CN111342435B - 适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，包括：实时采集并存储线路两极的电压、电流；判断保护单元所在线路是否发生故障；该线路上的保护单元截取T _l 长度的数据窗；对数据窗内的正负极电压、电流采样值进行相模变换并求取电压反向行波；分别对正负极线路的0模、1模电压反向行波进行小波变换模极大值处理；根据得到的1模电压反向行波模极大值判定故障是否位于该保护单元所在线路的保护区内；通过0模和1模电压反向行波模极大值的比值确定故障极。本发明具有高可靠性、高速动性、抗干扰性，在不同故障类型、不同故障电阻和不同故障距离下均能准确识别。

Description

适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，特别是一种适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法。

背景技术

传统电力系统接收和消纳大规模可再生能源的能力有限，因此导致了很多“弃风”、“弃光”现象的出现。柔性直流输电技术，能够提高可再生能源发电的并网效率，削弱电压波动对电网的冲击，基于柔性直流输电技术的柔性直流输电系统对于灵活消纳大规模可再生能源具有重要意义。为了柔性直流输电系统能够安全可靠地运行，准确检测与快速清除系统中出现的故障是非常重要的。和换流站内部故障相比，直流电网线路故障的影响范围更广，更容易出现“局部故障，全网停运”的现象。同时，为节省造价，直流电网采用了架空输电线路，但其故障率比直流电缆更高，因此直流电网的线路保护是直流电网保护中非常重要的一个环节。线路保护系统需要准确识别并仅隔离故障线路与故障极，从而保证非故障区域与健全极仍能正常运行；同时，也需要具备极高的响应速度。

目前，柔性直流电网的线路保护基本上都借鉴于传统高压直流输电系统的线路保护，即主保护一般以行波保护和微分欠压保护为主，后备保护主要是纵联差动保护。但是，现有直流线路的保护研究对直流线路故障后的过程缺乏深入而细致的分析，保护原理和方法基本上停留在电压电流的突变量和微分层面，在故障电阻较大、故障距离较远、信号噪声干扰等情况下保护易误动或易拒动，保护可靠性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，克服现有的柔性直流输电系统线路保护方法的不足；该方法实时监测直流线路两极的电压、电流，当线路发生故障时，通过保护启动模块、区内故障识别模块、故障极判定模块能够快速准确地检测出故障，为后续的故障清除提供有效的保护动作依据，保护的可靠性高。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，包括以下步骤：

步骤1：保护单元实时采集并存储直流线路两极的电压、电流，通过电压梯度启动算法判断保护单元所在线路是否发生故障，若当前时刻的电压梯度值达到保护启动阈值时，启动保护；

步骤2：保护启动后，该线路上的保护单元截取T_l长度的数据窗；

步骤3：对数据窗内的正负极电压、电流采样值进行相模变换并求取电压反向行波，得到0模和1模电压反向行波；

步骤4：分别对正负极线路的0模、1模电压反向行波进行小波变换模极大值处理；

步骤5：根据得到的1模电压反向行波模极大值判定故障是否位于该保护单元所在线路的保护区内，若该值的绝对值超过整定值时，则判定发生了区内故障；

步骤6：通过0模和1模电压反向行波模极大值的比值确定故障极，以确保故障极线路的保护可靠速动而健全极线路的保护可靠不动；所述故障极线路的判定判据为

式中，k_jact为正、负极保护单元动作实测值，j＝p或n，p代表正极，n代表负极；ΔT为考虑0模与1模行波波速差的采样裕量；Wu_jb0(t)和Wu_jb1(t)分别代表j极线路上的0模和1模电压反向行波模极大值；T₀为第1个使保护启动判据满足的采样点。

进一步地，在步骤5中，保护区内的故障识别判据为|Wu_jb1(t)|＞U₁

式中，U₁为区内故障识别整定值，要大于最严重区外故障下区内保护单元监测到的1模电压反向行波模极大值的绝对值。

进一步地，在步骤1中，所述保护启动的判据为

式中，u_j(t-T)为j极线路在采样时刻t的第T个采样周期前的电压采样值；

为在采样时刻t的电压梯度值；U₀为保护启动整定值；若采样时刻t的电压梯度值的绝对值大于保护启动整定值，则线路保护启动，记第1个使保护启动判据满足的采样点为T₀，代表保护启动时刻，并利用保护启动后的正负极电压、电流采样数据进行故障判断。

