CN111766477A - 直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法及装置。包括以下步骤：采样获取测量点电压电流故障初始行波；根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，据此构造模量方向行波；对极模行波进行小波变换，提取模量方向行波极性特征；根据特征，识别故障方向；利用直流无断路器配电网的拓扑特点，快速检测故障。构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰，实现故障的可靠识别。本发明可以快速地检测出直流线路故障并采取相应措施，兼顾了直流电网故障检测的快速性和可靠性。

Description

直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法及装置。

背景技术

柔性直流配电技术具有谐波水平低、没有换相失败问题、没有无功补偿问题、可以为无源系统供电、可同时独立调节有功功率和无功功率等优点，在我国具有广阔的应用前景。当柔性直流线路发生短路故障时，故障检测装置需要在故障发生后极短的时间内正确识别故障，并控制换流器应对故障，否则短路电流将快速增大对换流站的电力电子器件造成严重威胁。

快速故障检测和雷击干扰识别对直流配电网供电可靠性的影响举足轻重。但是目前尚无直流无断路器配电网快速故障检测与可靠识别技术公开，不能满足实际应用的要求。

如何可靠地区分故障行波和雷击干扰行波，快速地检测出柔性直流配电线路是否发生故障，并采取相应的保护措施成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法及装置。

本发明的技术方案为：包括以下步骤：

1）采样获取测量点电压及电流初始行波；

2）根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，据此构造模量方向行波；

3）对极模行波进行小波变换，提取模量方向行波极性特征；

4）根据特征识别故障方向，快速检测故障；

5）构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰，实现故障的可靠识别。

步骤1）中，测量点位于线路首端，对线路首端电压电流进行高速采样。

步骤4）中，若检测不到初始行波波头，则判定为线路区外故障或未发生故障，若能检测到初始行波波头，判断为线路故障或雷击干扰。

故障检测的判据为：| WTMM₁ | > ε

若| WTMM₁ | > ε成立，故障检测为线路故障或雷击干扰，

若| WTMM₁ | > ε不成立，故障检测为线路区外故障或未发生故障，

式中| WTMM1 |为测量点初始行波的模极大值，ε为门槛整定值。

步骤5）中，若检测不到特征波头，判断为雷击干扰；若能检测到特征波头，判断为线路故障。

步骤5）包括以下步骤：

5.1）设定初始行波到达测量点为零时刻；

5.2）计算初始行波与第二个行波之间两个波头的时间差t；

5.3）根据行波在线路上传播的波速度v，计算初始行波与第二个行波之间两个波头传播距离差为2 x；

5.4）检测t = 2nx/v时刻的特征波头，其中，n为整数，n≥2；

5.5）雷击干扰的判据：|WTMM(t = 2nx/v)|>ε,

若|WTMM(t = 2nx/v)|>ε成立，故障识别为线内故障，

若|WTMM(t = 2nx/v)|>ε不成立，故障识别为雷击干扰，

式中| WTMM(t = 2nx/v) |为t = 2nx/v时刻行波的模极大值，ε为门槛整定值。

步骤5.4）中，检测t = 4x/v时刻的特征波头。

直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别装置，包括:

采集模块，用于采样获取测量点电压及电流初始行波；

构造模块，用于根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，构造模量方向行波；

提取模块，用于对极模行波进行小波变换并计算其模极大值，提取模量方向行波极性特征；

故障检测模块，用于根据特征识别故障方向，快速检测故障；

故障识别模块，用于构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰。本发明在工作中，通过采样获取测量点电压及电流初始行波；根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，据此构造模量方向行波；对极模行波进行小波变换并计算其模极大值，提取模量方向行波极性特征；根据特征识别故障方向，若检测不到初始行波波头，则判定为线路区外故障或未发生故障，若能检测到初始行波波头，判断为线路故障或雷击干扰，实现故障快速检测。

基于短路故障和雷击干扰下波阻抗不连续点不同的原理来构造雷击干扰特征波头，若检测不到特征波头，判断为雷击干扰；若能检测到特征波头，判断为线路故障；从而实现故障的可靠识别。

