法，为高压交直流混联系统交流线路提供继电保护。

本发明所采用的技术方案是，一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，

具体包括如下步骤：

步骤1，通过混联系统线路两端的电流互感器分别检测被保护交流线路两端的电气量信号；

步骤2，通过可编程处理器对步骤1检测到的电气量信号进行预处理，得到被保护交流线路两端的电流突变量，当该电流突变量大于设置的阈值时，执行步骤3，反之，则执行步骤1；

步骤3，将保护系统的采样切换到高数据采集频率下，并根据数据窗的宽度提取相应的电压和电流；

步骤4，对步骤3提取出的电压和电流信号进行Karrenbauer相模变换得到线模量，进而计算电流前行波和反行波全量；

步骤5，对步骤4所得的电流前行波和反行波全量经过进行连续小波变换计算小波系数；

步骤6，自适应剔除步骤5所得的小波系数的干扰值，并通过对小波系数的挤压处理获得同步挤压小波系数，同步挤压小波系数可表征暂态电流波的能量E，根据能量E获得电流前行波的能量E_f和反行波的暂态能量E_b，然后求电流前行波和反行波的暂态能量比λ；

步骤7，比较步骤6所得能量比与整定值的大小区分区内外故障。

本发明的特点还在于，

步骤4中通过如下公式(1)计算电流前行波Δi_f(t)和反行波全量Δi_b(t)：

其中，u_*为电压量，i_*为电流量，Z_c为线路波阻抗。

步骤5中通过如下公式(2)计算小波系数：

其中，a为尺度因子、b为平移因子；Ψ(t)为小波母函数。

步骤6中通过如下公式(3)对小波系数进行挤压处理：

其中， 为小波函数的共轭傅氏变换。

步骤6中自适应剔除小波系数的干扰值是通过设置阈值限制被挤压小波系数的极小值以实现滤波降噪的，选用中位数绝对值偏差来评估噪声能量的大小，阈值按照如下公式(4)进行自适应更新：

其中，W_f为小波变换系数，n为信号的长度，n_v为常数。

步骤6中挤压频段选择6.25kHz～12.5kHz的频率分量。

步骤7的具体过程如下：

将能量比与整定值进行作差，差值为正时，即为反向故障，反之，为正向故障；

当被保护交流线路两端方向继电器均判断为正向故障时，即为区内故障，否则为区外故障。

本发明的有益效果是，本发明针对交直流混联系统中近逆变侧交流输电线路的故障特性，提出了一种基于暂态电流的方向保护原理及其新型小波变换算法。被保护线路正、反向故障时，前行、反行电流行波中暂态分量的能量存在显著的特征差异，以此前行、反行暂态分量的能量之比的大小，就可建构故障方向判别的基本原理。同步挤压小波变换，直接提取暂态分量并以同步挤压小波系数方便地表征暂态分量的能量，构成方向保护判据的实用算法，计算量小，因而从原理到算法都确保了超高速特点，达到了快速、可靠切除故障的要求。

附图说明

图1是典型交直流混联系统结构图；

图2是交直流混联系统的故障等值电路；

图3是交流母线I的线路边界阻抗频率特性曲线；

图4是不同采样率下的电流行波信号图；

图5是正向发生A相故障的电流暂态行波信号图；

图6是反向发生A相故障的电流暂态行波信号图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，具体包括如下步骤：

步骤1，通过混联系统线路两端的电流互感器分别检测被保护交流线路两端的电气量信号；

步骤2，通过可编程处理器对步骤1检测到的电气量信号进行预处理，得到被保护交流线路两端的电流突变量，当该电流突变量大于设置的阈值时，执行步骤3，反之，则执行步骤1；

步骤3，将保护系统的采样切换到高数据采集频率下，并根据实际所需数据窗的宽度提取相应的电压和电流，建议采样率至少为100kHz；

步骤4，对步骤3提取出的电压和电流信号进行Karrenbauer相模变换得到线模量，通过如下公式(1)计算电流前行波和反行波全量；

其中，u_*和i_*为电压、电流量，Z_c为线路波阻抗。

步骤5，对步骤4所得的电流前行波和反行波全量经过进行连续小波变换，通过如下公式(2)计算小波系数：

式中，a、b分别为尺度、平移因子，前者对应于频率信息，后者对应时域信息；Ψ(t)为小波母函数。

步骤6，自适应剔除步骤5所得的小波系数的干扰值，并通过对小波系数的挤压处理获得同步挤压小波系数，同步挤压小波系数可用来表征暂态电流波的能量E，进而可计算得前、反行波的暂态能量比λ＝E_f/E_b。