进一步地，在步骤2中，保护启动后，该线路上的保护单元截取T_l长度的数据窗，T_l≥1ms。

进一步地，在步骤3中，所述相模变换公式为

式中，u_p和u_n分别是正极、负极电压，u_p0和u_n0分别是正极、负极电压的0模分量，u_p1和u_n1分别是正极、负极电压的1模分量，i_p和i_n分别是正极、负极电流，i_p0和i_n0分别是正极、负极电流的0模分量，i_p1和i_n1分别是正极、负极电流的1模分量；

求取0模和1模电压反向行波的公式为

式中，u_jb0和u_jb1分别代表j极线路上0模和1模电压反向行波；u_j0和u_j1分别是j极线路上电压的0模和1模分量，i_j0和i_j1分别是j极线路上电流的0模和1模分量；Z_c0和Z_c1分别是直流线路上的0模和1模波阻抗。

进一步地，在步骤4中，采用Mallat算法并以三次中心B样条函数的导函数作为母小波计算小波变换模极大值。

与现有技术相比。本发明的有益效果是：仅需利用单端电流、电压行波信号，无需进行两端通信，同时具有高可靠性、高速动性、抗干扰性(不同信号噪声水平)，在不同故障类型(单极接地、极间短路、两极接地)、不同故障电阻(最高可达500Ω)和不同故障距离(可检测远端故障)下均能准确识别，为后续的故障清除提供有效的保护动作依据，进而对提高柔性直流输电系统的稳定性有重要的意义。

附图说明

图1为本发明的保护方法流程示意图。

图2为本发明实施例中的柔性直流输电系统示意图。

在图3-图18中，实线对应左侧纵坐标轴，虚线对应右侧纵坐标轴。

图3-图6分别为本发明实施例中区内正极接地故障时保护单元PU₁₄处的0模和1模正、负极电压反向行波及其小波变换模极大值。

图7-图10分别为本发明实施例中区内极间短路故障时保护单元PU₁₄处的0模和1模正、负极电压反向行波及其小波变换模极大值。

图11-图14为本发明实施例中区内两极接地故障(正极故障电阻≠负极故障电阻)时保护单元PU₁₄处的0模和1模正、负极电压反向行波及其小波变换模极大值。

图15-图18为本发明实施例中区内两极接地故障(正极故障电阻＝负极故障电阻)时保护单元PU₁₄处的0模和1模正、负极电压反向行波及其小波变换模极大值。

图19为本发明实施例中区内正极接地故障(不同故障电阻和不同故障距离)时保护单元PU₁₄处的0模和1模电压反向行波及其小波变换模极大值。

图20为本发明实施例中区内正极接地故障(不同故障距离和不同信号噪声水平)时保护单元PU₁₄处的0模和1模电压反向行波及其小波变换模极大值。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明一种适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，包括以下步骤：

(1)保护启动模块：根据保护单元(位于直流线路两端的正、负极)实时采集并存储直流线路两极的电压、电流，通过电压梯度启动算法判断保护单元所在线路是否发生故障，若当前时刻的电压梯度值达到保护启动阈值时，启动保护；

其中，保护启动判据为

式中，u_j(t-T)为j极线路在采样时刻t的第T个采样周期前的电压采样值，j＝p,n(正极，负极)；

为在采样时刻t的电压梯度值；U₀为保护启动整定值，要大于正常运行电压波动时电压梯度的最大值，同时也要保证快速准确地检测到区内故障。

若采样时刻t的电压梯度值的绝对值大于保护启动整定值，则线路保护启动，记第1个使保护启动判据满足的采样点为T₀，代表保护启动时刻，并利用保护启动后的正负极电压、电流采样数据进行故障判断。

(2)保护启动后，该线路上的保护单元截取T_l长度的数据窗；保护启动后，该线路上的保护单元截取T_l长度的数据窗，T_l≥1ms，其中，数据窗也应包含保护启动之前的部分数据，以保证充分包含初始行波的波头。

(3)对数据窗内的正负极电压、电流采样值进行相模变换并求取电压反向行波，可得到0模和1模电压反向行波；

具体的，相模变换公式为

式中，u_p和u_n分别是正极、负极电压，u_p0和u_n0分别是正极、负极电压的0模分量，u_p1和u_n1分别是正极、负极电压的1模分量，i_p和i_n分别是正极、负极电流，i_p0和i_n0分别是正极、负极电流的0模分量，i_p1和i_n1分别是正极、负极电流的1模分量。

