CN112285601A - 一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法，涉及多端柔性直流系统继电保护领域。本发明针对小电流接地方式下的直流配电网单极接地故障选线困难的问题，具体步骤如下：首先读取电压、电流数据，迭代记录256个采样点的电流数据，然后确定了启动判据和选极判断，并根据启动判据判断是否有故障，若是则根据选极判据判断是正极还是负极故障，选定正/负极故障后，再利用小波变换对正负极线路电流波形进行降噪处理，用降噪后的残差绝对值和之比表征正负极线路故障电流的差异大小，与阈值比较，确定故障线路，发出故障信号。本发明避免噪声干扰以及电流幅值变化带来的阈值整定困难问题，提高了选线方案的可靠性。

Description

一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及多端柔性直流系统继电保护领域，具体为一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法。

背景技术

近年来，伴随着电力电子器件的发展，直流配电系统因电能传输容量大、便于分布式能源接入、线路损耗小、可靠性和供电质量高等优点得以迅速发展。当前，从电能质量、经济性、供电可靠性等角度考虑，中压直流配电系统广泛采用模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)，接地方式多采用小电流接地方式，当直流线路发生单极接地故障时，故障电流较小，故障线路难以检测识别，但非故障极暂态过电压最大为3倍额定电压，稳态电压升高为原来的2倍，威胁线路和设备安全。因此，需要准确快速地识别故障线路，以保证配电系统恢复正常运行

目前，针对小电流接地方式下的直流配电网单极接地故障选线方案的研究主要集中在三个方面：(1)切换接地电阻：深圳宝龙柔性直流配电示范工程，在发生单极接地故障后将接地高阻切换成小电阻，通过增大故障电流实现选线，但这不仅增加了投资也增加了控制的复杂性；(2)累加故障电流：对故障电流或电荷进行累加，使故障判据更加明显，但由于未进行信号处理，存在保护阈值整定困难，传输信息量大等缺点；(3)提取暂态分量：利用S变换、小波变换等算法提取特定暂态分量作为判据，但多针对辐射状柔直系统和基于两电平电压源换流器的直流系统，未见适用于基于MMC的环状柔直系统的单极接地故障选线方案。

由此，针对现有小电流接地方式下的直流配电网单极接地故障选线方案的不足，设计一种可靠、快速的多端柔性直流系统单极接地选线方法具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决传统的小电流接地方式下的直流配电网单极接地故障选线困难的问题，提供了一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法。

针对多端小电流接地环状柔性直流配电网为研究对象，当小电流接地直流配电系统发生单极接地故障后，故障线路正负极故障电流差异最大，其他线路正负极故障电流差异较小，而小波变换降噪后的残差绝对值可以很好地表征故障电流的大小。因此本发明通过如下技术方案来实现的：一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法，包括如下步骤：

S1：启动判据：

设定采样频率为20kHz，由于为了避免雷击等瞬时干扰，所以设定采样频率为20kHz，且连续3个采样点正极或负极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压均成立时，认为发生短路故障，公式如下：

|V_p|＜0.8|U_Np|∪|V_n|＜|0.8U_Nn| (1)

V_p为正极线路保护安装处对地电压，V_n为负极线路保护安装处对地电压，U_Np、U_Nn分别为正负极线路额定电压；

S2：故障选极判据：

正负极线路保护安装处检测到的对地电压均低于0.8倍额定电压时，认为发生双极短路故障；正极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压，且负极线路保护安装处检测到的对地电压高于1.2倍额定电压，认为发生正极短路故障；负极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压，且正极线路保护安装处检测到的对地电压高于1.2倍额定电压，认为发生负极短路故障；公式如下：

S3：故障选线判据：

该方法需要记录一段时间的故障电流波形，以进行小波降噪，而暂态过程时间长短主要由过渡电阻决定，过渡电阻越小，暂态时间越长，短时间记录到的暂态信息越少。经仿真验证，线路发生直接接地后，故障电流第一个峰值时间约为0.5ms，第二个峰值时间约为1.9ms，因此选定低压判据启动后，存储器延时2ms内采集40个采样点的波形作为故障后电流波形；另外需要记录故障发生前一段正常波形与故障后电流波形共同组成小波降噪原始波形，综合考虑降噪效果和运算时间，正常波形选取10ms内213个采样点；正常波形采样点、启动判据采样点和故障波形采样点共计迭代记录256个采样点；利用小波变换将故障电流提取后，对电流波形进行小波降噪并计算残差绝对值，然后计算各保护安装处的残差绝对值和之比，当残差绝对值和之比大于阈值时，判定为对应的线路故障；

其中阈值的整定要满足如下条件：躲过区外故障最大残差和之比，即定值大于线路中点处发生故障时健全线路的最大残差和之比；并且区内故障残差和之比最小时仍能可靠动作，即定值小于线路端点处发生故障时故障线路的最小残差和之比。本发明中所要确定的阈值，本领域技术人员均可以根据实际情况中电路的状态来确定阈值，确定的原则就如上述条件，

