CN113820560A - 一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，具体包括如下步骤：利用逆变侧交流线路两端的电流及电压传感器得到故障前后一段时间内的三相电气量数据；调整传感器采样频率，并根据所需数据窗的宽度提取相应的电压和电流；相模变换并计算电流前行波和反行波全量；计算S变换系数；对S变换系数进行挤压得到同步挤压S变换系数，用该系数表征暂态电流波的能量；比较零模电流大小区分是否接地故障；比较能量值之间比值来确定接地类型；比较能量值幅值大小确定故障相别。本发明为高压交直流混联系统交流线路提供故障选相功能。

Description

一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法。

背景技术

在“双碳”目标推动下，大力发展清洁能源，减少资源损耗成为国家发展趋势。我国清洁能源主要分布在西北地区，而负荷中心则位于千里之外的东南沿海地区。为保证输送电质量及异步电网互联，交直流混联电网成为输送电能的重要策略手段。由于输送距离远且输电走廊情况较为复杂恶劣，且交直流混联电网中的交流线路保护多沿用传统交流保护，保护效率较低。因此有必要研究交直联混联电网交流线路保护相关方法。

故障选相作为交流线路重合闸及距离保护的重要环节，其结果严重影响故障重合闸策略及后续的距离保护元件。由于交直流混联系统的耦合特性，逆变侧交流线路故障可能引起直流侧换相失败，直流电流注入交流线路继而影响交流侧的故障选相。因此，针对高压交直流混联系统交流线路的故障选相提出新方法，能躲避换相失败影响并快速准确地将故障相识别以保证故障重合闸和后续距离保护的安全可靠，显得尤为重要。

行波方法及高频暂态量方法都是实现快速线路故障保护、故障选相等的重要手段。但行波方法存在行波波头难以提取、且易受过渡电阻影响的固有缺陷。而高频暂态量方法则利用一定时间内的行波幅值或者能量等来完成保护策略，在满足快速性的同时保证了一定可靠性。再则，由于逆变侧母线存在大量无功补偿装置，对电压行波反射有较大的削弱作用，宜采用电流行波来完成保护。有学者利用故障暂态电流的各相幅值大小差异来确定故障相，但未考虑换相失败因素影响。因此，在考虑换相失败影响下，同时注意到故障电流高频暂态量方法存在“频率混叠”情况，需要考虑故障暂态量提取和信息处理的方法问题。综上，针对高压交直流混联电网更为苛刻的保护要求，交流线路快速可靠识别故障相的方案亟待提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，针对高压交直流混联系统交流线路故障选相，提出一种基于同步挤压S变换的快速可靠故障选相算法，为线路重合闸和距离保护提供服务。

