CN109061397B - 一种线路故障区域识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线路故障区域识别方法，包括如下步骤：计算出T区等值阻抗Z_eq；计算出线路上故障时，T区非故障侧与故障侧的电流T区传递函数，进而得出其幅频特性曲线，从而确定被削减频带所对应的小波变换的层数J；赋初值给故障区域判别启动整定值Δ_set1，T区故障标准能量差的最大值ΔE_Jset；测量并计算出线模电流I_L和I_R；故障区域判别保护是否需动作；测量并计算出T区标准能量差ΔE_J；判断标准能量差ΔE_J与最大值ΔE_Jset的关系，进而判别故障区域。本发明根据T区对故障暂态电流中低频分量的削减作用，通过小波变换提取T区两侧故障暂态电流能量差异，可实现故障方位的快速、可靠识别，进而综合各T区的故障方向信息实现故障区域判定。

Description

一种线路故障区域识别方法

技术领域

本发明涉及电学技术领域，特别涉及一种并联型多端混合高压直流输电线路故障区域识别方法。

背景技术

目前，多回直流的集中馈入容易引发多回直流系统换相失败的发生，从而对交直流混合电网的安全稳定性造成严重影响，而多端混合直流输电技术则是解决上述问题的有效技术手段之一。如南方电网计划于2020年投运的特高压多端混合直流输电系统——乌东德送电广东广西直流输电工程。

直流架空线路是直流系统中故障概率最高的组成部分，因而直流线路保护显得尤为重要。实际上直流线路保护的配置与系统拓扑以及所采用的换流原理有关。对于传统的基于LCC的两端直流输电线路，其线路保护已较为成熟。当线路保护检测出线路发生故障时，可通过整流侧的紧急移相，实现线路弧道去游离和重启；若为永久性故障，则闭锁换流站从而实现故障隔离。对于基于MMC的直流电网，其故障电流不可控，出于可靠性的要求，在直流线路两端应当都配有直流断路器，线路故障时要求保护装置能够有选择性地控制直流断路器快速动作切除故障线路以保证系统剩余部分继续正常运行。而对于并联型多端混合直流系统而言，直流线路故障时，由于不管故障发生在哪一段线路，其故障处理的方式都是相同的，即均是通过整流侧LCC的紧急移相，同时闭锁MMC换流器，从而实现线路能量的释放和去游离，若为瞬时性故障则线路重启即可恢复。在这种情况下，线路保护只需要检测出线路故障，而不需要定位故障线路，因此现有的行波保护即可满足要求。但若为永久性故障，则保护装置还必须可靠识别出具体的故障线路，从而通过开关操作最小限度地隔离故障区域。

由于并联型多端混合直流系统的不同线路之间是直接相连的，并没有如直流电网中直流线路两端的限流电抗器边界，因此基于MMC的直流电网保护原理并不能被直接应用。而采用基于纵联直流差动的原理，需要交换站间的同步电流信息，且当线路较长时，为了避免区外故障的误判，需要设定的延时也较长。若线路配置快速行波保护，则保护动作后，直流线路故障特征减弱，基于直流差动原理的判别方法将难以可靠定位故障线路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种线路故障区域识别方法，此方法基于T区两侧暂态电流能量差值的直流线路故障方向判别原理，可实现故障方位的快速、可靠识别，进而综合各T区的故障方向信息实现故障区域判定，具有动作速度快、抗过渡电阻能力强等的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种线路故障区域识别方法，包括如下步骤：

S1、计算出T区等值阻抗Z_eq；

S2、计算出线路上故障时，T区非故障侧与故障侧的电流T区传递函数，同时对其进行幅频特性分析，进而得出其幅频特性曲线，根据该曲线得到T区对某频带的幅值削减大于50％时的频带f1-f2，从而确定被削减频带所对应的小波变换的层数J；

