CN113471940A - 基于电压高低频比值差异的mmc-hvdc保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电压高低频比值差异的MMC‑HVDC保护方法，包括以下步骤：将保护测量点设置在线路始端；定义偏差电压以及正常稳定电压，设定启动判据；对正负极电压进行解耦，确定选极判据，在本极故障和双极故障时保护动作；利用时频分析方法S变换提取最低频分量和最高频分量，计算最低频分量与最高频分量的比值；根据区外故障确定保护动作阈值，判断线路区内是否发生。

Description

基于电压高低频比值差异的MMC-HVDC保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种基于测量电压高低频比值差异来实现区内外故障识别的保护方法。
背景技术
能源是人类社会发展的主要动力，化石能源的使用给全球环境造成了严重的影响，为了有效利用风能和太阳能等清洁能源，必须采用新型电网技术以满足未来能源的发展方向。柔性直流输电相比于传统的直流输电技术来说，没有换相失败问题和无功补偿问题，无功有功可独立调节，受端系统可以是无源网络，谐波水平低，克服了传统系统的电流单向流动，可实现多端直流系统。模块化换流器(MMC)的出现更是推动了柔性直流输电的发展。但是基于模块化换流器的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)的发展需要完善相应的继电保护理论，从而保证直流侧故障的可靠切除。
目前直流系统中的保护方法可以分为基于单端量的保护以及基于双端量的保护。其中，基于单端量的保护无需考虑通信延迟以及通信同步的问题，动作速度较快，在直流系统中一般可作为主保护。有些方法利用限流电抗器对电压变化率的衰减作用识别区内外故障，或是利用限流电抗器电压构造保护方案，也有些方法利用限流电抗器电压的变化率构成保护方法，但是他们在高阻故障时灵敏度不足。基于频域的保护方法有着更好地反应故障的本质特性，比如利用边界元件的高频阻滞特征来实现故障的判定，但是他们在也面临区内高阻故障和区外故障难以区分的问题，且易受噪声干扰的影响。双端量保护相比于单端量保护有着更好的可靠性，主要利用线路两侧的电气量在信息上的交互实现故障的判别，常常作为交流系统中的主保护。有方法利用两端反行波幅值识别故障，或是根据线路两端电压电流关系构成纵联保护，再或是利用两侧的固有频率差异构成频差保护，但是由于柔性直流电网的快速动作要求，这些保护方法不能作为长线路输电系统中的主保护。
柔性直流输电技术的发展需要继电保护方面理论的完善，基于频域分析的保护可以更好地反应故障的本质特性，同时也是继电保护亟待突破的难关。线路两侧边界元件对高频分量的阻滞作用是当前保护研究的重要切入点，但是在高阻接地时，仅利用高频幅值或能量的保护是难以辨别区内高阻故障和区外故障，且对噪声干扰也十分敏感。
发明内容
本发明提出了一种基于电压高低频比值差异的MMC-HVDC保护方法，所提方法考虑了线路的频变特性以及行波传输过程，并构造了基于高低频差异的保护方案，有效解决了目前单端量保护面临的高阻接地拒动问题，并具备较强的抗噪能力。技术方案如下：
一种基于电压高低频比值差异的MMC-HVDC保护方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将保护测量点设置在线路始端。
步骤(2)：定义偏差电压ΔU1、ΔU2以及正常稳定电压Ua如下：
Figure BDA0003145803020000021
Figure BDA0003145803020000022
其中j＝p,n，分别代表正、负极测量点，N为用于计算正常稳态电压的点数；uj(k)为当前采样时刻k的电压值，启动判据如下：
ΔU1＜ΔUset&ΔU2＜ΔUset
ΔUset为保护启动阈值，根据正常运行时的偏差电压来确定；
步骤(3)：对正负极电压进行解耦，并计算故障后N0个采样点的0模分量平均值Q0；
确定选极判据Qset，当Q0<-Qset时，认为发生了正极接地故障，Q0>Qset可认为发生了负极接地故障，-Qset≤Q0≤Qset时则判定为双极故障，在本极故障和双极故障时保护动作；
步骤(4)：利用时频分析方法S变换提取最低频分量f1和最高频分量f2，令K1为最低频分量与最高频分量的比值；若K1≤1可认为发生了噪声干扰，根据区外故障确定保护动作阈值Kset；当1<K1<Kset时，则认为线路区内发生了故障，否则认定为区外故障，保护不动作。
进一步地，ΔUset取值范围10～30kV。选极判据Qset取值范围5～15kV。保护动作阈值Kset取值范围900～2000。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、区外故障时，由于限流电抗器的存在，故障行波中的高低频含量的差异将会明显增大，根据低频分量和高频分量的比值可以有效区分区内外故障，且具备极高的抗过渡电阻能力，解决了单端量保护中区内高阻接地和区外故障不易区分的问题。
2、根据S变换下噪声的功率谱密度特征可以实现噪声干扰的有效区分，且在噪声情况下保护仍然可以准确识别故障，大大提高了系统的抗干扰能力。