通过如下公式(3)对小波系数进行挤压处理：

式中， 为小波函数的共轭傅氏变换。

步骤6中自适应剔除小波系数的干扰值是通过设置阈值限制被挤压小波系数的极小值以实现滤波降噪的，选用中位数绝对值偏差(MAD)来评估噪声能量的大小，阈值按照如下公式(4)进行自适应更新：

其中，W_f为小波变换系数，n为信号的长度，n_v为常数，n_v一般取为32。

步骤6中挤压频段选择6.25kHz～12.5kHz的频率分量。因为此频段内线路波阻抗恒定，高频段截止和降噪处理使得信号计算稳定，保护性能稳定。

步骤6中直接利用同步挤压小波系数表征暂态电流波能量的过程大大降低了计算量并加快计算速度。

步骤7，比较步骤6所得能量比与整定值的大小区分区内外故障。

将能量比与整定值进行作差，差值为正时，即为反向故障，反之，为正向故障；

当被保护交流线路两端方向继电器均判断为正向故障时，即为区内故障，否则为区外故障。

步骤7中的整定值是由保护安装位置处的电流波反射系数决定，考虑到非周期因素等的影响，需保留一定的裕度。

本发明一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法的工作原理为：以图1典型交直流混联系统为例进行说明。

直流侧为双极型架空输电线路，换流站经接地网接地，并保持直流输电系统向交流侧传输功率的运行方式。交流侧连接了两路交流通道，一路双回输电线路，另一路为三节点环网输电线路。图2为该交直流混联系统交流线路短路的故障分量电路。一般地，对于直流侧，平波电抗器的阻抗均远大于直流滤波器、换流变压器等其他元件，因此可以将直流侧的阻抗以平波电抗器进行等效分析。对于交流侧线路的故障暂态而言，并联在交流母线I上的无功补偿和交流滤波装置形成了其边界条件。图3为典型的I母线阻抗频率特性曲线，可见在10kHz以上，无功补偿装置以及交流滤波器的频率阻抗趋于零，其逆变侧交流母线可视为接地。靠近逆变站侧的继电保护装置难以检测到电压行波信号。图4为不同采样率下的电流行波信号。

根据对交直流混联系统中线路的故障分析知，在故障发生后[t₀，t₁]一段时间内(其中，t₀为方向继电器首次检测到电流波的时刻，t₁为t₀+min{2l_正向线路/c，2l_反向线路/c})：

(1)反向故障时，反向电流波的暂态能量I_b≈0，而正向电流波的暂态能量I_f存在且能量很大，则有I_f≥I_b，定义λ＝I_f/I_b，即有：λ→∞。

(2)正向故障时，有正反向电流波的暂态能量关系I_f＝K²I_b，即λ＝K²。其中K是保护安装处电流波的反射系数，且K²≤1。

可见，正反向故障时，正向波和反向波的电流暂态能量比存在显著差异，由此可作为故障方向判别的基础。

实施例1

以图1所述的典型交直流混联系统工程为例，其中直流电压等级为±500kV，交流电压等级为220kV。直流部分取葛洲坝-南桥±500kV实际工程参数，交流侧通过按保证直流全电压运行潮流测算的结果设置交流系统参数：线路l_L-M和l_M-N均先设为150km，根据方向保护的原理并考虑到保护要留有一定裕度，此处保护的门槛值设置为1.2。

