CN109462216A - 适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法 - Google Patents

适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法，包括：LCC端保护单元和VSC端保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极高频电压行波信号和正、负极高频电流行波信号；根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及已知的故障极识别判据识别出LCC端故障极和VSC端故障极；识别出LCC端的故障极所对应的故障方向及VSC端的故障极所对应的故障方向；若LCC端的故障方向和VSC端的故障方向均为正向故障，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障；根据确定的故障类型执行相应的保护。应用本发明，可以解决现有技术存在的故障识别可靠性差、保护容易误动的技术问题。

Description

适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体地说，涉及电力系统的保护方法，更具体地说，是涉及一种适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法。
背景技术
随着电力系统规模的逐渐增长，具有输电距离长、输电容量大、输电效率高等特点的大容量交直流混联系统大量建设。LCC-HVDC系统作为一种电流源型高压直流输电系统，输电容量大、输电损耗小，但应用于逆变站时存在换相失败的风险。VSC-HVDC系统作为一种电压源型高压直流输电系统，可向无源系统输电，没有换相失败风险，且可实现一定的潮流控制，但其输电容量较难提高。因此，整流侧和逆变侧分别为LCC-HVDC原理和VSC-HVDC原理的LCC-VSC-HVDC混合直流输电系统得到了广泛应用。
目前，混合直流输电系统大部分仍采用传统基于电压变化量、电压变化率和电流变化率的行波保护方法。本质上，其利用的电压、电流频率较低，并不是严格意义上的行波保护方法。同时，现有保护方法作为一种单端量保护方法，也不具备方向识别能力，故障识别可靠性差，容易产生保护误动，这种现象在发生区外故障时尤为明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法，解决现有技术存在的故障识别可靠性差、保护容易误动的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法，所述方法包括：
LCC端保护单元和VSC端保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极高频电压行波信号和正、负极高频电流行波信号；
故障极识别：所述LCC端保护单元和所述VSC端保护单元分别根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及已知的故障极识别判据识别出LCC端故障极和VSC端故障极；
故障方向识别：所述LCC端保护单元根据识别出的所述LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值以及已知的LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向；所述VSC端保护单元根据识别出的所述VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值以及已知的VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向；
故障类型识别：若LCC端的故障方向和VSC端的故障方向均为正向故障，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障；
根据确定的故障类型执行相应的保护。
如上所述的方法，所述根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及已知的故障极识别判据识别出故障极，具体包括：
计算故障极识别参数η：IP,max和IN,max分别为正极高频电流行波的峰值和负极高频电流行波的峰值；
根据所述故障识别参数η和故障极识别判据识别出故障极，故障极识别判据为：
如上所述的方法，所述LCC端保护单元根据识别出的所述LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值以及已知的LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向，具体包括：
计算LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值E：n为采样点序号，N为数据窗长度，u(n)和i(n)分别为故障极的高频电压行波在第n采样点处的采样值和高频电流行波在第n采样点处的采样值；
根据所述积分值E和LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向，所述LCC端故障方向判据为：
如上所述的方法，所述VSC端保护单元根据识别出的所述VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值以及已知的VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向，具体包括：
计算VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值Q：n为采样点序号，N为数据窗长度，i(n)为故障极的高频电流行波在第n采样点处的采样值；
根据所述积分值Q和VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向，所述VSC端故障方向判据为：
如上所述的方法，所述故障类型识别的过程具体为：
所述LCC端保护单元和所述VSC端保护单元交换故障方向识别结果；
