CN110912091B - 一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护系统及方法，测量直流输电线路保护安装处的电流和电压，确定零模故障电流首行波；利用小波变换标定得到的零模故障电流首行波到达时刻，保护启动；测量保护启动后的零模故障电流，利用小波变换进行反射波识别，自适应改变保护计算的数据窗长度；根据零模故障电流首行波表达式形式，构造基本拟合函数，利用列文伯格‑马夸尔特优化算法对得到的零模故障电流首行波进行拟合，得到拟合系数b；判断得到的b值是否满足保护判据，实现不同故障条件下的保护。本发明通过拟合得到反映故障位置的参数，具有高速动性，高可靠性，高灵敏度。

Description

一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护系统及方法。

背景技术

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术具有功率控制灵活，系统谐波含量小等优点，在清洁能源并网、孤岛供电、异步电网互联等技术领域具有明显优势。未来我国柔性直流输电将会向远距离、大容量、多端数的方向发展。柔性直流输电线路发生故障后，各换流站立即向故障点馈入短路电流，故障电流上升速度快、幅值大，对直流系统造成严重危害。国家电网公司目前对柔性直流输电线路的继电保护出口时间提出了3毫秒的要求，柔性直流输电超高速保护成为目前研究的重点。

实际投入运行的直流输电线路主保护包括行波保护和微分欠压保护。行波保护主要采用ABB和SIEMENS两家公司的单端量行波保护原理，动作时间在几个毫秒，满足速动性要求，但两种保护方法的耐过渡电阻能力和抗噪声能力较弱。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护系统及方法，提高了现有行波保护的性能，满足柔性直流输电线路对继电保护的要求。

本发明采用以下技术方案：

一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，包括以下步骤：

S1、测量直流输电线路保护安装处的电流和电压，确定零模故障电流首行波；

S2、利用小波变换标定步骤S1得到的零模故障电流首行波到达时刻，保护启动；

S3、测量保护启动后的零模故障电流，利用小波变换进行反射波识别，根据反射波到达时刻改变保护计算的数据窗长度；

S4、根据零模故障电流首行波表达式形式，构造基本拟合函数，利用列文伯格-马夸尔特优化算法和步骤S3获得的数据窗长度对得到的零模故障电流首行波进行拟合，得到拟合系数b；

S5、判断步骤S4得到的b值是否满足保护判据，实现单端行波超高速保护。

具体的，步骤S1中，零模故障电流首行波i_0f计算如下：

其中，Z_c0为输电线路的零模波阻抗，i₀为零模电流，u₀为零模电压。

进一步的，零模电流i₀、电压u₀计算如下：

其中，i_p、i_n、u_p、u_n分别为保护安装处测得的正极、负极电流和电压，电流方向为母线指向线路。

具体的，步骤S2中，当W_max≥W_set，保护启动；W_max为零模电流的模极大值结果，阈值W_set取0.02kA。

具体的，步骤S3中，若启动元件动作时间为t₀，对接下来T_s时间窗内数据进行采样，再次用小波变换模极大值法对采样的T_s时间窗内数据进行奇异值检测。

进一步的，若|W_2max≥W_2set|满足，则证明反射波在保护启动后T_s内到达保护安装处，记下此时的时间t₁，保护计算的数据窗长度此时变为T_n＝t₁-t₀；

若T_s时间窗内|W_2max≥W_2set|不满足，则数据窗长度为T_n＝T_s，W_2max为第二次判别时零模电流的模极大值结果，阈值W_2set取0.001kA。

具体的，步骤S4中，基本拟合函数p(t)为：

p(t)＝-ae^(-bt)+c

其中，a、b、c均为拟合参数，e为指数函数。

进一步的，拟合采用列文伯格-马夸尔特优化算法，具体如下：

目标函数为：

其中，y_ij是因变量实测值，M是实测值的个数，P是待求参数个数，Q是待拟合函数个数，自变量x_i＝[x_1i,x_2i,…x_Hi]，α＝[α₁,α₂,…α_P]，H是x_i的个数，

