CN111463764B - 基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，其特征是，包括：测量直流线路正极与负极首端保护安装处电压，构建低电压启动判据；若保护启动，测量直流线路正极与负极首端保护安装处电流，根据正极或负极电流故障分量积分值的符号识别故障方向；若为正向故障，计算直流线路的线模电压行波，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值；计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，根据该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障。本发明满足直流线路快速主保护的需求，能够以较高的灵敏度可靠识别出区内高阻故障与区外故障。

Description

基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，尤其涉及基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

直流输电在大规模可再生能源并网、非同步交流系统连接和远距离大容量传输等方面具有显著的技术优势,应用将越来越广泛。由于直流电网具有低惯量特性，直流故障会在极短的时间内产生很大的短路电流，这会对换流站内的半导体器件造成很大损害，甚至导致换流站闭锁而全网崩溃。张北直流电网要求保护出口时间小于3ms，直流输电线路的快速保护成为目前研究的重点。

发明人在研究中发现，现有的直流工程保护方案主要由ABB和SIEMENS提供，主保护基于行波时域内的变化率或突变量。也有学者提出根据暂态电压高频分量的大小识别线路区内外故障的保护方法。以上方法动作速度快，但均存在保护灵敏度随过渡电阻增大而明显降低，不能准确识别出区内高阻故障的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路单端量保护方法，提高了现有直流线路保护方案的性能。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，包括：

获取直流输电线路单端电压及电流数据；

根据直流输电线路单端电压数据确定是否启动保护，若是，基于直流输电线路单端电流数据识别故障方向；

针对故障方向中的正向故障，计算直流线路电压行波的线模分量，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值；

根据不同尺度下的小波变换模极大值与相应频带的中心频率，计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，由该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障。

另一方面，公开了基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护系统，包括：

数据采集模块，用于采集直流输电线路电压及电流数据；

保护启动模块，针对直流输电线路电压数据确定是否启动保护；

故障方向识别模块，启动保护后，基于直流输电线路电流数据识别故障方向；

区内外故障判别模块，针对故障方向中的正向故障，计算直流线路电压行波的线模分量，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值；

根据不同尺度下的小波变换模极大值以及相应频带下的中心频率，计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，由该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明利用限流电抗器对高频分量的衰减作用，以不同尺度的平稳小波变换提取初始电压行波在不同频带内的分量，并以相应尺度下的小波变换模极大值的绝对值等效表示初始电压行波在相应频带下的幅值，根据初始电压行波等效频域衰减速率的大小识别线路区内与区外故障，本发明满足直流线路快速主保护的需求，能够以较高的灵敏度可靠识别出区内高阻故障与区外故障。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本公开实施例子的±400kV柔性直流输电系统的示意图；

图2(a)-图2(d)为本公开实施例子的不同故障条件下初始电压行波与其近似值的伯德图；

图3为本公开实施例子的保护方法流程图；

图4(a)-图4(d)为本公开实施例子的典型区内外故障下的小波变换模极大值。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法整体技术构思为：

测量直流输电线路正极与负极首端保护安装处电压，构建低电压启动判据。

根据正极或负极电流故障分量积分值的符号识别故障方向。

计算直流线路的线模电压行波，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值。

计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，根据该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障。

实施例一

本发明基于对故障初始电压行波频域衰减速率的分析，总结出当满足以下条件：限流电抗器不小于50mH,区内故障的过渡电阻小于1500Ω，区外单极故障的过渡电阻小于325Ω，区外双极故障的过渡电阻小于650Ω，故障距离小于800km，在频带1k～10kHz内，区内与区外故障下初始电压行波随频率增大而衰减的速率可近似为常数，且区外故障下初始电压行波的频域衰减速率为区内故障的二倍。

图1为±400kV柔性直流输电系统的示意图。图1中L_ij(i，j＝A,B,C,D)为限流电抗器，均为200mH。Line_ij为直流输电线路，采用架空线依频模型，均为200km。R_ij为保护装置。此外，图1中典型故障点F₁-F₅的具体位置为：F₁和F₂分别在线路Line_AB距换流站A的1/3和2/3长度处，F₃在L_BA的线路侧，F₄在L_BA的母线侧，F₅在L_AB的母线侧。

图2(a)为不同过渡电阻下F₃处发生单极故障时初始电压行波U(jω)_{F3_S}与其在满足上述条件下的近似值U_approx(jω)_{F3_S}的伯德图；图2(b)为不同过渡电阻下F₃处发生双极故障时初始电压行波U(jω)_{F3_P}与其在满足上述条件下的近似值U_approx(jω)_{F3_P}的伯德图；图2(c)为不同过渡电阻下F₄处发生双极故障时初始电压行波U(jω)_{F4_S}与其在满足上述条件下的近似值U_approx(jω)_{F4_S}的伯德图；图2(d)为不同过渡电阻下F₄处发生双极故障时初始电压行波U(jω)_{F4_P}与其在满足上述条件下的近似值U_approx(jω)_{F4_P}的伯德图。图2(a)-图2(d)验证了上述规律的准确性。对于过渡电阻高于325Ω的区外单极故障和过渡电阻高于650Ω的双极故障，可通过构建低电压判据使保护不启动。

