CN110749803B - 适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法属于电力系统技术中的继电保护领域，通过测量故障后线路两侧数据窗长度内的故障电压数据与故障电流数据；利用低通滤波器与积分均值法，求出故障电压与电流的直流分量；根据发生的故障类型，选取对应公式求出不同时刻下的故障位置；最后将不同时刻下的计算结果取平均值得到最终测距结果。本发明提出一种全新的适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法，不仅适用于单极接地故障与极间短路故障，并且利用不同时刻的计算结果进行修正，使得测距结果更加准确，具有一定的适用性和使用前景。

Description

适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法及装置
技术领域
本发明涉及的是直流输电故障诊断领域，更具体地，涉及一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭以及环境问题的日益突出，大力发展可再生能源已经成为解决能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。开发和利用以风能为代表的清洁能源，推动风力发电的发展，在促进国民经济增长、环境保护以及应对能源危机等方面具有重要意义。海上风力发电具有风速大、湍流强度低和不占用陆地资源的优势，被认为是未来风力发电的发展方向，成为了未来风电市场的发展重心。由于直流输电线路的损耗较低，直流电网的输送距离远、传输容量大等优势，海上风电一般通过直流输电线路与电力电子变换器接入电网，在结构上呈现“交直交”格局。
当直流输电线路发生故障时，为保证海上风电基地以及接入电网能够继续安全稳定的运行或者将故障影响降到最低，应该尽快找到故障位置，因此直流输电线路的故障测距技术是保证经直流输电线路送出的大型海上风电基地稳定安全运行的关键技术。为了实现直流电网故障后的快速恢复，直流输电线路的故障测距技术便于准确快速地确定故障点，对于海上风电系统的快速恢复具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法，不仅适用于单极接地故障与极间短路故障，并且利用不同时刻的计算结果进行修正，使测距结果更加准确。
一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法，其特征在于，通过测量故障后线路两侧数据窗长度内的故障电压数据与故障电流数据；求出故障电压与电流的直流分量；根据发生的故障类型求出不同时刻下的故障位置；最后将不同时刻下的计算结果取平均值得到最终测距结果。
进一步地，所述方法包括如下步骤：
S1：设定采样数据窗长度T；
S2：通过故障线路两侧母线出口保护安装处的测量装置，获取故障后线路两侧数据窗长度T内的故障电压数据u1(t)、u2(t)与故障电流数据i1(t)、i2(t)；
S3：基于S2中的直流电压数据与直流电流数据，计算出两侧故障电压的在数据窗长度中每个基波周期内故障电压的直流分量[U1dc1,U1dc2,…,U1dcn]、[U2dc1,U2dc2,…,U2dcn]与故障电流的直流分量[I1dc1,I1dc2,…,I1dcn]、[I2dc1,I2dc2,…,I2dcn]；
S4：基于所述故障电压和电流的直流分量，针对不同故障类型，分别计算得出每个基波周期内的保护安装处到故障点的距离[s1,s2,…,sn]；
S5：将不同基波周期内的计算结果取平均值，得到最终故障点位置：
Figure BDA0002292537360000021
进一步地，所述步骤S3具体包括：
S3.1：利用低通滤波器提取故障电压中的低频分量U1lf(t)、U2lf(t)与故障电流中的低频分量I1lf(t)、I2lf(t)；
S3.2：利用积分均值法计算得出故障电流与故障电压的直流分量，计算公式如下：
Figure BDA0002292537360000022
式中，T0为一个基波周期。
进一步地，所述的S4流程中的故障位置计算方法在单极接地故障与极间短路故障中不同。
进一步地，所述在单极接地故障下故障位置的计算方法为：
Figure BDA0002292537360000031
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度。
进一步地，所述极间短路故障下故障位置的计算方法为：
Figure BDA0002292537360000032
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度。
本发明还提出一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距装置，包括采样模块、直流分量获取模块、故障位置计算模块和故障定位模块，其中采样模块的输出连接直流分量获取模块的输入，直流分量获取模块的输出连接故障计算模块的输入，故障计算模块的输出连接故障定位模块的输入，对直流输电线路中的故障点进行定位。
进一步地，所述采样模块中，设定采样数据窗长度T，通过故障线路两侧母线出口保护安装处的测量装置，获取故障后线路两侧数据窗长度T内的故障电压数据u1(t)、u2(t)与故障电流数据i1(t)、i2(t)。
进一步地，所述直流分量获取模块中，
基于采样模块获取的直流电压数据与直流电流数据，计算出两侧故障电压的在数据窗长度中每个基波周期内故障电压的直流分量[U1dc1,U1dc2,…,U1dcn]、[U2dc1,U2dc2,…,U2dcn]与故障电流的直流分量[I1dc1,I1dc2,…,I1dcn]、[I2dc1,I2dc2,…,I2dcn]；
进一步地，所述直流分量获取模块中，直流分量的具体获取方法包括：
利用低通滤波器提取故障电压中的低频分量U1lf(t)、U2lf(t)与故障电流中的低频分量I1lf(t)、I2lf(t)；
