CN112736864B - 基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法及系统，涉及直流输电系统技术领域，所述方法包括获取直流电抗器的电压信号；构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，执行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作。本发明解决现有基于直流电抗器幅值的保护原理耐受故障电阻能力差的问题。

Description

基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法及系统

技术领域

本发明涉及直流输电系统技术领域，具体涉及一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法及系统。

背景技术

直流线路具有阻尼小、故障电流上升快的特点，因此需要在极短时间内切除故障。配合混合直流断路器的故障切除时间要求为6ms，则主保护的出口时间要在3ms内。现有直流线路保护方案可以分为两类：基于时域分析的保护原理和基于频域分析的保护原理。基于时域分析的保护原理常利用故障信息的幅值、极性、变化率构造保护原理。但由于时域信号易受故障电阻和噪声干扰的影响，导致可靠性较低。现有行波保护方案最大识别电阻只有100Ω。有发明利用直流电压的变化率进行故障识别，但仍存在反应过渡电阻能力差的问题。为此，基于电压、电流变化量乘积的故障识别原理被提出，虽然增加了耐过渡电阻能力，但可靠性仍然较差。通过调研发现，虽然现有基于时域分析的保护原理受高阻故障和噪声干扰的影响大，但其凭借原理简单，易于实现等优点较为广泛的应用在现有直流工程中。

随着小波变换等数学工具的引入，基于频域分析的保护原理受到了广泛的关注。有发明提出基于故障电流频率的纵联保护方案，利用不同频率的故障电流识别区内、外故障。有发明利用小波变换提取高频暂态电压分量，提出基于区内外暂态能量差异的故障识别方案。基于频域分析的保护原理常利用小波分析等数学工具提出多频率故障信息进行故障识别。然而，这种数学工具进行数据处理自身存在延时，降低了保护的速动性。

多端混合直流系统的电压源型换流器出口处均安装有直流电抗器，其不仅具有限制故障电流的作用，还可作为直流线路保护的天然边界。因此，国内外学者利用直流电抗器提出了多种故障识别方法。有发明利用直流电抗器电压幅值作为特征值进行故障识别，但是该时域保护方案在远端高阻故障时存在死区问题。有发明利用直流电抗器电压变化率进行故障识别，增加了故障电阻的识别能力，但其故障电阻识别的阈值有限。有发明提出一种基于阻抗角差异的故障识别原理，可以识别300Ω的故障电阻，但是其仍存在频域分析保护原理的固有缺点。

现有的直流输电系统的线路主保护常常采用行波保护，但行波保护易受高阻故障的影响。因此，远距离高阻故障难识别问题是基于单端保护原理的共同问题。另外，现有工程的单端时域保护原理耐受噪声干扰的能力不强，使得保护不正确动作的风险增加，噪声干扰问题亦亟需解决。

发明内容

针对现有技术中的基于直流电抗器幅值的主保护原理利用频域的保护原理解决高阻故障问题，基于频域的保护原理存在实际应用困难的问题，本发明提供一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法及系统，解决现有基于直流电抗器幅值的保护原理耐受故障电阻能力差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，用于直流电抗器，包括：

步骤1：获取直流电抗器的电压信号；

步骤2：构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；若是，则执行步骤3，若否，则退回到步骤1；

步骤3：构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；若判定为正向故障，则执行步骤4，若判定为反向故障，则程序结束，保护不动作；

步骤4：构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，执行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，进一步地，所述第一判据为：

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，进一步地，直流电抗器电压u_H具体为；

当发生正向内部故障时，由KVL可得

式中u_C为MMC等值电容电压；

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，进一步地，所述第二判据：

所述第三判据：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，进一步地，所述故障选极程序为：

式中，|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值；λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值。

一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，用于直流电抗器，包括：

采集单元，其用于获取直流电抗器的电压信号；

第一处理单元，其用于构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；

第二处理单元，其用于构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；

第四处理单元，其用于构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，进行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，进一步地，所述第一判据为：

