CN114512966A - 基于s变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法及系统，获取直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；判断直流电压是否满足低电压启动条件，如果是，则直流线路发生故障，否则，重新获取直流电压信号和电流信号；计算故障后设定频段内的直流线路S变换频域电抗值和频域电阻值；分别进行S变换频域电抗极性方向判定和电阻值、电抗值与相应门槛值的判定，确定故障类型。本发明能够利用单端的方向判据和电阻判据快速识别出近端故障，缩短了近端故障的识别时间。对于远端故障或高过渡电阻故障，其采用纵联保护判据应对换流器和过渡电阻对保护可靠性的影响。

Description

基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法及系统

技术领域

本发明属于柔性直流配电网继电保护技术领域，尤其涉及一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流配电网具有运行灵活、供电容量大以及运行可靠性高等优点。随着风电、光伏为主的可再生能源技术快速发展，其在配电系统中具有很广泛的应用前景。相较于交流配电网，柔性直流配电网发生短路故障时，故障电流上升速度快且峰值高，传统的保护方法不再适用。如何通过有限的故障暂态信息快速可靠识别并隔离故障成为亟待解决的关键问题。

为满足柔性直流配电网的保护需求，近年来专家学者在该领域开展了大量研究，提出了许多新的保护方法，主要可以分为两类：一是基于双端信息的纵联保护方法；二是基于单端电气量的保护方法。

现有技术利用直流线路两端检测到行波波头的时间差，计算出故障发生位置，进而判别故障区段，该方法具有很好的速动性，但是由于配电网线路较短，采用行波的保护方法对采样率要求高，且其可靠性易受噪声干扰的影响。

现有技术提出了基于电流差动的保护方法，能够快速检测出故障，然而为了防止通信故障，该方法需要配备后备保护，这将增加总成本，同时故障过程中线路分布电容产生的暂态电流会影响保护的可靠性。

现有技术提出了一种基于暂态高频阻抗比较的方向纵联保护，然而该方法将故障后的电压波形近似等效为阶跃函数提取高频信号，易受到噪声的影响。

基于双端量的保护通过在线路两端共享故障信息可实现绝对选择性。然而，该方法需要通信设备传递信号，信号在输电线路两端传输的延时较长而影响保护的速度，因此经常被作为后备保护。相较于双端量保护极易受通信技术的制约，单端量保护动作速度快、无通讯延迟，主要被用作直流配电网的主保护。为了限制短路电流的上升速度和峰值，工程上一般在直流线路的两端串联限流电抗器。限流电感可以有效阻止高频信号，因此为单端量保护创造了有利的条件。

现有技术提出了基于初始电流行波的单端量保护方法。初始电流行波的极性用于识别故障方向，并应用估计的时间常数来识别故障段。但是，对于区内近端和区外近端故障，保护的可靠性受到极大的影响。现有技术还提出了基于初始零序电流行波的单端量保护方法，该方法可以识别出具有高过渡电阻和噪声的故障，但高采样率限制了方法的实用性。

现有的保护技术利用直流线路正负极限流电抗器电压幅值差判断故障极，利用正负极电抗器电压之和进行故障检测，该方法对过渡电阻高的故障具有较好的鲁棒性，但其阈值的设置取决于仿真结果。现有技术也提出了基于限流电抗器瞬态电压平方差的保护。该方法适用于各种故障类型，但基于小波变换的计算方法复杂。

现有技术利用故障暂态电流的一二阶导数作为判据判断故障区段，该方法能够在几毫秒内检测并识别出故障，同时避免了通信延时的问题，然而方法容易受到噪声和过渡电阻的干扰。现有技术也通过在时域下计算故障点到线路的电感值来判断故障位置，该方法受高阻影响小，然而该方法仅适用于辐射状拓扑，且容易受分支线负荷的影响。

综上所述，发明人发现，柔性直流配电网的保护方法可能会受高过渡电阻和换流器等因素影响，或对通信和数据同步要求较高。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法及系统，本发明能够利用单端的方向判据和电阻判据快速识别出近端故障，缩短了近端故障的识别时间。对于远端故障或高过渡电阻故障，其采用纵联保护判据应对换流器和过渡电阻对保护可靠性的影响。此外，纵联保护方法不需要两端的数据同步，可适用于投资成本相对较低的配电网。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，包括以下步骤：

