CN114156845A - 高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法 - Google Patents

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CN114156845A CN202111382060.0A CN202111382060A CN114156845A CN 114156845 A CN114156845 A CN 114156845A CN 202111382060 A CN202111382060 A CN 202111382060A CN 114156845 A CN114156845 A CN 114156845A
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Abstract

本发明公开了高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，具体包括如下步骤：通过逆变侧所接交流线路两端传感器收集电流及电压故障前后波形采样数据；利用采样数据得到所需时间窗内的电流及电压的故障分量；相模变换得到线路两端电压线模的前行波和反行波采样轨迹；确定线路首端和线路末端行波轨迹采样点的最大公共相似子序列(LCSS)并计算子序列长度L；通过子序列长度L得到两端轨迹相似度r；比较轨迹相似度与设定阈值的大小来区分区内故障与区外故障。本发明为高压交直流混联系统交流线路提供继电保护。

Description

高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法。
背景技术
高压交直流输电混联系统以输电容量大、系统损耗小、运行稳定性强等优势被广泛应用于长距离输电及异步电网互联。因为建设规模及输电容量的不断扩大，交直流混联电网的安全性及可靠性愈加重要。实际上，直流侧保护及换相失败等问题已经被广泛关注，并提出了很多行之有效的解决方案。然而逆变侧交流线路作为交直流混联电网的重要组成部分，其故障尽管表现出与纯交流线路故障不同的特征，但很少有研究对逆变侧交流线路保护进行改进，仍沿用传统交流保护方法。因此有必要对逆变侧交流线路相关保护重新考虑。
由于交直流混联系统的耦合特性，逆变侧交流输电线路发生故障后易引发直流侧换相失败。此时，直流侧换相失败后的电流及电压量注入交流侧线路影响故障电压及电流的幅值相角等。而现有线路双端量保护多基于相角与幅值差别，在该种情况下不能有效甄别故障区域。另外，根据高压交直流混联系统保护要求，要尽量快速切除交流故障以防止换相失败及直流侧控制对交流线路保护设备的二次冲击。因此，针对高压交直流混联系统交流线路的继电保护提出新方法，能躲避换相失败影响并快速准确地将故障区域识别，显得尤为重要。
行波方法是实现快速线路故障保护、故障选相等的重要手段。考虑行波首行波方法存在行波波头难以提取，幅值受到过渡电阻影响，因此提出行波轨迹相似度方法。行波轨迹相似度方法无需确定行波波头，波形趋势不受过渡电阻影响，且换相失败及直流侧快速控制不会影响轨迹相似度判别结果。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区域的方案亟待提出。
发明内容
本发明的目的在于提供高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，解决了现有技术中由于换相失败无法准确地识别故障区域的问题。
本发明所采用的技术方案是：高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过逆变侧所接交流输电线路两端传感器收集电流及电压故障前后所需时间内的波形采样数据；
步骤2，对步骤1中采样数据处理得到所需时间窗内的电流及电压故障分量；
步骤3，对步骤2提取出的电流及电压故障分量进行Karenbauer相模变换得到两端电压及电流故障线模分量，并计算两端电压线模分量前行波与反行波；
步骤4，将步骤3中所得对端行波数据传递到首端，计算得到交流线路首端电压前行波与对端反行波轨迹采样点的最大公共相似子序列(LCSS)的长度L；
步骤5，利用步骤4中所得最大公共相似子序列长度L计算得到两端行波轨迹相似度r；
步骤6，比较步骤5中所得轨迹相似度r与整定值rset的大小区分区内故障与区外故障，r>rset为区外故障，r<rset则为区内故障；
本发明的特点还在于，
步骤3中利用公式(1)计算得到两端电压前行波Δuf(t)和反行波Δub(t)：
Figure BDA0003364754950000021
其中，u*(t)为故障电压分量，i*(t)为故障电流分量，Zc为线路波阻抗，t表示当前时刻。
步骤4采用公式(2)计算得到交流线路首端电压前行波与对端反行波轨迹采样点的最大公共相似子序列(LCSS)的长度L：
Figure BDA0003364754950000031
其中，L为公共子序列长度，i为首端前行波轨迹点序数，j为对端反行波轨迹点序数；a为首端前行波轨迹点坐标，b为首端前行波轨迹点坐标，dis(a，b)表示两点之间的欧式距离，δ为欧氏距离阈值，判定两点是否为相似点。
步骤5中利用公式(3)计算两端行波轨迹相似度r：
Figure BDA0003364754950000032
其中，m为交流传输线首端行波轨迹长度，n为对端行波轨迹长度。
步骤6的具体过程如下：
将计算步骤5中所得轨迹相似度r与设定的整体轨迹相似度阈值rset作比较，若r>rset，则判定为区外故障；若r<rset，则为区内故障。
本发明采用的最大公共相似子序列则利用设定阈值，允许跳过一些异常点，而不是全部计算或者重新排列。因此由噪声及异常数据造成的距离远点将在计算过程中忽略，使相似性结果对噪声更具鲁棒性。LCSS方法无需匹配两个比对序列的所有点，可有效剔除离群点，进行更有效的近似计算。
