CN112083280B - 一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法 - Google Patents

一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，本方法通过利用T型汇接母线三个端口故障后的暂态电流，计算得到相应的相关系数后，可快速有效地识别故障区间。相比于传统的保护，本方法耐受过渡电阻能力与抗噪声能力较强，且无需额外配置线路边界，仅仅利用接口处的电气量而无需通信。在速动性上能满足保护的需求，并躲开了各换流器动作所带来的的非线性影响，保障了可靠性；而且算法简单，没有过多的计算量。

Description

一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法。
背景技术
基于晶闸管的电网换相换流器高压直流输电技术已得到广泛应用，由于其具有远距离大容量、经济成本低等优点，是我国目前直流输电工程的主要形式，但是存在逆变侧换相失败、需要额外滤波元件、控制响应慢等问题。基于电压源型换流器的高压直流输电技术以其可解耦独立控制有功和无功功率、无需滤波元件和无功补偿装置、便于新能源接入等优点得到了快速的发展，并且不会发生换相失败的问题，但是经济成本较高，且过压过流能力较弱。因此，混合多端高压直流输电技术可充分利用两者各自的优势，在整流侧使用LCC可充分利用交流系统的输电能力，提高系统传输容量，并且成本较低；在逆变侧使用VSC可有效解决受端系统由于直流馈入引起的换相失败问题，还可提供无功支撑，对于系统的稳定运行和恢复过程都起到了有力的作用。因此混合多端直流输电技术在直流输电发展中具有良好的前景，是未来电网发展的重要趋势之一，因此，有效识别故障区间，进行快速的保护，使得系统能快速隔离故障恢复正常运行，是其关键技术之一
目前，一些方案已对混合多端直流输电系统的直流线路保护进行了初步研究。通过在直流线路两端配置限流电抗器构造边界条件，提取直流线路故障暂态分量以识别故障区间，并配备直流断路器进行快速故障隔离。亦可用小波变换对暂态电流进行分析,提出了基于T接汇流母线两侧暂态电流能量差的故障方向判别原理,进而利用各换流站故障方向信息确定故障区域。有人提出了一种基于整流侧和逆变侧纵向阻抗的故障保护原理，利用故障发生后双端电压故障分量的差与电流故障分量的和的比值区分区内外故障，需要双端通信。
随着混合直流输电技术的日益成熟，上述方案保护动作时间较长，无法很好的克服不同类型换流器造成的故障暂态特性耦合的问题，同时需要一定的通信能力。
现有的保护方案有以下的缺点：①基于行波的保护方案中，对故障特征提取算法提出了更高的要求，且易受到过渡电阻和噪声干扰的影响，在缺少边界的情况下难以实现；②基于暂态量保护的方案中，需要采用特定的高频量提取算法来识别限流电抗器两侧的差异性，所以需要额外配置限流电抗器来构造边界；③现在保护并没有考虑或者躲过多类型换流器故障特征耦合的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，本方法通过利用并联型混合直流输电系统在不同位置发生接地短路故障之后，各端口之间电流的相关系数，快速有效识别故障区间。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，所述混合多端直流输电系统包括送端和受端，在送端和受端之间的线路上并联有中端；中端的线路接口为T型接口并设置有T接汇流母线，汇流母线内侧为L3线路，L3线路一端与送端相连接的线路为L1线路，L3线路另一端与受端相连接的线路为L2线路；所述方法包括：
检测判断混合多端直流输电系统是否发生故障，若发生故障，则进入如下步骤：
测量T接汇流母线上的限流电抗器处的电压行波，利用小波变换算法得到首行波的模极值，当其大于所设定的门槛值Hset，则确定为线路L1与L2区内发生故障；