求取0模和1模电压反向行波的公式为

式中，u_jb0和u_jb1分别代表j极线路上0模和1模电压反向行波，j＝p,n(正极，负极)；u_j0和u_j1分别是j极线路上电压的0模和1模分量，i_j0和i_j1分别是j极线路上电流的0模和1模分量；Z_c0和Z_c1分别是直流线路上的0模和1模波阻抗。

(4)分别对正负极线路的0模、1模电压反向行波进行小波变换模极大值处理；采用Mallat算法并以三次中心B样条函数的导函数作为母小波计算小波变换模极大值。

(5)区内故障识别模块：根据得到的1模电压反向行波模极大值判定故障是否位于该保护单元所在线路的保护区内，若该值的绝对值超过整定值时，则判定发生了区内故障；

其中，保护区内的故障识别判据为

|Wu_jb1(t)|＞U₁ (4)

式中，Wu_jb1(t)代表1模电压反向行波模极大值，U₁为区内故障识别整定值，要大于最严重区外故障下区内保护单元监测到的1模电压反向行波模极大值的绝对值。

若判据成立，则说明发生了区内故障，需要进一步区分故障极与健全极。

(6)故障极判定模块：通过0模和1模电压反向行波模极大值的比值确定故障极，以确保故障极线路的保护可靠速动而健全极线路的保护可靠不动。

故障极判定判据为

式中，k_jact为正、负极保护单元动作实测值，j＝p,n(正极，负极)，其整定值为-1；Wu_jb0(t)代表0模电压反向行波模极大值。ΔT为考虑0模与1模行波波速差的采样裕量，其选取应大于直流线路末端故障情况下，初始故障电压行波0模量和1模量到达该线路保护单元安装处的时间差，对于架空高压直流输电线路来说，1模波速约为3.07×10⁸m/s，0模波速约为2.91×10⁸m/s，并取该线路长度为lm，则该时间差约为(l/2.91×10⁸-l/3.07×10⁸)s，且保留足够裕度，以充分体现故障极与健全极初始故障电压行波0模量和1模量的到达时间差异，同时，考虑到保护速动性的要求，ΔT也不能太大。

因此，无论是正极保护单元还是负极保护单元，在保护启动并识别为区内故障后，若本极保护单元检测到k_jact>-1时，则该极即为故障极，保护动作出口跳闸；反之，若本极保护单元检测到k_jact<-1时，则该极即为健全极，保护闭锁不动作。

为更好地说明本发明所能达到的技术效果，下面通过具体实例进一步验证本发明技术方案。

图2为四端柔性直流输电系统结构图，对于直流线路14，线路保护单元与直流断路器DB₁₄和DB₄₁配合(间距为l₁₄)，安装在该线路两端，保护区域为其所在线路，由该线路两端的平波电抗器L₁₄和L₄₁界定。其余线路的配置与线路14类似。以线路14的保护单元PU₁₄(包括正极保护单元和负极保护单元，分别安装在线路14的正极和负极)为例，f₁是直流线路区内故障，f₂、f₃、f₄、f₅、f₆、f₇、f₈均属于区外故障，本方法主要讨论区分故障f₁和其余故障，以及判定线路14的故障极。本实施例具体实施如下：

(1)保护启动模块：保护单元PU₁₄实时采集并存储直流线路14两极的电压、电流信号，根据正、负极电压采样值，检测是否满足保护启动判据

式中，u_j(t-T)为j极线路在采样时刻t的第T个采样周期前的电压采样值，j＝p,n(正极，负极)；

为在采样时刻t的电压梯度值；U₀为保护启动整定值，其值设置为0.1kV。

若采样时刻t的电压梯度值的绝对值大于保护启动整定值，则线路保护启动，记第1个使保护启动判据满足的采样点为T₀，代表保护启动时刻。

(2)截取数据窗：保护启动后，保护单元PU₁₄截取T_l长度的数据窗，且T_l＝1ms，其中，包含保护启动时刻T₀之前0.1ms长度的数据。

(3)数据处理：相模变换公式为

式中，u_p和u_n分别是正极、负极电压，u_p0和u_n0分别是正极、负极电压的0模分量，u_p1和u_n1分别是正极、负极电压的1模分量，i_p和i_n分别是正极、负极电流，i_p0和i_n0分别是正极、负极电流的0模分量，i_p1和i_n1分别是正极、负极电流的1模分量。

