CN114465215A - 一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统，本发明根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度，根据行波波形相似度实现线路纵联保护，由于基于行波波形相似度，因此动作可靠性较高、受过渡电阻影响弱、采样频率的要求不高且算法简单，能够适用于海上风电全直流汇集和送出系统拓扑结构复杂化、换流环节多元化、边界特性薄弱化等新型特点，具有良好的工程应用价值。

Description

一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统
技术领域
本发明涉及一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统，属于电力系统领域。
背景技术
海上风电全直流汇集和送出是未来大型海上风电场并网的发展趋势，目前暂无实践工程案例，仍存在诸多关键技术问题亟待研究解决，继电保护是其中之一。其中，送出线路承担功率传输的任务，研究送出线路的继电保护策略，对于确保系统运行性能和安全，推动技术的发展和应用具有重要意义。
海上风电全直流送出线路的故障发展和蔓延速度快、影响范围大，为减小故障的影响范围，系统应具备快速识别、定位故障的能力，即线路纵联保护方法。然而，新型系统具有拓扑结构复杂化、换流环节多元化、边界特性薄弱化等特点，对线路纵联保护提出新的要求，现有线路纵联保护方法已不适用于新型系统。
发明内容
本发明提供了一种海上风电直流送出线路纵联保护方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，包括：
响应于判断出线路故障，根据故障后的线路电压、故障后的线路电流、故障前的线路电压和故障前的线路电流，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量；
根据线路电压故障分量和线路电流故障分量，计算故障前行波和故障反行波；
根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度；
根据行波波形相似度、故障反行波、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置；
根据线路故障位置判断结果，确定线路保护出口。
判断线路故障包括：
根据线路电压，计算线路电压梯度值；
若线路电压梯度值的绝对值大于梯度阈值，则判断出线路故障。
线路电压梯度值计算公式为：
Figure BDA0003572280560000021
其中，
Figure BDA0003572280560000022
为时刻k的线路电压梯度值，u(k-j)为时刻k之前第j个周期的线路电压采样值；
梯度阈值为正常运行线路电压波动下电压梯度的最大值和可靠系数的乘积。
计算线路电压故障分量和线路电流故障分量的公式为：
Δu(k)＝u(k)-u(k-N)
Δi(k)＝i(k)-i(k-N)
其中，Δu(k)为时刻k的线路电压故障分量，u(k)为时刻k的线路电压采样值，u(k-N)为时刻k-N的电压采样值，时刻k为故障后的时刻，时刻k-N为故障前的时刻，Δi(k)为时刻k的线路电流故障分量，i(k)为时刻k的线路电流采样值，i(k-N)为时刻k-N的电流采样值。
计算故障前行波和故障反行波的公式为：
Figure BDA0003572280560000031
Figure BDA0003572280560000032
其中，F为故障前行波，B为故障反行波，Δu为线路电压故障分量，Δi为线路电流故障分量，Zc为线路波阻抗。
根据行波波形相似度、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置，包括：
若本端故障前行波波形与对端故障反行波波形之间的相似度，以及本端故障反行波波形与对端故障前行波波形之间的相似度满足故障区间判别规则，则判定线路故障在区内，计算线路故障电压能比；
根据线路故障电压能比和故障极判别规则，判断线路故障为正极故障、负极故障或极间故障。
故障区间判别规则为本端故障前行波波形与对端故障反行波波形之间的相似度小于门槛值Cset1，且本端故障反行波波形与对端故障前行波波形之间的相似度小于门槛值Cset2。
计算线路故障电压能比的公式为：
Figure BDA0003572280560000033
其中，K为线路故障电压能比，
Figure BDA0003572280560000034
为正极线路电压故障分量的能量，ks为保护启动时刻，N1为积分数据窗内的采样点数，ΔuP(k)为正极线路的电压故障分量，
Figure BDA0003572280560000035
为负极线路电压故障分量的能量，ΔuN(k)为负极线路的电压故障分量。
故障极判别规则为：
Figure BDA0003572280560000041
其中，K为线路故障电压能比。
一种海上风电直流送出线路纵联保护系统，包括：
故障分量计算模块：响应于判断出线路故障，根据故障后的线路电压、故障后的线路电流、故障前的线路电压和故障前的线路电流，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量；
行波计算模块：根据线路电压故障分量和线路电流故障分量，计算故障前行波和故障反行波；
相似度计算模块：根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度；
故障位置判断模块：根据行波波形相似度、故障反行波、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置；
保护模块：根据线路故障位置判断结果，确定线路保护出口。
本发明所达到的有益效果：本发明根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度，根据行波波形相似度实现线路纵联保护，由于基于行波波形相似度，因此动作可靠性较高、受过渡电阻影响弱、采样频率的要求不高且算法简单，能够适用于海上风电全直流汇集和送出系统拓扑结构复杂化、换流环节多元化、边界特性薄弱化等新型特点，具有良好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法的详细流程图
图3为一种海上风电直流送出系统拓扑图；