利用积分均值法计算得出故障电流与故障电压的直流分量，计算公式如下：
Figure BDA0002292537360000041
式中，T0为一个基波周期。
进一步地，所述故障位置计算模块基于所述故障电压和电流的直流分量，针对不同故障类型，分别计算得出每个基波周期内的保护安装处到故障点的距离[s1,s2,…,sn]；
进一步地，所述故障计算模块中对于故障位置计算方法在单极接地故障与极间短路故障中不同。
进一步地，所述在单极接地故障下故障位置的计算方法为：
Figure BDA0002292537360000042
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度。
进一步地，所述极间短路故障下故障位置的计算方法为：
Figure BDA0002292537360000043
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度。
进一步地，所述故障定位模块将将不同基波周期内的计算结果取平均值，得到最终故障点位置：
Figure BDA0002292537360000044
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所提出的故障测距方法同时兼顾了直流输电线路单极接地故障与极间短路故障两种基本故障类型。两种故障类型的测距流程基本相同，计算所需的电气量也基本一致。在测距过程中仅需根据故障类型选取对应的公式即可求出准确的故障位置，具有一定的适用性。
本发明所提出的故障测距方法利用不同基波周期的测距结果进行修正，避免了因测量元件产生的偶然误差导致测距结果不准确，提高了测距结果的精度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为大型海上风电基地经直流输电线路接出系统的故障测距区段模型简图。
图2为本发明的适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法实施流程图。
图3为直流分量获取流程图。
图4是本发明的适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距装置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是大型海上风电基地经直流输电线路接出系统故障测距区段模型，左右两侧为电压源型换流站。线路长度为100km，导线电阻为0.123Ω/km，电感为0.9836mH/km。取故障后4ms数据窗进行测距计算。采用切比雪夫低通滤波器获取低频分量，其参数设置为：通带截止频率45Hz，阻带截止频率200Hz，阻带允许最小衰减30dB，通带截止频率处衰减0.1dB。
图2示出了本发明提出的适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法实时流程图，其具体步骤如下：
S1：设定采样数据窗长度T；
本实施例中为T＝4ms；
S2：通过故障线路两侧母线出口保护安装处的测量装置，获取故障后线路两侧数据窗长度T内的故障电压数据u1(t)、u2(t)与故障电流数据i1(t)、i2(t)；
S3：基于S2中的直流电压数据与直流电流数据，计算出两侧故障电压的直流分量U1dc(t)、U2dc(t)与故障电流的直流分量I1dc(t)、I2dc(t)，图3示出了直流分量获取流程图，其具体步骤如下：
S3.1：利用低通滤波器提取故障电压中的低频分量U1lf(t)、U2lf(t)与故障电流中的低频分量I1lf(t)、I2lf(t)，所采用的低通滤波器包括但不限于巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器。
S3.2：利用积分均值法计算得出故障电流与故障电压的直流分量，计算公式如下：
Figure BDA0002292537360000061
式中，T0为一个基波周期。
S4：根据直流分量的电气量关系，并考虑不同故障类型，计算得出不同时刻下计算得到的故障位置s(t)。对于单极接地故障，故障位置的计算公式为：
Figure BDA0002292537360000062
对于极间短路故障，故障位置的极端公式为：
Figure BDA0002292537360000063
在两式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为该段线路总长度。
S5：将不同时刻下的计算结果取平均值，得到最终故障位置：
Figure BDA0002292537360000064
采用本发明所述的方法，对于对称参数下的直流线路，在不同故障类型情况下，考虑不同过渡电阻与故障距离的测距结果如表1-2所示。
其中表1为单极接地故障不同过渡电阻及故障距离下的测距结果，表2为极间短路故障不同过渡电阻及故障距离下的测距结果。表1
Figure BDA0002292537360000071
表2
Figure BDA0002292537360000072
Figure BDA0002292537360000081
可见，采用本发明所述的方法，对单极接地故障和极间短路故障都可以得到良好的测距结果，具有很好的精确性和适用性。
本发明还提出一种适用于海上风电的直流输电线路故障测距装置，如图4所示，所述装置包括：采样模块、直流分量提取模块、故障位置计算模块和故障位置定位模块。
采样模块：
设定采样数据窗长度T，通过故障线路两侧母线出口保护安装处的测量装置，获取故障后线路两侧数据窗长度T内的故障电压数据u1(t)、u2(t)与故障电流数据i1(t)、i2(t)；
本实施例中为T＝4ms；
直流分量提取模块：基于采用模块得到的直流电压数据与直流电流数据，计算出两侧故障电压的直流分量U1dc(t)、U2dc(t)与故障电流的直流分量I1dc(t)、I2dc(t)；
