CN109301798B - 一种柔直系统行波保护方法、雷击干扰判断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔直系统行波保护方法、雷击干扰判断方法及装置，采集柔性直流输电系统的电压信号，将电压信号进行S变换得到二维复时频矩阵；根据二维复时频矩阵提取设定频率段内各采样点的幅值，判断设定频率段内采样点的幅值的变化趋势，若幅值变化趋势满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，否则判断为柔性直流输电系统线路发生故障，此时行波保护动作出口。计算量小、耗时短、计算过程简单，提高了直流输电系统行波故障判断效率，可快速切除故障，能够大幅降低电力线路故障所造成的设备损坏，减少交流电网的冲击，降低电网停电损失，有效防止一次电网失稳而造成的大停电事故，进而提高了直流电网的可靠性。

Description

一种柔直系统行波保护方法、雷击干扰判断方法及装置

技术领域

本发明属于直流输电继电保护技术领域，特别涉及一种柔直系统行波保护方法、雷击干扰判断方法及装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，柔性直流输电系统在此基础上不断得到了新的突破。柔性直流输电技术被认为是未来电力传输的发展方向，相对于交流传输系统，直流系统稳定性高，传输损耗小，特别是随着高压大容量功率器件的发展以及高压直流断路器的实现，直流电网已经具备了替代交流电网的技术基础，柔性直流输电由于不存在换相失败的问题，且电压谐波含量少，输出频率与电压稳定，能快速调节有功功率与无功功率，控制灵活性好，可在一定程度上替代传统直流输电进行大规模远距离送电，还可实现可再生能源、抽蓄等储能与负荷间的能量灵活交互，实现大规模清洁能源的接入、汇集与输送，具有广阔的应用前景。特别是其潮流反转而直流电压保持不变的特点，使其很容易构建成多端直流输电系统，组成柔性直流电网，实现多电源供电和多落点受电，从而为保证系统全局稳定性和潮流优化配置提供了良好的技术实现手段。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，保证柔性直流输电的正常运行尤为重要，但在高压直流输电的大力发展中，直流输电线路的可靠性问题受到越来越多的关注。与交流系统保护方法相比，直流线路的短路保护方法还不尽完善。

柔性直流输电线路发生故障后，其电压和电流中通常含有丰富的非工频暂态分量，而且故障分量随着故障时刻、故障位置、过渡电阻及系统运行工况等不同的故障条件的变化而变化。因此，有效分析故障暂态信号，并提取相应的故障特征信息，对于系统保护的快速动作、故障类型的准确识别、故障点的快速定位具有重要的意义。申请公布号为“CN108199357A”，名称为“一种直流输电系统行波保护的方法”的中国发明专利申请文件提出了一种保护方案，该专利的方案需要对大量的数据进行计算，计算耗时长，计算过程复杂，影响直流输电系统故障判断的效率，不能对柔性直流输电系统运行状态进行实时获取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔直系统行波保护方法、雷击干扰判断方法及装置，用于解决现有技术中柔性直流输电系统故障判断效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性直流输电系统行波保护方法，包括如下步骤：

1)采集柔性直流输电系统的电压信号或电流信号，将所述电压信号或电流信号进行S变换得到对应的二维复时频矩阵；

2)根据所述二维复时频矩阵提取设定频率段内各采样点的幅值，判断设定频率段内采样点的幅值的变化趋势，若幅值变化趋势满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若幅值变化趋势不满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，此时行波保护动作出口。

为了提高出口动作效率，在对所述电压信号进行S变换之前，需根据所述电流信号判断直流输电线路是否发生区内故障，若判断发生区内故障，则对所述电压信号进行S变换。只在发生区内故障时才进行S变换处理，防止了区外故障误动的情况发生。

作为对设定频率的进一步限定，所述设定频率段为[20Hz，200Hz]。

本发明还提供了一种柔性直流输电系统雷击干扰判断方法，包括如下步骤：

(1)采集柔性直流输电系统的电压信号和电流信号，将所述电压信号进行S变换得到一个二维复时频矩阵；

(2)根据所述二维复时频矩阵提取设定频率段内各采样点的幅值，判断设定频率段内采样点的幅值的变化趋势，若幅值变化趋势满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰。

为了提高出口动作效率，在对所述电压信号进行S变换之前，需根据所述电流信号判断直流输电线路是否发生区内故障，若判断发生区内故障，则对所述电压信号进行S变换。只在发生区内故障时才进行S变换处理，防止了区外故障误动的情况发生。

