CN113125904A - 一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法 - Google Patents

一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，首先确定出故障时刻t0，然后计算出交流母线电压基频负序分量幅值
Figure DDA0003029774610000011
与直流线路电压二次谐波分量幅值UdL2(t)在t0时刻后的增量积分比值，即相关系数λ，通过判断λ与故障识别阈值kset之间的关系实现整流站交流区域与直流区域故障的识别，若λ>kset，则判断发生的故障为整流站交流区域故障；若λ<kset，则判断发生的故障为整流站直流区域故障。本发明赋予了直流100Hz保护对于整流站交流区域故障与直流区域故障的识别能力，可适用于所有的高压直流工程，不受故障类型、故障距离、过渡电阻、故障初始角以及噪声干扰的影响，具有良好的工程应用前景。

Description

一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法
技术领域
本发明属于整流站故障识别技术领域，尤其涉及一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法。
背景技术
随着“西电东送、北电南送”电网战略的全面实施，高压直流输电系统因其输电容量大、输电距离远、传输损耗低等优势，在我国电力格局中占据着越来越重要的地位。高压直流输电的基本原理是：送端发电站的电能通过交流线路输送到高压直流输电系统的整流站，由整流站将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，在高压直流输电系统的逆变站进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能则通过与逆变站相连的交流线路输送给受端电网或电站。
在交流系统不对称故障、阀故障、阀基电子设备故障等可能导致阀的触发出现异常时,直流线路电流中会出现100Hz分量，引起100Hz保护动作，导致降功率运行，甚至直流系统闭锁。已有研究表明，长时间交流系统不对称故障期间，只要交流系统提供的换相电压能够维持换流阀的正常换相，直流系统就能够持续稳定运行。因此，在交流系统不对称故障期间不降低功率、也不闭锁，显然对系统稳定、特别是交流故障后系统的快速恢复非常有利。但按照目前实际工程中的保护策略及整定方式，不能区分两类故障，可能会带来因交流系统不对称故障导致不必要的直流闭锁，例如，天广直流“6·23事故”即为在交流系统故障时，直流100Hz保护误动作，导致直流系统误停运的事故。
发明内容
为了能准确、可靠的识别出整流站直流区域故障和交流区域不对称故障，为直流100Hz保护优化提供理论基础。本发明提供一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法。
本发明的一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，包括以下步骤：
A、数据采集
以采样频率f＝10kHz实时采集电压数据：实时采集整流站交流母线处的三相电压信号ua(t)、ub(t)、uc(t)；实时采集直流线路首端的电压udL(t)，其中t为采样时刻。
B、数据处理
计算整流站交流母线三相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)的故障分量Δua(t)＝ua(t)-ua(t-T)、Δub(t)＝ub(t)-ub(t-T)、Δuc(t)＝uc(t)-uc(t-T)；其中T表示一个交流工频周期。
使用快速傅里叶变换分别提取整流站交流母线三相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)的基频分量幅值Ua1(t)、Ub1(t)、Uc1(t)，再通过相序滤波器提取出交流母线电压基频负序分量幅值
Figure BDA0003029774590000021
并计算其故障分量
Figure BDA0003029774590000022
使用傅里叶变换提取直流线路电压udL(t)的二次谐波分量幅值UdL2(t)；并计算其故障分量ΔUdL2(t)＝UdL2(t)-UdL2(t-T)。
C、故障时刻的确定
取故障分量Δua(t)、Δub(t)、Δuc(t)绝对值的最大值Δumax＝max(|Δua(t)|、|Δub(t)|、|Δuc(t)|)；其中|*|代表对*求绝对值，max表示取最大值运算。
判断Δumax>Δuset是否成立，若否，则返回步骤A；若是，则确定整流站的直流区域或交流区域发生了故障，记录此时为故障时刻，将此时刻记为t0，并进入下一步；其中Δuset为保护算法启动阈值。