S3、赋初值给故障区域判别启动整定值Δ_set1以适应不同的运行方式，T区故障标准能量差的最大值ΔE_Jset；

S4、测量并计算出安装T区左侧电流互感器的线模电流I_L和安装T区右侧电流互感器的线模电流值I_R；

S5、判断是否满足

如果满足，则继续进行步骤S6；如果不满足，则故障区域判别保护无需动作；

其中，ΔIm(n)表示在线模电流I_L和I_R线模突变量的第n个采样点，m取L或R表示左侧或右侧；

S6、测量并计算出T区标准能量差ΔE_J，用于故障方向的判别；

S7、判断ΔE_J与ΔE_Jset的大小关系；如果满足|ΔE_J|＞ΔE_Jset,ΔE_J＞0，则故障方向元件

输出-1；如果满足|ΔE_J|＞ΔE_Jset,ΔE_J＜0，则故障故障方向元件

输出1；如果满足|ΔE_J|＜ΔE_Jset，则故障方向元件输出0；

S8、若有

则故障发生在第h个T区内；若有

则故障发生在第h和第h+1个换流站之间的线路上。

优选的，所述步骤S1中，T区等值阻抗计算公式为：

其中，Z_conv为换流器等值阻抗，L_d为平波电抗器，j为虚数单位，ω表示角频率；

T区换流器等值电感L_eq＝2L₀/3，换流器等值电容C_eq＝6C₀/N，换流器等值电阻R_eq＝2R_arm/3，其中L₀为桥臂等值电感，C₀为桥臂等值电容，R_eq为桥臂等值电阻。

优选的，所述步骤S2中，线路故障时传递函数为：

其中，ΔI₁(s)为故障侧暂态电流，ΔI₂(s)非故障侧暂态电流，Z₂(s)为非故障侧线路阻抗，Z₃(s)是T区的等值阻抗，Z₃(s)＝L_ds+Z_conv(s)，Z_conv(s)为换流器等值频域阻抗，s表示复变量，代入数据可以得到其幅频特性图。

优选的，所述故障区域判别启动整定值初值Δ_set1按躲过正常直流线路电流的波动来整定。

优选的，所述步骤S6中，标准能量差ΔE_J的计算步骤为：

先根据T区传递函数幅频特性确定中低频带所对应的小波变换的层数J；

再在给定的数据窗内，对T区左右两侧的暂态电流进行小波变换，以反映信号突变处的特性，并计算其第J层小波能量E_LJ与E_RJ，具体计算公式为：

E_J＝∑[d_J(n)]²

其中，d_J为线模电流变化量小波变换后第J层的细节系数；

在此基础上，定义标准能量差为：

其中，max(E_LJ,E_RJ)为取T区左右两侧能量的最大值，作比来消除过渡电阻的影响；ΔE_Jset的选取要大于T区故障时标准能量差的最大值，而小于T区左右两侧线路故障时标准能量差的最小值。

优选的，令

分别对应第1个换流站和最后一个换流站的虚拟方向元件输出；纵联各个换流站的故障信息，得到故障区段判别结果；若有

则故障发生在第h个T区内；若有

则故障发生在第h和第h+1个换流站之间的线路上；

其中，

表示第h个换流站的虚拟方向元件输出，

表示第h+1个换流站的虚拟方向元件输出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明根据T区对故障暂态电流中低频分量的削减作用，通过小波变换提取T区两侧故障暂态电流能量差异，可实现故障方位的快速、可靠识别，进而综合各T区的故障方向信息实现故障区域判定。

2、本发明动作速度快，能与行波保护相配合实现故障线路的快速隔离。

3、本发明能适用于直流系统不同的运行方式，且具有较强的抗过渡电阻能力。

4、本发明应用于三端系统时无需站间通信；而对于四端及以上的系统，则只需传递T接换流站的故障方向信息，对通信要求低，且不需要站间的同步。

5、本发明所需采样频率较低，可基于现有高压/特高压直流工程的控制保护平台实现。

附图说明

图1是本发明T区故障等值模型图。

图2是本发明直流线路故障的等值电路图。

图3是本发明实施例T区1测量故障暂态能量图。

图4是本发明实施例T区2测量故障暂态能量。

图5是本发明四端混合直流输电系统结构拓扑图。

图6是本发明T区结构示意图。

图7是本发明故障区域识别计算流程图。

图8是T区等值电容对传递函数幅频特性的影响曲面图。

图9是T区等值电感对传递函数幅频特性的影响曲面图。

图10是T区等值电阻对传递函数幅频特性的影响曲面图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1-10所示，由于T区的传递函数受多个参数影响，包括换流器等值电阻R_eq、等值电感L_eq、等值电容C_eq和平波电抗器L_d。下面逐一对各影响因素进行分析。

