CN112803377B - 适用于混合双极直流输电线路的单端电气量保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于混合双极直流输电线路的单端电气量保护方法，利用混合双极直流输电系统特有的边界结构，构造了一种基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法。通过PSCAD/EMTDC仿真平台搭建混合双极高压直流输电系统，模拟不同工况下的故障情形，提取电压特征信号，进行小波包变换，得到各节点的暂态能量，利用特定低频能量与部分高频能量和的比值构造保护判据，从而识别区内外故障以及进行故障选极。该方法耐过渡电阻能力强，保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性都得到了满足，具有较高的精度，可以准确识别故障。本发明可以与小波包相关的计算采用高性能的CPU实现或者采用诸如FPGA或CPLD的硬件电路来实现，提高故障识别的速度、精度及可靠性。

Description

适用于混合双极直流输电线路的单端电气量保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体来说，利用混合双极直流输电系统特有的边界结构，涉及一种基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法。

背景技术

直流输电在远距离输电中占据重要位置，因此在海内外掀起了研究高压直流输电的热潮，直流输电成为电网发展的必然之举。我国地大物博，能源分布不均，成为世界上直流输电发展前景最好的国家之一。我国建立大量的直流输电工程，进行远距离、大容量输电，以此来满足全国的用电需求。因此发展高压直流输电对缓解我国能源、经济、环境共同发展具有重要的意义。

相对于交流输电而言，高压直流输电具有输电损耗小，传输容量大的优点，但受端存在换相失败的问题。而模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统，可以独立控制有功与无功，不存在换相失败问题，且能对故障电网提供无功支撑。结合二者的优点，混合高压直流输电系统，是目前的研究热点。

直流输电系统由于输电线路较长，受沿线架设环境的影响，故障率高。故障发生后，需要在数毫秒内准确判别故障的存在，使得保护可靠动作。因此，研究直流线路快速保护非常有意义。

目前无论是单纯LCC型直流，还是单纯VSC型直流的研究都相对充分，关于混合直流输电线路保护的研究甚少。单端量保护不需要进行信息交互，可以快速识别故障。暂态能量比值的线路保护方法利用线路特征信号的高低频能量比值，具有较明显的特征。因此，本发明将重点研究暂态能量之比的单端电气量保护方法对混合双极直流输电系统的适应性。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有快速响应、可靠动作、灵敏度高、选择性好的基于边界元件暂态分量之比的单端电气量保护方法，分析了它对混合双极直流输电系统的适应性。

为达以上目的，本发明提供一种适用于混合双极直流输电线路的单端电气量保护方法，通过模拟不同工况下的故障情形，提取电压特征信号，进行小波包变换，得到各节点的暂态能量，利用特定低频能量比部分高频能量和的比值构造保护判据，从而识别区内外故障以及进行故障选极。步骤如下：

步骤一，利用混合双极直流输电系统线路两侧的平波电抗器作为保护边界，在保护安装处提取电压特征信号；

步骤二，通过步骤一分析区内、外故障时电压特征信号的暂态高频能量，正负极采用的输电方式、控制策略影响直流线路的故障特征。由于单极故障特征存在差异，导致了非故障的感应也与传统单一直流输电方式存在差异。因此，有必要研究暂态能量之比的方法是否仍然适用于混合双极直流输电系统。

步骤三，对步骤一得到的电压特征信号进行小波包变换，根据奈奎斯特采样定律，分8个节点，得到各频带暂态能量；

步骤四，由于电感通低频阻高频的特性，利用步骤三得到的低频能量和部分高频能量和的比值构造保护判据，从而识别区内外故障以及进行故障选极。同时考虑故障位置、过渡电阻等对保护的影响；

步骤五，通过构建的模型模拟不同故障类型，并利用MATLAB结合保护判据进行保护算法的仿真验证，从而识别区内、外故障以及进行故障选极。

通过观察正极故障和负极故障的电压波形不同，且极间故障的特征也有别于单一输电方式的双极故障特征。可见，正负极采用的输电方式、控制策略影响了直流线路的故障特征。由于单极故障特征存在差异，导致了非故障极所感应的电气量也与传统单一直流输电方式存在差异。因此，应研究暂态能量之比的方法是否仍然适用于混合双极直流输电系统。