本发明所采用的技术方案是：一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，具体包括如下步骤：

步骤1，利用逆变侧交流线路两端的电流及电压传感器得到故障前后一段时间内的三相电气量数据；

步骤2，调整传感器采样频率，并根据所需数据窗的宽度提取相应的电压和电流；

步骤3，对步骤2提取出的电压和电流信号进行拓展的Karenbauer相模变换得到线模量和零模量I₀，并计算线模量电流前行波和反行波全量；

步骤4，对步骤3中所得的线模电流行波全量进行S变换并计算变换系数；

步骤5，对S变换系数进行挤压得到同步挤压S变换系数，直接用其表征故障电流暂态分量能量E，得到三个表征相电流差的能量值E_AB、E_BC、E_CA；

步骤6，比较步骤3中所得零模量I₀与整定值I_set的大小区分是否为接地故障，I₀>I_set则为接地故障；I₀<I_set则为非接地故障；

步骤7，通过步骤5所得三个能量值之间的比值来确定故障类型；

步骤8，最后通过步骤5中所得三个能量值的大小确定故障相别。

本发明的特点还在于，

步骤3中采用公式(1)来得到电流前行波Δi_f(t)和反行波Δi_b(t)：

其中，u*(t)为采集电压量，i*(t)为采集电流量，Z_c为线路波阻抗，t表示当前时刻。

步骤4采用公式(2)求取输入信号的S变换系数：

其中，f为频率，b为平移因子，对应于时间；

是小波母函数的复共轭，s(t)代表电流行波信号。

步骤5中利用公式(3)对S变换系数进行挤压，将频段时频谱挤压到目标频率点上：

其中,f_m为经过同步挤压S变换后的频率，Δf_k＝f_k-f_k-1，

a_k表示第k个离散尺度、即第k个采样频率点；

步骤5中为减少分频挤压次数，确定频段选择为6.25kHz～12.5kHz。

步骤7的具体过程如下：

对于接地故障，计算步骤5所得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA最大值与最小值的比值K₁来区分单相接地故障与两相接地故障，若K1>K1_set，判断为单相接地；若K1<K1_set，判断为两相接地，其中K1_set为区分单相与两相的比值的阈值；对于非接地故障，计算步骤5所得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA中间值与最小值的比值K来区分三相故障与两相故障，若K>K_set，判断为三相故障；若K<K_set，判断为两相故障，其中K_set为区分三相与两相的比值的阈值。

步骤8的具体过程如下：

对单相接地故障，步骤5中所得三个能量值较大两相所含共同相为故障相；对两相接地和两相故障，三个能量值最大值所对应相为故障相；三相故障三相都为故障相。

本发明的有益效果是，本发明针对交直流混联电网逆变侧交流线路故障选相元件，提出了一种依靠高频暂态电流的故障选相方法及新型数据处理算法。被保护线路在发生不同的故障类型时，其电流正、反行波高频暂态能量及零模电流幅值存在明显差异，据此可以构成故障选相的基本原理。为减弱高频电流的频率混叠及更好保留目标频带能量值，引入同步挤压S变换系数表征暂态分量能量值，形成故障选相的实用算法，仿真结果表明提出的故障选相算法可快速可靠识别故障类型及相别。

附图说明

图1是本发明交直流混联电网示意图；

图2是本发明等效直流电网的故障等效电路；

图3是本发明不同采样率下的电流行波信号图；

图4(a)-(e)是本发明发生不同故障类型下的高频暂态电流行波信号图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，具体包括如下步骤：

步骤1，利用逆变侧交流线路两端的电流及电压传感器得到故障前后一段时间内的三相电气量数据；

步骤2，调整传感器采样频率，并根据所需数据窗的宽度提取相应的电压和电流，此处采样率为100kHz；

步骤3，对步骤2提取出的电压和电流信号进行拓展的Karenbauer相模变换得到线模量和零模量I₀，并计算线模量电流前行波和反行波全量，采用公式(1)来得到电流前行波和反行波：；

其中，u*(t)为采集电压量，i*(t)为采集电流量，Z_c为线路波阻抗，t表示当前时刻。

步骤4，对步骤3中所得的线模电流行波全量进行S变换，并利用公式(2)计算变换系数：

其中，f为频率，b为平移因子，对应于时间；

是小波母函数的复共轭，s(t)代表电流行波信号。

步骤5，对S变换系数进行挤压得到同步挤压S变换系数，直接用其表征故障电流暂态分量能量E，得到三个表征相电流差的能量值E_AB、E_BC、E_CA；利用公式(3)对S变换系数进行挤压，将频段时频谱挤压到目标频率点上：

其中,f_m为经过同步挤压S变换后的频率，Δf_k＝f_k-f_k-1，

a_k表示第k个离散尺度、即第k个采样频率点；

步骤5中为减少分频挤压次数，确定频段选择为6.25kHz～12.5kHz，且在此区间内线路波阻抗可视为定值。

步骤6，比较步骤3中所得零模量I₀与整定值I_set的大小区分是否为接地故障。I₀>I_set则为接地故障；I₀<I_set则为非接地故障。

步骤7，通过步骤5所得三个能量值之间的比值来确定故障类型。

对于接地故障，计算步骤5所得三个能量值最大值与最小值的比值K₁来区分单相接地故障与两相接地故障，若K1>K_1set，判断为单相接地；若K1<K_1set，判断为两相接地。对于非接地故障，计算步骤5所得三个能量值中间值与最小值的比值K来区分三相故障与两相故障，若K>K_set，判断为三相故障；若K<K_set，判断为两相故障。