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，进一步地，直流电抗器电压u_H具体为；

当发生正向内部故障时，由KVL可得

式中u_C为MMC等值电容电压；

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，进一步地，所述第二判据：

所述第三判据：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度。

如上所述的基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，进一步地，所述故障选极程序为：

式中，|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值；λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本方法与基于直流电抗器电压幅值、变化率的保护原理(200Ω)相比，该保护原理耐故障电阻能力增强至700Ω，解决了时域分析保护原理受高阻故障影响较大的问题。本方法采用曼哈顿距离的数学分析工具，具有较强的抗噪声干扰能力，可在10dB信噪比下正确识别故障，解决了时域分析保护原理受噪声影响大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为直流工程简化图；

图2为本发明实施例的直流线路保护方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为更好阐述本发明的技术构思，现对本发明面对的技术问题进行阐述。

图1为直流工程的结构简化图，图中的两个VSC换流站采用半桥子模块的换流器，线路采用依频模型，每条线路两侧均配置直流电抗器。图中f₁、f₂和f₃分别代表线路L2的反向区外故障，正向区内故障和正向区外故障。

当直流线路发生区内双极短路故障时，故障阶段包括换流器闭锁前和换流器闭锁后两个阶段。由于本发明研究线路主保护原理，期望保护在换流器闭锁前动作，所以只研究换流器闭锁前的故障阶段。此时，故障电流主要来自子模块电容放电。

(1)保护启动判据。

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset (1)

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值。

当发生正向内部故障时时，由KVL得到公式(2)。式中u_C为MMC等值电容电压。

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，得到直流电抗器电压u_H为：

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数。

由式(3)可以看出，故障发生后直流电抗器电压首先增大到峰值，随后衰减。当电感L_T增大时，A值减小，所以直流电抗器会限制电压的峰值。另外，电容放电回路电感增大，电压衰减系数σ将减小，导致电容放电会延缓，从而抑制了直流电抗器电压的上升速率。若不考虑线路电感时，图1中正向区内故障和正向区外故障的故障等值电路只相差直流电抗器L_T，因此正向区外故障时只需将式中ω和σ中的限流电感变为4L_T，随后计算直流电抗器电压的一半即可。

因此，本发明决定从波形方面研究，由公式(3)可以看出：正向内部时直流电抗器电压会很快的增大至峰值，随后发生衰减。正向外部故障时，线路末端的直流电抗器不仅使得电压衰减系数减小，导致电压波形上升速率减小；直流电抗器的阻碍作用亦导致电压峰值降低。因此，正向内部故障和正向外部故障的直流电抗器电压波形存在差异。

通过上述分析可知，利用故障电流波形与故障发生时刻直线的距离，可以识别区内、外故障。因此，本发明引入曼哈顿距离度量直流电抗器电压与故障发生时刻直线的距离。

曼哈顿距离被广泛应用在各种数据的相似性度量中。在数学中，曼哈顿距离是空间中两点之间的距离，曼哈顿距离用来描述两样本之间的空间差距，距离值越大说明样本数值差距越大，样本越不相似；距离越小代表样本相似程度越高。

欧几里得在二维空间的公式为：

d＝|x₂-x₁|+|y₂-y₁| (5)

式中：d表示点(x₁,y₁)和(x₂,y₂)之间的曼哈顿距离；(x₁,y₁)表示直流电抗器电压的采样点；(x₂,y₂)表示故障时刻直线的数据，其中x₂是故障时刻。

本发明计算电抗器电压与故障时刻直线的曼哈顿距离，并采用相似系数识别区内、外故障。因此，故障识别判据为：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度。当相似度较高时，代表曼哈顿距离较小，证明此时发生正向内部故障；相似度较低时，代表曼哈顿距离较大，证明此时发生正向外部故障。相似系数的阈值由多次实验所得。由于线路出口处发生单极接地故障时电抗器电压最小，所以在线路L2末端设置单极接地故障，计算此时的曼哈顿距离和计算相似系数，从而得到相似系数的阈值(0.7)。