在区内故障时，故障信息中包含丰富的高频和低频信息，行波先流经保护安装处a，c之后流经边界元件平波电抗器，由于平波电抗器对高频的抑制阻碍作用，可知经过后的故障电流包含的低频信息居多，高频能量衰减。而测量点a得到的信息是原始的高低频信息。由此可见，区内故障时保护测量处得到的高频分量多。当发生区外故障时，行波先流经p处，之后经过平波电抗器，其后到达保护安装处。由此可见，在保护安装处测量得到的高频信息较少。

所述步骤三中的电气量信号为电压电气量信号。

通过对故障电压信号进行小波包变换，得到各频带暂态能量，利用低频能量与部分高频能量和的比值构造保护判据，给出了整定原则、分析过渡电阻的影响。

本发明具有以下有益效果：

1、在不同的工况下，甚至在区内故障短路接地电阻为1000Ω时，该方案仍可以准确识别故障，满足保护的可靠性；

2、数据窗只有3ms，满足继电保护的速动性；

3、该方案保护的是直流线路全长，满足保护的灵敏性；

4、该方案可以快速识别故障，以及自行进行故障选极，满足保护的选择性。

5、考虑到本方法的计算量，可能成为低性能cpu的计算负担，可以将小波包相关计算由诸如FPGA或者CPLD之类的硬件来实现，以提高故障识别的速度、精度及可靠性。

综上可见该方法耐过渡电阻能力强，保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性都得到了满足，具有较高的精度，可以准确识别故障。

附图说明

图1为混合双极直流输电系统结构及故障图

图2为混合双极直流线路各故障波形图

图2(a)为正常运行电压波形图

图2(b)为正极故障时电压波形图

图2(c)为负极故障时电压波形图

图2(d)为双极故障时电压波形图

图3为区内故障行波图

图4为整流侧直流出口处区外故障行波图

图5为保护流程图

图6为区内双极故障不同距离过渡电阻的k值图

图7为区内正极故障不同距离过渡电阻的k值图

图8为区内负极故障不同距离过渡电阻的k值图

图9为区外故障时不同故障类型时K值图

附表说明

表1为小波包分解第3层各节点对应的频率段分布表

表2为在正极发生区内故障时K_a/K_b数据表

表3为在负极发生区内故障时K_a/K_b数据表

表4为在双极发生区内故障时K_a/K_b数据表

表5为区外故障时K_a/K_b数据表

表6为保护识别结果表

具体实施方式

实施例1：

通过分析保护安装处的电压特征信号发现，由于直流线路两侧平波电抗器的存在，线路区内外故障时的电压特征信号的暂态高频分量存在明显差异，区内故障高频分量明显高于区外故障，基于此差异提出了一种基于暂态能量之比的单端电气量保护方法。

步骤如下：

1)利用混合双极直流输电系统线路两侧的平波电抗器作为保护边界，在保护安装处提取电压特征信号；

2)分析区内、外故障时电压特征信号的暂态高频能量，存在明显的差异；

3)得到的电压特征信号进行小波包变换，得到各频带暂态能量；

4)利用得到的低频能量与部分高频能量和的比值构造保护判据，同时考虑故障位置、过渡电阻等对保护的影响；

5)通过构建的模型模拟不同故障类型，并利用MATLAB结合保护判据进行保护算法的仿真验证，从而识别区内、外故障以及进行故障选极。

其中通过步骤2)可以发现正极故障和负极故障的电压波形迥然不同，且极间故障的特征也有别于单一输电方式的双极故障特征。造成差异的起始部分是网架结构(线路、滤波器、模块电容、电感等)及参数决定的电磁暂态过程，后面特征差异是MMC和LCC换流器带来的。可见，正负极采用的输电方式、控制策略影响了直流线路的故障特征。由于单极故障特征存在差异，导致了非故障的感应也与传统单一直流输电方式存在差异。因此，有必要研究暂态能量之比的方法是否仍然适用于混合双极直流输电系统。即不仅需要研究这种故障特征差异下，故障极能否正确动作，还需要研究非故障极能否可靠不动作。