获取直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；

判断直流电压是否满足低电压启动条件，如果是，则直流线路发生故障，进入下一步；否则，重新获取直流电压信号和电流信号；

计算故障后设定频段内的直流线路S变换电压和S变换电流，并将S变换电压和S变换电流的比值作为S变换频域阻抗，得到S变换频域电抗值和频域电阻值；

根据S变换频域电抗极性方向，判定故障方向；

比较S变换频域电阻值与预设电阻门槛值，若小于门槛值，则发生区内故障；若不满足，比较S变换频域电抗值与预设电抗门槛值，若小于门槛值，则进入下一步；若不满足，则发生区外故障，返回计算S变换频域电抗值和频域电阻值；

若收到对端保护发送的反向故障信号，则发生区外故障，返回计算S变换频域电抗值和频域电阻值，若未收到，则发生区内故障。

作为可选择的实施方式，所述低电压启动条件为当满足相邻采样点的直流电压差值绝对值大于整定值，则判定发生故障，保护启动，所述整定值设置为额定电压的比例值。

作为可选择的实施方式，所述设定频段为500Hz-1000Hz。

作为可选择的实施方式，判断S变换频域电抗极性方向的具体过程包括：当故障极测量点的S变换频域电抗大于零时，判断故障为测量点的正向故障，否则，向对端保护单元发送反向故障信号。

作为可选择的实施方式，所述电阻门槛值依据整定值和可靠系数的乘积确定。

作为可选择的实施方式，所述电抗门槛值依据区外近端故障时S变换频域电抗的最小值与可靠系数的乘积确定。

一种基于S变换频域阻抗的柔性直流配电网纵联保护系统，包括：

信号获取模块，其用于获取直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；

故障启动判断模块，其根据判断直流电压是否满足电压突变量启动条件，如果是，则判断直流线路发生故障；

S变换频域阻抗值计算模块，其用于将规定频段内直流电压和直流电流进行S变换，并将S变换电压和S变换电流的比值作为S变换频域阻抗，得到S变换频域电阻和频域电抗；

故障方向判断模块，其利用S变换频域电抗极性判断故障方向，如果极性为正，则发生正向故障；否则，向对端发送反向故障信号；

故障区段判断模块，其根据本端的故障方向模块判断故障为正向故障时，比较频域电阻值与预设电阻门槛值，若满足则发生区内故障；若不满足，则比较频域电抗值与预设电抗门槛值，若满足则等待对端反向故障标识，若未收到则为区内故障。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明仅利用本地信息的S变换频域电抗作为方向判据和S变换频域电阻判据可以快速识别出近端故障，缩短了近端故障识别时间。

2)对于远端故障或高过渡电阻故障，利用本地S变换频域电抗判据和对端方向判据作为纵联保护判据可以应对变流器和过渡电阻对保护可靠性的影响。

3)本发明在实现纵联保护时，被保护区段的两侧保护装置间仅需互相传送反向故障信号，对通信带宽要求极低且无需严格的时间同步，具有较好的经济性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为直流线路区内外故障等效电路图；

图2为直流线路集中参数等效π形电路；

图3为直流线路传递函数的幅频特性；

图4为母线含DC-DC变换器时故障等效电路示意图；

图5为区内高阻故障时故障等效电路示意图；

图6为不同故障下阻抗差异示意图；

图7为线路mn端保护方案流程图；

图8为多端柔性直流配电网模型；

图9为F₁故障时频域阻抗波形；

图10为F₂故障时频域阻抗波形；

图11为F₃故障时频域阻抗波形；

图12为F₄故障时频域阻抗波形；

图13为MMC退出运行时的电压波形。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例一：

参照图7，本发明公开了一种基于S变换频域阻抗的多端柔性直流配电网纵联保护方法，其包括以下步骤：

(1)实时采集直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；

(2)根据故障后直流线路快速降低的特点构造电压突变量的绝对值作为启动判据，判断直流电压是否满足电压突变量启动条件，如果是，则直流线路发生故障，进入下一步；否则，返回步骤(1)；