是加权系数；

列文伯格-马夸尔特优化算法通过多次迭代使当前迭代的参数α_cur接近最优近似参数α_min，如下：

α_min＝α_cur+D^-1[-▽χ²(α_cur)]

其中，D＝H_m+μI,H_m是海森矩阵，I是单位矩阵,μ是阻尼系数。

具体的，步骤S5中，保护判据为：

b≥b_thre＝k_relb_se

其中，b_thre是保护整定值，k_rel是可靠系数，b_se是区外最严重故障时拟合零模故障电流首行波得到的系数b。

本发明的另一个技术方案是，一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护装置，利用所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，包括：

电流采样处理模块，测量直流输电线路保护安装处的电流和电压，确定零模故障电流首行波；

标定模块，标定零模故障电流的到达时刻t₀；

判断模块，对T_n时间内反射波是否到达进行判断，对得到的零模故障电流首行波进行拟合得到拟合系数b；以拟合系数b作为保护判断依据，并将是否进行保护信息发送至保护模块；

保护模块，根据判断模块的判断结果确定是否进行保护动作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，利用故障首行波包含的故障位置信息，通过对零模故障电流首行波进行拟合实现故障位置信息的提取，构造保护判据。仿真验证表明所提出的保护方法具有高速动性，高可靠性，线路远端发生高阻故障仍可正确动作。

进一步的，通过步骤S1，提取出保护安装处零模故障电流首行波，为步骤S2-S5的保护计算做准备。

进一步的，过步骤S3，确定步骤S4中拟合所采用的数据窗长度。

进一步的，采用列文伯格-马夸尔特优化算法能准确、快速的提取故障参数。

综上所述，本发明利用故障首行波包含的故障位置信息，通过拟合得到反映故障位置的参数，具有高速动性，高可靠性，高灵敏度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为±400kV柔性直流输电系统的示意图；

图2为零模故障电流首行波的拟合结果；

图3为不同故障条件下的保护结果；

图4为保护流程图；

图5为采样频率为50kHz时的保护结果。

具体实施方式

本发明提供了一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，通过分析得出线路首端保护安装处的零模故障电流首行波表达式具有y＝-ae^(-bx)+c的形式。其中，参数b随着故障距离的增大而变小。同时，受到柔性直流输电线路边界限流电抗器的作用，限流电抗器换流器侧(区外)故障时拟合得到的参数b将有明显的下降。由此构造基本拟合函数p(t)＝-ae^(-bt)+c对线路首端保护安装处测得的零模故障电流首行波进行拟合，得到反映故障位置的参数b，从而实现区内外故障的判别。同时，利用小波变换模极大值的方法实现保护的启动判别和自适应数据窗长选择。

请参阅图4，本发明一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，包括以下步骤：

S1、测量直流输电线路保护安装处电流及电压，计算零模故障电流首行波；

测量直流输电线路线路保护安装处电流及电压，按下式计算出零模电流、电压：

其中，i_p、i_n、u_p、u_n分别为保护安装处测得的正极、负极电流和电压，电流方向为母线指向线路。并按下式计算出零模故障电流首行波：

其中，Z_c0为输电线路的零模波阻抗。

S2、利用小波变换标定零模故障电流首行波到达时刻，保护启动；

采用小波变换模极大值的方法对保护安装处零模电流进行奇异性检测，利用二次样条小波尺度五的结果进行首行波到达时刻的识别，当：

W_max≥W_set (3)

保护启动；其中，W_max为零模电流的模极大值结果，阈值W_set取0.02kA。

S3、测量保护启动后T_s时间窗内的零模故障电流，利用小波变换对其进行反射波识别。对于反射波在故障后T_s内到达的情况，自适应地改变保护计算的数据窗长度；

若启动元件动作时间为t₀，对接下来T_s时间窗内数据进行采样，再次用小波变换模极大值法对采样的T_s时间窗内数据进行奇异值检测；

若|W_2max≥W_2set|满足，则证明反射波在保护启动后T_s内到达保护安装处，记下此时的时间t₁，保护计算的数据窗长度此时变为T_n＝t₁-t₀；

若T_s时间窗内|W_2max≥W_2set|不满足，则数据窗长度为T_n＝T_s。其中，W_2max为第二次判别时零模电流的模极大值结果，阈值W_2set取0.001kA。