步骤7中的整定值是由反射系数等决定，并考虑采样误差等，需保留一定的裕度。

步骤8，最后通过步骤5中所得三个能量值的大小确定故障相别。对单相接地故障，步骤5中所得三个能量值较大两相所含共同相为故障相；对两相接地和两相故障，三个能量值最大值所对应相为故障相；三相故障三相都为故障相。

本发明一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法原理为：以图1交直流混联电网示意图为例说明。

混联电网由直流双极架空输电线路及换流站和交流线路组成，换流器经过接地设备接地，功率方向为直流侧向交流侧传输。逆变侧交流母线连接两路交流线路，分别为两回输电线路和三节点输电线路。设定研究线路为三节点环网输电线路。图2为故障期间等效直流电网的故障等效电路。一般地，直流所接平波点电抗器及直流滤波器等，在行波折反射边界情况中，直流线路阻抗可用平波电抗器阻抗等效分析。对于交流母线所接无功补偿设备等的阻抗，其在频率信号10kHz以上时，可看作为直接接地。因此电压行波在逆变侧线路两端难以检测。图3为不同采样率下的电流行波信号。

对逆变侧交流线路发生故障分析可知，故障发生后t₀时刻线路传感器端检测到电流行波信号，忽略折反射时间，在设定时间窗内(此处考虑动作时间，选定时间窗为1ms)有：

(1)接地故障时零模非零，其数值一般比较大；对于非接地故障，其没有零模量通路，所以其数值接近于0。

(2)接地故障分为单相接地故障及两相接地故障，单相接地故障的能量最大者与中间值所含共同相为故障相；而两相接地故障，因为涉及的故障相为两相，所以求得的能量值中最大的为故障相。

(3)非接地故障中，三相故障三个能量值中间值与最小值差值要大于两相故障。

上述特征可表明，不同的故障类型之间故障分量能量特征有着明显差异，可根据此来构成故障选相判据。

实施例1

以图1所述的交直流混联电网为例，参考云南-广州±800kV直流线路，交流电压等级为500kV。直流线路及直流滤波器等的参数按照实际线路设定，交流线路参数参考实际线路并进行一定程度变化以符合仿真要求。设定线路l_L-M和l_M-N长度均为200km架空线，传输线采用频率相关(相位)模型表示。

故障相别类型的判别步骤如下：

1)利用逆变侧交流线路两端的电流及电压传感器得到故障前后一段时间内的三相电气量数据；

2)调整传感器采样频率，并提取1ms内的电压和电流，此处采样率为100kHz；

3)对提取出的电压和电流信号进行拓展的Karenbauer相模变换得到线模量和零模量I₀，并计算线模电流前行波和反行波全量；

4)对所得的线模电流行波全量进行S变换并计算变换系数；

5)对所得S变换系数进行挤压得到同步挤压S变换系数，直接用其表征故障电流暂态分量能量E，得到三个表征相电流差的能量值E_AB、E_BC、E_CA；

6)比较所得零模量I₀与整定值I_set的大小区分是否为接地故障。I₀>I_set则为接地故障；I₀<I_set则为非接地故障。

7)通过所得三个能量值之间的比值来确定故障类型。对于接地故障，所得三个能量值最大值与最小值的比值K₁来区分单相接地故障与两相接地故障。对于非接地故障，三个能量值中间值与最小值的比值K来区分三相故障与两相故障。