求取0模和1模电压反向行波的公式为

式中，u_jb0和u_jb1分别代表j极线路上0模和1模电压反向行波，j＝p,n(正极，负极)；u_j0和u_j1分别是j极线路上电压的0模和1模分量，i_j0和i_j1分别是j极线路上电流的0模和1模分量；Z_c0和Z_c1分别是直流线路上的0模和1模波阻抗。

采用Mallat算法并以三次中心B样条函数的导函数作为母小波计算0模和1模电压反向行波的小波变换模极大值。

图3-图6为区内f₁处正极接地故障时(故障距离为线路14的50％，故障电阻为0Ω)保护单元PU₁₄测量计算得到的0模和1模正、负极电压反向行波及其小波变换模极大值，正极保护单元0模和1模电压反向行波的小波变换模极大值分别为-632.71kV和-378.87kV，负极保护单元0模和1模电压反向行波的小波变换模极大值分别为-632.71kV和378.87kV。

(4)区内故障识别模块：保护单元PU₁₄测量计算得到0模和1模正负极电压反向行波及其小波变换模极大值后，采用如下判据

|Wu_jb1(t)|＞U₁

式中，Wu_jb1(t)代表1模电压反向行波模极大值，j＝p,n(正极，负极)；U₁为区内故障识别整定值，其值取35.6kV。若判据成立，则说明发生了区内故障，需要进一步区分故障极与健全极。表1中给出了多种区外故障的测试结果，均不满足判据，“SNT”代表保护启动模块不触发，即保护不启动；而对于图4和图6的区内故障，其|Wu_jb1|＝378.87kV，判据成立，判定为区内故障。

表1区外故障测试结果

Wu<sub>jb1</sub>(kV)	f<sub>2</sub>	f<sub>3</sub>	f<sub>4</sub>	f<sub>5</sub>	f<sub>6</sub>	f<sub>7</sub>	f<sub>8</sub>
								正极PU<sub>14</sub>	0.90	1.32	-6.21	3.43	-17.8	SNT	SNT
负极PU<sub>14</sub>	-0.90	-1.32	6.21	-3.43	17.8	SNT	SNT

(5)故障极判定模块：保护单元PU₁₄判定发生区内故障后，采用如下判据

式中，k_jact为正、负极保护单元动作实测值，j＝p,n(正极，负极)，其整定值为-1；Wu_jb0(t)代表0模电压反向行波模极大值，ΔT取为0.042ms(对于线路14)。若判据成立，则说明本极为故障极；若不成立，则说明本极为健全极。

对于图3-图6中区内f₁处正极接地故障时(故障距离为线路14的50％，故障电阻为0Ω)：正极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_pact＝1.67，满足判据，正极为故障极；负极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_nact＝-1.67，不满足判据，负极为健全极。

对于图7-图10中区内f₁处极间短路故障时(故障距离为线路14的50％，故障电阻为0Ω)：正、负极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_pact、k_nact均为0，满足判据，正极、负极均为故障极。

对于图11-图14中区内f₁处两极接地故障时(故障距离为线路14的50％，正极故障电阻为0Ω，负极故障电阻为500Ω)：正极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_pact＝0.62，满足判据，正极为故障极；负极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_nact＝-0.62，满足判据，负极也为故障极。

对于图15-图18中区内f₁处两极接地故障时(故障距离为线路14的50％，正、负极故障电阻均为0Ω)：正、负极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_pact、k_nact均为0，满足判据，正极、负极均为故障极。

表2中给出了不同故障条件下k_jact的取值范围。当正极线路出现故障时，无论是正极接地下的k_pact>1，是极间短路下的k_pact＝0，还是两极接地下的k_pact>-1、k_pact>0、k_pact＝0，均有k_pact>-1成立，且与正极保护不应动作的负极接地下的k_pact<-1刚好对立；同理，当负极线路出现故障时，均有k_nact>-1成立，且与负极保护不应动作的正极接地下的k_nact<-1刚好对立。因此，本判据在不同故障条件下均能准确动作。