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法，不仅不需要增大故障电流再实现选线，而且这种算法也减少了投资，同时基于就地信息量，不需要通信，避免了通信延时；也在基于MMC的环状柔直系统中利用算法提取了暂态量，避免噪声干扰以及电流幅值变化带来的阈值整定困难问题，可快速识别故障线路，采用小波降噪方法，提高了选线方案的可靠性。

附图说明

图1为本发明具体实施例所涉及的四端柔性直流配电网拓扑结构示意图。

图2是本发明具体实施例所涉及故障电流分析示意图。

图3是本发明具体实施例所涉及线路分布参数等效电路示意图。

图4是本发明所涉及小波阈值去噪流程图。

图5是本发明具体实施例所涉及故障选线方案流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例以四端小电流接地环状柔性直流配电网为研究对象，其系统结构如图1所示，交流系统通过连接变压器和MMC换流器相连，中压系统采用伪双极接线方式以节约成本，直流线路L1-L4正负极两端均装设保护装置P₁₂-P₄₁，f1-f3分别为单极接地故障点。系统中采用中压直流配电系统常见的主从控制策略，设MMC1采用定直流电压、定交流电压控制，其余三端采用定有功功率、定交流电压控制。

图2中：L_armk为换流器桥臂等效电感，C_armk为换流器桥臂等效电容，R_sk为接地电阻，C_Lk-k’为线路对地电容，L_Lk-k’为线路电感，R_Lk-k’为线路电阻，k＝1,2,3,4,k’＝1,2,3,4。i_fPk和i_fPk’分别为正极线路两端保护安装处检测到的故障电流，i_fNk和i_fNk’分别为负极线路两端保护安装处检测到的故障电流，i_fMk为换流器上桥臂电容放电电流，i_fLPk和i_fLPk’分别为正极线路两侧对地分布电容放电电流，i_fLNk和i_fLNk’分别为负极线路两侧对地分布电容充电电流。

图3中：E_MP为MMC正极电压，Z_MP为MMC上桥臂等值阻抗，Z_L为线路特征阻抗，Z_f＝Z_L//R_f，为故障等效阻抗，W_MP和W_f为受控电压源，作为中间状态变量。

本实施例验证及实施操作过程如下：

S1：单极接地故障电流分析：

(1)故障电流分析：

本实施例结构如图1所示，接地方式连接变压器采用Δ/Y联结形式，在变压器中性点通过高阻接地，故障电流分析如下：

对于环网，线路长度不同，故障位置不同，可能导致非故障线路馈入故障点的故障电流方向不同，进而导致保护安装处检测到的故障电流存在差异。以L1的50％处发生正极接地故障为例(50％指的是故障点到Bus1的距离与L1长度之比)，详细分析各保护安装处检测到的故障电流，图2为等效电路。

P12检测到的正负极故障电流分别为：

i_fN1＝i_fLN1 (2)

P21检测到的正负极故障电流分别为：

i_fN1'＝i_fLN1' (4)

而对于非故障线路，相邻线路L2和L4情况类似，P14、P41检测到的正负极故障电流分别为：

i_fP4＝i_fM4+i_fLP4+i_fLP4'+i_fLP3 (5)

i_fN4＝i_fLN4+i_fLN4'+i_fLN3 (6)

i_fP4'＝i_fM4+i_fLP3 (7)

i_fN4'＝i_fLN3 (8)

P43、P34检测到的正负极故障电流分别为：

i_fP3＝i_fLP3 (9)

i_fN3＝i_fLN3 (10)

i_fP3'＝i_fLP3' (11)

i_fN3'＝i_fLN3' (12)

对于MMC上桥臂子模块电容放电电流i_fMk，由于采用高阻接地，则i_fMk为过阻尼二阶电路的零输入响应，故障电流从MMC上桥臂馈入故障点。

对于正极线路对地放电电流i_fLPk和i_fLPk’，发生单极接地故障后正极线路会产生高频暂态电压行波，需要考虑输电线路的分布参数。有损传输线具有频率相关性，因此，由戴维南等效定理，故障回路可以表示为图3。

同理，对于负极线路对地充电电流i_fLNk和i_fLNk’，也可以分为两个阶段：第一阶段，发生故障后，由于耦合作用，正极的故障电压行波会在负极感应出电压行波，但其幅值和陡度都会明显小于正极电压行波；第二阶段，由于定电圧控制策略的介入，MMC下桥臂投入更多的子模块，负极母线电压上升，负极线路充电，故障电流从线路馈入故障点。

故障电流从MMC换流器及线路馈入故障点，且当采用小电流接地方式后，线路分布电容充放电电流占故障电流主要部分。由公式(1)-(12)可知，对于故障线路L1，所有故障电流流经L1正极线路汇入故障点，L1正极两端检测到的故障电流最大，L1负极两端只检测到本线路充电电流，检测到的故障电流较小；而对于非故障线路L2-L4，正负极保护安装处均只检测到部分故障电流。因此，故障线路正负极故障电流的差异要大于非故障线路。