图4为直流线路故障下的电压波形；
图5为直流线路故障下的电流波形；
图6为本发明方法判别的保护元件动作信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，包括以下步骤：
步骤1，响应于判断出线路故障，根据故障后的线路电压、故障后的线路电流、故障前的线路电压和故障前的线路电流，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量；
步骤2，根据线路电压故障分量和线路电流故障分量，计算故障前行波和故障反行波；
步骤3，根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度；
步骤4，根据行波波形相似度、故障反行波、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置；
步骤5，根据线路故障位置判断结果，确定线路保护出口。
上述方法根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度，根据行波波形相似度实现线路纵联保护，由于行波波形相似度在区内、区外故障下具有显著差异，因此上述方法动作可靠性较高，由于行波波形相似度在受过渡电阻的影响弱，因此上述方法受过渡电阻影响弱，耐受过渡电阻能力强，由于行波波形相似度对采样频率的敏感度低且算法简单，因此上述方法对采样频率的要求不高且算法简单，上述方法能够适用于海上风电全直流汇集和送出系统拓扑结构复杂化、换流环节多元化、边界特性薄弱化等新型特点，具有良好的工程应用价值。
如图2所示，需要先对线路电压和电流进行实时采样，根据线路电压，计算线路电压梯度值，具体可采用以下公式计算：
Figure BDA0003572280560000061
其中，
Figure BDA0003572280560000062
为时刻k的线路电压梯度值，u(k-j)为时刻k之前第j个周期的线路电压采样值。
若线路电压梯度值的绝对值大于梯度阈值Δset，即
Figure BDA0003572280560000063
则判断出线路故障；其中Δset的选取要大于正常运行线路电压波动下电压梯度的最大值，同时要保证直流电网内部故障准确、快速启动，因此梯度阈值为正常运行线路电压波动下电压梯度的最大值
Figure BDA0003572280560000064
和第一可靠系数Krel1的乘积，
Figure BDA0003572280560000065
同理，线路故障判断也可以采用电流，但是通过电压判断性能更优。
采用下式计算线路电压故障分量和线路电流故障分量的公式为：
Δu(k)＝u(k)-u(k-N)
Δi(k)＝i(k)-i(k-N)
其中，Δu(k)为时刻k的线路电压故障分量，u(k)为时刻k的线路电压采样值，u(k-N)为时刻k-N的电压采样值，时刻k为故障后的时刻，时刻k-N为故障前的时刻，N一般为10ms，Δi(k)为时刻k的线路电流故障分量，i(k)为时刻k的线路电流采样值，i(k-N)为时刻k-N的电流采样值。
根据上述计算出的故障分量，计算故障前行波和故障反行波，可以采用如下公式：
Figure BDA0003572280560000071
Figure BDA0003572280560000072
其中，F为故障前行波，B为故障反行波，Δu为线路电压故障分量，Δi为线路电流故障分量，Zc为线路波阻抗，电流的正方向由直流母线指向线路。
由于本端会向对端保护发送数据，也会接收对端传输数据，因此上述故障前行波和故障反行波有两组，一组为本端故障前行波和对端故障反行波，另一组为本端故障反行波和对端故障前行波。
计算两组行波波形的相似度，具体为余弦相似度，即计算本端故障前行波波形与对端故障反行波波形之间的余弦相似度C1，本端故障反行波波形与对端故障前行波波形之间的相似度C2。
若C1和C2满足故障区间判别规则，则判定线路故障在区内，否则判定线路故障在区外，所述保护方法结束；
其中，故障区间判别规则：故障区间判别规则为本端故障前行波波形与对端故障反行波波形之间的相似度小于门槛值Cset1，且本端故障反行波波形与对端故障前行波波形之间的相似度小于门槛值Cset2；采用公式表示为：C1＜Cset1&C2＜Cset2。
门槛值需要小于区外故障情况下故障侧的前行波波形与非故障侧的反行波波形之间余弦相似度的最小值Cmin，用公式可以表示为Krel2Cmin，Krel2为第二可靠系数。
针对线路故障在区内的情况，可根据下式计算线路故障电压能比；
Figure BDA0003572280560000073
其中，K为线路故障电压能比，
Figure BDA0003572280560000081
为正极线路电压故障分量的能量，ks为保护启动时刻，作为积分计算的起始点，N1为积分数据窗内的采样点数，ΔuP(k)为正极线路的电压故障分量，
Figure BDA0003572280560000082
为负极线路电压故障分量的能量，ΔuN(k)为负极线路的电压故障分量。
根据线路故障电压能比和故障极判别规则，判断线路故障为正极故障、负极故障或极间故障；其中故障极判别规则为：
Figure BDA0003572280560000083
其中，K为线路故障电压能比。
如图3假设直流送出系统正极输电线路靠近整流侧一端发生金属性接地故障(记为故障F1)，当系统发生故障F1后，采样元件测量得到的故障电压、电流波形如图4和5所示，可计算出电压梯度值为-1.0782p.u，而Krel1取1.2，Krel1取0.071p.u.，因此Δset为0.085p.u.；电压梯度值的局对峙大于Δset，判断出线路故障。
计算线路电压故障分量和线路电流故障分量，并计算故障前行波和故障反行波。
对于正极线路故障F1，计算两组行波对应的余弦相似度，计算得到C1和C2分别为-0.4512和-0.6044；取Krel2为0.8，Cmin为0.9924，计算得到门槛值近似取0.75，C1和C2满足故障区间判别规则，即判定为区内故障。
计算EuP、EuN，计算线路故障电压能比为19.15，根据故障极判别规则可以判定正极接地故障，正极线路保护出口，基于上述方法判别的保护元件动作信号如图6所示。
可以看出，通过计算故障前行波和故障反行波的波形相似度实现线路纵联保护，该方法动作可靠性较高、采样频率的要求不高且算法简单，能够适用于海上风电全直流汇集和送出系统的各种新型特点，具有良好的工程应用价值。