(3)计算故障后特定频段内的直流线路S变换电压和S变换电流，并将S变换电压和S变换电流的比值作为S变换频域阻抗，从而得到S变换频域电抗和频域电阻；

(4)对步骤(3)计算得到的S变换频域电抗极性构造方向判据，如果极性为正，则发生正向故障；否则，向对端发送反向故障信号；

(5)比较步骤(3)得到的S变换频域电阻值与预设电阻门槛值，若小于门槛值，则发生区内故障；若不满足，进入下一步；

(6)比较步骤(3)得到的S变换频域电抗值与预设电抗门槛值，若小于门槛值，则进入下一步；若不满足，则发生区外故障，返回步骤(3)；

(7)若本端保护安装处收到对端保护发送的反向故障信号，则发生区外故障，返回步骤(3)，若未收到，则发生区内故障。

步骤(2)中，根据故障后直流线路快速降低的特点构造电压突变量的绝对值作为启动判据，具体为：当满足相邻采样点的直流电压差值绝对值大于整定值，整定值设置为0.01倍的额定电压，则判定发生故障，保护启动。

具体判据如下：

|ΔU(k)|＝|u(k)-u(k-1)|>0.01U_dc (1)

式中，u(k)为保护安装处检测到的极间电压采样信号，k表示采样点，△u(k)表示两个相邻采样点的直流电压差值，U_dc为额定电压。当极间电压满足式(1)保护启动。

步骤(3)中，故障后特定频段内的S变换电阻和频域电抗原理如下：

鉴于直流配电线路长度较短，电压等级较低，采用集中π形电路进行等效。当线路发生区外故障时，图2中，Y₁和Y₂为线路的等效导纳参数，L_B为限流电感。电路两端参量分别为测量点电压U_m(s)、电流I_m(s)和故障点电压U_f(s)、电流I_f(s)。

定义带边界元件的线路传递函数为

式中，

其中r₁,l₁,g₁,c₁分别为线路的单位长度电阻、电感、电导和电容，l为线路长度。

表1直流电缆参数

中压电缆有不同的型号，不同的型号有不同的电气参数，如表1所示。由于电缆的电阻几乎不受频率的影响，在此不进行分析。因此，传递函数H(s)的幅频特性曲线如图3所示，其中线长度、单位电感和单位电容取不同的值，限流电感取值5mH。从图3可以看出，当频率满足0<f<f₀的范围时，对于同一条线路，20lg|H(s)|的幅频曲线从零逐渐增加，这里f₀是线路谐振频率。当f>f₀时，传递函数H(s)明显衰减。随着线路长度、单位电感和电容的增加，谐振峰频率逐渐降低。当单位长度的电容值为0.59uF/km时，f₀达到最小值0.98kHz。

因此，直流线路和限流电感对高频信号有很强的衰减。考虑直流线路的长度和谐振频率，结合MMC的谐振频率，选取500Hz-1000Hz的频段对频域测量阻抗进行分析。

S变换是一种可逆的局部时频分析方法，是对连续小波变换和短时傅里叶变换的发展。若信号x(t)的离散形式为x(hT),(h＝1,2,…,N-1)，N为采样点个数，T为两个采样点时间间隔，则对离散信号x(hT)的S变换，可以由快速傅立叶变化实现：

式中,h,m,n∈(0,N-1)。x[n/(NT)]为x(hT)的离散傅立叶变换，

是高斯窗函数的傅立叶频谱。

因此，对式(4)采集到的N个离散信号进行S变换，即得到二维复时频S矩阵S(p,q)，其中q表示信号在某一时刻的幅频特性，p为信号在某一频率下的时频特性。

定义线路mn侧电压u、电流i在q时刻的S变换为：

线路mn侧S变换频域阻抗为：

线路mn侧的S变换频域电抗和频域电阻分别为：

步骤(4)中，基于S变换频域电抗极性构造的方向判据，原理如下：柔性直流配电网直流侧发生双极短路故障后，MMC子模块闭锁前故障电流主要由子模块电容放电和交流侧电源提供，由于交流系统的对称性，三相电流之和为零，因此换流器MMC可以等效为电感L_S和电容C_S的串联组合，如图1中虚线框所示。在复频域中分析，故障发生后的初始阶段由于电容和电感具有初始电压和电流，因此在回路中产生附加电压源。考虑到双极短路故障中的故障电流主要由子模块电容放电提供，回路中电感产生的附加电源可忽略。同时由于线路分布电容远小于换流站内的子模块电容，因此忽略线路中的分布电容。