S4、根据零模故障电流首行波表达式形式，构造基本拟合函数p(t)＝-ae^(-bt)+c，利用列文伯格-马夸尔特优化算法对得到的零模故障电流首行波进行拟合，得到拟合系数b；

线路首端保护安装处的零模故障电流首行波表达式具有y＝-ae^(-bx)+c的形式。其中，参数b随着故障距离的增大而变小。

同时，受到柔性直流输电线路边界限流电抗器的作用，限流电抗器换流器侧(区外)故障时拟合得到的参数b将有明显的下降。

由此构造基本拟合函数p(t)＝-ae^(-bt)+c对线路首端保护安装处测得的零模故障电流首行波进行拟合，得到反映故障位置的参数b。

拟合采用列文伯格-马夸尔特优化算法，具体如下：

目标函数为：

其中，y_ij是因变量实测值，M是实测值的个数，P是待求参数个数，Q是待拟合函数个数，自变量x_i＝[x_1i,x_2i,…x_Hi]，α＝[α₁,α₂,…α_P]，H是x_i的个数，

是加权系数。

列文伯格-马夸尔特优化算法通过多次迭代使当前迭代的参数α_cur接近最优近似参数α_min，如下所示：

α_min＝α_cur+D^-1[-▽χ²(α_cur)] (5)

其中，D＝H_m+μI,H_m是海森矩阵，I是单位矩阵,μ是阻尼系数。

S5、判断计算得到的b值是否满足保护判据，实现区内外故障的判别。

利用拟合参数b进行区内外故障判别，保护判据为：

b≥b_thre＝k_relb_se (6)

其中，b_thre是保护整定值，k_rel是可靠系数，本专利取1.5，b_se是区外最严重故障(区外出口处发生金属性故障)时拟合零模故障电流首行波得到的系数b。

一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护装置，利用所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，包括电流采样处理模块、标定模块、判断模块和保护模块。

电流采样处理模块，测量直流输电线路保护安装处的电流和电压，确定零模故障电流首行波；

标定模块，标定零模故障电流的到达时刻t₀；

判断模块，对T_n时间内反射波是否到达进行判断，对得到的零模故障电流首行波进行拟合得到拟合系数b；以拟合系数b作为保护判断依据，并将是否进行保护信息发送至保护模块；

保护模块，根据判断模块的判断结果确定是否进行保护动作

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中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，基本拟合函数和零模故障电流首行波吻合程度高，利用列文伯格-马夸尔特优化算法得到的结果具有高拟合优度，拟合系数能反应故障位置信息。图3为不同故障条件下的保护结果，图4为保护流程图。可以看出：

1)相同的过渡电阻情况下，故障的距离越远，b越小，区外故障导致b显著变小；

2)保护判据在能有效在1毫秒内完成区内外故障的判别，区内故障时均正确动作，区外故障时可靠不动作；

3)对于500km的直流输电线路发生400Ω过渡电阻的故障，保护仍能快速可靠的保护线路全长。

仿真验证：

在PSCAD上搭建如图1所示的±400kV真双极接线的柔性直流输电系统，换流站为全桥MMC，直流线路为频变参数模型，参数为默认值，线路长度500km，线路两端平波电抗器为100mH。仿真验证中，采样频率分别为50kHz和200kHz。

仿真中区内故障的故障距离设置为50km、150km、250km、350km、450km，过渡电阻设置为0Ω、30Ω、100Ω、200Ω、300Ω、400Ω。区外故障设置了平波电抗器换流站侧出口金属性故障。故障发生在1s。