换流器等值电感L_eq＝2L₀/3大小取决于换流器桥臂电感L₀，所以T区的等值电感由平波电抗器L_d和桥臂电感共同决定；T区等值电容C_eq＝6C₀/N由子模块电容C₀和子模块数N共同决定；T区等值电阻R_eq＝2R_arm/3由桥臂等值电阻决定。然而，不同的工程所对应的各参数均有所不同，但其参数均在一定范围之内。为了定量分析其特性，不妨先假设T区等值阻抗两个量已知，讨论另一参数变化对传递函数特性的影响。

参考现有工程，子模块电容值一般在20mF以内，子模块个数在400以内，所以等值电容变化范围可以考虑为0.1-1mF之间变化；平波电抗器在0.1-0.3H之间，桥臂电抗在50mH左右，所以等值电感考虑其在0.15-0.4H之间变化；桥臂电阻通常在0.3Ω左右，所以考虑等值电阻在0.1-0.5Ω之间变化。

假设L_eq+L_d＝0.2H，R_eq＝0.2Ω，得到传递函数随等值电容与频率变化的幅频特性图图8。

由图8可知，T区的传递函数总体对中低频带呈现带阻特性，且随着电容值的增加，其对低频的削减越严重，同时阻带带宽增大，中心频率减小。

同理，假设C_eq＝0.3mF，R_eq＝0.2Ω，得到传递函数随等值电感与频率变化的幅频特性图图9和假设L_eq+L_d＝0.2H，C_eq＝0.3mF，得到传递函数随等值电阻与频率变化的幅频特性图图10。

由图9和图10可知，电感与电阻的改变，传递函数的幅频特性对中低频带的带阻特性依旧存在；随着电感的增大，阻带带宽范围减小，中心频率减小；电阻的变化，其幅频特性无明显变化。

综上所述，T区域的传递函数在中低频4-80Hz的频带上呈现明显的带阻特性；等值电容与等值电感会对其带阻特性的中心频率和阻带带宽有一定影响，但不会影响其本质特征，而等值电阻则无明显影响。由此可见，利用该特性对于不同的工程具有较好的普适性。

一种线路故障区域识别方法，具体步骤为：

S1、计算出T区等值阻抗Z_eq，计算公式为：

Z_eq＝Z_conv+jωL_d

其中，Z_conv为换流器等值阻抗，L_d为平波电抗器，j表示虚数单位、ω表示角频率

T区换流器等值电感L_eq＝2L₀/3，换流器等值电容C_eq＝6C₀/N，换流器等值电阻R_eq＝2R_arm/3，其中L₀为桥臂等值电感，C₀为桥臂等值电容，R_eq为桥臂等值电阻。

S2、计算出线路上故障时，T区非故障侧与故障侧的电流T区传递函数，同时对其进行幅频特性分析，进而得出其幅频特性曲线，根据该曲线得到T区对某频带的幅值削减大于50％时的频带f1-f2，从而确定被削减频带所对应的小波变换的层数J；

线路故障时传递函数为：

其中，ΔI₁(s)为故障侧暂态电流，ΔI₂(s)非故障侧暂态电流，Z₂(s)为非故障侧线路阻抗，Z₃(s)是T区的等值阻抗，Z₃(s)＝L_ds+Z_conv(s)，Z_conv(s)为换流器等值频域阻抗，s表示复变量，代入数据可以得到其幅频特性图。

S3、赋初值给故障区域判别启动整定值Δ_set1，T区故障标准能量差的最大值ΔE_Jset；所述故障区域判别启动整定值初值Δ_set1按躲过正常直流线路电流的波动来整定；经过T区的故障电流行波的中低频能量会被大幅削减，而中低频带是根据T区对电流暂态能量削减＞50％得到的频带，理论上而言，若发生在T区两侧即线路上的故障，其标准能量差会大于0.5p.u.；而发生在T区母线上故障时，标准能量差趋近于0。所以定值ΔE_Jset躲开T区故障时的值同时小于0.5p.u.即可。