本发明的有益效果是，本发明的高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法采用相似度计算方法。被保护线路在发生区内、区外故障时，其线路首端电压行波与对端电压行波轨迹相似度存在明显差异，根据相似度大小可以确定故障方向。为适应两端非同步数据及强噪声干扰，引入改进的最大公共子序列方法计算轨迹相似度，形成纵联保护的实用算法，仿真结果表明提出的纵联保护方法可快速可靠识别故障方向。
附图说明
图1是本发明高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法的交直流混联电网示意图；
图2是本发明高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法的等效直流电网的故障等效电路；
图3(a)-(b)是本发明发生不同故障方向下的两端电压行波轨迹图。
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。
本发明高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过逆变侧所接交流输电线路两端传感器收集电流及电压故障前后所需时间内的波形采样数据；
步骤2，对步骤1中采样数据处理得到所需时间窗内的电流及电压故障分量，此处采样率为20kHz；
步骤3，对步骤2提取出的电流及电压故障分量进行Karenbauer相模变换得到两端电压及电流故障线模分量，并计算两端电压线模分量前行波与反行波：
Figure BDA0003364754950000041
其中，u*(t)为故障电压分量，i*(t)为故障电流分量，Zc为线路波阻抗，t表示当前时刻。
步骤4，将步骤3中所得对端行波数据传递到首端，并利用公式(2)计算得到交流线路首端电压前行波与对端反行波轨迹采样点的最大公共相似子序列(LCSS)的长度L：
Figure BDA0003364754950000042
其中，L为公共子序列长度，i为首端前行波轨迹点序数，j为对端反行波轨迹点序数；a为首端前行波轨迹点坐标，b为首端前行波轨迹点坐标，dis(a，b)表示两点之间的欧式距离，δ为欧氏距离阈值，判定两点是否为相似点。
步骤5，利用公式(3)计算两端行波轨迹相似度r：
Figure BDA0003364754950000043
其中，m为交流传输线首端行波轨迹长度，n为对端行波轨迹长度。
步骤6，将计算步骤5中所得轨迹相似度r与设定的整体轨迹相似度阈值rset作比较，若r>rset，则判定为区外故障；若r<rset，则为区内故障。
步骤6中的整定值是由行波波形趋势等决定，并考虑采样误差等，需保留一定的裕度。
本发明高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法原理为：以图1交直流混联电网示意图为例说明。
交直流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，都为双回线输电线路。设定研究线路为输电线路MN。图2为交流故障期间等效直流电网的故障等效电路。
对逆变侧交流线路发生故障分析可知，故障发生后t0时刻线路两端传感器端检测到电压行波信号，忽略折反射时间，在设定时间窗内(此处考虑轨迹点数，选定时间窗为2ms)有：
(1)区外故障时，电压首端前行波与对端反行波皆由输电线路MN首端传播而来，具有很高相似性，因此当轨迹相似度r>rset，则判定为区外故障。
(2)区内故障时，电压首端前行波是由故障点产生的初始行波在边界M处反射而来，因此此时电压首端行波与对端反行波存在明显差异，波形轨迹相似度不高。因此当轨迹相似度r>rset，则判定为区内外故障。
上述特征可表明，不同故障方向之间轨迹相似度有着明显差异，可根据此来构成纵联保护判据。
实施例1
以图1所述的交直流混联电网为例，为了验证所提出的纵联保护方法的性能，在PSCAD/EMTDC中建立了电磁暂态模型。该模型参考了云南-广州±800kV直流网络，交流电压等级为500kV。直流线路和直流滤波器参数按实际线路设置，交流线路参数参考实际线路并进行合理修改以满足仿真要求。设定线路lM-N长度为300km架空线，传输线采用频率相关(相位)模型表示。
故障方向的判别步骤如下：
1)通过逆变侧所接交流输电线路两端传感器收集电流及电压故障前后所需时间内的波形采样数据；
2)对采样数据处理得到所需时间窗内的电流及电压故障分量，此处采样率为20kHz；
3)提取出的电流及电压故障分量进行Karenbauer相模变换得到两端电压及电流故障线模分量，并计算两端电压线模分量前行波与反行波；
4)将所得对端行波数据传递到首端，计算得到交流线路首端电压前行波与对端反行波轨迹采样点的最大公共相似子序列(LCSS)的长度L；
5)利用所得最大公共相似子序列长度L计算得到两端行波轨迹相似度r；
6)比较所得轨迹相似度r与整定值rset的大小区分区内故障与区外故障，r>rset为区外故障，r<rset则为区内故障。
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方向进行继电保护性能验证。
图3(a)为区外故障的首端电压前行波轨迹与对端反行波轨迹图。图3(b)为区内故障，M端100km处A相接地故障的首端电压前行波轨迹与对端反行波轨迹图。
通过图3(a)，可求得最大公共相似子序列长度为37，轨迹相似度为0.9250，判定为区外故障；
通过图3(b)，可以求得最大公共相似子序列长度为1，轨迹相似度为0.025，判定为区内故障；
上述结果皆识别正确。