利用时间窗内的电流数据，得到T接汇流母线三端的暂态电流故障分量，计算得到△I3与△I1的相关系数ρa，和△I3与△I2的相关系数ρb；△I1为线路L1发生故障后，故障源所产生的故障暂态分量，△I2为线路L2发生故障后，故障源所产生的故障暂态分量，△I3为接汇流母线区内发生故障后，故障源所产生的故障暂态分量；
若ρa＞ρp&ρb＞ρp则故障发生在线路L1，若ρa＜ρn&ρb＜ρn则故障发生在线路L2，若ρa＞ρp&ρb＜ρn则故障发生在T接汇流母线内L3；ρ为相关系数，ρp和ρn分别为正相关性与负相关性的门槛值。
进一步地，所述确定为线路L1与L2区内发生故障的方式为：
若在线路L1与L2区内发生故障，则在故障附加电压的作用下，产生的电压行波将在T型母线处的限流电抗器边界处发生反射，区间L3线路则将检测到反行波，反行波表达式如下：
Figure BDA0002653362760000021
其中,ub表示为反行波，u1为量测点的线模电压分量，i1为线模电流分量，Z1为线路波阻抗；通过小波变换奇异性理论公式(2)，其中x0为小波变换的模极大值点，得到行波的模极大值；小波变换的模极大值与信号突变点是一一对应的，其大小表示了突变点的变化强度，即行波到达边界时的幅值；
|Wsf(s)|≤|Wsf(x0)|
(2)
将初始反行波的模极值大小与设定的门槛值Hset比较，若小于Hset则为线路L1与L2区外故障，若大于Hset则确定为线路L1与L2区内故障。
进一步地，所述相关系数ρ通过如下计算方式获得：
Figure BDA0002653362760000031
其中，ux与uy分别为两个变量的平均值；变量x＝[x1,x2,…,xn-1,xn]，y＝[y1,y2,…,yn-1,yn]；n为采样点的数量；该相关系数的范围ρ∈[-1,1]，当两个变量之间的变化趋势完全相同时ρ为1，当两个变量之间的变化趋势完全相反时ρ为-1。
进一步地，所述门槛值ρp和ρn分别设为0.5和-0.5。
进一步地，利用实时的电压微分与电流微分检测判断混合多端直流输电系统是否发生故障。
进一步地，送端换流站采用LCC换流器，受端和中端均采用半全桥混合型MMC。
进一步地，设定的门槛值Hset为150。
进一步地，所述时间窗为检测判断混合多端直流输电系统发生故障1ms。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本方法通过利用T型汇接母线三个端口故障后的暂态电流，计算得到相应的相关系数后，可快速有效地识别故障区间。相比于传统的保护，本方法耐受过渡电阻能力与抗噪声能力较强，且无需额外配置线路边界，仅仅利用接口处的电气量而无需通信。在速动性上能满足保护的需求，并躲开了各换流器动作所带来的的非线性影响，保障了可靠性；而且算法简单，没有过多的计算量。
附图说明
图1为本实施例所适用的并联型混合直流输电系统拓扑图；
图2为图1的单极拓扑图；
图3a-c为直流线路故障的等效电路图；
图4a-b为相关系数示意图；
图5为L1线路故障反行波极大值示意图；
图6为L1线路故障暂态电流特性与相关系数示意图；
图7为L2线路故障反行波极大值示意图；
图8为L2线路故障暂态电流特性与相关系数示意图；
图9为L2线路故障反行波极大值示意图；
图10为L3区间故障暂态电流特性与相关系数示意图。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本方法所适用的混合多端直流输电系统的拓扑模型如图1所示，其中送端换流站采用12脉动LCC换流器，受端采用半全桥混合型MMC，都具备故障清除能力，但动作时间尺度不同，各端之间通过架空线以并联的形式接入。在线路L1、L2以及母线内侧L3发生故障后，各换流器将向故障点注入故障电流。
本方法以换流器动作前的暂态电流故障分量作为主要的研究对象，分析在混合多端直流输电系统中不同位置发生故障后的变化规律。由于并联型混直流输电系统在拓扑上的特殊性，只在两端存在限流电抗器，线路L1与L2之间没有边界，故可先通过L3上的限流电抗器D3作为边界，测量故障电压首行波，判断故障是否在线路L1与L2之上，然后根据故障后在T型接口的三端的暂态电流的变化特性可实现故障区间的识别。
