CN113866557B - 一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法，涉及柔性直流配电系统继电保护领域。本发明具体步骤如下：首先读取线路电压、电流数据，记录265个采样点的零模电流数据，然后确定故障启动判据和选线判断，并根据启动判据判断是否有故障，若是，则利用滑动平均滤波对线路零模电流进行处理，用线路两侧零模电流相关性系数表征故障线路与非故障线路的差异大小，与阈值比较，确定故障线路，选定区内/外故障后，再根据选极判据判断是正极还是负极故障，发出故障信号。本发明避免噪声干扰以及电流幅值变化带来的阈值整定困难问题，提高了选线方案的可靠性，可快速识别故障线路，采用滑动平均滤波方法，提高了选线方法的可靠性。

Description

一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法

技术领域

本发明涉及柔性直流配电系统继电保护领域，具体为一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法。

背景技术

柔性直流配电系统具有换流环节少、控制灵活、线路损耗低、便于分布式电源及储能设备的接入、电能质量高等优点，直流配电网已逐渐成为未来直流技术和配电系统发展的重要方向。

直流配电系统呈现低惯性、弱阻尼特性，故障电流大，故障过程发展极快，再考虑到电力电子装置的耐受冲击能力，要求保护装置能够在3～5ms内快速识别故障，并有选择性地切除，防止事故扩展和设备受损，以满足电力系统安全、稳定运行的要求。

目前，针对直流配电网的保护方案大多借鉴了交流侧的保护原理，如过流、微分欠压、差动保护等。过流保护、微分欠压保护易受过渡电阻和电力系统运行方式的影响，难以准确识别故障。电流差动保护需要数据严格同步，且易受通信和直流线路分布电容的影响。行波保护抗干扰能力低、对采样率要求较高。为了限制故障电流，可以通过线路两端装设的直流电抗器来构造保护边界，利用电抗器两侧故障暂态特性的差异进行故障识别，但并非所有的系统都允许安装电抗器，且如果电抗值较大可能会降低直流传输效率。利用固有模态能量熵来提取故障电流特征量构建保护判据，但是该方案是基于双端系统，其在MMC-MVDC中的适用性还有待研究。为了避免单极接地故障时，故障极因耦合作用对非故障极产生影响，有学者提出了对直流线路进行解耦，通过对故障分量进行模量分解，并分析其暂态特征，从而设计单极接地保护方案。利用故障发生时会有零模分量出现，通过检测零模故障分量的多少来进行故障极的识别,但是发生单极高阻接地故障后故障特征不明显，故障识别很大可能会失效。利用标准拟合函数对故障发生后采集到的故障零模电流进行拟合，实现应对高阻接地故障的自适应行波保护，但是其参数依赖于提前对过渡电阻的区间进行估计，参数变化的不确定性较大。基于参数识别原理，发生故障后利用故障零模网络列写故障定位时域微分方程，然后运用最小二乘法进行优化来求解故障距离，但最小二乘法默认是线性估计，使用时有一定的局限性。

由此，针对现有基于零模模量的直流配电网单极接地故障选线方法的不足，设计一种可靠、快速的直流配电系统单极接地选线方法具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术中，基于零模模量的直流配电网单极接地故障选线方法存在多种不足的问题，提供了一种改进后的基于零模电流相关性的单极接地选线方法。

针对柔性直流配电网发生单极接地故障后，故障线路两端零模电流呈正相关关系，其他非故障线路两端零模电流呈负相关关系，而滑动平均滤波后的暂态零模电流可以很好地表征故障线路与非故障线路的差异。因此本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法，为了避免故障发生后故障极对非故障极的影响，先将线路电流进行解耦，接着计算解耦后的零模电流分量之间的相关性系数，最后利用故障线路与非故障线路零模电流相关性系数的差异来识别故障区域，具体包括如下步骤：

S1：线路电流解耦：

解耦后的零模电流I₀计算公式如下：

I_p与I_n分别为对应直流线路正、负极电流；

发生不同类型故障时，线路两侧零模电流之间的比例关系为：当故障类型为区内正极故障或区内负极故障时，线路两侧零模电流比例关系k为正；当故障类型为区外正极故障或区外负极故障时，线路两侧零模电流比例关系k为负；

S2：线路两侧零模电流相关性系数ρ计算公式如下：

相关性系数ρ是一个无量纲的数值，ρ∈[-1,1]；若0<ρ<1，两变量间存在正相关关系；若-1<ρ<0，则两变量之间存在负相关关系；ρ＝0时，表示两变量完全无关；ρ＝1时，两变量间正相关性最强；ρ＝-1时，两变量间负相关性最强；