然后，所述LCC端保护单元和所述VSC端保护单元分别执行下述的故障类型识别：若LCC端的故障方向和VSC端的故障方向均为正向故障，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障。
如上所述的方法，所述根据确定的故障类型执行相应的保护，具体包括：
若所述故障类型为所述区内故障，保护单元执行保护动作；
若所述故障类型为所述区外故障，保护单元执行保护闭锁。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
(1)应用本发明的方法，利用正极高频电流行波信号和负极高频电流行波信号可以识别出LCC端及VSC端的故障极；根据识别出的故障极及故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值可以识别出LCC端故障极所对应的故障方向；根据识别出的故障极及故障极所对应的高频电流行波可以识别出VSC端故障极所对应的故障方向；根据两端的故障方向能够确定出故障类型，从而准确识别出区内故障或区外故障，解决了现有技术难以有效故障类型的问题，且故障识别可靠性高，避免了保护误动作，提高了保护可靠性。
(2)应用本发明提出的保护方法，两端保护单元无需时间同步，也无需交换大量的采样数据，仅需交换故障方向，通信通道的数据传输压力小，保护方法更易于实现。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是基于本发明适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法一个实施例的流程图；
图2是图1实施例中混合直流输电线路的网络架构图；
图3为采用图1实施例的方法在发生典型区内故障时两端保护单元的高频电压行波波形和高频电流行波波形，其中(a)为LCC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(b)为LCC端保护单元处正、负极高频电流行波波形，(c)为VSC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(d)为VSC端保护单元处正、负极高频电流行波波形；
图4为采用图1实施例的方法在发生典型LCC端区外故障时两端保护单元的高频电压行波波形和高频电流行波波形，其中(a)为LCC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(b)为LCC端保护单元处正、负极高频电流行波波形，(c)为VSC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(d)为VSC端保护单元处正、负极高频电流行波波形；
图5为采用图1实施例的方法在发生典型VSC端区外故障时两端保护单元的高频电压行波波形和高频电流行波波形，其中(a)为LC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(b)为LCC端保护单元处正、负极高频电流行波波形，(c)为VS端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(d)为VSC端保护单元处正、负极高频电流行波波形。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，该图所示为基于本发明适用于混合直流输电线路的纵联保护方法一个实施例的流程图。结合图2示出的混合直流输电线路网络架构图，该实施例采用下述过程实现混合直流输电线路的纵联行波保护：
步骤11：LCC端保护单元和VSC端保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极高频电压行波信号和正、负极高频电流行波信号。
具体的，在图2中，LCC端保护单元通过RP单元和RN单元分别采集直流输电电路上的正极电压/电流行波信号和负极电压/电流行波信号，VSC端保护单元通过IP和IN单元分别采集直流输电线路上的正极电压/电流行波信号和负极电压/电流行波信号。然后，采用高通滤波器对采集的电压/电流行波信号滤波，获得LCC端的正极高频电压行波信号、正极高频电流行波信号、负极高频电压行波信号、负极高频电流行波信号以及VSC端的正极高频电压行波信号、正极高频电流行波信号、负极高频电压行波信号、负极高频电流行波信号。高通滤波器可以采用现有技术来实现。
步骤12：LCC端保护单元和VSC端保护单元分别执行故障极识别。
具体的，LCC端保护单元和VSC端保护单元分别根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及故障极识别判据识别出LCC端故障极和VSC端故障极。其中，故障极识别判据为已知的判据，为基于正、负极高频电流行波信号即可识别出故障极的判据，该实施例对故障极识别判据的具体算法不作限定。作为一种优选的实施方式，为简化计算过程、提高识别准确性，LCC端保护单元或VSC端保护单元根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及已知的故障极识别判据识别出故障极，具体包括：
计算故障极识别参数η：IP,max和IN,max分别为正极高频电流行波的峰值和负极高频电流行波的峰值；
根据故障识别参数η和故障极识别判据识别出故障极，故障极识别判据为：
其中，极极故障是指同时包括有正极故障和负极故障。
步骤13：LCC端保护单元和VSC端保护单元分别基于故障极识别结果执行故障方向识别。
具体的，在该步骤中，LCC端保护单元根据识别出的LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值以及LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向。譬如，若步骤12识别出LCC端故障极为正极故障，则LCC端保护单元将根据正极高频电压行波采样值和正极高频电流行波采样值的乘积的积分值以及LCC端故障方向判据，识别出正极所对应的故障方向；若步骤12识别出LCC端故障极为负极故障，则LCC端保护单元将根据负极高频电压行波采样值和负极高频电流行波采样值的乘积的积分值以及LCC端故障方向判据，识别出负极所对应的故障方向。