D、相关系数的计算
首先计算故障时刻t0之后的交流母线电压基频负序分量幅值的故障分量
Figure BDA0003029774590000023
在t0时刻后p毫秒时间内的积分，即
Figure BDA0003029774590000024
其次计算故障时刻t0之后的直流线路电压二次谐波分量幅值故障分量ΔUdL2(t)在t0时刻后p毫秒时间内的积分，即
Figure BDA0003029774590000025
最后由下式计算出故障时刻t0之后的交流母线电压基频负序分量幅值的故障分量
Figure BDA0003029774590000026
与直流线路电压二次谐波分量幅值故障分量ΔUdL2(t)在t0时刻后p毫秒时间内的积分乘积，即相关系数λ：
Figure BDA0003029774590000027
E、整流站故障区域识别
判断λ>kset是否成立，若是，则判断发生的故障为整流站交流区域故障，若否，则判断发生的故障为整流站直流区域故障，其中kset为故障识别阈值。
进一步的，保护算法启动阈值Δuset的取值为0.01～0.1倍故障启动所用电压测点处电压的额定值。
进一步的，p取值为20。
进一步的，故障识别阈值kset取值为0。
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
1、运算量小、识别速度快。本发明所提出的故障区域识别方法仅需提取直流线路电压二次谐波分量和交流母线电压基频负序分量，对系统的采样频率要求低，方便工程实施；在计算相关系数时，首先提取交流母线电压基频负序分量幅值和直流线路电压的二次谐波分量幅值，再计算两者在故障时刻后的增量积分乘积，无需向量计算中的相位计算步骤，减少了大量的运算量。
2、故障区域识别可靠性高。本发明通过引入了交流母线电压基频负序分量幅值与直流线路电压二次谐波分量幅值的相关系数λ，赋予了直流100Hz保护区分整流站直流区域故障与交流区域故障的能力，当发生整流站交流区域故障时，λ>kset；而当发生整流站直流区域故障时，λ<kset。基于此判据，本发明能及时且准确地识别整流站直流区域故障与交流区域故障，提高直流100Hz保护的可靠性，保证了电网的安全稳定运行。
3、适用范围广、有良好的适应性。本发明仅需采取直流线路电压和交流母线电压，适用于所有的高压直流输电工程；而且在各种工况下，如高过渡电阻、大故障初始角、噪声干扰下，所提整流站故障区域识别方法仍能够可靠识别出故障发生在整流站直流区域还是交流区域，说明了本发明适应性强，可靠性高。
附图说明
图1为高压直流输电系统整流站交直流区域故障分布示意图。
图2为f1-L1单相金属性接地故障，故障距离为20km时的仿真图形。
图3为f3单相金属性接地故障时的仿真图形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本发明的一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，包括以下步骤：
A、数据采集
以采样频率f＝10kHz实时采集电压数据：实时采集整流站交流母线处的三相电压信号ua(t)、ub(t)、uc(t)；实时采集直流线路首端的电压udL(t)，其中t为采样时刻。
B、数据处理
计算整流站交流母线三相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)的故障分量Δua(t)＝ua(t)-ua(t-T)、Δub(t)＝ub(t)-ub(t-T)、Δuc(t)＝uc(t)-uc(t-T)；其中T表示一个交流工频周期。
使用快速傅里叶变换分别提取整流站交流母线三相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)的基频分量幅值Ua1(t)、Ub1(t)、Uc1(t)，再通过相序滤波器提取出交流母线电压基频负序分量幅值
Figure BDA0003029774590000031
并计算其故障分量
Figure BDA0003029774590000032
使用傅里叶变换提取直流线路电压udL(t)的二次谐波分量幅值UdL2(t)；并计算其故障分量ΔUdL2(t)＝UdL2(t)-UdL2(t-T)。
C、故障时刻的确定
取故障分量Δua(t)、Δub(t)、Δuc(t)绝对值的最大值Δumax＝max(|Δua(t)|、|Δub(t)|、|Δuc(t)|)；其中|*|代表对*求绝对值，max表示取最大值运算。
判断Δumax>Δuset是否成立，若否，则返回步骤A；若是，则确定整流站的直流区域或交流区域发生了故障，记录此时为故障时刻，将此时刻记为t0，并进入下一步；其中Δuset为保护算法启动阈值。