以两端直流配网为例进行分析，如图1所示为复频域下线路发生金属性双极短路故障后的等效电路图，其中L_B为线路两端限流电感，R_lineI和L_lineI分别为线路L_ineI的电阻和电感，U_m和I_m为MN点的测量电压和电流，sL_s和1/sC_s为MMC等效运算感抗和运算容抗，u_c(0_-)/s反映初始电容电压的附加电压源。MN和NM是保护装置的安装位置。

当线路LineI内f₁点发生双极短路故障时，如图1的a)所示，由于线路正负极对称，所以利用测量点对地电压来表征。以测量点MN为例，MMC₂侧阻抗被短路，测量点到故障点的复频域测量阻抗可表示为：

式中，R’_lineI和L’_lineI分别为线路LineI的部分电阻和部分电感，因此测量点MN到故障点的复频域测量阻抗反映测量点到故障点的距离。定义测量点的频域电阻、频域电抗分别为复频域阻抗的实部和虚部，即：

同理可得，当正向区外母线处f₂点和反向区外母线处f₃点发生金属性双极短路故障时，等效电路图如图1的b)和图1的c)所示，从测量点R_mn到故障点的频域电阻、频域电抗分别可表示为：

式中，R_L为从测量点MN到故障点f₃的电阻。根据式(9)～(11)可知，线路发生双极短路故障时，正向区外故障的频域电抗值和电阻值始终大于区内故障的电抗值，且极性为正；当故障为反向区外故障时，测量点的频域电抗和电阻极性为负。

根据上述故障特性，构建故障方向判据，具体为：

XL_mn>0(12)

式中，XL_mn为故障极测量点任一极的S变换频域电抗。当S变换频域电抗XL_mn满足上式时，判断故障为测量点MN的正向故障，否则，向对端保护单元发送反向故障信号。

步骤(5)、(6)中结合S变换频域电抗和频域电阻的故障识别判据原理如下：

在直流配电网中，直流母线需要通过DC/DC或DC/AC换流器与负载或分布式能源设备相连。由于上述变换器的高压侧通常与大电容并联，因此容易影响频域电抗的测量。这里以母线上的DC/DC变换器为例进行分析，AC/DC变换器的分析与DC/DC变换器的分析相似。如图4所示，在故障暂态阶段，具有双有源电桥(DAB)的DC-DC转换器可以等效为连接到直流线路的高压侧的支持电容C_DAB。对于区内金属性双极短路故障，直流线路两端保护测量点的频域电抗不受DC/DC转换器的影响；而对于线路II中f₂处出现的双极短路故障，忽略DC-DC变换器的等效电容放电，线路两端测量点的频域电抗如式(13)所示。

当

时，支持电容C_DAB和故障点之间的并联阻抗呈电容性，因此会导致线路两端的频域电抗减小。由于DC-DC转换器高压侧的支持电容C_DAB通常约为2000uF，因此，在f>176.78Hz的情况下，并联部分呈电容性的。根据上述分析，在频段500Hz-1000Hz内的频域电抗值会减小；而对于测量点NM，sL_B要大于并联部分，因此电容和电感的谐振效应只能导致频域电抗值降低，而不能改变频域电抗的极性。

当发生高阻故障时，故障点的过渡电阻同样会影响测量点的频域电阻，从而出现保护死区问题。如图5所示，当故障点f₁处发生区内高阻故障时，在两端附加电源的叠加作用下，测量点的频域测量阻抗如式(14)所示。

式中，Z_p和Z’_p分别为两端附加电源共同作用下过渡电阻与故障点两端阻抗的并联等效阻抗。由公式可知，相比于区内金属性短路故障，高阻故障下线路两端测量点的频域电阻值增大，使得频域测量电阻值不能准确反映故障点到测量点的距离，容易导致保护误判。