S3：启动判据设计：

为避免系统投入时MMC自启动过程以及正常运行时系统扰动的影响，需要设置故障启动判据；当线路发生单极接地故障或其他情况下，正极线路与负极线路电压变化情况不同，根据这种情况设计故障启动判据：

设定采样频率为20kHz，为了避免雷击等瞬时干扰，当启动判据连续3个采样点均成立时，认为发生接地短路故障，公式如下：

(dV_p/dt)*(dV_n/dt)＞0 (3)

V_p为正极线路保护安装处对地电压，V_n为负极线路保护安装处对地电压；

S4：故障选线判据设计：

本发明的选线方案需记录一定时长的故障电流波形，以便提取故障暂态特征量。而暂态时间的长短决定于过渡电阻的大小，过渡电阻值越小，暂态过程持续时间将越长，一定时长内能够提取到的暂态信息量就越少。经仿真验证，本文所搭建电磁仿真模型中直流线路发生金属性接地后，故障零模电流达到第一个峰值所用时间约为0.27ms，达到第二个峰值时间约为0.9ms，再综合考虑暂态特征量的提取效果以及相关性系数计算时间长短，最终决定选定故障启动判据启动后3ms内60个零模电流采样点的波形作为故障电流波形。此外，还需记录故障发生之前一段时间正常的电流波形与故障后的电流波形共同组成样本电流波形，正常波形选取约10ms内200个采样点。因此正常波形采样点、启动判据采样点和故障波形采样点共计265个采样点。利用滑动平均滤波处理故障电流后，计算线路两侧零模电流量的相关性系数值，并与阈值比较进行选线；当相关性系数值大于阈值时，判定区内故障，反之为区外故障。阈值确定方式如下：

区内故障时最小相关性系数为ρ_min，计及线路参数、电压、电流互感器传变等误差因素的影响，并根据实际工程中的需要进行调整，然后按照一定的整定系数进行相关性系数阈值整定，将最小相关性系数ρ_min/1.5四舍五入保留一位小数设定为整定阈值。该阈值，本领域技术人员均可以根据实际情况中电路的状态来确定阈值，阈值的确定原则满足上述条件即可；

S5：故障选极判据设计：

当正极线路发生单极接地故障后，无论故障发生在线路何处，过渡电阻值多大，连在同一条母线上的故障线路与非故障线路正极线路保护安装处暂态电压均振荡变为0，而负极线路保护安装处暂态电压均振荡变为原来电压的2倍，但两极之间电压保持不变、振荡持续时间均很短，且故障线路振荡持续时间小于非故障线路；同理，当负极线路发生单极接地故障后，无论故障发生在线路何处，过渡电阻值多大，连在同一条母线上的故障线路与非故障线路负极线路保护安装处暂态电压均振荡变为0，而正极线路保护安装处暂态电压均振荡变为原来电压的2倍，两极之间电压仍保持不变、振荡持续时间仍很短，且故障线路振荡持续时间仍小于非故障线路，因此，故障选极判据设计为：

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法，不需利用边界元件构造边界特性，且耐过渡电阻、噪声、传输延迟能力较强，不受交流侧故障影响；同时利用算法提取了暂态零模电流量，避免噪声干扰以及电流幅值变化带来的阈值整定困难问题，可快速识别故障线路，采用滑动平均滤波方法，提高了选线方法的可靠性。

附图说明

图1为本发明具体实施例所涉及的柔性直流配电网拓扑结构示意图。

图2是本发明具体实施例正常运行时线路零模电流示意图。

图3是本发明具体实施例所涉及线路发生区内单极接地故障时零模电流关系图。

图4是本发明具体实施例所涉及线路发生区外单极接地故障时零模电流关系图。

图5是本发明具体实施例所涉及故障选线方案流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

典型直流配电系统结构如图1所示。交流系统通过联接变压器与MMC换流器相连，中压直流配电系统采用伪双极接线方式。鉴于本实施例所用的保护方案是基于正、负极线路两端电流而设计的，所以直流线路L1-L6正、负极两端均装设保护装置，f1-f5分别为可能的接地故障点。本实施例采用中压直流配电系统常见的主从控制策略，设MMC1采用定直流电圧、定交流电压控制，PV采用MPPT控制，MMC2采用定有功功率、定交流电压控制。

式中，X_p、X_n分别对应直流线路正、负极电气量，X_p、X_n可以是电流或者电压，X₁、X₀分别对应一模和零模量，S为解耦矩阵，S^-1为解耦逆矩阵。

联立(1)(2)可得：

由(3)式可知，正、负极电气量相加得到零模电气量，这意味着零模电气量对应的是正、负极电气量中方向相同的成分，即零模电流在正、负极中的流通方向是相同的，在两极线路中不能形成环流，只能流入大地。当系统处于正常运行状态或发生双极短路故障时，线路上无零模分量，仅在发生单极接地故障时零模分量才会出现。