其中，LCC端故障方向判据为已知的判据，为基于高频电流行波信号和高频电压行波信号采样值的乘积的积分值即可识别出故障方向的判据，该实施例对故障方向判据的具体算法不作限定。作为一种优选的实施方式，为简化计算过程、提高识别准确性，LCC端保护单元根据识别出的LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值以及已知的LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向，具体包括：
首先，计算LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值E：n为采样点序号，N为数据窗长度，u(n)和i(n)分别为故障极的高频电压行波在第n采样点处的采样值和高频电流行波在第n采样点处的采样值；
然后，根据积分值E和LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向，LCC端故障方向判据为：该优选实施方法方式利用了高频电压行波和高频电流行波在一定数据窗长度内的积分，可靠性高，在一定程度上可以提高混合直流输电线路的稳定性。
在该步骤中，具体的，VSC端保护单元根据识别出的VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值以及VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向。与LCC端识别类似的，若步骤12识别出VSC端故障极为正极故障，则VSC端保护单元将根据正极高频电流行波的积分值以及VSC端故障方向判据，识别出正极所对应的故障方向；若步骤12识别出VSC端故障极为负极故障，则VSC端保护单元将根据负极高频电流行波的积分值以及VSC端故障方向判据，识别出负极所对应的故障方向。
其中，VSC端故障方向判据也为已知的判据，为基于高频电流行波的积分值即可识别出故障方向的判据，该实施例对VSC端故障方向判据的具体算法也不作限定。作为一种优选的实施方式，为简化计算过程、提高识别准确性，VSC端保护单元根据识别出的VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值以及已知的VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向，具体包括：
计算VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值Q：n为采样点序号，N为数据窗长度，i(n)为故障极的高频电流行波在第n采样点处的采样值；
然后，根据积分值Q和VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向，VSC端故障方向判据为：
其中，sgn(Q)为符号函数。该优选实施方法方式利用了高频电流行波在一定数据窗长度内的积分，可靠性高，在一定程度上可以提高混合直流输电线路的稳定性。
步骤14：根据识别的故障方向确定故障类型。
具体的，若LCC端的故障方向和VSC端的故障方向均为正向故障，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障。并且，LCC端保护单元和VSC端保护单元分别确定各自的故障类型。
具体的，在步骤13确定了LCC端故障方向及VSC端故障方向之后，LCC端保护单元和VSC端保护单元交换故障方向识别结果。然后，LCC端保护单元和VSC端保护单元分别根据LCC端故障方向和VSC端故障方向进行判断，如果两个故障方向均为正向故障，则确定该端的故障类型为区内故障；否则，确定该端故障类型为区外故障。
步骤15：根据确定的故障类型执行相应的保护。
故障类型一般为区内故障或区外故障，每种故障对应着不同的保护策略。若故障类型为区内故障，保护单元将执行保护动作；若故障类型为区外故障，保护单元将执行保护闭锁。在确定故障类型后，根据已知的对应关系，保护单元执行相应的保护。
采用上述实施例的方法执行纵联行波保护，利用正极高频电流行波信号和负极高频电流行波信号可以识别出LCC端及VSC端的故障极；根据识别出的故障极及故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值可以识别出LCC端故障极所对应的故障方向；根据识别出的故障极及故障极所对应的高频电流行波可以识别出VSC端故障极所对应的故障方向；根据两端的故障方向能够确定出故障类型，从而准确识别出区内故障或区外故障，解决了现有技术难以有效故障类型的问题，且故障识别可靠性高，避免了保护误动作，提高了保护可靠性。而且，采用该实施例的方法，两端保护单元独立识别故障极和故障方向，两端保护单元之间无需时间同步，也无需交换大量的采样数据，仅需交换故障方向，通信通道的数据传输压力小，保护方法更易于实现。
图3为采用图1实施例的方法在发生典型区内故障时两端保护单元的高频电压行波波形和高频电流行波波形，其中(a)为LCC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(b)为LCC端保护单元处正、负极高频电流行波波形，(c)为VSC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(d)为VSC端保护单元处正、负极高频电流行波波形。按照图1实施例的方法及优选实施例的方法进行计算，LCC端的故障极识别参数η的值为0.878，大于0.1，识别为正极故障；LCC端的正极的积分值E的值为-511.159J，小于0，为正向故障；因此，LCC端的故障为正向正极故障。经计算，VSC端的故障极识别参数η的值为0.166，大于0.1，识别为正极故障；VSC端的正极的积分值Q的值为24.582mC，sgn(Q)＝+1，因此，VSC端的故障为正向正极故障。由于LCC端和VSC端的故障方向均为正向，则两端的故障类型均为区内故障。