基于相同的技术方案，本发明还公开了上述方法的软件系统，一种海上风电直流送出线路纵联保护系统，包括：
故障分量计算模块：响应于判断出线路故障，根据故障后的线路电压、故障后的线路电流、故障前的线路电压和故障前的线路电流，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量；
行波计算模块：根据线路电压故障分量和线路电流故障分量，计算故障前行波和故障反行波；
相似度计算模块：根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度；
故障位置判断模块：根据行波波形相似度、故障反行波、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置；
保护模块：根据线路故障位置判断结果，确定线路保护出口。
上述软件系统中，各模块的数据处理流程与方法的一致，这里不重复描述了。
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行海上风电直流送出线路纵联保护方法。
基于相同的技术方案，本发明还公开了一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行海上风电直流送出线路纵联保护方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，包括：
响应于判断出线路故障，根据故障后的线路电压、故障后的线路电流、故障前的线路电压和故障前的线路电流，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量；
根据线路电压故障分量和线路电流故障分量，计算故障前行波和故障反行波；
根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度；
根据行波波形相似度、故障反行波、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置；
根据线路故障位置判断结果，确定线路保护出口。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，判断线路故障包括：
根据线路电压，计算线路电压梯度值；
若线路电压梯度值的绝对值大于梯度阈值，则判断出线路故障。
3.根据权利要求2所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，线路电压梯度值计算公式为：
Figure FDA0003572280550000011
其中，
Figure FDA0003572280550000012
为时刻k的线路电压梯度值，u(k-j)为时刻k之前第j个周期的线路电压采样值；
梯度阈值为正常运行线路电压波动下电压梯度的最大值和可靠系数的乘积。
4.根据权利要求1所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量的公式为：
Δu(k)＝u(k)-u(k-N)
Δi(k)＝i(k)-i(k-N)
其中，Δu(k)为时刻k的线路电压故障分量，u(k)为时刻k的线路电压采样值，u(k-N)为时刻k-N的电压采样值，时刻k为故障后的时刻，时刻k-N为故障前的时刻，Δi(k)为时刻k的线路电流故障分量，i(k)为时刻k的线路电流采样值，i(k-N)为时刻k-N的电流采样值。
5.根据权利要求1所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，计算故障前行波和故障反行波的公式为：
Figure FDA0003572280550000021
Figure FDA0003572280550000022
其中，F为故障前行波，B为故障反行波，Δu为线路电压故障分量，Δi为线路电流故障分量，Zc为线路波阻抗。
6.根据权利要求1所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，根据行波波形相似度、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置，包括：
若本端故障前行波波形与对端故障反行波波形之间的相似度，以及本端故障反行波波形与对端故障前行波波形之间的相似度满足故障区间判别规则，则判定线路故障在区内，计算线路故障电压能比；
根据线路故障电压能比和故障极判别规则，判断线路故障为正极故障、负极故障或极间故障。
7.根据权利要求6所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，故障区间判别规则为本端故障前行波波形与对端故障反行波波形之间的相似度小于门槛值Cset1，且本端故障反行波波形与对端故障前行波波形之间的相似度小于门槛值Cset2。
8.根据权利要求7所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，计算线路故障电压能比的公式为：
Figure FDA0003572280550000031
其中，K为线路故障电压能比，
Figure FDA0003572280550000032
为正极线路电压故障分量的能量，ks为保护启动时刻，N1为积分数据窗内的采样点数，ΔuP(k)为正极线路的电压故障分量，
Figure FDA0003572280550000033
为负极线路电压故障分量的能量，ΔuN(k)为负极线路的电压故障分量。
9.根据权利要求7所述的一种海上风电直流送出线路纵联保护方法，其特征在于，故障极判别规则为：
Figure FDA0003572280550000034
其中，K为线路故障电压能比。
10.一种海上风电直流送出线路纵联保护系统，其特征在于，包括：
故障分量计算模块：响应于判断出线路故障，根据故障后的线路电压、故障后的线路电流、故障前的线路电压和故障前的线路电流，计算线路电压故障分量和线路电流故障分量；
行波计算模块：根据线路电压故障分量和线路电流故障分量，计算故障前行波和故障反行波；
相似度计算模块：根据故障前行波和故障反行波，计算行波波形相似度；
故障位置判断模块：根据行波波形相似度、故障反行波、故障区间判别规则和故障极判别规则，判断线路故障位置；
保护模块：根据线路故障位置判断结果，确定线路保护出口。
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