以单极为例进行故障分析，如图2所示，其中，I1、I2与I3是系统在正常运行时的稳态电流流向，并规定其为各自初始的的正方向。其故障分量等效回路如图3(a)(b)(c)所示，Z1、Z2分别为线路的等效阻抗，Uf为故障点的等效电源，△I1、△I2、△I3分别分为故障源所产生相应的故障暂态分量。当线路L1发生故障后，故障源将产生如图3(a)中所示方向的电压行波，由于边界限流电抗器D3的存在，可测较大幅值的初始反行波，确定为区内故障，此时T型接口三端的故障暂态分量与稳态电流极性相反。当线路L2发生故障时，同样可得到其故障等效回路，如图3(b)所示，此时同样可测得幅值较大的初始反行波，而暂态电流故障分量△I1、△I2与原电流方向相同，极性为正，△I3与原电流方向相反，极性为负。当故障F3发生在T接汇流母线L3内时，如图3(c)所示，此时测得的是较小的初始前行波，暂态电流故障分量△I1、△I3与原电流方向相同，极性为正，△I2与原电流方向相反，极性为负。当外部发生故障时，由于限流电抗器的阻挡作用，大部分行波发生反射，少部分通过折射进入到区内，当到达T型接口时其幅值已经很小，故可判定为区外故障
因此，当不同区间发生故障时，可首先利用限流电抗器D3边界处的行波幅值特性确定区内区外故障，然后根据三端口的暂态电流之间呈现不同的相关性，来进行故障区间的有效识别。
具体地，如若在线路L1与L2区内发生故障，则在故障附加电压的作用下，产生的电压行波将在T型母线处的限流电抗器边界处发生反射，区间L3的测量元件将首次检测到幅值较大的反行波，确定为区内故障。反行波表达式如下：
Figure BDA0002653362760000051
其中，ub表示为反行波，u1为量测点的线模电压分量，i1为线模电流分量，Z1为线路波阻抗。通过小波变换奇异性理论公式(2)，其中x0为小波变换的模极大值点，可得到行波的模极大值。小波变换的模极大值与信号突变点是一一对应的，其大小表示了突变点的变化强度，即行波到达边界时的幅值。设|Wsf(x)|是信号f(x)的小波函数，在尺度s下，在x0的某一邻域s，对一切x有公式(2)中的关系，则x0为小波变换的模极大值点，|Ws(x0)|称为模极大值
|Wsf(x)|≤|Wsf(x0)| (2)
由于线路端口存在限流电抗器，区内发生故障的模极大值远远大于区外，可通过仿真设定门槛值，因此，可通过将初始反行波的模极值大小与门槛值Hset比较，若小于Hset则为区外故障，若大于Hset则可确定为区内故障。
然后利用相关系数衡量两个变量的总体误差，如果两个变量的变化趋势一致，也就是说两者都大于各自自身的期望值，这时候两个变量之间的相关系数就是正值，反之，如果两个变量的变化趋势相反，即一个大于自身期望值，另外一个小于自身期望值，则两个变量之间的相关系数是负值，其表达式如下：
Figure BDA0002653362760000052
以上公式中，ux与uy分别为两个变量的平均值；变量x＝[x1,x2,…,xn-1,xn]，y＝[y1,y2,…,yn-1,yn]；n为采样点的数量，通过如上公式即可以准确地计算出相关系数。可知该相关系数的范围ρ∈[-1,1]，当两个变量之间的变化趋势完全相同时ρ为1，如图4(a)所示，当两个变量之间的变化趋势完全相反时ρ为-1，如图4(b)所示。因此，可利用计算得到ρ的值接近1与-1的程度来判定两个量之间的相关性。
由上述对T接汇流母线三端暂态电流故障分量的方向和极性的分析可知，当线路L1发生故障时，T接汇流母线内的暂态电流故障分量△I3与两段线路出口处的暂态电流故障分量△I1、△I2呈正相关性；当线路L2发生故障时，暂态电流故障分量△I3与△I1、△I2呈负相关性；当T接汇流母线内部发生故障时，暂态电流故障分量△I3与△I1、△I2分别呈正相关性与负相关性，在理论上可得在呈正相关性时其相关系数为1，在呈负相关性时相关系数为-1，所以本实施例设计如下保护判据：
Figure BDA0002653362760000061