表2不同故障条件下的k_jact

图19表明当区内f₁处发生正极接地故障时，在不同故障距离(0％-100％)和不同故障电阻(0Ω、100Ω、500Ω)下正极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_pact均大于-1，满足判据，正极为故障极；负极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_nact(＝-k_pact)均小于-1，不满足判据，负极为健全极。此外，可以看出k_pact随着故障距离的变大而有所减小，而对故障电阻不敏感，但都可以准确判定故障极和健全极。

图20表明当区内f₁处发生正极接地故障时，在不同故障距离(0％、50％、100％)和不同信号噪声水平(0dB-70dB)下正极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_pact均大于-1，满足判据，正极为故障极；负极保护单元PU₁₄测量计算得到的k_nact(＝-k_pact)均小于-1，不满足判据，负极为健全极。此外，可以看出k_pact在信号噪声增加到一定水平后不再变化，也印证了它会随着故障距离的变大而有所减小，但都可以准确判定故障极和健全极。

因此，本发明提出的保护方法在不同故障电阻、不同故障距离、不同信号噪声下均能准确快速地识别故障，为后续的故障清除提供可靠的保护动作依据。

Claims (6)

1.一种适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：保护单元实时采集并存储直流线路两极的电压、电流，通过电压梯度启动算法判断保护单元所在线路是否发生故障，若当前时刻的电压梯度值达到保护启动阈值时，启动保护；

步骤2：保护启动后，该线路上的保护单元截取T_l长度的数据窗；

步骤3：对数据窗内的正负极电压、电流采样值进行相模变换并求取电压反向行波，得到0模和1模电压反向行波；

步骤4：分别对正负极线路的0模、1模电压反向行波进行小波变换模极大值处理；

步骤5：根据得到的1模电压反向行波模极大值判定故障是否位于该保护单元所在线路的保护区内，若该值的绝对值超过整定值时，则判定发生了区内故障；

步骤6：通过0模和1模电压反向行波模极大值的比值确定故障极，以确保故障极线路的保护可靠速动而健全极线路的保护可靠不动；所述故障极线路的判定判据为

式中，k_jact为正、负极保护单元动作实测值，j＝p或n，p代表正极，n代表负极；ΔT为考虑0模与1模行波波速差的采样裕量；Wu_jb0(t)和Wu_jb1(t)分别代表j极线路上的0模和1模电压反向行波模极大值；T₀为第1个使保护启动判据满足的采样点。

2.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，其特征在于，在步骤5中，保护区内的故障识别判据为

|Wu_jb1(t)|>U₁

式中，Wu_jb1(t)代表1模电压反向行波模极大值，U₁为区内故障识别整定值，要大于最严重区外故障下区内保护单元监测到的1模电压反向行波模极大值的绝对值。

3.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，其特征在于，在步骤1中，所述保护启动的判据为

式中，u_j(t-T)为j极线路在采样时刻t的第T个采样周期前的电压采样值；

为在采样时刻t的电压梯度值；U₀为保护启动整定值；若采样时刻t的电压梯度值的绝对值大于保护启动整定值，则线路保护启动，记第1个使保护启动判据满足的采样点为T₀，代表保护启动时刻，并利用保护启动后的正负极电压、电流采样数据进行故障判断。

4.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，其特征在于，在步骤2中，T_l≥1ms。

5.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，其特征在于，在步骤3中，所述相模变换公式为

式中，u_p和u_n分别是正极、负极电压，u_p0和u_n0分别是正极、负极电压的0模分量，u_p1和u_n1分别是正极、负极电压的1模分量，i_p和i_n分别是正极、负极电流，i_p0和i_n0分别是正极、负极电流的0模分量，i_p1和i_n1分别是正极、负极电流的1模分量；

求取0模和1模电压反向行波的公式为

式中，u_jb0和u_jb1分别代表j极线路上0模和1模电压反向行波；u_j0和u_j1分别是j极线路上电压的0模和1模分量，i_j0和i_j1分别是j极线路上电流的0模和1模分量；Z_c0和Z_c1分别是直流线路上的0模和1模波阻抗。

6.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电系统输电线路的单端量行波保护方法，其特征在于，在步骤4中，采用Mallat算法并以三次中心B样条函数的导函数作为母小波计算小波变换模极大值。

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