图2中由于直流电流没有相位，只有极性，正常运行时正、负两极线路m、n两侧电流为一正一负，且电流幅值大小相等。结合式(3)可以得出式(4)结论，即正常运行时，线路两侧零模电流均为0。

本实施例具体验证及实施操作过程如下：

S1：单极接地故障电流分析：

(1)故障电流分析：

本实施例结构如图1所示，故障电流分析如下：(以线路正极接地故障为例)

当发生故障时线路两侧零模电流幅值计算如下：

I_m0＝I_Pm+I_Nm＝ΔI_Pm+ΔI_Nm (5)

式中，I_Pm与I_Nm分别为故障时m侧的实际电流值，ΔI_Pm与ΔI_Nm分别为故障发生时对应电流的突变量；

I_n0＝I_Pn+I_Nn＝ΔI_Pn+ΔI_Nn (6)

式中，I_Pn与I_Nn分别为故障时n侧的实际电流值，ΔI_Pn与ΔI_Nn分别为故障发生时对应电流的突变量；

当线路发生单极接地故障时，故障极电流突变量的幅值远大于非故障极。因此，由图3结合式(3)、(5)、(6)可以得出，当发生区内正极接地故障时，线路两侧零模电流幅值如下：

因此，线路两侧零模电流的关系可以用正比例系数k₁表示，即：

I_m0＝k₁I_n0 (8)

同理，发生区内负极接地故障时，线路两侧零模电流幅值如下：

因此，线路两侧零模电流的关系可以用正比例系数k₂表示，即：

I_m0＝k₂I_n0 (10)

由图4结合式(3)、(5)、(6)可以得出，当线路发生区外正极接地故障时，线路两侧零模电流幅值如下：

因此，线路两侧零模电流的关系可以用负比例系数k₃表示，即：

I_m0＝k₃I_n0 (12)

综合以上分析，不同故障类型情况下，线路两侧零模电流之间的关系如表1所示：

表1不同故障类型线路两侧零模电流比例关系

S2：暂态故障电流提取方法：

为表征区内外故障电流的差异，利用滑动平均滤波方法提取直流线路暂态电流特征量，判别暂态故障电流变化趋势。滑动平均滤波是一种具有非递归性质的低通滤波器，与传统低通滤波器相比其响应速度更快，滤波精度更高。滑动平均滤波方法在一些要求在线快速处理等实时性要求较高的应用场合中有广泛的应用。

直流线路电流经滑动平均滤波后输出的离散表达式为：

式中，N为滑动平均滤波的数据窗点数，I(j)为当前时刻j的线路零模电流采样点。

S3：线路两侧零模电流相关性系数计算：

柯西不等式离散化相关性系数计算公式如下：

相关性系数ρ是一个无量纲的数值，ρ∈[-1,1]。若0<ρ<1,两变量间存在正相关关系；若-1<ρ<0，则两变量之间存在负相关关系；ρ＝0时，表示两变量完全无关；ρ＝1时，两变量间正相关性最强；ρ＝-1时，两变量间负相关性最强；

本实施例对应的一种基于零模电流相关性的柔性直流配电系统单极接地故障选线方法，具体步骤如下：

S1：启动判据：

为避免系统投入时MMC自启动过程以及正常运行时系统扰动的影响，需要设置故障启动判据。当线路发生单极接地故障或其他情况下，正极线路与负极线路电压变化情况如表2所示，据此设计故障启动判据。

表2各种情况下线路正、负极电压变化

故障或其他情况	dVp/dt	dVn/dt
			正极接地	-	-
负极接地	+	+
			MMC自启动	+	-
双极短路	-	+
			正常运行	+/-	-/+

设定采样频率为20kHz，为了避免雷击等瞬时干扰，当启动判据连续3个采样点均成立时，认为发生接地短路故障，公式如下：

(dV_p/dt)*(dV_n/dt)＞0 (15)

V_p为正极线路保护安装处对地电压，V_n为负极线路保护安装处对地电压。

S2：故障选线判据设计：

选取故障启动判据启动后3ms内60个零模电流采样点的波形作为故障电流波形。此外，还需记录故障发生之前一段时间正常的电流波形与故障后的电流波形共同组成样本电流波形，正常波形选取10ms内200个采样点。因此正常波形采样点、启动判据采样点和故障波形采样点共计265个采样点。利用滑动平均滤波方法提取故障电流后，计算线路两端零模电流相关性系数值，并与阈值比较进行选线；当相关性系数值大于阈值时，判定区内故障，反之为区外故障。阈值确定方式如下：

