CN115267419A - 不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法，在选定时间窗内获取直流线路正负极电压、电流，计算对应的线模电压和线模电流；通过小波变换提取线模电压、线模电流的高、低频分量，并据此分别计算高频测量阻抗和低频测量阻抗；计算高、低频测量阻抗幅值比，并利用高低频测量阻抗幅值比判断故障方向；最终，可靠识别区内外故障。与现有技术相比，本发明无需依赖线路参数和线路边界元件，能够显著降低实现难度、提升工程应用普适性。

Description

不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护 方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，特别是涉及一种适用于柔性直流线路的新型方向纵联保护方法。

背景技术

直流线路快速保护是柔性直流电网安全可靠运行的核心关键技术。目前，柔直线路保护原理一般以单端量保护为主保护，以纵联保护作为后备。其中，直流单端量保护利用线路两端安装的限流电抗器对故障行波的阻滞作用，可靠区分区内外故障，在几个毫秒之内即可超快速动作。纵联保护依赖双端信息判别区内外故障，由于通信的引入，动作时间在十几毫秒至几十毫秒等级，因此一般考虑作为直流线路后备保护。

根据工作原理的不同，直流线路纵联保护一般可以分为两种类型：一种类型基于线路模型(依赖线路参数)构建纵联判据，另一种类型则利用线路边界导致的边界特性构建纵联判据。常规直流输电线路后备保护时域电流差动保护属于典型的基于线路模型的纵联保护方法。为了消除分布电容电流影响，提高保护动作速度，文献《Ultra-fast currentdifferential protection with high-sensitivity for HVDC transmission lines》提出的基于贝瑞隆模型的快速电流差动保护利用精确线路模型计算差电流，能够自动免疫线路分布电容电流影响。此外，行波方向纵联保护利用正、反向行波幅值比判断故障方向，同样是利用了输电线路分布参数模型的行波传播特征。文献《Apilotprotection schemeofDC lines for multi-terminal HVDC grid》等提出的方向纵联保护方法则是利用线路边界元件(滤波器、电抗器)产生的边界特性判断故障方向，在此基础上构造方向纵联保护识别故障区段。

总结而言，现有的直流线路方向纵联保护主要存在两方面问题：1)基于线路模型的纵联保护方法需要提前获取精确的线路参数，否则将难以保证动作灵敏性和可靠性。由于不同工程的容量、电压等级不同，线路参数也会有所不同。因此，该类方法在不同工程实现时需要分别获取对应线路参数，对保护装置参数进行调整。显然，在工程实际中会大幅增加工程实施难度。2)基于线路边界元件的保护方法高度依赖线路两端装设的限流电抗器等边界元件。但是，随着直流电网拓扑结构的不断复杂化、规模的不断扩大，线路两端均存在边界元件的条件将无法保障。该类方法将难以再保证可靠动作。因此，有必要研究既不依赖线路参数、又不依赖边界元件的直流线路保护新原理，以降低保护的工程实现难度、提升工程普适性、应对线路边界缺失的场景。

发明内容

针对目前直流线路纵联保护高度依赖线路参数或线路边界元件的问题，本发明提出一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法，利用高低频测量阻抗幅值比判断故障方向，通过方向纵联实现区内外故障判别。

本发明提出了一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法，利用高低频测量阻抗幅值比判断故障方向，实现区内故障及区外故障的判别；该方法具体步骤如下：

步骤1、设定保护的启动时刻为t_start，确定采样时窗为(t_start-t₁,t_start+t₂)；其中，t₁为启动时刻以前的采样时长，由经验值给出；t₂为启动时刻以后的采样时长，由故障电磁波在被保护线路上进行一次往返传播所需的时间与故障电磁波分别在保护背侧相邻线路1～线路N上进行一次往返传播所需的时间中的最小值来确定；

步骤2、获取保护安装处直流线路正极电压在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

获取保护安装处直流线路负极电压在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

获取保护安装处直流线路正极电流在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

获取保护安装处直流线路负极电流在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

k^-＝t₁/T_s，k⁺＝t₂/T_s，T_s为采样周期；

步骤3、计算电压、电流的线模分量

计算公式如下所示：

其中，k^-＝t₁/T_s，k⁺＝t₂/T_s，T_s为采样周期，g为采样的数据点，k^-为启动时刻以前的采样数据点，k⁺为启动时刻以后的采样数据点；

步骤4、对线模电压、线模电流分别进行小波变换，获取第1层小波变换细节系数U_{d_1}(k)和I_{d_1}(k)，获取第j层小波变换细节系数U_{d_j}(k)和I_{d_j}(k)，其中k＝1,2,3,…,k^-+k⁺+1；

步骤5、计算高、低频线模测量阻抗幅值|Z_{m_high_f}|、|Z_{m_low_f}|，如下式所示：

步骤6、计算高、低频测量阻抗幅值比，如下式所示：

步骤7、判断故障方向：当k_Z>k_set，判断故障为正方向故障，方向信号R_local设为1；当k_Z≤k_set，判断故障为反方向故障，R_local设为0；