(2)故障位置对故障特性的影响

当发生正极接地故障后，正负极电流差异主要取决于负极线路检测到的故障电流。故障点位于线路中点时，负极线路检测到的故障电流最小，正负极故障电流差异最大；故障点位于线路两端时，负极线路检测到的故障电流最大，正负极故障电流差异最小。但不管何种情况，非故障线路正负极均只流过了部分故障电流，而故障线路正极汇集了所有故障电流，负极流经了部分故障电流，所以均存在故障线路正负极故障电流差异大于非故障线路正负极故障电流差异的现象。

S2：暂态故障电流提取方法

为表征正负极故障电流差异，需提取暂态故障电流，本实施例通过小波降噪方法自适应提取暂态分量。常见的小波降噪方法有模极大值去噪法，小波阈值去噪方法，空域相关性去噪法等。综合考虑算法速度以及电流特性，采用小波阈值去噪后的残差绝对值表征暂态故障电流的大小，实现暂态故障电流的提取。小波阈值去噪的流程图如图4所示：

小波阈值去噪主要涉及到以下三个参数：小波基、分解层数、阈值函数。综合考虑故障电流波形，算法处理时间和暂态量提取效果，小波基选择常见db4小波，分级层数选择5层，阈值函数选择固定阈值。

本实施例对应的一种四端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法，具体步骤如下：

S1：启动判据：

设定采样频率为20kHz，连续3个采样点正极或负极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压均成立时，认为发生短路故障，公式如下：

|V_p|＜0.8|U_Np|∪|V_n|＜|0.8U_Nn| (1)

V_p为正极线路保护安装处对地电压，V_n为负极线路保护安装处对地电压，U_Np、U_Nn分别为正负极线路额定电压；

S2：故障选极判据：

正负极线路保护安装处检测到的对地电压均低于0.8倍额定电压时，认为发生双极短路故障；正极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压，且负极线路保护安装处检测到的对地电压高于1.2倍额定电压，认为发生正极短路故障；负极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压，且正极线路保护安装处检测到的对地电压高于1.2倍额定电压，认为发生负极短路故障；公式如下：

S3：故障选线判据：

选定低压判据启动后，存储器延时2ms内采集40个采样点的波形作为故障后电流波形；选定故障发生前一段正常波形与故障后电流波形共同组成小波降噪原始波形，综合考虑降噪效果和运算时间，正常波形选取10ms内213个采样点；正常波形采样点、启动判据采样点和故障波形采样点共计迭代记录256个采样点；利用小波变换将故障电流提取后，对电流波形进行小波降噪并计算残差绝对值，然后计算各保护安装处的残差绝对值和之比，当残差绝对值和之比大于阈值时，判定为对应的线路故障；

其中阈值的整定要满足如下条件：躲过区外故障最大残差和之比，即定值大于线路中点处发生故障时健全线路的最大残差和之比；并且区内故障残差和之比最小时仍能可靠动作，即定值小于线路端点处发生故障时故障线路的最小残差和之比，本实施例中根据仿真实际情况得到阈值为3。

根据S1-S3的原理，设计选线方法流程图如图5所示，首先，当低压判据满足条件后计时器启动，存储器延时2ms迭代记录256个采样点的电流数据，同时利用故障选极判据实现故障选极；然后，对电流波形进行小波降噪并计算残差绝对值；最后，计算正负极残差和之比并和阈值比较，由于本实施例中只针对单极接地，若线路任何一端保护安装处的电流降噪残差和之比大于阈值3，则发出故障信号，实现正极线路或者负极线路中的故障选线。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多端小电流接地柔性直流系统单极接地故障选线方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：启动判据：

设定采样频率为20kHz，连续3个采样点正极或负极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压均成立时，认为发生短路故障，公式如下：

|V_p|＜0.8|U_Np|∪|V_n|＜|0.8U_Nn| (1)

V_p为正极线路保护安装处对地电压，V_n为负极线路保护安装处对地电压，U_Np、U_Nn分别为正负极线路额定电压；

S2：故障选极判据：

正负极线路保护安装处检测到的对地电压均低于0.8倍额定电压时，认为发生双极短路故障；正极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压，且负极线路保护安装处检测到的对地电压高于1.2倍额定电压，认为发生正极短路故障；负极线路保护安装处检测到的对地电压低于0.8倍额定电压，且正极线路保护安装处检测到的对地电压高于1.2倍额定电压，认为发生负极短路故障；公式如下：

S3：故障选线判据：

选定低压判据启动后，存储器延时2ms内采集40个采样点的波形作为故障后电流波形；选定故障发生前一段正常波形与故障后电流波形共同组成小波降噪原始波形，综合考虑降噪效果和运算时间，正常波形选取10ms内213个采样点；正常波形采样点、启动判据采样点和故障波形采样点共计迭代记录256个采样点；利用小波变换将故障电流提取后，对电流波形进行小波降噪并计算残差绝对值，然后计算各保护安装处的残差绝对值和之比，当残差绝对值和之比大于阈值时，判定为对应的线路故障；

其中阈值的整定要满足如下条件：躲过区外故障最大残差和之比，即定值大于线路中点处发生故障时健全线路的最大残差和之比；并且区内故障残差和之比最小时仍能可靠动作，即定值小于线路端点处发生故障时故障线路的最小残差和之比。

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