D、相关系数的计算
首先计算故障时刻t0之后的交流母线电压基频负序分量幅值的故障分量
Figure BDA0003029774590000041
在t0时刻后p毫秒时间内的积分，即
Figure BDA0003029774590000042
其次计算故障时刻t0之后的直流线路电压二次谐波分量幅值故障分量ΔUdL2(t)在t0时刻后p毫秒时间内的积分，即
Figure BDA0003029774590000043
最后由下式计算出故障时刻t0之后的交流母线电压基频负序分量幅值的故障分量
Figure BDA0003029774590000044
与直流线路电压二次谐波分量幅值故障分量ΔUdL2(t)在t0时刻后p毫秒时间内的积分乘积，即相关系数λ：
Figure BDA0003029774590000045
E、整流站故障区域识别
判断λ>kset是否成立，若是，则判断发生的故障为整流站交流区域故障，若否，则判断发生的故障为整流站直流区域故障，其中kset为故障识别阈值。整流站交直流区域故障分布如图1所示。
进一步的，保护算法启动阈值Δuset的取值为0.01～0.1倍故障启动所用电压测点处电压的额定值。
进一步的，p取值为20。
进一步的，故障识别阈值kset取值为0。
仿真实验
以整流站为例来验证所提方案的正确性，在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建送端连接有3条交流线路的±800kV交直流系统仿真模型，模型中3条送电交流线路L1～L3的长度分别为40km、40km、20km。在模型上设置交流线路L1上点f1-L1处A相发生金属性接地故障，故障距离，即距离换流母线的距离为20km，仿真图形如附图2所示，计算可得λ＝1.0059×1010>0，可判断出为整流站交流区域故障；在模型上设置换流变压器阀侧f3处A相发生金属性接地故障，仿真图形如附图3所示，计算可得λ＝-7.2027×107<0，可判断出为整流站直流区域故障。
为验证所提故障识别方法在不同故障类型与不同故障位置下的适应性，分别在模型上设置不同故障类型与不同故障位置的整流站交流区域与直流区域故障，并利用本发明所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表1所示。其中f1-L1代表交流线路L1上发生的故障，f2表示换流变压器一次侧发生的故障，均为整流站交流区域故障；f3表示换流变压器阀侧故障，f4表示换流器直流侧出口故障，均为整流站直流区域故障。表1中AG表示A相接地故障，AB表示A相和B相两相短路故障，ABG代表两相接地故障，ABC表示A相、B相与C相三相短路故障；表1中的故障距离代表f1-L1距离换流母线的距离；f1-L1、f2、f3、f4的过渡电阻均为15Ω，故障初始角均为0度。
表1不同故障类型与不同故障位置下的仿真结果
Figure BDA0003029774590000051
根据表1中结果可知，在整流站交流区域内发生不同类型的故障时，λ均大于0，此时判断发生的故障为整流站交流区域故障；在整流站直流区域内发生不同类型和不同距离的故障时，λ均小于0，此时判断发生的故障为整流站直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，本发明均能够准确识别，与本发明所要实现的目的一致。
为验证所提故障识别方法在不同过渡电阻下的适应性，分别在模型上设置不同过渡电阻的整流站交流区域与直流区域故障，并利用本发明所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表2所示。以A相接地故障为例，其中f1-L1处发生的故障在距离换流母线10km处，故障初始角均为0°。
表2不同过渡电阻下的仿真结果
Figure BDA0003029774590000061
根据表2中结果可知，在整流站交流区域内发生不同过渡电阻下的故障时，λ均大于0，此时判断发生的故障为整流站交流区域故障；在整流站直流区域内发生不同过渡电阻下的故障时，λ均小于0，此时判断发生的故障为整流站直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，本发明均能够准确识别，与本发明所要实现的目的一致。
为验证所提故障识别方法在不同故障初始角下的适应性，分别在模型上设置不同故障初始角下的整流站交流区域与直流区域故障，并利用本发明所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表3所示。以A相接地故障为例(过渡电阻设置为15Ω)，f1-L1处发生的故障在距离换流母线10km处。
表3不同故障初始角下的仿真结果
Figure BDA0003029774590000062