其中直流分量提取模块包括低通滤波器，利用低通滤波器提取故障电压中的低频分量U1lf(t)、U2lf(t)与故障电流中的低频分量I1lf(t)、I2lf(t)，所采用的低通滤波器包括但不限于巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器。
利用积分均值法计算得出故障电流与故障电压的直流分量，计算公式如下：
Figure BDA0002292537360000091
式中，T0为一个基波周期。
故障位置计算模块：
根据直流分量的电气量关系，并考虑不同故障类型，计算得出不同时刻下计算得到的故障位置s(t)。对于单极接地故障，故障位置的计算公式为：
Figure BDA0002292537360000092
对于极间短路故障，故障位置的极端公式为：
Figure BDA0002292537360000093
在两式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为该段线路总长度。
最终故障位置定位模块：
将不同时刻下的计算结果取平均值，得到最终故障位置：
Figure BDA0002292537360000094
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距方法，通过测量故障后线路两侧数据窗长度内的故障电压数据与故障电流数据；求出故障电压与电流的直流分量；根据发生的故障类型求出不同时刻下的故障位置；最后将不同时刻下的计算结果取平均值得到最终测距结果其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：设定采样数据窗长度T；
S2：通过故障线路两侧母线出口保护安装处的测量装置，获取故障后线路两侧数据窗长度T内的故障电压数据u1(t)、u2(t)与故障电流数据i1(t)、i2(t)；
S3：基于S2中的故障电压数据与故障电流数据，计算出两侧故障电压的在数据窗长度中每个基波周期内故障电压的直流分量[U1dc1,U1dc2,…,U1dcn]、[U2dc1,U2dc2,…,U2dcn]与故障电流的直流分量[I1dc1,I1dc2,…,I1dcn]、[I2dc1,I2dc2,…,I2dcn]；
S4：基于所述故障电压和电流的直流分量，针对不同故障类型，分别计算得出每个基波周期内的保护安装处到故障点的距离[s1,s2,…,sn]；
S5：将不同基波周期内的计算结果取平均值，得到最终故障点位置：
Figure FDA0003200708490000011
其中所述的S4流程中的故障位置计算方法在单极接地故障与极间短路故障中不同，
所述在单极接地故障下故障位置的计算方法为：
Figure FDA0003200708490000012
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度；
所述极间短路故障下故障位置的计算方法为：
Figure FDA0003200708490000013
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S3.1：利用低通滤波器提取故障电压中的低频分量U1lf(t)、U2lf(t)与故障电流中的低频分量I1lf(t)、I2lf(t)；
S3.2：利用积分均值法计算得出故障电流与故障电压的直流分量，计算公式如下：
Figure FDA0003200708490000021
式中，T0为一个基波周期。
3.一种适用于大型海上风电的直流输电线路故障测距装置，其特征在于，包括采样模块、直流分量获取模块、故障位置计算模块和故障定位模块，其中采样模块的输出连接直流分量获取模块的输入，直流分量获取模块的输出连接故障计算模块的输入，故障计算模块的输出连接故障定位模块的输入，对直流输电线路中的故障点进行定位；
所述采样模块中，设定采样数据窗长度T，通过故障线路两侧母线出口保护安装处的测量装置，获取故障后线路两侧数据窗长度T内的故障电压数据u1(t)、u2(t)与故障电流数据i1(t)、i2(t)；
基于采样模块获取的故障电压数据与故障电流数据，计算出两侧故障电压的在数据窗长度中每个基波周期内故障电压的直流分量[U1dc1,U1dc2,…,U1dcn]、[U2dc1,U2dc2,…,U2dcn]与故障电流的直流分量[I1dc1,I1dc2,…,I1dcn]、[I2dc1,I2dc2,…,I2dcn]；
所述故障位置计算模块基于所述故障电压和电流的直流分量，针对不同故障类型，分别计算得出每个基波周期内的保护安装处到故障点的距离[s1,s2,…,sn]；
所述故障计算模块中对于故障位置计算方法在单极接地故障与极间短路故障中不同，所述在单极接地故障下故障位置的计算方法为：
Figure FDA0003200708490000022
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度；
所述极间短路故障下故障位置的计算方法为：
Figure FDA0003200708490000023
在式中，r0为直流线路单位长度电阻值，L为直流段线路总长度。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述直流分量获取模块中，直流分量的具体获取方法包括：
利用低通滤波器提取故障电压中的低频分量U1lf(t)、U2lf(t)与故障电流中的低频分量I1lf(t)、I2lf(t)；
利用积分均值法计算得出故障电流与故障电压的直流分量，计算公式如下：
Figure FDA0003200708490000031
式中，T0为一个基波周期。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述故障定位模块将不同基波周期内的计算结果取平均值，得到最终故障点位置：
Figure FDA0003200708490000032
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