本发明可以快速地检测出直流线路故障并采取相应措施，提高直流电网故障检测的动作速度和可靠性。

本发明可以正确区分雷击干扰所引起的行波和真实故障所引起的行波，在保证快速性的同时大大提高了行波保护的可靠性。

附图说明

图1是本发明的工作流程图，

图2是线路故障和雷击干扰下的雷击干扰识别特征波头的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明包括以下步骤：

1）采样获取测量点电压及电流初始行波；

2）根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，据此构造模量方向行波；

3）对极模行波进行小波变换并计算其模极大值，提取模量方向行波极性特征；

4）根据特征识别故障方向，快速检测故障；

5）构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰，实现故障的可靠识别。

步骤1）中，测量点位于线路首端，对线路首端电压电流进行高速采样。采样频率选择1MHz，但不限于此。

步骤4）中，若检测不到初始行波波头，则判定为线路区外故障或未发生故障，若能检测到初始行波波头，判断为线路故障或雷击干扰。

故障检测的判据为：| WTMM₁ | > ε

若| WTMM₁ | > ε成立，故障检测为线路故障或雷击干扰，

若| WTMM₁ | > ε不成立，故障检测为线路区外故障或未发生故障，

式中| WTMM1 |为测量点初始行波的模极大值，ε为门槛整定值。

步骤5）中，若检测不到特征波头，判断为雷击干扰；若能检测到特征波头，判断为线路故障。

步骤5）包括以下步骤：

5.1）设定初始行波到达测量点为零时刻；

5.2）计算初始行波与第二个行波之间两个波头的时间差t；

5.3）根据行波在线路上传播的波速度v，计算初始行波与第二个行波之间两个波头传播距离差为2 x；

5.4）检测t = 2nx/v时刻的特征波头，其中，n为整数，n≥2；

5.5）雷击干扰的判据：|WTMM(t = 2nx/v)|>ε,

若|WTMM(t = 2nx/v)|>ε成立，故障识别为线内故障，

若|WTMM(t = 2nx/v)|>ε不成立，故障识别为雷击干扰，

式中| WTMM(t = 2nx/v) |为t = 2nx/v时刻行波的模极大值，ε为门槛整定值。

步骤5.4）中，检测t = 4x/v时刻的特征波头。

直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别装置，包括:

采集模块，用于采样获取测量点电压及电流初始行波；

构造模块，用于根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，构造模量方向行波；

提取模块，用于对极模行波进行小波变换并计算其模极大值，提取模量方向行波极性特征；

故障检测模块，用于根据特征识别故障方向，快速检测故障；

故障识别模块，用于构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰。

本发明在工作中,利用有限的短时（毫秒级）信息就能满足故障快速检测的要求。另一方面，电网运行中存在雷击干扰，雷击干扰情况下要求故障检测可靠闭锁。

由于动作时间短，基于双端量信息的故障检测方法由于通信设备及信号传输所引入的延时已不可能满足要求。

本发明采用基于单端量本地信息的故障检测与可靠识别方法，利用信息的全都是单端信息量，判据均为一个测量点的信息，不需要通过通信通道（如果是双端，则必须有通信通道），速度快，抗干扰能力强。

本发明的具体实施例如图1所示，提出了直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，包括：步骤1，对测量点电压电流进行采样；步骤2，根据极模变换构造模量方向行波；步骤3，对极模行波进行小波变换并计算其模极大值；步骤4，检测初始行波波头；步骤5，若检测不到初始行波波头，则判定为线路未发生故障，若能检测到初始行波波头，判断为线路故障或雷击干扰；步骤6，设定初始行波到达时刻为零时刻；步骤7，计算前两个波头的时间差；步骤8，根据行波在线路上传播的波速度v，解得前两个波头的传播距离差为2x；步骤9，检测t = 4x/v时刻的行波特征波头，若检测不到特征波头，判断为雷击干扰，若能检测到特征波头，判断为线路故障。