图3和图5分别给出了采样频率为200kHz和50kHz时的保护结果。可以看出，采样频率变化后保护方法仍适用。在采样数据中分别加入信噪比为20dB和40dB的噪声。保护结果如表1所示。

表1不同信噪比噪声干扰下的保护结果

可以看出，本发明保护方法对噪声干扰具有高鲁棒性。

本发明提出的保护方法利用故障首行波包含的故障位置信息，通过对零模故障电流首行波进行拟合实现故障位置信息的提取，构造保护判据。仿真验证表明所提出的保护方法具有高速动性，高可靠性，线路远端发生高阻故障仍可正确动作。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量直流输电线路保护安装处的电流和电压，确定零模故障电流首行波；

S2、利用小波变换标定步骤S1得到的零模故障电流首行波到达时刻，保护启动；

S3、测量保护启动后的零模故障电流，利用小波变换进行反射波识别，根据反射波到达时刻改变保护计算的数据窗长度；

S4、根据零模故障电流首行波表达式形式，构造基本拟合函数p(t)，利用列文伯格-马夸尔特优化算法和步骤S3获得的数据窗长度对得到的零模故障电流首行波进行拟合，得到拟合系数b，基本拟合函数p(t)为：

p(t)＝-ae^(-bt)+c

其中，a、b、c均为拟合参数，e为指数函数，拟合采用列文伯格-马夸尔特优化算法，具体如下：

目标函数为：

其中，y_ij是因变量实测值，M是实测值的个数，P是待求参数个数，Q是待拟合函数个数，自变量x_i＝[x_1i,x_2i,…x_Hi]，α＝[α₁,α₂,…α_P]，H是x_i的个数，

是加权系数；

列文伯格-马夸尔特优化算法通过多次迭代使当前迭代的参数α_cur接近最优近似参数α_min，如下：

其中，D＝H_m+μI，H_m是海森矩阵，I是单位矩阵，μ是阻尼系数；

S5、判断步骤S4得到的b值是否满足保护判据，实现单端行波超高速保护。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，步骤S1中，零模故障电流首行波i_0f计算如下：

其中，Z_c0为输电线路的零模波阻抗，i₀为零模电流，u₀为零模电压。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，零模电流i₀、零模电压u₀计算如下：

其中，i_p、i_n、u_p、u_n分别为保护安装处测得的正极、负极电流和电压，电流方向为母线指向线路。

4.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，步骤S2中，当W_max≥W_set，保护启动；W_max为零模电流的模极大值结果，阈值W_set取0.02kA。

5.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，步骤S3中，若启动元件动作时间为t₀，对接下来T_s时间窗内数据进行采样，再次用小波变换模极大值法对采样的T_s时间窗内数据进行奇异值检测。

6.根据权利要求5所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，若|W_2max≥W_2set|满足，则证明反射波在保护启动后T_s内到达保护安装处，记下此时的时间t₁，保护计算的数据窗长度此时变为T_n＝t₁-t₀；

若T_s时间窗内|W_2max≥W_2set|不满足，则数据窗长度为T_n＝T_s，W_2max为第二次判别时零模电流的模极大值结果，阈值W_2set取0.001kA。

7.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，其特征在于，步骤S5中，保护判据为：

b≥b_thre＝k_relb_se

其中，b_thre是保护整定值，k_rel是可靠系数，b_se是区外最严重故障时拟合零模故障电流首行波得到的系数b。

8.一种柔性直流输电线路单端行波超高速保护系统，其特征在于，利用权利要求6所述的柔性直流输电线路单端行波超高速保护方法，包括：

电流采样处理模块，测量直流输电线路保护安装处的电流和电压，确定零模故障电流首行波；

标定模块，标定零模故障电流的到达时刻t₀；

判断模块，对T_n时间内反射波是否到达进行判断，对得到的零模故障电流首行波进行拟合得到拟合系数b；以拟合系数b作为保护判断依据，并将是否进行保护信息发送至保护模块；

保护模块，根据判断模块的判断结果确定是否进行保护动作。

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