作为对设定频率的进一步限定，所述设定频率段为[20Hz，200Hz]。

本发明还提供了一种柔性直流输电系统行波保护装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)采集柔性直流输电系统的电压信号，将所述电压信号进行S变换得到二维复时频矩阵；

2)根据所述二维复时频矩阵提取各频率对应的幅值，判断相邻频率对应的幅值之间的差值与设定阈值的关系，若所述差值大于等于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若所述差值小于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，行波保护动作出口。

本发明还提供了一种柔性直流输电系统雷击干扰判断装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

(1)采集柔性直流输电系统的电压信号，将所述电压信号进行S变换得到二维复时频矩阵；

(2)根据所述二维复时频矩阵提取各频率对应的幅值，判断相邻频率对应的幅值之间的差值与设定阈值的关系，若所述差值大于等于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰。

本发明的有益效果是：

本发明提供的方法计算量小、耗时短、计算过程简单，提高了直流输电系统行波故障判断效率，可快速切除故障，能够大幅降低电力线路故障所造成的设备损坏，减少交流电网的冲击，降低电网停电损失，有效防止一次电网失稳而造成的大停电事故，进而提高了直流电网的可靠性。本发明的方法保证了区外故障不会误动，又可保证区内故障的准确动作，避免了行波保护因线路互感而误动。

附图说明

图1为本发明的柔性直流输电系统的行波保护方法流程图；

图2为本发明中各频率特性下的幅值提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

柔性直流输电系统行波保护方法的实施例

本发明提供了一种柔性直流输电系统行波保护方法，首先通过采集柔性直流输电系统的电压信号和电流信号，将电压信号进行S变换得到一个二维复时频矩阵；然后根据二维复时频矩阵提取设定频率段内各采样点的幅值，判断设定频率段内采样点的幅值的变化趋势，若幅值变化趋势满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若幅值变化趋势不满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，此时行波保护动作出口。

由于高压输电属于远距离输送信号，考虑压降、线路损耗等问题，电流信号抗干扰能力强，不太容易反映故障特征，综合考虑，电压信号更能表现出发生故障后故障行波的特征。因此，本实施例主要研究电压信号对故障行波的影响。具体而言，如图1所示，本实施例的柔性直流输电系统行波保护方法的步骤为：

(1)采集直流输电系统的电压信号u(t)、电流信号i(t)，对电压信号u(t)进行S变换，获得二维复时频矩阵。

(2)根据电流信号i(t)的变化判断柔性直流输电系统是否发生了区内故障，若判发生了区内故障，则对二维复时频矩阵里的元素进行求解幅值。二维复时频矩阵表示为S[R,C]，其中，R表示行向量，C表示列向量，行向量R代表某一特性频率的时域特性，列向量C代表某一时刻的信号随时间变化的幅频特性，矩阵里元素是一个复数，可以提取某一时刻某一特性频率的幅值和相位信息。具体的，对矩阵S[R,C]每行元素的幅值求和，设为A(n)，即代表该特性频率下信号的离散傅里叶变换的幅值，如图2所示。每个点的实际频率值f(n)＝(fs/N)*n，其中，fs为采样频率，N为采样点数，n为采样频率。

当柔性直流输电系统直流线路受到雷击干扰时，频率在100HZ以下的低频分量很弱，而频率集中在频率段[100Hz,600Hz]的分量很大，在[200Hz,600Hz]频段里的故障特征变化趋势不太明显，随着n的增大，该范围特性频率的幅值变化趋势是先增大后减小的。反之线路发生金属接地短路和雷击接地故障时，频率在200HZ以下的低频分量占主导作用，而频率在200HZ以上的高频分量会很小，该范围特性频率分量变化趋势是逐渐变小的；即在频率段[100Hz,200Hz]的幅值都很高，[100Hz,200Hz]分量这段频带里雷击干扰和接地故障(包括金属接地故障和雷击接地短路故障)两者故障行波频谱的变化趋势有明显的规律。