8)最后通过步骤5中所得三个能量值的大小确定故障相别。

利用PSCAD/EMTDC进行仿真测试，针对不同故障类型、不同过渡电阻以及不同故障位置进行故障选相性能验证。

图4(a)为距离线路首端(L)75km处发生A相接地故障的暂态电流行波信号，过渡电阻设置为5Ω。图4(b)为距离线路首端(L)100km处A相接地故障经同步挤压S变换后的电流前行波图，故障接地电阻为20Ω。图4(c)为距离线路首端(L)100km处BC相接地故障经同步挤压S变换后的电流前行波图，故障接地电阻为20Ω。图4(d)为距离线路首端(L)100km处AB相短路故障经同步挤压S变换后的电流前行波图，故障接地电阻为20Ω。图4(e)为距离线路首端(L)100km处ABC三相短路故障经同步挤压S变换后的电流前行波图，故障接地电阻为20Ω。

通过图4(b)，可求得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA，计算最大值与最小值之比为K₁＝39572>K_1set，且较大两相为E_AB和E_CA，由此可确定是A相接地故障；

通过图4(c)，可以求得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA中最大值与最小值之比为K₁＝4.6044<K_1set，且能量最大值为E_BC，判定为BC相接地故障；

通过图4(d)，可以求得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA中中间值与最小值之比为K＝16.6987<K_set，且能量最大值为E_AB，判定为AB相短路故障；

通过图4(e)，可以求得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA中中间值与最小值之比为K＝680.63>K_set判定为ABC三相短路故障。上述结果皆识别正确。

Claims (6)

1.一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，利用逆变侧交流线路两端的电流及电压传感器得到故障前后一段时间内的三相电气量数据；

步骤2，调整传感器采样频率，并根据所需数据窗的宽度提取相应的电压和电流；

步骤3，对步骤2提取出的电压和电流信号进行拓展的Karenbauer相模变换得到线模量和零模量I₀，并计算线模量电流前行波和反行波全量；

步骤4，对步骤3中所得的线模电流行波全量进行S变换并计算变换系数；

步骤5，对S变换系数进行挤压得到同步挤压S变换系数，直接用其表征故障电流暂态分量能量E，得到三个表征相电流差的能量值E_AB、E_BC、E_CA；

步骤6，比较步骤3中所得零模量I₀与整定值I_set的大小区分是否为接地故障，I₀>I_set则为接地故障；I₀<I_set则为非接地故障；

步骤7，通过步骤5所得三个能量值之间的比值来确定故障类型；

步骤8，最后通过步骤5中所得三个能量值的大小确定故障相别。

2.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，其特征在于，

步骤3中采用公式(1)来得到电流前行波Δi_f(t)和反行波Δi_b(t)：

其中，u_*(t)为采集电压量，i_*(t)为采集电流量，Z_c为线路波阻抗，t表示当前时刻。

3.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，其特征在于，步骤4采用公式(2)求取输入信号的S变换系数：

其中，f为频率，b为平移因子，对应于时间；

是小波母函数的复共轭，s(t)代表电流行波信号。

4.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，其特征在于，步骤5中利用公式(3)对S变换系数进行挤压，将频段时频谱挤压到目标频率点上：

其中,f_m为经过同步挤压S变换后的频率，Δf_k＝f_k-f_k-1，

a_k表示第k个离散尺度、即第k个采样频率点；

步骤5中为减少分频挤压次数，确定频段选择为6.25kHz～12.5kHz。

5.根据权利要求1所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，其特征在于，步骤7的具体过程如下：

对于接地故障，计算步骤5所得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA最大值与最小值的比值K₁来区分单相接地故障与两相接地故障，若K1>K1_set，判断为单相接地；若K1<K1_set，判断为两相接地，其中K1_set为区分单相与两相的比值的阈值；对于非接地故障，计算步骤5所得三个能量值E_AB、E_BC、E_CA中间值与最小值的比值K来区分三相故障与两相故障，若K>K_set，判断为三相故障；若K<K_set，判断为两相故障，其中K_set为区分三相与两相的比值的阈值。

6.根据权利要求5所述的一种高压交直流混联系统交流线路暂态量故障选相方法，其特征在于，步骤8的具体过程如下：

对单相接地故障，步骤5中所得三个能量值较大两相所含共同相为故障相；对两相接地和两相故障，三个能量值最大值所对应相为故障相；三相故障三相都为故障相。

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