如图6所示，Z_in1和Z_in2分别为发生区内金属性故障和区内高阻故障时的频域阻抗，Z_ex1和Z_ex2分别为发生正向区外金属性故障时不含容性负荷和含容性负荷的频域测量阻抗。由图可知，Z_ex1和Z_ex2的频域电阻幅值相同，而Z_ex2的频域电抗幅值明显降低，使得频域电抗值小于整定值XL_set，因此如果只用频域电抗特征来判断故障区段，易导致保护误判；对比Z_in1和Z_in2，两种故障的频域电抗幅值不变，而区内高阻故障Z_in2的频域电阻幅值明显增大，因此如果只用频域电阻特征，同样容易导致保护误判。基于此，为解决容性元件和高阻故障导致的保护死区问题，采用频域测量电抗和频域测量电阻共同判断故障区段。

进一步地，构造故障识别判据，具体为：

R_mn<k_r1R_set(15)

式中,R_set为整定值，k_r1为可靠系数，取0.8。

若满足上式，则判断为区内故障。若不满足，则继续判断。

由于频域电阻易受高阻故障的影响，而S变换频域电抗受过渡电阻影响较小，故利用S变换频域电抗判断区内高阻故障，两判据结合可同时避免容性负荷的影响。设置区内高阻故障识别判据如下：

XL_mn<k_r2XL_set (16)

式中,XL_set为整定值，取区外近端故障时S变换频域电抗的最小值，k_r2为可靠系数，取0.8。

若满足式(16)，且未收到对端反向故障信号，则判断为区内故障，否则为区外故障。

单侧频域阻抗判据的定值整定原则可以描述为：躲过正方向区外故障时可能出现的最小频域阻抗值。一般情况下，正方向区外近端金属性故障是频域阻抗最小的区外故障类型，因此具体整定值可以通过计算得出。对于图1中保护R_mn而言为，其区内最大的频域测量阻抗为图1的b)中f₂处，因此，线路保护单元的频域测量电抗和频域测量电阻的整定值可设置为：

式中，Z_c为线路特征阻抗。

上述实施例的各参数的设置值都可以根据具体情况进行更改或调整。

利用PSCAD构建柔性直流电网仿真模型，对所提方法进行仿真验证：1)建立模型

在PSCAD/EMTDC中搭建如了如图8所示的三端八节点柔性直流配电网模型，换流站的参数见表2所示。模型主要包括MMC换流站、DC/DC变换器、直流线路和负荷。直流侧通过三个MMC换流站与交流电网交换能量，通过DC/DC变换器接入直流负荷。线路主接线方采用对称单极接线方式。为保持直流母线电压正负极对称运行，MMC换流站采用直流侧钳位电阻接地的小电流接地方式。拓扑采用主从控制方式，其中MMC₁采用定直流电压和定无功功率控制，作为整个系统的电压平衡节点，MMC₂、MMC₃采用定有功功率控制和无功功率控制方式，作为功率节点。直流配电线路选用电缆模型，线路共分为8段，每段线路两端配备保护单元和直流断路器。

表2MMC换流站仿真模型参数

利用图8所示的多端柔性直流配电网模型，选取直流线路L₁₂上的保护R₁₂和R₂₁对象，通过设置各种故障情况，来仿真验证所提保护方案的可行性。保护的采样频率选择40kHz，采样时间窗选为故障后1ms。根据式(17)，保护R₁₂的整定门槛值XL_set、R_{set_}可取F₃处发生故障时的值，线路参数如表2所示，因此整定门槛值XL_set、R_set分别取为47.1Ω、0.916Ω。考虑到测量误差和一定裕度，可靠性系数k_r1和k_r2取0.8。

2)典型区内外故障仿真

A.区内故障F₁。假设故障发生于图8中F₁点，故障类型为金属性极间短路故障，故障发生时刻为3s，图9为保护单元R₁₂和R₂₁处的S变换频域电阻和频域电抗的仿真波形。

由图9可知，R₁₂和R₂₁检测到的S变换频域电抗极性大于零，且S变换频域电阻值大于阈值。因此两端保护不用等待对端反向故障信号，均可判断出该故障属于区内故障。

B.反向故障F₂。假设故障发生于图8中F₂点，故障类型为金属性极间短路故障，故障发生时刻为3s，图10为保护单元R₁₂和R₂₁处的S变换频域电阻和频域电抗的仿真波形。

由图10可知，当故障发生在F₂时，S变换频域电抗的极性在R₁₂处为负，在R₂₁处大于零，S变换频域电阻值在R₂₁处大于阈值。因此，R₁₂处的保护不用等待对端反向故障信号，即可凭借频域电抗极性判断出该故障属于区外故障；而R₂₁处的保护凭借本端频域电抗和频域电阻可判断出该故障属于区外故障，无需等待对端反向故障信号。