S4、测量并计算出安装T区左侧电流互感器的线模电流I_L和安装T区右侧电流互感器的线模电流值I_R。

S5、判断是否满足

如果满足，则继续进行步骤S6；如果不满足，则故障区域判别保护无需动作；

其中，ΔIm(n)表示在T区线模电流I_L和I_R线模突变量的第n个采样点，m取L或R表示左侧或右侧。

S6、测量并计算出T区标准能量差ΔE_J；

所述标准能量差ΔE_J的计算步骤为：

先根据T区传递函数幅频特性确定中低频带所对应的小波变换的层数J；

再在给定的数据窗内，对T区左右两侧的暂态电流进行小波变换，并计算其第J层小波能量E_LJ与E_RJ，具体计算公式为：

E_J＝∑[d_J(n)]²

其中，d_J为线模电流变化量小波变换后第J层的细节系数；

在此基础上，定义标准能量差为：

其中，max(E_LJ,E_RJ)为取T区左右两侧能量的最大值，作比来消除过渡电阻的影响；ΔE_Jset的选取要大于T区故障时标准能量差的最大值，而小于T区左右两侧线路故障时标准能量差的最小值。

S7、判断ΔE_J与ΔE_Jset的大小关系；如果满足|ΔE_J|＞ΔE_Jset,ΔE_J＞0，则故障方向元件

输出-1；如果满足|ΔE_J|＞ΔE_Jset,ΔE_J＜0，则故障故障方向元件

输出1；如果满足|ΔE_J|＜ΔE_Jset，则故障方向元件输出0。

S8、若有

则故障发生在第h个T区内；若有

则故障发生在第h和第h+1个换流站之间的线路上。

其中，

表示第h个换流站的虚拟方向元件输出，

表示第h+1个换流站的虚拟方向元件输出。

对于有n个T区接换流站的系统，需要结合多个T区的故障方向判别结果进行故障线路的判定，其原理类似于方向纵联保护，具体方法为：

当故障发生时，令

分别对应第1个换流站和最后一个换流站的虚拟方向元件输出；纵联各个换流站的故障信息，得到故障区段判别结果；若有

则故障发生在第h个T区内；若有

则故障发生在第h和第h+1个换流站之间的线路上；

其中，

表示第h个换流站的虚拟方向元件输出，

表示第h+1个换流站的虚拟方向元件输出。

工程实施例：

图5给出了四端混合直流输电系统结构拓扑图。系统额定直流电压为±800kV，额定输送功率为8000MW，其中MMC1站接受2000MW，MMC2站接受2000MW，MMC3站接受4000MW。LCC换流站采用定直流电流控制，MMC1和MMC2换流站采用定功率控制，MMC3换流站采用定电压控制。平波电抗器取值为300mH。直流线路采用频变参数模型，线路总长为1800km，其中L1、L2和L3长度均为600km。保护采样率为10kHz，取2ms数据窗长度进行判据计算。小波函数采用db4小波，取d7尺度下能量差进行计算，对应的频带为39.0625-78.125Hz。在线路L2中点正极设置单极接地金属性故障，选择3ms作为冗余数据窗，计算出T区1和T区2的两侧故障电流暂态能量，T区1和T区2测量故障暂态能量如图3和图4。

从图3和图4中可以看出，故障发生于线路L2时，两侧的T区均对cd7层小波能量有明显的削减，同一个T区两侧的暂态电流能量差异明显，可以准确地显示故障方位信息。

应用PSCAD/EMTDC仿真软件对所提故障区域识别方法进行了大量仿真。在常规的双极大地回线运行下，分别考虑各条线路3个位置：线路中点、线路始端、线路末端(以LCC换流站方向为始端方向)，每个位置故障类型考虑了金属性、过渡电阻100Ω和300Ω的单极接地故障以及线路中点金属性和50Ω极间故障；在双极/大地回线共存运行方式(如图2，换流站4的极Ⅱ闭锁，极Ⅰ单极大地回线运行，同时换流站1、2、3均双极大地回线运行)下，在线路L3中点考虑了金属性、过渡电阻100Ω和300Ω的单极接地故障三种情况。取启动定值Δ_set1＝0.1，故障区域识别定值Δ_set2＝0.4。仿真实验结果如表1。