故障方向的判别步骤如下：

1)通过混联系统电流互感器分别检测被保护交流线路两端的电气量信号；

计算得到的电流突变量，当该电流突变量大于设置的阈值时，启动方向保护算法，否则继续监测，如步骤一；

2)切换到高数据采集频率下，并提取0.3ms内的电压和电流，采样率为200kHz；

3)对被保护交流线路两端提取出的电压和电流信号进行Karrenbauer相模变换，得到线模量后进而计算电流前行波和反行波全量；

4)对所得的前行波和反行波分别经过连续小波变换计算小波系数；

5)通过对小波系数的挤压处理获得同步挤压小波系数，并自适应剔除小波系数的干扰值，并以该同步挤压小波系数表征暂态电流波的能量，然后计算电流前行波与反行波的暂态能量比；

6)比较所得暂态能量比与整定值的大小区分正反向故障，两端方向继电器均判断为正向故障时，即为区内故障，否则为区外故障。

利用PSCAD以M-N段超高速方向保护为例，分别针对正/反向故障下的不同故障类型、不同故障位置、不同过渡电阻以及不同故障初始相位角进行仿真测试。

图5和图6分别为线路l_M-N 75km(区内)处和线路l_L-M 75km(区外)处发生A相接地故障时M端处方向继电器的暂态信号，故障初始相位角均为0°，过渡电阻为5Ω。图5(a)为正向发生A相故障的电流暂态行波原始信号图；图5(b)为正向发生A相故障SWT变换后的电流暂态行波信号图。图6(a)为反向发生A相故障的电流暂态行波原始信号图；图6(b)为反向发生A相故障SWT变换后的电流暂态行波信号图。

通过图5(b)，可以求得M处电流波的暂态能量比：λ＝I_f/I_b＝0.086<λ_set，同时结合N端：λ＝I_f/I_b＝0.905<λ_set，从而综合判断为M-N正向故障，结果正确。同理可得图6(b)中，M处电流波的暂态能量比值：λ＝I_f/I_b>λ_set，同时结合N处：λ＝I_f/I_b＝0.9569<λ_set，综合判断为L-M反向故障，识别正确。

Claims (7)

1.一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，通过混联系统线路两端的电流互感器分别检测被保护交流线路两端的电气量信号；

步骤2，通过可编程处理器对步骤1检测到的电气量信号进行预处理，得到被保护交流线路两端的电流突变量，当该电流突变量大于设置的阈值时，执行步骤3，反之，则执行步骤1；

步骤3，将保护系统的采样切换到高数据采集频率下，并根据数据窗的宽度提取相应的电压和电流；

步骤4，对步骤3提取出的电压和电流信号进行Karrenbauer相模变换得到线模量，进而计算电流前行波和反行波全量；

步骤5，对步骤4所得的电流前行波和反行波全量经过进行连续小波变换计算小波系数；

步骤6，自适应剔除步骤5所得的小波系数的干扰值，并通过对小波系数的挤压处理获得同步挤压小波系数，同步挤压小波系数可表征暂态电流波的能量E，根据能量E获得电流前行波的能量E_f和反行波的暂态能量E_b，然后求电流前行波和反行波的暂态能量比λ；

步骤7，比较步骤6所得能量比与整定值的大小区分区内外故障。

2.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：

所述步骤4中通过如下公式(1)计算电流前行波Δi_f(t)和反行波全量Δi_b(t)：

其中，u_*为电压量，i_*为电流量，Z_c为线路波阻抗。

3.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：所述步骤5中通过如下公式(2)计算小波系数：

其中，a为尺度因子、b为平移因子；Ψ(t)为小波母函数。

4.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：

所述步骤6中通过如下公式(3)对小波系数进行挤压处理：

其中， 为小波函数的共轭傅氏变换。

5.根据权利要求4所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：所述步骤6中自适应剔除小波系数的干扰值是通过设置阈值限制被挤压小波系数的极小值以实现滤波降噪的，选用中位数绝对值偏差来评估噪声能量的大小，阈值按照如下公式(4)进行自适应更新：

其中，W_f为小波变换系数，n为信号的长度，n_v为常数。

6.根据权利要求4所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：所述步骤6中挤压频段选择6.25kHz～12.5kHz的频率分量。

7.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态方向保护方法，其特征在于：所述步骤7的具体过程如下：

将能量比与整定值进行作差，差值为正时，即为反向故障，反之，为正向故障；

当被保护交流线路两端方向继电器均判断为正向故障时，即为区内故障，否则为区外故障。