C.正向区外母线故障F₃。假设故障发生于图8中F₃点，故障类型为金属性极间短路故障，故障发生时刻为3s，图11为保护单元R₁₂和R₂₁处的S变换频域电阻和频域电抗的仿真波形。

由图11可以看出，当故障发生在F₃时，保护单元R₁₂处的S变换频域电阻大于阈值，S变换频域电抗极性为正且其值大于阈值。根据图7保护方案可知，保护单元R₁₂不用等待对端反向故障信号，即可判断出故障为区外故障；而对保护单元保护单元R₂₁，S变换频域电抗极性为负，因此可直接判断出故障为区外故障。

D.正向区外故障F₄。假设故障发生于图8中F₄点，故障类型为金属性极间短路故障，故障发生时刻为3s，图12为保护单元R₁₂和R₂₁处的S变换频域电阻和频域电抗的仿真波形。

如图12所示，当F₄发生故障时，故障点与测量点之间有DC-DC转换器。保护单元R₂₁处的S变换频域电抗极性为负，判断故障为反向故障，向对端发送反向故障信号；与F₃处的故障不同，R₁₂处的S变换频域电抗极性为正但其值小于阈值，S变换频域电阻值大于设定值。结合对端发送的反向故障信号，可判断发生区外故障。

3)区内不同过渡电阻的故障场景仿真

表3所示为线路L₁₂上发生不同过渡电阻的故障场景下保护判据的识别情况，故障位置设置在图8中F₁处。由于柔性直流电网中双极短路故障最大过渡电阻约为50Ω，因此设置过渡电阻分别为10Ω、30Ω、50Ω的双极短路故障。由表3仿真结果可知，与图9中的仿真值相比，S变换频域电阻增加，且大于阈值。虽然S变换频域电抗值也增大，但远小于阈值。因此，S变换频域电阻判据对区内高阻故障存在保护误判问题，但S变换频域电抗判据可准确识别故障。因此，对于区内发生不同过渡电阻的故障，所提保护判据能正确地识别，并且具有较高的灵敏性。

表3区内不同过渡电阻下保护识别情况

4)限流电抗器电感值的影响

为了研究限流电感对保护的影响，电感设置为15mH，其他参数保持不变。如表4所示，当故障分别发生在F₁、F₂和F₃时，与图9-图10中的值相比，S变换频域电阻和频域电抗随着限流电感值的增加而增加。同时，区内故障的S变换频域电抗和频域电阻小于区外故障的S变换频域电抗和频域电阻，反向故障的S变换频域电抗小于零，这与理论分析一致。由于限流电感的增加，正向区外近端故障的S变换频域电抗和频域电阻均增加，保护中的整定值应根据式(17)自适应改变。

表4当限流电感L_b取15mH时保护识别情况

5)不同运行条件的影响

当多端柔性直流配电网中的MMC换流器由于故障或维护而停止运行时，其他换流器可以维持正常运行。为研究所提保护方法的适应性，图8中MMC₁退出运行，设置故障位置在F1～F3。每个MMC换流器器出口处的电压波形如图13所示。MMC₁在4s时退出运行，双极短路故障在5s时发生。由于系统采用主从控制方式，当电压主站MMC₁退出运行时，功率从站MMC₂需要将控制模式转换为定电压控制，以保持电压平衡。如图13所示，MMC₁退出系统后，电压可以保持不变。线路L₁₂两端保护单元R₁₂和R₂₁的仿真结果如表5所示。从表中可以看出，当换流器退出运行时，保护依然可以有效地识别故障。

表5当换流器MMC退出运行时保护识别情况

本发明根据直流输电线路区内、外故障时线路两端频域阻抗的特征，利用S变换频域电抗极性作为方向判据，S变换频域电阻值和频域电抗值作为故障识别判据，并形成相应的保护方案。该方法仅利用单端信息识别近端故障，利用纵联保护判据识别远端故障或高阻故障。这种单端保护判据和纵联保护判据的结合使发明具有较高的可靠性和快速性。此外，该方法不需要数据同步。仿真分析表明，在各种故障条件下，本发明均能正确识别区内外故障，可靠性强。