(3)保护选极判据。

由于直流电抗器电压与故障电流变化率成正比关系，所以故障极直流电抗器电压必然大于非故障所得电抗器电压。故本发明设置故障极选择判据为：

式中|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值。λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值，考虑到测量误差等因素以及保留一定的裕度，本发明设置λ_set1＝5、λ_set2＝0.2。

参见图1至图2，图1为直流工程简化图；图2为本发明实施例的直流线路保护方法流程图。

一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，用于直流电抗器，包括：

步骤1：获取直流电抗器的电压信号；

步骤2：构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；若是，则执行步骤3，若否，则退回到步骤1；

步骤3：构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；若判定为正向故障，则执行步骤4，若判定为反向故障，则程序结束，保护不动作；

步骤4：构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，执行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述第一判据为：

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，直流电抗器电压u_H具体为；

当发生正向内部故障时，由KVL可得

式中u_C为MMC等值电容电压；

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述第二判据：

所述第三判据：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述故障选极程序为：

式中，|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值；λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值。

一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，用于直流电抗器，包括：

采集单元，其用于获取直流电抗器的电压信号；

第一处理单元，其用于构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；

第二处理单元，其用于构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；

第四处理单元，其用于构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，进行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述第一判据为：

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，直流电抗器电压u_H具体为；

当发生正向内部故障时，由KVL可得

式中u_C为MMC等值电容电压；

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述第二判据：

所述第三判据：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述故障选极程序为：

式中，|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值；λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值。

本方法与基于直流电抗器电压幅值、变化率的保护原理(200Ω)相比，该保护原理耐故障电阻能力增强至700Ω，解决了时域分析保护原理受高阻故障影响较大的问题。本方法采用曼哈顿距离的数学分析工具，具有较强的抗噪声干扰能力，可在10dB信噪比下正确识别故障，解决了时域分析保护原理受噪声影响大的问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (2)

1.一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取直流电抗器的电压信号；

步骤2：构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；若是，则执行步骤3，若否，则退回到步骤1；

步骤3：构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；若判定为正向故障，则执行步骤4，若判定为反向故障，则程序结束，保护不动作；

步骤4：构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，执行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作；所述第一判据为：

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值；

直流电抗器电压u_H具体为；

当发生正向内部故障时，由KVL可得

式中u_C为MMC等值电容电压；

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数；

所述第二判据：

所述第三判据：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度；

所述故障选极程序为：

式中，|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值；λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值。

2.一种基于电压欧几里得距离的直流线路保护系统，用于直流电抗器，其特征在于，包括：

采集单元，其用于获取直流电抗器的电压信号；

第一处理单元，其用于构建第一判据，根据所述第一判据判断系统保护是否启动；

第二处理单元，其用于构建第二判据，根据构建的所述第二判据判断系统故障方向；

第四处理单元，其用于构造第三判据，根据构建的所述第三判据判断系统正向故障的内外部；若判定为正向内部故障，进行故障选极程序；若判定为正向外部故障，则程序结束，保护不动作；

所述第一判据为：

|u_H(t+1)|-|u_H(t)|＞u_Hset

其中，u_H(t+1)和u_H(t)为直流电抗器两时刻的电压值，u_Hset为设置的直流电抗器电压保护启动阈值；

直流电抗器电压u_H具体为；

当发生正向内部故障时，由KVL可得

式中u_C为MMC等值电容电压；

假设故障初始电压为U₀，初始电流为I₀，

式中：

其中R_e、L_e和C_e分别为MMC等值电阻、电感和电容；L_T为直流电抗器；σ为回路衰减系数；

所述第二判据：

所述第三判据：

式中r代表直流电抗器电压与故障时刻直线的相似度；

所述故障选极程序为：

式中，|u_HP|和|u_HN|分别为正极、负极直流电抗器电压的绝对值；λ_set1和λ_set2为防止电压波动造成误判的阈值。

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