(3)因此，本实施例选取了雷击干扰和接地故障含量都很高，且有明显故障特征区分的频段，即[20Hz，200Hz]，该频率段对应上述的设定频率段。判断设定频率段内采样点的幅值变化的趋势与设定的条件之间的关系，当幅值变化趋势满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若幅值变化趋势不满足设定的条件，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，此时行波保护动作出口。本实施例采用相邻采样点的幅值来判断幅值变化趋势，相邻的采样点基本能判断出幅值变化趋势，即判断相邻采样点的频率对应的幅值之间的差值是否满足设定的条件，本实施例的设定条件指的是发生雷击干扰的阈值。相邻采样点的频率对应的幅值之间的差值表示为A(n)-A(n-1)，发生雷击干扰的阈值表示为K_set，若A(n)-A(n-1)≥K_set，n取值于[20Hz,200Hz]；判断柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若A(n)-A(n-1)<K_set，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，行波保护动作出口。

此外，本实施例还根据电压信号u(t)、电流信号i(t)及线路波阻抗计算线路极波。根据线路极波变化率甄别故障极，当线路极波变化率为正时，正极线路发生故障，当线路极波变化率为负时，负极线路发生故障。

本发明首先对采集的电压信号进行S变换，然后得到一个二维复时频矩阵，根据得到的二维复时频矩阵的模值特性判断柔性直流输电系统是发生雷击干扰还是线路故障，然后结合极波的变化率来进一步判断柔性直流输电系统的雷击干扰或线路故障，其区内动作可靠，速动性高，可避免线路互感引起的误动，从检测到故障到保护出口，可以达到3ms以内，能够满足柔性直流输电线路超高速保护3ms的需求。

柔性直流输电系统雷击干扰判断方法的实施例

本发明还提供了一种柔性直流输电系统雷击干扰判断方法，由于判断柔性直流输电系统是否发生雷击干扰的具体方法已经在上述实施例中进行了详细的说明，因此，在这里不再赘述。

柔性直流输电系统行波保护装置的实施例

本实施例中的保护装置包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明的柔性直流输电系统行波保护方法，该方法已在柔性直流输电系统行波保护方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

柔性直流输电系统雷击干扰判断装置的实施例

本实施例中的判断装置包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明的柔性直流输电系统雷击干扰判断方法，该方法已在柔性直流输电系统雷击干扰判断方法的实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种柔性直流输电系统行波保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采集柔性直流输电系统的电压信号和电流信号，将所述电压信号进行S变换得到一个二维复时频矩阵；

2)根据所述二维复时频矩阵提取设定频率段内各采样点的幅值，判断设定频率段内采样点的幅值的变化趋势，若幅值变化趋势大于或等于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若幅值变化趋势小于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，此时行波保护动作出口。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统行波保护方法，其特征在于，在对所述电压信号进行S变换之前，需根据所述电流信号判断直流输电线路是否发生区内故障，若判断发生区内故障，则对所述电压信号进行S变换。

3.根据权利要求1或2所述的柔性直流输电系统行波保护方法，其特征在于，所述设定频率段为[20Hz，200Hz]。

4.一种柔性直流输电系统雷击干扰判断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集柔性直流输电系统的电压信号和电流信号，将所述电压信号进行S变换得到一个二维复时频矩阵；

(2)根据所述二维复时频矩阵提取设定频率段内各采样点的幅值，判断设定频率段内采样点的幅值的变化趋势，若幅值变化趋势大于或等于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰。

5.根据权利要求4所述的柔性直流输电系统雷击干扰判断方法，其特征在于，在对所述电压信号进行S变换之前，需根据所述电流信号判断直流输电线路是否发生区内故障，若判断发生区内故障，则对所述电压信号进行S变换。

6.根据权利要求4或5所述的柔性直流输电系统雷击干扰判断方法，其特征在于，所述设定频率段为[20Hz，200Hz]。

7.一种柔性直流输电系统行波保护装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

1)采集柔性直流输电系统的电压信号，将所述电压信号进行S变换得到二维复时频矩阵；

2)根据所述二维复时频矩阵提取各频率对应的幅值，判断相邻频率对应的幅值之间的差值与设定阈值的关系，若所述差值大于等于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰，若所述差值小于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生故障，行波保护动作出口。

8.一种柔性直流输电系统雷击干扰判断装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

(1)采集柔性直流输电系统的电压信号，将所述电压信号进行S变换得到二维复时频矩阵；

(2)根据所述二维复时频矩阵提取各频率对应的幅值，判断相邻频率对应的幅值之间的差值与设定阈值的关系，若所述差值大于等于设定阈值，判断为柔性直流输电系统线路发生雷击干扰。

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