表1各种故障条件下的仿真结果

由表1可以看出，所提故障区域识别方法对高阻接地故障由足够的灵敏性。在线路中点、线路始端和线路末端经过300Ω过渡电阻接地故障时，暂态电流能量也可以保证远大于整定值，而T区发生不同过渡电阻单极故障时，暂态电流能量都远远小于整定值。同时，在双极/大地回线共存运行方式下，仍然能正确判别故障区域

理论和实践表明：本发明可以准确区分故障发生所在区域，动作快速可靠，不受系统运行方式的影响，灵敏度高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种线路故障区域识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、计算出T区等值阻抗Z_eq；

所述步骤S1中，T区等值阻抗计算公式为：

其中，Z_conv为换流器等值阻抗，L_d为平波电抗器，j为虚数单位，ω表示角频率；

T区换流器等值电感L_eq＝2L₀/3，换流器等值电容C_eq＝6C₀/N，换流器等值电阻R_eq＝2R_arm/3，其中L₀为桥臂等值电感，C₀为桥臂等值电容，R_eq为桥臂等值电阻；

S2、计算出线路上故障时，T区非故障侧与故障侧的电流T区传递函数，同时对其进行幅频特性分析，进而得出其幅频特性曲线，根据该曲线得到T区对某频带的幅值削减大于50％时的频带f1-f2，从而确定被削减频带所对应的小波变换的层数J；

S3、赋初值给故障区域判别启动整定值Δ_set1，T区故障标准能量差的最大值ΔE_Jset；

S4、测量并计算出安装T区左侧电流互感器的线模电流I_L和安装T区右侧电流互感器的线模电流值I_R；

S5、判断是否满足

如果满足，则继续进行步骤S6；如果不满足，则故障区域判别保护无需动作；

其中，ΔI_m(n)表示在线模电流I_L或I_R线模突变量的第n个采样点，m取L或R表示左侧或右侧；

S6、测量并计算出T区标准能量差ΔE_J；

所述步骤S6中，标准能量差ΔE_J的计算步骤为：

先根据T区传递函数幅频特性确定中低频带所对应的小波变换的层数J；

再在给定的数据窗内，对T区左右两侧的暂态电流进行小波变换，并计算其第J层小波能量E_LJ与E_RJ，具体计算公式为：

E_J＝∑[d_J(n)]²

其中，d_J为线模电流变化量小波变换后第J层的细节系数；

在此基础上，定义标准能量差为：

其中，max(E_LJ,E_RJ)为取T区左右两侧能量的最大值，作比来消除过渡电阻的影响；ΔE_Jset的选取要大于T区故障时标准能量差的最大值，而小于T区左右两侧线路故障时标准能量差的最小值；S7、判断ΔE_J与ΔE_Jset的大小关系；如果满足|ΔE_J|＞ΔE_Jset,ΔE_J＞0，则故障方向元件

输出-1；如果满足|ΔE_J|＞ΔE_Jset,ΔE_J＜0，则故障故障方向元件，

输出1；如果满足|ΔE_J|＜ΔE_Jset，则故障方向元件

输出0；

S8、若有

则故障发生在第h个T区内；若有

则故障发生在第h和第h+1个换流站之间的线路上。

2.根据权利要求1所述的线路故障区域识别方法，其特征在于，所述步骤S2中，线路故障时传递函数为：

其中，ΔI₁(s)为故障侧暂态电流，ΔI₂(s)非故障侧暂态电流，Z₂(s)为非故障侧线路阻抗，Z₃(s)是T区的等值阻抗，Z₃(s)＝L_ds+Z_conv(s)，Z_conv(s)为换流器等值频域阻抗，s表示复变量。

3.根据权利要求1所述的线路故障区域识别方法，其特征在于，所述故障区域判别启动整定值初值Δ_set1按躲过正常直流线路电流的波动来整定。

4.根据权利要求1所述的线路故障区域识别方法，其特征在于，令

分别对应第1个换流站和最后一个换流站的虚拟方向元件输出；

纵联各个换流站的故障信息，得到故障区段判别结果；若有

则故障发生在第h个T区内；若有

则故障发生在第h和第h+1个换流站之间的线路上；

其中，

表示第h个换流站的虚拟方向元件输出，

表示第h+1个换流站的虚拟方向元件输出。

Images