本发明采用基于分布参数模型的行波分析方法。建立直流线路分布参数模型，列写并求解其波动方程，就可得沿线各处的电压电流。

直流线路的正负极存在耦合，通过极模变换可将耦合的正、负极电气量变为相互独立的极模量与零模量，从而降低问题的复杂度。直流线路发生故障后，会在故障点处产生沿线路向故障点两侧传播的初始故障行波。故障发生时刻可以将故障支路等效为两个方向相反、幅值相同的电压源串联，采用故障分量和故障附加网络进行故障特征分析，能更好的突显故障特征。

建立不同故障类型下的线路故障附加网络，将故障全量分为故障分量与正常运行分量，在故障分量网络里面，原有电源都置零，故障点加一个负电源，其值大小为直流线路电压，根据故障点边界条件进行电路求解，可得到故障点初始行波的解析表达式。

从表达式可以发现，故障点在不同故障类型下均有极模行波的出现，因此极模行波可用于反映故障是否发生。在不同故障类型下均有极模行波的出现，极模行波用于反映故障是否发生。由于换流器的平波电抗器对高频分量具有阻隔作用，区外线路故障产生的故障行波无法传播到测量点。

初始故障行波特征分析时间尺度短，直流控制系统尚未响应，可将换流器近似为恒定阻抗。当故障点产生的初始故障行波传播到线路两端的边界时，由于线路边界波阻抗不连续，初始行波会发生折反射，最终成为安装在线路首端的保护装置所测量到的初始故障行波。根据彼得逊法则可得到线路边界的等效电路。求解测量点电气量，可以发现测量点电压行波的极性与故障点电压行波的极性相同，因此行波极性特征在测量点仍然存在。由于平波电抗器的存在，直流线路边界对行波的高频突变波头具有很好的阻隔作用，能够将其限制在故障线路上而不渗透到其他健全线路，因此初始行波波头可用于区分区内外线路故障。

线路故障的初始判据：| WTMM₁ | > ε

其中| WTMM₁ |为测量点初始故障行波的模极大值。线路故障的初始判据的具体说明如下，检测测量点的初始行波波头，若检测不到初始行波波头，则判定为线路区外故障或未发生故障；若能检测到初始行波波头，判断为线路发生故障或雷击干扰。

在直流配电线路遭受雷击而未发生故障时，线路上也会出现行波，正确区分雷击干扰所引起的行波和真实故障所引起的行波，是保证行波保护可靠性的前提。测量点测得的第一个突变波头是从故障点或雷击点传播到测量点的初始行波，设定第一个波头到达测量点的时刻为零时刻。

图2示出了线路故障和雷击干扰下的雷击干扰识别特征波头的示意图。

如图2所示，本发明基于短路故障和雷击干扰下波阻抗不连续点不同的原理来构造雷击干扰特征波头，从而区分故障与雷击。

对比正常运行情况，雷击只是在故障点增加一个注入源，故障则是在故障点增加一个注入源和一条故障支路。雷击干扰状态比短路故障状态少一条故障支路，也就是少一个波阻抗不连续点，进而行波折反射情况会有所不同。

测量点测得的第一个突变波头是从故障点或雷击点传播到测量点的初始行波，前两个波头的传播距离差为故障点或雷击点与线路近端端点的距离的两倍。

故障状况下，测量点测得的第二个突变波头有两种可能的传播路径。当故障点与本段线路电源侧母线的距离小于故障点与本段线路负荷侧母线的距离，按第一种路径传播：故障点→电源侧母线→故障点→测量点。反之，按第二种路径传播：故障点→负荷侧母线→测量点。

分析可知，故障状况下的第二个波头为故障点反射波或对端母线反射波，根据前两个波头之间的时间差能确定故障点与本段线路电源侧母线或负荷侧母线之间的距离，因此可将故障点的位置判定至若干个疑似位置。具体对于一条三分段的直流配电线路，一共存在六个疑似故障点，每段线路上各有两个且互为对称。