请参阅图3所示，本发明提出一种基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路单端量快速保护方法，包括以下步骤：

1)测量直流输电线路正极与负极首端保护安装处电压，若满足式(1)则保护启动，进入步骤(2)。本发明公开的保护方法只需单端电气量，本实施例以直流线路首端的保护装置测量的电气量为例进行说明。

|U_x(k)|<0.8U_dc (1)

式中U_x(k)表示正极或负极线路的采样电压，U_dc为额定电压。

2)测量直流输电线路正极与负极首端保护安装处电流，计算正极与负极电流的故障分量，若满足式(2)或式(3)，则为正向故障，继续步骤(3)。否则为反向故障，返回步骤(1)。

式中Δi_p与Δi_n分别表示正极与负极电流的故障分量。积分时间窗为该判据启动后的T_w1。为避免干扰因素的影响，阈值Δ_set设为1×10^-5。

3)计算直流线路正极与负极电压的故障分量，然后根据式(4)计算直流线路电压行波的线模分量Δu₁：

式中Δu_p与Δu_n分别表示正极与负极电压的故障分量。考虑到线模分量传播速度更高，并存在于各种故障类型中，本发明的以下步骤均基于线模分量。

为提取初始电压行波在不同频带内的分量，在步骤(3)启动前的T_w2至启动后的T_w3的时间窗内，以db4为母小波对Δu₁做第2与第3尺度的平稳小波变换，并计算其第2与第3尺度的小波变换模极大值。

4)根据信号的奇异性检测原理，可用第2与第3尺度下第一个满足式(6)的小波变换模极大值的绝对值等效表示初始电压行波在相应频带内的幅值M₂与M₃：

其中，

式中m_J(k)指时间窗(-T_w2,T_w3)内第J尺度的小波变换模极大值。因为正向故障的初始电压行波为负极性，故由初始电压行波引起的m_J(k)小于0。为避免噪声等干扰因素的影响，同时要求|m_J(k)|大于0.5M_Jmax。

以式(8)等效计算初始电压行波的幅值在两个频带中的衰减速率V_at：

式中f₂与f₃为第2与第3尺度所对应频带的中心频率。根据|V_at|的大小即可判别线路区内与区外故障：

式中h为阈值。

步骤4中|V_at|的值基本不受过渡电阻的影响，所以能够准确识别出区内高阻故障。图2所显示的初始电压行波频域衰减速率的特征可以证明能够识别出区内高阻故障。

单极故障的阈值h_s与双极故障的阈值h_p分别根据式(10)与(11)确定：

式中|V_{at_SF4,325}|指F₄处发生过渡电阻为325Ω的单极故障时|V_at|的值，|V_{at_PF4,650}|指F₄处发生过渡电阻为650Ω的双极故障时|V_at|的值；k_rel为可靠系数，取1.2。对于单极故障，可以求得h_s为22.11，对于双极故障，h_p为22.14。

本发明提出的保护方法利用限流电抗器对高频分量的衰减作用，通过计算故障后初始电压行波的等效频域衰减速率识别线路区内与区外故障。仿真验证表明该保护方法动作时间短，可靠性高，并且灵敏度不会随过渡电阻的增大明显降低，抗过渡电阻能力强。本发明满足直流线路快速主保护的需求，能够以较高的灵敏度可靠识别出区内高阻故障与区外故障。

仿真验证：

在PSCAD上搭建如图1所示的±400kV四端双极MMC-HVDC电网。采样频率设为25kHz，此时f₂与f₃分别为4419.42Hz和2795.08Hz。T_w1，T_w2和T_w3分别设置为0.2ms，1ms和0.4ms。

A.典型区内外故障：

先后在F₃处设置过渡电阻为1500Ω的单极故障，在F₄和F₅处设置金属性双极故障，故障时间均为1.2s。保护R_AB的仿真结果如图4和表1所示，其中图4(a)和4(b)分别为F₃处故障时第2和第3尺度的小波变换模极大值，图4(c)和4(d)分别为F₄处故障时第2和第3尺度的小波变换模极大值。