Claims (5)

1.高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，通过逆变侧所接交流输电线路两端的传感器收集电流及电压故障前后所需时间内的波形采样数据；
步骤2，对步骤1中采样数据处理得到所需时间窗内的电流及电压故障分量；
步骤3，对步骤2提取出的电流及电压故障分量进行Karenbauer相模变换得到两端电压及电流故障线模分量，并计算两端电压线模分量前行波与反行波；
步骤4，将步骤3中所得对端行波数据传递到首端，计算得到交流线路首端电压前行波与对端反行波轨迹采样点的最大公共相似子序列的长度L；
步骤5，利用步骤4中所得最大公共相似子序列长度L计算得到两端行波轨迹相似度r；
步骤6，比较步骤5中所得轨迹相似度r与整定值rset的大小区分区内故障与区外故障，r>rset为区外故障，r<rset则为区内故障。
2.根据权利要求1所述的高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，其特征在于，
步骤3中利用公式(1)计算得到两端电压前行波Δuf(t)和反行波Δub(t)：
Figure FDA0003364754940000011
其中，u*(t)为故障电压分量，i*(t)为故障电流分量，Zc为线路波阻抗，t表示当前时刻。
3.根据权利要求1所述的高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，其特征在于，步骤4采用公式(2)计算得到交流线路首端电压前行波与对端反行波轨迹采样点的最大公共相似子序列的长度L：
Figure FDA0003364754940000021
其中，L为公共子序列长度，i为首端前行波轨迹点序数，j为对端反行波轨迹点序数；a为首端前行波轨迹点坐标，b为首端前行波轨迹点坐标，dis(a，b)表示两点之间的欧式距离，δ为欧氏距离阈值，判定两点是否为相似点。
4.根据权利要求1所述的高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，其特征在于，步骤5中利用公式(3)计算两端行波轨迹相似度r：
Figure FDA0003364754940000022
其中，m为交流传输线首端行波轨迹长度，n为对端行波轨迹长度。
5.根据权利要求1所述的高压交直流混联系统交流线路快速纵联保护方法，其特征在于，步骤6的具体过程如下：
将计算步骤5中所得轨迹相似度r与设定的整体轨迹相似度阈值rset作比较，若r>rset，则判定为区外故障；若r<rset，则为区内故障。
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CN114465215A (zh) * 2022-03-30 2022-05-10 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统

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CN114465215A (zh) * 2022-03-30 2022-05-10 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统

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