根据表3中结果可知，在整流站交流区域内发生不同故障初始角下的故障时，λ均大于0，此时判断发生的故障为整流站交流区域故障；在整流站直流区域内发生不同故障初始角下的故障时，λ均小于0，此时判断发生的故障为整流站直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，本发明均能够准确识别，与本发明所要实现的目的一致。
为验证所提故障识别方法在噪声干扰下的适应性，在模型上设置不同程度噪声干扰下的整流站交流区域与直流区域故障，并利用本发明所提算法对故障进行识别，以A相接地故障为例(过渡电阻设置为15Ω)，f1-L1处发生的故障在距离换流母线10km处，故障初始角为0°，得到的仿真结果如表4所示。
表4噪声干扰下的仿真结果
Figure BDA0003029774590000071
根据表4中结果可知，在噪声干扰下，整流站交流区域内发生故障时，λ均大于0，此时判断发生的故障为整流站交流区域故障；整流站直流区域内发生故障时，λ均小于0，此时判断发生的故障为整流站直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，本发明均能够准确识别，与本发明所要实现的目的一致。

Claims (4)

1.一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、数据采集
以采样频率f＝10kHz实时采集电压数据：实时采集整流站交流母线处的三相电压信号ua(t)、ub(t)、uc(t)；实时采集直流线路首端的电压udL(t)，其中t为采样时刻；
B、数据处理
计算整流站交流母线三相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)的故障分量Δua(t)＝ua(t)-ua(t-T)、Δub(t)＝ub(t)-ub(t-T)、Δuc(t)＝uc(t)-uc(t-T)；其中T表示一个交流工频周期；
使用快速傅里叶变换分别提取整流站交流母线三相电压ua(t)、ub(t)、uc(t)的基频分量幅值Ua1(t)、Ub1(t)、Uc1(t)，再通过相序滤波器提取出交流母线电压基频负序分量幅值
Figure FDA0003029774580000011
并计算其故障分量
Figure FDA0003029774580000012
使用傅里叶变换提取直流线路电压udL(t)的二次谐波分量幅值UdL2(t)；并计算其故障分量ΔUdL2(t)＝UdL2(t)-UdL2(t-T)；
C、故障时刻的确定
取故障分量Δua(t)、Δub(t)、Δuc(t)绝对值的最大值Δumax＝max(|Δua(t)|、|Δub(t)|、|Δuc(t)|)；其中|*|代表对*求绝对值，max表示取最大值运算；
判断Δumax>Δuset是否成立，若否，则返回步骤A；若是，则确定整流站的直流区域或交流区域发生了故障，记录此时为故障时刻，将此时刻记为t0，并进入下一步；其中Δuset为保护算法启动阈值；
D、相关系数的计算
首先计算故障时刻t0之后的交流母线电压基频负序分量幅值的故障分量
Figure FDA0003029774580000013
在t0时刻后p毫秒时间内的积分，即
Figure FDA0003029774580000014
其次计算故障时刻t0之后的直流线路电压二次谐波分量幅值故障分量ΔUdL2(t)在t0时刻后p毫秒时间内的积分，即
Figure FDA0003029774580000015
最后由下式计算出故障时刻t0之后的交流母线电压基频负序分量幅值的故障分量
Figure FDA0003029774580000016
与直流线路电压二次谐波分量幅值故障分量ΔUdL2(t)在t0时刻后p毫秒时间内的积分乘积，即相关系数λ：
Figure FDA0003029774580000017
E、整流站故障区域识别
判断λ>kset是否成立，若是，则判断发生的故障为整流站交流区域故障，若否，则判断发生的故障为整流站直流区域故障，其中kset为故障识别阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，其特征在于，所述保护算法启动阈值Δuset的取值为0.01～0.1倍故障启动所用电压测点处电压的额定值。
3.根据权利要求1所述的一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，其特征在于，所述p取值为20。
4.根据权利要求1所述的一种基于站域信息的整流站故障区域识别方法，其特征在于，所述故障识别阈值kset取值为0。
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