步骤3)中提取各频带暂态能量的方法为小波包变换。

步骤4)可按以下步骤进行

根据故障后电压变化量的幅值构造启动判据，可表示为：

|ΔU|＞0.1U_n (18)

保护测量点得到的电压高频能量大，区外故障时测量点得到的电压高频能量较小，导致高低频能量的比值不同，由此可构造保护判据，即：

在一定的裕值下，保护整定值可选取为

K_set＝3 (20)

保护的判据设置为：

区内正极故障为：K_a<3；K_b>3；

区内负极故障为：K_a>3；K_b<3；

区内双极故障为：K_a<3；K_b<3；

区外故障为：K_a>3；K_b>3。

本实施例中对不同的区内、区外故障进行了仿真验证。本系统选取的电缆长度为200km，电压等级为±500kV。故障发生时刻为3s，持续时间为0.1s，本文选取的数据窗为3ms，采样周期为100μs。请参照图6至图9，分别对故障f₁-f₇进行了验证。同时，针对不同的线路长度与过渡电阻进行验证，验证结果如表2至表5。

表2区内正极故障时K_a/K_b数据表

表3区内负极故障时K_a/K_b数据表

表4区内双极故障时K_a/K_b数据表

表5区外故障时K_a/K_b数据表

从表2和图6中可以清楚地看到，线路保护安装在a位置的K_a值均小于3，线路保护安装在b位置的K_b值均大于3。结合保护判据，发生了区内正极故障。表3和图7仿真结果表明，线路保护安装位置a处的K_a值均大于3，线路保护安装位置b处的K_b值均小于3。结合保护判据，发生了区内负极故障。由表4和图8仿真结果可知，线路保护安装在a位置的K_a值均小于3，线路保护安装在b位置的K_b值均小于3。结合保护判据，发生了区内双极故障。在表5和图9中可以看出，线路保护安装在a位置的K_a值均大于3，线路保护安装在b位置的K_b值均大于3。结合保护判据，可验证f₁、f₄、f₅、f₆为区外故障。

表6保护识别结果表

根据图6至图9及表2至表5的验证结果，可以显著地显示本发明的方法对于区内、区外故障判别的灵敏度高、选择性好、动作速度快、可靠性高，从而为混合双极输电提供可靠的继电保护。

以下是本发明的原理：

请参照图1，图1为所选用的混合双极直流输电系统。正极采用LCC-HVDC，换流单元为2组12脉冲换流器串联构成；负极采用MMC-HVDC，每相为100个半桥子模块级联而成。其中M、N分别为线路两端，a、c分别为区内线路保护安装处，p、q分别为整流侧正极和负极出口安装分压器和分流器安装位置；Z为交流测等值阻抗；L为平波电抗器；故障f₁为整流侧正极直流线路出口处区外故障，f₂为正极区内故障，f₄为逆变侧正极直流线路出口处区外故障，f₅、f₃、f₆为负极相应的故障，与正极对应，f₇为区内双极短路故障。

由图2可见，图2(b)正极故障和图2(c)负极故障的电压波形迥然不同，且极间故障的特征也有别于单一输电方式的图2(d)双极故障特征。可见，正负极采用的输电方式、控制策略影响了直流线路的故障特征。由于单极故障特征存在差异，导致了非故障的感应也与传统单一直流输电方式存在差异。因此，有必要研究暂态能量之比的方法是否仍然适用于混合双极直流输电系统。即不仅需要研究这种故障特征差异下，故障极能否正确动作，还需要研究非故障极能否可靠不动作。

(1)边界保护的原理

本发明搭建的高压混合双极直流输电模型，采用平波电抗器作为保护的边界，平波电抗器的作用是可以抑制故障发生时故障分量的变化，防止换相失败，减少谐波。直流电抗器电感值的选取越大对高频分量的抑制效果越好，但若过大，容易在运行时产生过电压，系统控制性能也将变差，取值L＝0.01H。阻抗的计算公式见式

Z＝jωL (1)