其中，ρ为相关系数；ρp和ρn分别为正相关性与负相关性的门槛值，为了保证保护的可靠性与灵敏性，通过大量的仿真结果可将门槛值ρp和ρn分别设为0.5和-0.5，以保证判断结果的准确性。以T接汇流母线内的暂态电流故障分量△I3作为基准，分别与其两线路出口的暂态电流故障分量△I1、△I2进行相关性判别，得到相关系数ρp和ρn，通过相关性判据公式(4)可得到其正负相关性，识别故障区间。
因此，本实施例提供的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，通过在线路L1、L2与T型接口内侧L3设置接地短路故障，并与T型母线三个端口处安装测量元件，其具体过程如下：
(1)利用实时的电压微分与电流微分检测混合多端直流输电系统是否发生故障，若发生故障，一旦启动判据过门槛则启动保护元件；具体地，线路发生故障之后，线路出口的电压迅速跌落，与正常运行时的电压有着显著的区别。为了确保判据能在故障发生瞬间启动，采用电压变化率作为辨识方法启动判据，表达式为|du/dt|>△set，其中u为端口所测电压，△set启动判据整定阈值。△set应该大于正常运行波动下的最大电压变化率，为了保证其留有足够的灵敏性，即当电压变化率大于40(pu)/s时进行整定，据此，启动判据阈值为20MV/s。
(2)测量T接汇流母线上的限流电抗器D3处的电压行波，利用小波变换算法得到首行波的模极值，当其大于所设定的门槛值Hset，则确定为线路L1与L2区内发生故障；
(3)利用时间窗内的电流数据，得到T接汇流母线三端的暂态电流故障分量，计算得到△I3与△I1的相关系数ρa，和△I3与△I2的相关系数ρb；具体地，时间窗为识别到故障发生后的1ms。
(4)若ρa＞ρp&ρb＞ρp则故障发生在线路L1，若ρa＜ρn&ρb＜ρn则故障发生在线路L2，若ρa＞ρp&ρb＜ρn则故障发生在T接汇流母线内L3；ρ为相关系数，ρp和ρn分别为正相关性与负相关性的门槛值。
当判断出故障区间后，则可以采用相应的故障处理方案将区间快速隔离。
当线路L1于2s时发生接地短路故障时，通过图5可知，反行波的模极值为272，大于门槛值150，则为区内故障，其暂态特性如图6所示，可见在线路L1发生故障之后，三端的暂态电流量都与各自稳态电流极性相反，波形变化趋势一致，利用故障电流暂态分量△I3作为基准，分别与△I1与△I2通过(3)式计算得到相关系数ρa与ρb，得到其相关系数都大于0.5，故可判定为线路L1发生故障。
当线路L2于2s时发生接地短路故障时，通过图7可知，反行波的模极值为268，大于门槛值150，则为区内故障，其暂态特性如图8所示，可见在线路L2发生故障之后，三端的暂态电流量△I1与△I2与各自稳态电流极性相同而△I3与原电流极性相反，利用故障电流暂态分量△I3作为基准，分别与△I1与△I2通过(2)式计算得到相关系数ρa与ρb，得到其相关系数都小于-0.5，故可判定为线路L2发生故障。
当T型接口内侧L3于2s时发生接地短路故障时，通过图9可知，反行波的模极值为40，小于门槛值150，则为区外故障，其暂态特性如图10所示，可见在L3发生故障之后，三端的暂态电流量△I1与△I3与各自稳态电流极性相同而△I2与原电流极性相反，利用故障电流暂态分量△I3作为基准，分别与△I1与△I2通过(2)式计算得到相关系数ρa与ρb。得到其相关系数分别大于0.5与小于-0.5，故可判定为L3发生故障。
保护可在故障初始阶段1ms之内快速准确地识别故障区间，不受到换流器控制带来非线性的影响，快速性得到了保障，同时利用设定的时间窗之内的第10个采样点作为最终的相关性判别依据，不会受到因采样点数目少而出现误判的情况，验证了其可靠性。
综上，本方法通过利用T型汇接母线三个端口故障后的暂态电流，计算得到相应的相关系数后，可快速有效地识别故障区间。相比于传统的保护，本方法耐受过渡电阻能力与抗噪声能力较强，且无需额外配置线路边界，仅仅利用接口处的电气量而无需通信。在速动性上能满足保护的需求，并躲开了各换流器动作所带来的的非线性影响，保障了可靠性。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，所述混合多端直流输电系统包括送端和受端，在送端和受端之间的线路上并联有中端；中端的线路接口为T型接口并设置有T接汇流母线，汇流母线内侧为L3线路，L3线路一端与送端相连接的线路为L1线路，L3线路另一端与受端相连接的线路为L2线路；其特征在于，所述方法包括：