雷击干扰下，测量点测得的第二个突变波头的传播路径：雷击点→负荷侧母线→测量点。

同理，可将雷击点的位置判定至若干个疑似位置。具体对于一条三分段的直流配电线路，一共存在三个疑似雷击点，每段线路上仅有一个。

假设根据前两个波头之间的时间差，计算得到距离差为2x，那么每个疑似故障点或雷击点与最相邻的母线的距离为x。雷击干扰下线路行波的波过程中不存在故障支路的折反射。优选地，选取与第一个波头的传播距离差为4x的行波波头为雷击干扰识别的特征波头。行波在线路上传播的波速度为v。从以上分析中可以发现，雷击干扰下，在t = 4x/v时刻，测量点检测不到特征波头。而在故障情况下，在t = 4x/v时刻，测量点能检测到特征波头。

雷击干扰识别判据：| WTMM(t = 4x/v) | > ε

其中| WTMM(t = 4x/v) |为t = 4x/v时刻的模极大值。

在该实施例中，首先利用测量点初始故障行波来检测故障；进一步利用雷击干扰下行波不会在故障点发生折反射的原理，选取与第一个波头的传播距离差为4x的行波波头为雷击干扰识别的特征波头，利用该特征波头来快速准确识别雷击干扰，若能检测到特征波头，判断为线路故障，若检测不到特征波头，判断为雷击干扰。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，通过本发明的技术方案，可以有效地提升柔性直流输电线路雷击干扰识别的速度，极大地提高超高速柔性直流输电线路保护的可靠性。

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。

Claims (8)

1.直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）采样获取测量点电压及电流初始行波；

2）根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，据此构造模量方向行波；

3）对极模行波进行小波变换，提取模量方向行波极性特征；

4）根据特征识别故障方向，快速检测故障；

5）构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰，实现故障的可靠识别。

2.根据权利要求1所述的直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于，步骤1）中，测量点位于线路首端，对线路首端电压电流进行高速采样。

3. 根据权利要求1所述的直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于，步骤4）中，若检测不到初始行波波头，则判定为线路区外故障或未发生故障，若能检测到初始行波波头，判断为线路故障或雷击干扰。

4.根据权利要求3所述的直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于， 故障检测的判据为：| WTMM₁ | > ε

若| WTMM₁ | > ε成立，故障检测为线路故障或雷击干扰，

若| WTMM₁ | > ε不成立，故障检测为线路区外故障或未发生故障，

式中| WTMM1 |为测量点初始行波的模极大值，ε为门槛整定值。

5.根据权利要求1所述的直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于，步骤5）中，若检测不到特征波头，判断为雷击干扰；若能检测到特征波头，判断为线路故障。

6.根据权利要求5所述的直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于，步骤5）包括以下步骤：

5.1）设定初始行波到达测量点为零时刻；

5.2）计算初始行波与第二个行波之间两个波头的时间差t；

5.3）根据行波在线路上传播的波速度v，计算初始行波与第二个行波之间两个波头传播距离差为2 x；

5.4）检测t = 2nx/v时刻的特征波头，其中，n为整数，n≥2；

5.5）雷击干扰的判据：|WTMM(t = 2nx/v)|>ε,

若|WTMM(t = 2nx/v)|>ε成立，故障识别为线内故障，

若|WTMM(t = 2nx/v)|>ε不成立，故障识别为雷击干扰，

式中| WTMM(t = 2nx/v) |为t = 2nx/v时刻行波的模极大值，ε为门槛整定值。

7. 根据权利要求6所述的直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别方法，其特征在于， 步骤5.4）中，检测t = 4x/v时刻的特征波头。

8.直流无断路器配电网线路故障快速检测与识别装置，其特征在于，包括:

采集模块，用于采样获取测量点电压及电流初始行波；

构造模块，用于根据极模变换将正负极电气量解耦为相互独立的极模量和零模量，构造模量方向行波；

提取模块，用于对极模行波进行小波变换并计算其模极大值，提取模量方向行波极性特征；

故障检测模块，用于根据特征识别故障方向，快速检测故障；

故障识别模块，用于构造测量点等效行波，根据其波形特征，识别雷击干扰。

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