其中，ω为角频率，L为电感值，由此可得，L一定时，Z随着的增大而增大，因此可知直流电抗器对高频的抑制效果明显。

(a)区内故障

由图3可以看出，当线路发生区内故障时，行波从故障点流经线路两侧，遇到障碍物时发生折射和反射，最终经地形成回路。u_f为故障发生时产生的行波其由故障点流经线路两侧分为u_1f和u_2f，在遇到平波电抗器时，行波在线路上发生了折射和反射，分为u_1f’、u_1b和u_2f’、u_2b，由此可见行波在传播过程中：

E_a＞E_p (2)

式中：E_a与E_p分别表示a与p处行波电压的高频暂态能量。同理，在负极整流侧处可得：

E_b＞E_q (3)

此处，在区内故障时，故障信息中包含丰富的高频和低频信息，行波先流经保护安装处a，c之后流经边界元件平波电抗器，由于平波电抗器对高频的抑制阻碍作用，可知经过后的故障电流包含的低频信息居多，高频能量衰减。而测量点a得到的信息是原始的高低频信息。由此也可见，区内故障时保护测量处得到的高频分量多。

(b)整流侧直流线路区外故障

由图4可以看出，行波在线路传播时，流经p处到达平波电抗器，发生折射与反射，可见在正极整流侧处，a与p处行波暂态能量的关系为：

E_a＜E_p (4)

同理，在负极整流侧处可得：

E_b＜E_q (5)

此外，当发生区外故障时，行波先流经p处，之后经过平波电抗器，其后到达保护安装处。由此可见，在保护安装处测量得到的高频信息较少。其他的区外故障与之类似，可得到相同的结论。

(2)小波包变换算法

本发明利用边界元件处高低频暂态能量进行故障判别，所以需要对信号的高频成分进行分解，由于小波变换只会对信号的低频成分进行分解，而小波包分解弥补了这一缺陷，其是对信号的近似系数和细节系数都进行分解。

设信号x(t)∈L²(R)，{2^-j/2μ_n(2^-jt-k)|k∈Z}是小波包子空间上的规范正交基，小波包子空间/>的投影及小波包系数分别为：

式(6)为内积型小波包变换。小波包的这种内积型定义导致了快速算法中的隔二抽一采样，而使各分解序列长度递减。卷积型小波包变换在迭代运算过程中没有隔点采样环节，因此克服了小波包中因存在隔二抽一环节而产生的诸如频率折叠信号失真平移可变等缺陷。将卷积型定义推广到小波包，作如下定义：设信号x(t)∈L²(R)，若{2^-j/2μ_n(2^-jt-k)k∈Z}是小波包子空间上的规范正交基，则信号x(t)∈L²(R)的卷积型小波包变换为：

式中：j为尺度；S为最大分解层数；n为小波包节点序号。

根据卷积定理，将卷积型小波包变换的定义式(7)转换到频域：

式中：为x(t)的傅里叶变换。

在小波包的定义式中：

式中：μ_n(t)为小波包；h(k)与g(k)为小波滤波器组。

在(9)式中，令t＝2^-jx，然后两端取傅立叶变换，可得到：

令：

则(10)式变为：

考虑到H(ω)的定义，并结合式(11)，(8)可得：

转换到时域，得到：

类似地可得到对的迭代计算公式。总结起来，可得到卷积型小波包变换的快速分解算法为：

通过小波包变换，可以得到不同频段下小波包系数，信号的小波包能量E与各频段的小波包系数关系如下：

式中：x_j，k为小波包系数，j＝0，1，2，...，2ⁱ－1，k＝1，2，...，N；N为离散重构信号的离散采样点数，E_i，j为故障信号经小波包分解后第i层第(i，j)个节点的频带能量。

(3)小波包变换参数

本发明选取的是采样周期为100μs，采样频率为10kHz，在实际的工程中，采样频率达到2kHz以上就可以提取有用的故障信息。第3层各节点是按照频率的高低从小到大分布，由奈奎斯特采样定律可知，最高频率为5kHz，分为8个节点，所以各节点的频率段分布如表1所示。