检测判断混合多端直流输电系统是否发生故障，若发生故障，则进入如下步骤：
测量T接汇流母线上的限流电抗器处的电压行波，利用小波变换算法得到首行波的模极值，当其大于所设定的门槛值Hset，则确定为线路L1与L2区内发生故障；
利用时间窗内的电流数据，得到T接汇流母线三端的暂态电流故障分量，计算得到△I3与△I1的相关系数ρa，和△I3与△I2的相关系数ρb；△I1为线路L1发生故障后，故障源所产生的故障暂态分量，△I2为线路L2发生故障后，故障源所产生的故障暂态分量，△I3为接汇流母线区内发生故障后，故障源所产生的故障暂态分量；
若ρa＞ρp&ρb＞ρp则故障发生在线路L1，若ρa＜ρn&ρb＜ρn则故障发生在线路L2，若ρa＞ρp&ρb＜ρn则故障发生在T接汇流母线内L3；ρ为相关系数，ρp和ρn分别为正相关性与负相关性的门槛值。
2.如权利要求1所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，所述确定为线路L1与L2区内发生故障的方式为：
若在线路L1与L2区内发生故障，则在故障附加电压的作用下，产生的电压行波将在T型母线处的限流电抗器边界处发生反射，区间L3线路则将检测到反行波，反行波表达式如下：
Figure FDA0002653362750000011
其中,ub表示为反行波，u1为量测点的线模电压分量，i1为线模电流分量，Z1为线路波阻抗；通过小波变换奇异性理论公式(2)，其中x0为小波变换的模极大值点，得到行波的模极大值；小波变换的模极大值与信号突变点是一一对应的，其大小表示了突变点的变化强度，即行波到达边界时的幅值；
|Wsf(s)|≤|Wsf(x0)| (2)
|Wsf(x)|是信号f(x)的小波函数，在尺度s下，在x0的某一邻域s，对一切x有公式(2)中的关系，则x0为小波变换的模极大值点，|Ws(x0)|称为模极大值；
将初始反行波的模极值大小与设定的门槛值Hset比较，若小于Hset则为线路L1与L2区外故障，若大于Hset则确定为线路L1与L2区内故障。
3.如权利要求1或2所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，所述相关系数ρ通过如下计算方式获得：
Figure FDA0002653362750000021
其中，ux与uy分别为两个变量的平均值；变量x＝[x1,x2,…,xn-1,xn]，y＝[y1,y2,…,yn-1,yn]；n为采样点的数量；该相关系数的范围ρ∈[-1,1]，当两个变量之间的变化趋势完全相同时ρ为1，当两个变量之间的变化趋势完全相反时ρ为-1。
4.如权利要求1所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，所述门槛值ρp和ρn分别设为0.5和-0.5。
5.如权利要求1所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，利用实时的电压微分与电流微分检测判断混合多端直流输电系统是否发生故障。
6.如权利要求1所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，送端换流站采用LCC换流器，受端和中端均采用半全桥混合型MMC。
7.如权利要求1所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，设定的门槛值Hset为150。
8.如权利要求1所述的识别混合多端直流输电系统故障区间的方法，其特征在于，所述时间窗为检测判断混合多端直流输电系统发生故障1ms。
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