步骤8、向对端发送方向信号R_local，接收对端保护的方向判断信号R_opposite；

步骤9、判断故障区段：当R_local&R_opposite＝1，判断故障为区内故障；当R_local&R_opposite＝0，判断故障为区外故障。

与现有技术相比，本发明能够达成以下技术效果：

1)保护方法不依赖线路参数，在不同工程中进行应用时，无需根据线路参数的变化进行具体调整，因此能够大幅降低工程实施难度、提升工程普适性；

2)保护方法不依赖线路边界元件，因此能够很好地适用于线路两端不存在边界元件的场景，很好地弥补了现有直流线路保护方法高度依赖线路边界元件的缺陷。

附图说明

图1为柔性直流电网的典型系统结构图；

图2为本发明中利用的柔直电网正、反向故障时测量阻抗幅值随频率变化的曲线图；

图3为本发明提出的不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。该实施例根据本发明技术方案进行实施，给出了详细具体的实施方式和操作过程，但本发明的应用范围不限于下述实施例。

如图1所示，为柔性直流电网的典型系统结构图。图中以该四端柔性直流电网为例，Line₁～Line₄为直流输电线路，Bus₁～Bus₄为直流汇流母线，S₁～S₄为直流换流站。M、N分别代表线路Line₁两侧的保护。保护M处测得的正负极直流电压、电流分别为u_{M_dcp}、u_{M_dcn}、i_{M_dcp}、i_{M_dcn}，保护N处测得的正负极直流电压、电流分别为u_{N_dcp}、u_{N_dcn}、i_{N_dcp}、i_{N_dcn}。

以保护M为例：

当正方向发生故障时，线模电压、电流的测量阻抗表示为式(1)：

当反方向发生故障时，线模电压、电流的测量阻抗表示为式(2)：

其中，U_{M_lm}(ω)代表保护M处线模(line mode)电压(由正负极电压计算得到)在某一频率ω(频段)下的分量、I_{M_lm}(ω)代表保护M处线模电流(由正负极电流计算得到)在某一频率ω(频段)下的分量，Z_C1(ω)、Z_C4(ω)分别代表线路Line₁和Line₄的线模波阻抗。

如图2所示，为正、反向故障测量阻抗幅值随频率变化的曲线图。根据上述公式(1)、(2)推导可得，当反方向发生故障以后，测量阻抗幅值在低频段(0～10Hz左右)快速下降，随着频率的上升，测量阻抗快速稳定到一个固定值附近(非常轻微的下降)。整体而言，测量阻抗单调下降，最后近似稳定到一个固定值。因此，在反方向发生故障时，低频测量阻抗幅值大于高频测量阻抗幅值，即|Z_{m_high_f}|/|Z_{m_low_f}|≤1。

当正方向发生故障以后，测量阻抗幅值在临界频率f_critical之前逐渐下降，将临界频率f_critical表示为式(3)：

而在临界频率之后，测量阻抗幅值则单调上升。因此在临界频率之后，|Z_{m_high_f}|/|Z_{m_low_f}|>1。

根据上述特性差异，即可可靠判断故障方向。

如图3所示，为本发明的一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法整体流程图。该方法具体实施步骤如下：

步骤1、设保护的启动时刻为t_start，利用故障电磁波在被保护线路的传输时间、故障电磁波在保护背侧相邻线路1～线路N的传输时间中的最小值来确定采样时窗为(t_start-t₁,t_start+t₂)。其中，t₁为经验值，建议选取为1ms；t₂＝min(2l_protected/v、2l_backwar1/v、2l_backwar2/v、…2l_backwarN/v)/K，K为可靠系数，一般取略大于1的数(例如1.2～1.3)，l_protected为被保护线路长度，l_backward1～l_backwardN为保护背侧相邻线路1～线路N的线路长度，v为故障电磁波的传播速度。取故障电磁波在被保护线路上进行一次往返传播所需的时间2l_protected/v、故障电磁波在分别在保护背侧线路1～N上进行一次往返传播所需的时间2l_backwar1/v、2l_backwar2/v、…2l_backwarN/v的最小值，除以可靠系数，即为t₂。以图2中保护M为例时，被保护线路为Line₁，背侧相邻线路为Line₄(该实施例中只有1条背侧相邻线路)；

步骤2、获取保护安装处直流线路正极电压在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

获取保护安装处直流线路负极电压在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

获取保护安装处直流线路正极电流在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

获取保护安装处直流线路负极电流在步骤1确定的采样时窗内的采样数据

k^-＝t₁/T_s，k⁺＝t₂/T_s，T_s为采样周期；

步骤3、计算电压、电流的线模分量

计算公式如下所示：

其中，k^-＝t₁/T_s，k⁺＝t₂/T_s，T_s为采样周期，g为采样的数据点，k^-为启动时刻以前的采样数据点，k⁺为启动时刻以后的采样数据点；

步骤4、对线模电压、线模电流分别进行小波变换，获取第1层小波变换细节系数U_{d_1}(k)和I_{d_1}(k)；获取第j层小波变换细节系数U_{d_j}(k)和I_{d_j}(k)，其中k＝1,2,3,…,k^-+k⁺+1，变量j的取值原则为确保式(5)成立的最大值：