可以看出，1)基于

与

的判据能够准确地检测出故障方向。该判据简单可靠，以下不再验证。2)基于|V_at|的判据能够以较高的灵敏度可靠识别出区内远端高阻故障和严重区外故障。

表1典型区内外故障的仿真结果

B.不同故障位置、故障极类型与过渡电阻下的仿真：

分别在F₁、F₂、F₃和F₄处设置过渡电阻不同的单极和双极故障，仿真结果如表2所示。

表2中“/”代表保护R_AB未启动。由表2的仿真结果知，1)对于区外过渡电阻高于325Ω的单极故障和区外过渡电阻高于650Ω的双极故障，低电压判据可以使保护可靠地不启动。对于区内故障和区外低阻故障，保护能够快速启动。2)|V_at|的值在不同的故障位置与故障类型下均远大于或远小于阈值，可靠性强。3)基于|V_at|的判据抗过渡电阻能力强，过渡电阻的增大对识别区内故障的灵敏度影响很小。

表2不同故障条件下的仿真结果

仿真验证表明该保护方法动作时间短，可靠性高，抗过渡电阻能力强，能够以较高的灵敏度准确识别出区内过渡电阻为1500Ω的故障。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器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实施例子一中的具体步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行实施例子一中的具体步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供一种基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护系统，包括：

数据采集模块，用于采集直流输电线路电压及电流数据。

保护启动模块，针对直流输电线路电压数据确定是否启动保护。

故障方向识别模块，启动保护后，基于直流输电线路电流数据识别故障方向。

区内外故障判别模块，针对故障方向中的正向故障，计算直流线路电压行波的线模分量，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值。根据小波变换模极大值计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，由该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障。

该实施例子中的模块与实施例子一中的具体步骤相对应，此处不再进行赘述。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，其特征是，包括：

测量直流线路正极与负极首端保护安装处电压，构建低电压启动判据；

若保护启动，测量直流线路正极与负极首端保护安装处电流，根据正极或负极电流故障分量积分值的符号识别故障方向；

若为正向故障，计算直流线路的线模电压行波，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值；

计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，根据该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障；

以所提取时间窗内，不同尺度下，第一个满足极性为负且幅值大于所设定阈值的小波变换模极大值的绝对值等效表示初始电压行波在相应频带内的幅值；

获得初始电压行波在相应频带内的幅值之后，结合各频带的中心频率，计算初始电压行波的等效频域衰减速率，若该速率的绝对值小于所设定的阈值，则为区内故障，否则为区外故障。

2.如权利要求1所述的基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，其特征是，所述低电压启动判据为：若正极或负极线路电压的绝对值小于所设定百分比的额定电压，则保护启动。

3.如权利要求1所述的基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，其特征是，所述根据正极与负极电流故障分量积分值的符号识别故障方向为：若正极电流故障分量积分值的符号为正，或负极电流故障分量积分值的符号为负，则为正向故障，继续进行区内外故障的识别；否则为反向故障，即区外故障，返回保护启动判据的判别。

4.如权利要求1所述的基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，其特征是，根据信号的奇异性检测原理，用第2与第3尺度下第一个满足式(6)的小波变换模极大值的绝对值等效表示初始电压行波在相应频带内的幅值M₂与M₃：

其中，

式中m_J(k)指时间窗(-T_w2,T_w3)内第J尺度的小波变换模极大值。

5.如权利要求4所述的基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护方法，其特征是，以式(8)等效计算初始电压行波的幅值在两个频带中的衰减速率V_at：

式中f₂与f₃为第2与第3尺度所对应频带的中心频率，根据|V_at|的大小即可判别线路区内与区外故障，M₂与M₃为初始电压行波在相应频带内的幅值。

6.基于初始电压行波频域衰减速率的直流输电线路保护系统，其特征是，包括：

数据采集模块，用于采集直流输电线路电压及电流数据；

保护启动模块，针对直流输电线路电压数据确定是否启动保护；

故障方向识别模块，启动保护后，基于直流输电线路电流数据识别故障方向；

区内外故障判别模块，针对故障方向中的正向故障，计算直流线路电压与电流的线模分量，继而计算反向电压行波的线模分量，对其做不同尺度的平稳小波变换，并提取相应尺度下的小波变换模极大值；

根据不同尺度下的小波变换模极大值计算初始电压行波频域内的等效衰减速率，由该速率绝对值的大小识别线路区内与区外故障；

以所提取时间窗内，不同尺度下，第一个满足极性为负且幅值大于所设定阈值的小波变换模极大值的绝对值等效表示初始电压行波在相应频带内的幅值；

获得初始电压行波在相应频带内的幅值之后，结合各频带的中心频率，计算初始电压行波的等效频域衰减速率，若该速率的绝对值小于所设定的阈值，则为区内故障，否则为区外故障；

所述保护启动模块和故障方向识别模块具体执行：根据直流线路正极与负极首端保护安装处的电压确定是否启动保护，并且测量直流线路正极与负极首端保护安装处电流，根据正极或负极电流故障分量积分值的符号识别故障方向。

7.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-5任一所述的方法的具体步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行权利要求1-5任一所述的方法的具体步骤。

Images