3、本发明仅利用单端信息量，没有通信延迟和通信同步的问题，且无需额外的方向判据即可准确判断故障位置以及故障类型，可作为柔性直流输电系统中的主保护。
附图说明
图1为区内线路故障时的等效电路；
图2为线路末端发生故障时的等效电路；
图3为正向区外故障等效电路；
图4为反向区外故障等效电路；
图5为特性阻抗拟合图；
图6为衰减函数拟合图；
图7为不同故障位置的传播函数拟合结果；
图8为y1、y2、y3、y4和y5趋势图。
具体实施方式
下面首先介绍本发明的技术方案。
本发明的一种基于电压高低频比值差异的MMC-HVDC保护方法，包括以下步骤：
步骤(1)将保护测量点设置在线路始端(线路电抗器的线路侧)，得出低频分量和高频分量在不同故障位置时的比值差异。
步骤(2)保护装置实时检测测量点的偏差电压ΔU1、ΔU2。本发明定义的偏差电压ΔU1、ΔU2以及正常稳定电压Ua如下：
Figure BDA0003145803020000031
Figure BDA0003145803020000041
其中j＝p,n，分别代表正负极测量点电压，N为用于计算正常稳态电压的点数。uj(k)为当前采样时刻的电压值，当连续两个采样时刻的电压值与正常稳定电压出现较大偏差时，可认为可能发生了故障，启动判据如下：
ΔU1＜ΔUset&ΔU2＜ΔUset (3)
ΔUset为保护启动阈值，根据正常运行时的偏差电压来决定，一般取为10～30kV。
步骤(3)对正负极电压进行解耦，并计算故障后N0个采样点的0模分量平均值Q0。k0为保护启动时刻
Figure BDA0003145803020000042
取选极判据为Qset，取值范围5～15kV。当Q0<-Qset时，可认为发生了正极接地故障，Q0>Qset可认为发生了负极接地故障，-Qset≤Q0≤Qset时则判定为双极故障。保护应在本极故障和双极故障时动作。
步骤(4)利用时频分析方法S变换提取最低频分量f1(非直流分量)和最高频分量f2，最低与最高频率受采样频率以及数据窗长度的限制。设a1和a2分别为f1和f2在S变换矩阵中对应的行数。令K1为最低频分量与最高频分量的比值，N1为故障后用于计算K1的采样点个数：
Figure BDA0003145803020000043
若K1≤1可认为发生了噪声干扰。取Kset为保护动作阈值，根据区外故障来定，取值范围(900～2000)。当1<K1<Kset时，则认为线路区内发生了故障，否则认定为区外故障，保护不动作。
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
1，结合行波的传播规律和输电线路的频变特性，分析不同故障位置下的测量点电压的频率特性，并得出低频分量和高频分量在不同故障位置时的比值差异。
当直流线路发生故障后，故障点将产生向线路两端传输的故障电压、电流行波，之后在保护安装处发生折反射。从频域的角度来看，故障行波含有丰富的频率成分。初始行波向保护安装处传播时各频率成分将发生不同程度的衰减。考虑到正负极线路之间的耦合关系，需要对正负极电压进行解耦。后述电压均为故障分量。则保护安装处的0模和1模电压可表示为:
Figure BDA0003145803020000051
其中Ump、Umn分别是保护安装处A的正负极电压。区内正极线路内部故障的1模等效电路如图1所示，其中Ceq、Leq分别为换流器的等效电容和等效电感，Ldc为限流电抗器电感，L0为接地电感，过渡电阻为Rf。Zc1为线路的1模特性阻抗，在考虑线路的频变参数特性时，它是频率的函数。UF1(f)为故障点1模电压阶跃信号的初值。保护安装处的1模电压
Figure BDA0003145803020000052
可以表示为：
Figure BDA0003145803020000053
γA1(f)为行波在保护安装处的反射系数。设ZAs(f)是A侧直流系统的等效阻抗。则γA1(f)：
Figure BDA0003145803020000054
当线路末端发生故障时,故障电路如图2所示，保护安装处的1模电压
Figure BDA0003145803020000055
可以表示为：
Figure BDA0003145803020000056
式中ZBs为B侧系统等效阻抗。
当线路首端发生故障时,保护测量点测得的故障电压是阶跃信号，则保护安装处的1模电压
Figure BDA0003145803020000057
Figure BDA0003145803020000058
当对侧母线发生正极接地故障时，故障等效电路如图3所示。此时保护安装处的1模电压
Figure BDA0003145803020000059
可以表示为：
Figure BDA00031458030200000510
当背侧母线发生正极接地故障时，故障等效电路如图4所示。保护安装处的1模电压
Figure BDA00031458030200000511
可以表示为：
Figure BDA00031458030200000512
利用Marti模型的观点用Zceq(s)和Pa(s)来拟合线路末端故障时的特性阻抗和传播函数。图5和图6分别是线路末端故障时对1模特性阻抗和传播函数的拟合图。拟合形式如下:
Figure BDA0003145803020000061
Figure BDA0003145803020000062
从图5和图6可以看出1模阻抗随频率变化的值近似为恒定。1模的传播函数随频率的增大而逐渐减小。且随着故障距离的增加，传播函数的幅值也逐渐降低，如图7所示。
根据采样频率及数据窗长度，选取f1＝500Hz和f2＝20000Hz的频率进行分析。令：
Figure BDA0003145803020000063
Figure BDA0003145803020000064
Figure BDA0003145803020000065
Figure BDA0003145803020000066
Figure BDA0003145803020000067
令：
Figure BDA0003145803020000068
Figure BDA0003145803020000069
y3＝1 (22)
y4＝y1*y5 (23)
Figure BDA0003145803020000071
将换流器参数、线路参数以及频率代入以上各式可得出y1、y2、y3、y4和y5随过渡电阻的变化趋势，如图8所示。
根据图8可以看出在不同过渡电阻下，f1和f2的比值在区内区外故障时具有明显差异。虽然随着过渡电阻的增大，区外故障的差异会有所降低，但是与区内仍有可靠的区分度。
2，保护装置实时检测测量点的偏差电压ΔU1、ΔU2。
故障时电压会明显降低，所以可以根据电压的波动值是否超过一定大小来判断故障是否可能存在。本发明根据电压的波动来定义偏差电压，使其与正常运行时的波动电压作比较，从而实现保护的启动。
3，对正负极电压进行解耦，并计算故障后0模分量平均值Q0。
对于对称双极系统，双极故障可以看作正负极同时发生单极接地故障，分析方法与单极故障类似。故障的选极可以根据0模分量的变化进行判断：
Figure BDA0003145803020000072
可见正极故障时，ΔUm0<0。负极故障时，ΔUm0>0。双极故障时，ΔUm0≈0。
4，利用时频分析方法S变换提取频率分量f1和f2
S变换作为一种全新的频域分析方法，可以克服短时傅立叶变换因窗函数大小不变导致分辨率不能动态变换和小波变换的尺度与频率不能对应的缺点。信号经离散S变换后得到的是一个复数矩阵，行对应不同的离散频率，列对应不同的离散时间。本发明利用S变换计算矩阵中所需的元素来构成保护判据，该判据可以实现区内故障和噪声干扰以及区外故障的区分。
本发明具体实施过程如下：
首先计算偏差电压ΔU1、ΔU2是否超过启动阈值，如果超过，则保护启动，此时认为线路可能发生了故障，之后计算0模分量的大小。对于正极保护来说，如果0模分量小于Qset，则认为本极可能存在故障，该故障类型可能为正极接地或双极短路。对于负极保护来说，如果0模分量大于-Qset，则认为本极可能存在故障，该故障类型可能为负极接地或双极短路。最后，计算低频分量和高频分量的比值K1，当1<K1<Kset时，则认为线路发生了故障，需要切除故障线路。否则，判定为干扰或是区外故障，保护不动作。

Claims (4)

1.一种基于电压高低频比值差异的MMC-HVDC保护方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将保护测量点设置在线路始端。
步骤(2)：定义偏差电压ΔU1、ΔU2以及正常稳定电压Ua如下：
Figure FDA0003145803010000011
Figure FDA0003145803010000012
其中j＝p,n，分别代表正、负极测量点，N为用于计算正常稳态电压的点数；uj(k)为当前采样时刻k的电压值，启动判据如下：
ΔU1＜ΔUset&ΔU2＜ΔUset
ΔUset为保护启动阈值，根据正常运行时的偏差电压来确定；
步骤(3)：对正负极电压进行解耦，并计算故障后N0个采样点的0模分量平均值Q0；
确定选极判据Qset，当Q0<-Qset时，认为发生了正极接地故障，Q0>Qset可认为发生了负极接地故障，-Qset≤Q0≤Qset时则判定为双极故障，在本极故障和双极故障时保护动作；
步骤(4)：利用时频分析方法S变换提取最低频分量f1和最高频分量f2，令K1为最低频分量与最高频分量的比值；若K1≤1可认为发生了噪声干扰，根据区外故障确定保护动作阈值Kset；当1<K1<Kset时，则认为线路区内发生了故障，否则认定为区外故障，保护不动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，ΔUset取值范围10～30kV。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，选极判据Qset取值范围5～15kV。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，保护动作阈值Kset取值范围900～2000。
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