其中，f_s代表保护装置采样率，L_arm代表保护所在换流站MMC桥臂电抗电感值，C_SM代表子模块电容值，N_V代表MMC每个桥臂的子模块数量；

步骤5、计算高、低频线模测量阻抗幅值|Z_{m_high_f}|、|Z_{m_low_f}|，如式(6)所示：

步骤6、计算高、低频测量阻抗幅值比，如式(7)所示：

步骤7、判断故障方向：当k_Z>k_set，判断故障为正方向故障，方向信号R_local设为1；当k_Z≤k_set，判断故障为反方向故障，R_local设为0；k_set为大于1的整定值，建议取1.5～2；

步骤8、向对端发送方向信号R_local，接收对端保护的方向判断信号R_opposite；

步骤9、判断故障区段：当R_local&R_opposite＝1，判断故障为区内故障；当R_local&R_opposite＝0，判断故障为区外故障。

Claims (3)

1.一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法，其特征在于，利用高低频测量阻抗幅值比判断故障方向，实现区内故障及区外故障的判别；该方法具体步骤如下：

步骤1、设定保护的启动时刻为t_start，确定采样时窗为(t_start-t₁,t_start+t₂)；其中，t₁为启动时刻以前的采样时长，由经验值给出；t₂为启动时刻以后的采样时长，由故障电磁波在被保护线路上进行一次往返传播所需的时间与故障电磁波分别在保护背侧相邻线路1～线路N上进行一次往返传播所需的时间中的最小值来确定；

步骤2、获取保护安装处直流线路正极电压在步骤1确定的采样时窗内的采样数据[u_{dcp_0-k}-,…,u_{dcp_-2},u_{dcp_-1},u_{dcp_0},u_{dcp_1},u_{dcp_2},…,u_{dcp_k+}]，获取保护安装处直流线路负极电压在步骤1确定的采样时窗内的采样数据[u_{dcn_0-k}-,…,u_{dcn_-2},u_{dcn_-1},u_{dcn_0},u_{dcn_1},u_{dcn_2},…,u_{dcn_k+}]，获取保护安装处直流线路正极电流在步骤1确定的采样时窗内的采样数据[i_{dcp_0-k}-,…,i_{dcp_-2},i_{dcp_-1},i_{dcp_0},i_{dcp_1},i_{dcp_2},…,i_{dcp_k+}]，获取保护安装处直流线路负极电流在步骤1确定的采样时窗内的采样数据[i_{dcn_0-k}-,…,i_{dcn_-2},i_{dcn_-1},i_{dcn_0},i_{dcn_1},i_{dcn_2},…,i_{dcn_k+}]，k^-＝t₁/T_s，k⁺＝t₂/T_s，T_s为采样周期；

步骤3、计算电压、电流的线模分量[U_{lm_0-k}-,…,U_{lm_-2},U_{lm_-1},U_{lm_0},U_{lm_1},U_{lm_2},…,U_{lm_k+}]，[I_{lm_0-k}-,…,I_{lm_-2},I_{lm_-1},I_{lm_0},I_{lm_1},I_{lm_2},…,I_{lm_k+}]，计算公式如下所示：

其中，k^-＝t₁/T_s，k⁺＝t₂/T_s，T_s为采样周期，g为采样的数据点，k^-为启动时刻以前的采样数据点，k⁺为启动时刻以后的采样数据点；

步骤4、对线模电压、线模电流分别进行小波变换，获取第1层小波变换细节系数U_{d_1}(k)和I_{d_1}(k)，获取第j层小波变换细节系数U_{d_j}(k)和I_{d_j}(k)，其中k＝1,2,3,…,k^-+k⁺+1；

步骤5、计算高、低频线模测量阻抗幅值|Z_{m_high_f}|、|Z_{m_low_f}|，如下式所示：

步骤6、计算高、低频测量阻抗幅值比，如下式所示：

步骤7、判断故障方向：当k_Z>k_set，判断故障为正方向故障，方向信号R_local设为1；当k_Z≤k_set，判断故障为反方向故障，R_local设为0；

步骤8、向对端发送方向信号R_local，接收对端保护的方向判断信号R_opposite；

步骤9、判断故障区段：当R_local&R_opposite＝1，判断故障为区内故障；当R_local&R_opposite＝0，判断故障为区外故障。

2.如权利要求1所述的一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法，其特征在于，其中变量j的取值原则为确保下式成立的最大值：

其中，f_s为保护装置采样率，L_arm为保护所在换流站MMC桥臂电抗电感值，C_SM为子模块电容值，N_V为MMC每个桥臂的子模块数量。

3.如权利要求1所述的一种不依赖线路参数及边界元件的柔性直流线路方向纵联保护方法，其特征在于，所述步骤7中，k_set为大于1的整定值，优选1.5～2。

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