表1小波包分解第3层各节点对应的频率段

由表1可知，节点1包括基波频率，长线路对低频信号有一定的增强作用，所以节点1的频率能量必然很大，这点在后续仿真中也可以得到了验证，节点1的能量值数量级与之后节点的数量级相差过大，因此在故障识别中去掉节点1的数据，将节点2的数据作为低频段，进行分析。取节点2的数据与节点3-8的数据和作为比值，对该比值进行整定，从而实现区内外故障的判别。

线路保护算法的整定

(1)保护启动

根据故障后电压变化量的幅值构造启动判据，可表示为：

|U-U_n|＞0.1U_n (15)

式中：ΔU为正极或负极电压变化量，即用电压瞬时值减去其1ms之前的值计算获得；U_n为电压额定值，针对本发明而言，即为500kV。若保护安装处测量得到的数据满足式(15)，则保护启动，反之，保护不启动。

(2)故障判据

保护测量点得到的电压高频能量大，区外故障时测量点得到的电压高频能量较小，导致高低频能量的比值不同，由此可构造保护判据，即：

式中：K_a、K_b分别表示为正极、负极的高低频能量比；E_La表示为在正极保护安装处a测量得到的电压信号经小波包三层变换后的第二个节点能量值；E_∑Ha表示为在正极保护安装a处测量得到的数据，经小波包三层变换得到的第三层后六节点能量之和；K_set为保护设定的门槛值。

对于区内故障的保护整定值的选取，只要保证其可以避开所有的区外故障即可。在一定的裕值下，保护整定值可选取为

K_set＝3 (17)

保护的判据设置为：

区内正极故障为：K_a<3；K_b>3；

区内负极故障为：K_a>3；K_b<3；

区内双极故障为：K_a<3；K_b<3；

区外故障为：K_a>3；K_b>3。

由此可见，本保护方案可识别区内外故障。同时若故障为区内故障，有上述结果可见，本保护方案也可自行故障选极，准确判断故障极和健全极。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于混合双极直流输电线路的单端电气量保护方法，基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别，其特征在于：通过模拟不同工况下的故障情形，提取电压特征信号，进行小波包变换，得到各节点的暂态能量，利用特定低频能量比部分高频能量和的比值构造保护判据，从而识别区内外故障以及进行故障选极，步骤如下：

步骤一，利用混合双极直流输电系统线路两侧的平波电抗器作为保护边界，在保护安装处提取电压特征信号；

步骤二，通过步骤一分析区内、外故障时电压特征信号的暂态高频能量，存在明显的差异；

步骤三，对步骤一得到的电压特征信号进行小波包变换，得到各频带暂态能量；

步骤四，利用步骤三得到的低频能量和部分高频能量和的比值构造保护判据，同时考虑故障位置、过渡电阻对保护的影响；

步骤五，通过构建的模型模拟不同故障类型，并利用MATLAB结合保护判据进行保护算法的仿真验证，从而识别区内、外故障以及进行故障选极。

2.根据权利要求1所述的基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法，其特征在于：通过观察正极故障和负极故障的电压波形不同，且极间故障的特征也有别于单一输电方式的双极故障特征,可见，正负极采用的输电方式、控制策略影响了直流线路的故障特征,由于单极故障特征存在差异，导致了非故障极所感应的电气量也与传统单一直流输电方式存在差异，因此，应研究暂态能量之比的方法是否仍然适用于混合双极直流输电系统。

3.根据权利要求2所述的基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法，其特征在于：在区内故障时，故障信息中包含丰富的高频和低频信息，行波先流经保护安装处a，c之后流经边界元件平波电抗器，由于平波电抗器对高频的抑制阻碍作用，可知经过后的故障电流包含的低频信息居多，高频能量衰减，而测量点a得到的信息是原始的高低频信息，由此可见，区内故障时保护测量处得到的高频分量多，当发生区外故障时，行波先流经p处，之后经过平波电抗器，其后到达保护安装处，由此可见，在保护安装处测量得到的高频信息较少。

4.根据权利要求1所述的基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法，其特征在于：所述步骤三中的电气量信号为电压电气量信号。

5.根据权利要求1所述的基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法，其特征在于：通过对故障电压信号进行小波包变换，得到各频带暂态能量，利用低频能量与部分高频能量和的比值构造保护判据，给出了整定原则、分析过渡电阻的影响。