图4为采用图1实施例的方法在发生典型LCC端区外故障时两端保护单元的高频电压行波波形和高频电流行波波形，其中(a)为LCC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(b)为LCC端保护单元处正、负极高频电流行波波形，(c)为VSC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(d)为VSC端保护单元处正、负极高频电流行波波形。按照图1实施例的方法及优选实施例的方法进行计算，LCC端的故障极识别参数η的值为1.414，大于0.1，识别为正极故障；LCC端的正极的积分值E的值为2755.506J，大于0，为反向故障；因此，LCC端的故障为反向正极故障。经计算，VSC端的故障极识别参数η的值为0.057，识别为极极故障，也即包括正极故障和负极故障；VSC端的正极的积分值Q的值为23.188mC，sgn(Q)＝+1，则为正向正极故障；VSC端的负极的积分值Q的值为-4.636mC，sgn(Q)＝-1，为正向负极故障。也即，VSC端的故障方向均为正向。但由于LCC端的故障方向为反向，则两端的故障类型均为区外故障。
图5为采用图1实施例的方法在发生典型VSC端区外故障时两端保护单元的高频电压行波波形和高频电流行波波形，其中(a)为LCC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(b)为LCC端保护单元处正、负极高频电流行波波形，(c)为VSC端保护单元处正、负极高频电压行波波形，(d)为VSC端保护单元处正、负极高频电流行波波形。按照图1实施例的方法及优选实施例的方法进行计算，LCC端的故障极识别参数η的值为0.116，大于0.1，识别为正极故障；LCC端的正极的积分值E的值为-82.398J，小于0，为正向故障；因此，LCC端的故障为正向正极故障。经计算，VSC端的故障极识别参数η的值为0.738，大于0.1，识别为正极故障；VSC端的正极的积分值Q的值为-12.799mC，sgn(Q)＝-1，因此，VSC端的故障为反向正极故障。由于VSC端的故障方向为反向，则两端的故障类型均为区外故障。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种适用于混合直流输电线路的纵联行波保护方法，其特征在于，所述方法包括：
LCC端保护单元和VSC端保护单元分别获取所在端的输电线路上的正、负极高频电压行波信号和正、负极高频电流行波信号；
故障极识别：所述LCC端保护单元和所述VSC端保护单元分别根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及已知的故障极识别判据识别出LCC端故障极和VSC端故障极；
故障方向识别：所述LCC端保护单元根据识别出的所述LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值以及已知的LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向；所述VSC端保护单元根据识别出的所述VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值以及已知的VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向；
故障类型识别：若LCC端的故障方向和VSC端的故障方向均为正向故障，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障；
根据确定的故障类型执行相应的保护。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所在端的正极高频电流行波信号、负极高频电流行波信号及已知的故障极识别判据识别出故障极，具体包括：
计算故障极识别参数IP,max和IN,max分别为正极高频电流行波的峰值和负极高频电流行波的峰值；
根据所述故障识别参数η和故障极识别判据识别出故障极，故障极识别判据为：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LCC端保护单元根据识别出的所述LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值以及已知的LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向，具体包括：
计算LCC端故障极所对应的高频电压行波采样值和高频电流行波采样值的乘积的积分值E：n为采样点序号，N为数据窗长度，u(n)和i(n)分别为故障极的高频电压行波在第n采样点处的采样值和高频电流行波在第n采样点处的采样值；
根据所述积分值E和LCC端故障方向判据，识别出LCC端的故障极所对应的故障方向，所述LCC端故障方向判据为：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述VSC端保护单元根据识别出的所述VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值以及已知的VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向，具体包括：
计算VSC端故障极所对应的高频电流行波的积分值n为采样点序号，N为数据窗长度，i(n)为故障极的高频电流行波在第n采样点处的采样值；
根据所述积分值Q和VSC端故障方向判据，识别出VSC端的故障极所对应的故障方向，所述VSC端故障方向判据为：
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述故障类型识别的过程具体为：
所述LCC端保护单元和所述VSC端保护单元交换故障方向识别结果；
然后，所述LCC端保护单元和所述VSC端保护单元分别执行下述的故障类型识别：若LCC端的故障方向和VSC端的故障方向均为正向故障，确定故障类型为区内故障；否则，确定故障类型为区外故障。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据确定的故障类型执行相应的保护，具体包括：
若所述故障类型为所述区内故障，保护单元执行保护动作；
若所述故障类型为所述区外故障，保护单元执行保护闭锁。
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