结合仿真实验，区内故障时最小相关性系数为ρ_min，计及线路参数、电压、电流互感器传变等误差因素的影响，本实施例按照整定系数为1.5(实际工程中可根据需要进行调整)进行相关性系数阈值整定，将相关性系数ρ_min/1.5四舍五入保留一位小数设定为整定阈值。本发明中所要确定的阈值，本领域技术人员均可以根据实际情况中电路的状态来确定阈值，确定的原则满足上述条件即可。

S3：故障选极判据设计：

当正极线路发生单极接地故障后，无论故障发生在线路何处，过渡电阻值多大，连在同一条母线上的故障线路与非故障线路正极线路保护安装处暂态电压均振荡变为0，而负极线路保护安装处暂态电压均振荡变为原来电压的2倍，但两极之间电压保持不变、振荡持续时间均很短，且故障线路振荡持续时间小于非故障线路。同理，当负极线路发生单极接地故障后，无论故障发生在线路何处，过渡电阻值多大，连在同一条母线上的故障线路与非故障线路负极线路保护安装处暂态电压均振荡变为0，而正极线路保护安装处暂态电压均振荡变为原来电压的2倍，两极之间电压仍保持不变、振荡持续时间仍很短，且故障线路振荡持续时间仍小于非故障线路，因此，故障选极判据设计为：

根据本实施例所述原理，基于零模电流相关性的单极接地故障保护方案流程图如图5所示。当满足故障启动判据后，故障启动元件启动，故障3ms后记录265个采样点的电流数据，对零模电流进行滑动滤波处理；接着，计算各线路的相关性系数值并和阈值比较，实现故障选线，最后，利用故障选极判据实现故障选极。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：线路电流解耦：

解耦后的零模电流I₀计算公式如下：

I_p与I_n分别为对应直流线路正、负极电流；

发生不同类型故障时，线路两侧零模电流之间的比例关系为：当故障类型为区内正极故障或区内负极故障时，线路两侧零模电流比例关系k为正；当故障类型为区外正极故障或区外负极故障时，线路两侧零模电流比例关系k为负；

S2：线路两侧零模电流相关性系数ρ计算公式如下：

相关性系数ρ是一个无量纲的数值，ρ∈[-1,1]；若0<ρ<1，两变量间存在正相关关系；若-1<ρ<0，则两变量之间存在负相关关系；ρ＝0时，表示两变量完全无关；ρ＝1时，两变量间正相关性最强；ρ＝-1时，两变量间负相关性最强；

S3：启动判据设计：

为避免系统投入时MMC自启动过程以及正常运行时系统扰动的影响，设置故障启动判据；当线路发生单极接地故障或其他情况下，正极线路与负极线路电压变化情况不同，根据这种情况设计故障启动判据：

设定采样频率为20kHz，为了避免瞬时干扰，当启动判据连续3个采样点均成立时，认为发生接地短路故障，公式如下：

(dV_p/dt)*(dV_n/dt)＞0 (3)

V_p为正极线路保护安装处对地电压，V_n为负极线路保护安装处对地电压；

S4：故障选线判据设计：

综合考虑暂态特征量的提取效果以及相关性系数计算时间长短，选定故障启动判据启动后3ms内60个零模电流采样点的波形作为故障电流波形；同时记录故障发生之前一段时间正常的电流波形与故障后的电流波形共同组成样本电流波形，正常波形选取10ms内200个采样点，因此正常波形采样点、启动判据采样点和故障波形采样点共计265个采样点；利用滑动平均滤波处理故障电流后，计算线路两侧零模电流量的相关性系数值，并与阈值比较进行选线；当相关性系数值大于阈值时，判定区内故障，反之为区外故障；阈值确定方式如下：

区内故障时最小相关性系数为ρ_min，计及多种误差因素的影响，并根据实际工程中的需要进行调整，然后按照一定的整定系数进行相关性系数阈值整定，将最小相关性系数ρ_min/1.5四舍五入保留一位小数设定为整定阈值；

S5：故障选极判据设计：

正极线路发生单极接地故障后，连在同一条母线上的故障线路与非故障线路正极线路保护安装处暂态电压均振荡变为0，而负极线路保护安装处暂态电压均振荡变为原来电压的2倍，且故障线路振荡持续时间小于非故障线路；当负极线路发生单极接地故障后，连在同一条母线上的故障线路与非故障线路负极线路保护安装处暂态电压均振荡变为0，而正极线路保护安装处暂态电压均振荡变为原来电压的2倍，且故障线路振荡持续时间仍小于非故障线路，故障选极判据设计如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于零模电流相关性的单极接地选线方法，其特征在于：所述整定系数为1.5。