实施例二

本实施例提供了一种基于S变换频域阻抗的柔性直流配电网纵联保护系统，其具体包括如下模块：

信号获取模块，其用于获取直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；

故障启动判断模块，其根据故障后直流线路快速降低的特点构造电压突变量的绝对值作为启动判据，判断直流电压是否满足低电压启动条件，如果是，则判断直流线路发生故障。

S变换频域阻抗值计算模块，其用于将直流电压和直流电流进行S变换，并将S变换电压和S变换电流的比值作为S变换频域阻抗，得到S变换频域电阻和频域电抗。

故障方向判断模块，其利用S变换频域电抗极性判断故障方向，如果极性为正，则发生正向故障；否则，向对端发送反向故障信号；

故障区段判断模块，其根据本端的故障方向模块判断出故障为正向故障时，比较频域电阻值与预设电阻门槛值，若满足则发生区内故障；若不满足，则比较频域电抗值与预设电抗门槛值，若满足则等待对端反向故障标识，若未收到则为区内故障。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例一所述的基于基于S变换频域阻抗的柔性直流配电网纵联保护方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如实施例一所述的S变换频域阻抗的柔性直流配电网纵联保护方法中的步骤。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：包括以下步骤：

获取直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；

判断直流电压是否满足低电压启动条件，如果是，则直流线路发生故障，进入下一步；否则，重新获取直流电压信号和电流信号；

计算故障后设定频段内的直流线路S变换电压和S变换电流，并将S变换电压和S变换电流的比值作为S变换频域阻抗，得到S变换频域电抗值和频域电阻值；

根据S变换频域电抗极性方向，判定故障方向；

比较S变换频域电阻值与预设电阻门槛值，若小于门槛值，则发生区内故障；若不满足，比较S变换频域电抗值与预设电抗门槛值，若小于门槛值，则进入下一步；若不满足，则发生区外故障，返回计算S变换频域电抗值和频域电阻值；

若收到对端保护发送的反向故障信号，则发生区外故障，返回计算S变换频域电抗值和频域电阻值，若未收到，则发生区内故障。

2.如权利要求1所述的一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：所述低电压启动条件为当满足相邻采样点的直流电压差值绝对值大于整定值，则判定发生故障，保护启动，所述整定值设置为额定电压的比例值。

3.如权利要求1所述的一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：所述设定频段为500Hz-1000Hz。

4.如权利要求1所述的一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：判断S变换频域电抗极性方向的具体依据为：线路发生双极短路故障时，正向区外故障的频域电抗值和电阻值始终大于区内故障的电抗值，且极性为正；当故障为反向区外故障时，测量点的频域电抗和电阻极性为负。

5.如权利要求1所述的一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：判断S变换频域电抗极性方向的具体过程包括：当故障极测量点的S变换频域电抗大于零时，判断故障为测量点的正向故障，否则，向对端保护单元发送反向故障信号。

6.如权利要求1所述的一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：所述电阻门槛值依据整定值和可靠系数的乘积确定。

7.如权利要求1所述的一种基于S变换频域阻抗的直流配电网纵联保护方法，其特征是：所述电抗门槛值依据区外近端故障时S变换频域电抗的最小值与可靠系数的乘积确定。

8.一种基于S变换频域阻抗的柔性直流配电网纵联保护系统，其特征是：包括：

信号获取模块，其用于获取直流线路保护安装处节点的直流电压信号和电流信号；

故障启动判断模块，其根据判断直流电压是否满足电压突变量启动条件，如果是，则判断直流线路发生故障；

S变换频域阻抗值计算模块，其用于将规定频段内直流电压和直流电流进行S变换，并将S变换电压和S变换电流的比值作为S变换频域阻抗，得到S变换频域电阻和频域电抗；

故障方向判断模块，其利用S变换频域电抗极性判断故障方向，如果极性为正，则发生正向故障；否则，向对端发送反向故障信号；

故障区段判断模块，其根据本端的故障方向模块判断故障为正向故障时，比较频域电阻值与预设电阻门槛值，若满足则发生区内故障；若不满足，则比较频域电抗值与预设电抗门槛值，若满足则等待对端反向故障标识，若未收到则为区内故障。

9.一种电子设备，其特征是：包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征是：用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。

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