CN115308638A - 一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法 - Google Patents

一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法,所述多端直流输电系统的线路L2发生故障后LCC站首端m处反向线模行波呈先下降后上升的趋势,而多端直流输电系统的线路L1故障后反向线模行波呈先快速下降然后趋于恒定的趋势,因此通过检测行波保护启动后线模反向行波的上升速率来进行故障线路的识别。本发明仅利用单端数据信息即可完成故障线路识别,识别速度快,在阈值整定方面不依赖于仿真,可独立完成;且本发明并不依赖于线路边界元件,具有广泛的适用性。

Description

一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法
技术领域
本发明属于电力系统及自动化技术领域,具体涉及一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法。
背景技术
混合多端直流输电系统送端采用电网式换相换流器(LCC),受端采用模块化多电平换流器(MMC),可有效避免逆变侧的换相失败问题。相比其他直流输电方式,混合多端直流输电更是兼具经济性和灵活性的优势,在分布式新能源接入,多落点送电等方面具有广阔的应用前景。
目前,我国已建成昆柳龙混合三端直流输电工程,在支撑国家西电东送战略起到了重要作用。较长的输电距离和复杂的工作环境使得输电线路成为高压直流输电系统中故障率最高的元件。在混合多端直流输电系统中,输电线路发生故障后,LCC换流站强制移相,MMC换流站闭锁或投入负压,以实现故障电流的清除。由于混合多端直流输电系统不止一条直流线路,因此,准确识别并切除故障线路,最小范围地缩小故障隔离区域,是实现非故障区域快速恢复供电的基本前提。
目前已有基于故障后汇流母线两侧电气量特征构造故障线路识别方案的研究成果,但上述方案在识别出故障线路后,还需依靠通信系统将故障线路信息发送到其他换流站,并且在相关阈值整定方面依赖于仿真。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法,该方法能够实现混合多端直流输电系统中故障线路的快速识别。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的:
一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法,其特征在于:所述方法的步骤为:
S1、线路L2故障后反向行波由下降转变为上升时刻t0的确定
所述多端直流输电系统的线路L2发生故障后LCC站首端m处反向线模行波呈先下降后上升的趋势,而多端直流输电系统的线路L1故障后反向线模行波呈先快速下降然后趋于恒定的趋势,因此通过检测行波保护启动后线模反向行波的上升速率来进行故障线路的识别;
令线路L2故障后首端m处反向行波导数表达式(1)为0,可以求解得到线路L2故障后理论上反向行波由下降开始转变为上升的时刻t0,t0表达式如式(2)所示:
Figure BDA0003823397420000021
根据式(1)同时结合实际工程参数特点,可得:
Figure BDA0003823397420000022
根据式(2)可以将t0表达式简化,结果如式(3)所示。
Figure BDA0003823397420000023
由式(3)可得t0与故障类型、过渡电阻和故障位置等因素基本无关,根据线路L1参数以及MMC1换流站参数,计算得到线路L2发生故障后,t0约为75μs,因此通过检测保护启动元件启动t0时间后反向行波的上升速率来实现故障线路识别;
S2、故障线路识别判据确定
为去除高频噪声,首先采用巴特沃斯低通滤波器对信号进行处理,在保护元件启动后,开始计算反向行波的差分值,如果当前时刻反向行波差分值大于设定阈值,并且该时刻满足时间范围要求,则判断为线路L2故障,否则判断为线路L1故障;
线路L2故障的识别判据为:
Figure BDA0003823397420000024
其中:Bm为反向行波值;
t为当前采样时刻;
tst为判断开始时刻,可以设置为保护启动时刻;
tend为判断结束时刻,为在设定时间范围内可以检测到线路L2故障后反向行波上升,要求tend>t0
Kset为反向行波变化率阈值,可以根据式(4)来进行整定;
t0为理论计算中得到的反向行波开始上升时刻,可由式(3)计算得到;
Krel为可靠系数,取1.2,结合线路L2故障后反向线模行波表达式,可以通过解析计算的方式带入实际运行数据对阈值Kset进行整定;
从反向行波表达式和判据阈值计算式(4)可知,Kset与故障类型和过渡电阻有关,按照单极接地故障且过渡电阻最大的情况进行整定计算;
为说明阈值Kset计算方式的有效性,对线路L2故障后反向行波表达式求二阶导数,可以得到二阶导数为0的时刻t1表达式如式(5)所示:
Figure BDA0003823397420000031
根据反向行波的二阶导数表达式,可以得到在t0~t1时间段上二阶导数恒大于0,这说明反向行波在t0~t1时间段是凸函数;在t0~t1时间段内对任意两个反向行波采样点做差分运算,其差分值一定大于反向行波极小值点与之后第一个采样点间的差分值,即Kset;据此可以得到判据结束时刻tend应满足tend≤2t0
在故障点距换流站较近的情况下,故障后第二次折反射行波在判据识别时间范围内可能再次到达首端m处,对故障线路识别造成干扰,因此tend应尽可能接近t0,文中tend取1.2t0
行波从故障点传输到线路首端需要一定时间,故障点距首端越近,传输时间也越短,通过计算故障行波到达线路首端位置tend时间内反向行波的变化率来实现故障识别,如果在首行波到达线路首端tend时间内,故障点处第二次折反射行波到达,则会对故障识别产生影响,从而形成识别死区;
只有当线路上故障点距换流站的距离lf满足式(6)所示的条件后,该方法才可以区分故障线路,式中v为行波传输速度。
Figure BDA0003823397420000032
根据式(6)可以计算得到故障距离lf应大于14km,因此该故障线路识别判据在线路L1和L2首端处存在14km的死区。
本发明的优点和有益效果为:
本发明适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法,与现有技术相比,本发明仅利用单端数据信息即可完成故障线路识别,识别速度快,在阈值整定方面不依赖于仿真,可独立完成;且本发明并不依赖于线路边界元件,具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明多端直流输电系统的示意图;
图2为本发明行波传输示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法,其创新之处在于:所述方法的步骤为:
图1中线路L2发生故障后LCC站首端m处反向线模行波呈先下降后上升的趋势,而线路L1故障后反向线模行波呈先快速下降然后趋于恒定的趋势,因此可以通过检测行波保护启动后线模反向行波的上升速率来实现故障线路的识别。
令线路L2故障后首端m处反向行波导数表达式(1)为0,可以求解得到线路L2故障后理论上反向行波由下降开始转变为上升的时刻t0,t0表达式如式(2)所示。
Figure BDA0003823397420000041
根据式(1)同时结合实际工程参数特点,可得:
Figure BDA0003823397420000042
根据式(2)可以将t0表达式简化,结果如式(3)所示。
Figure BDA0003823397420000043
由式(3)可得t0与故障类型、过渡电阻和故障位置等因素基本无关。根据传输线L1参数以及MMC1换流站参数,计算得到线路L2发生故障后,t0约为75μs。因此可以通过检测保护启动元件启动t0时间后反向行波的上升速率来实现故障线路识别。
为去除高频噪声,首先采用巴特沃斯低通滤波器对信号进行处理。在保护元件启动后,开始计算反向行波的差分值。如果当前时刻反向行波差分值大于设定阈值,并且该时刻满足时间范围要求,则判断为线路L2故障,否则判断为线路L1故障。
线路L2故障的识别判据为:
Figure BDA0003823397420000051
Bm为反向行波值,t为当前采样时刻,tst为判断开始时刻,可以设置为保护启动时刻,tend为判断结束时刻。为在设定时间范围内可以检测到线路L2故障后反向行波上升,要求tend>t0
Kset为反向行波变化率阈值,可以根据式(4)来进行整定。式中t0为理论计算中得到的反向行波开始上升时刻,可由式(3)计算得到。Bm代表反向行波,Krel为可靠系数,可取1.2。结合线路L2故障后反向线模行波表达式,可以通过解析计算的方式带入实际运行数据对阈值Kset进行整定。
式中t0为理论计算中得到的反向行波开始上升时刻,可由式(3)计算得到。从反向行波表达式和判据阈值计算式(4)可知,Kset与故障类型和过渡电阻有关,因此应按照单极接地故障且过渡电阻最大的情况进行整定计算。
为说明阈值Kset计算方式的有效性,对线路L2故障后反向行波表达式求二阶导数。可以得到二阶导数为0的时刻t1表达式如式(5)所示。
Figure BDA0003823397420000052
根据反向行波的二阶导数表达式,可以得到在t0~t1时间段上二阶导数恒大于0,这说明反向行波在t0~t1时间段是凸函数。因此理论上在t0~t1时间段内对任意两个反向行波采样点做差分运算,其差分值一定大于反向行波极小值点与之后第一个采样点间的差分值,即Kset。据此可以得到判据结束时刻tend应满足tend≤2t0。在故障点距换流站较近的情况下,故障后第二次折反射行波在判据识别时间范围内可能再次到达首端m处,对故障线路识别造成干扰。因此tend应尽可能接近t0,文中tend取1.2t0
行波从故障点传输到线路首端需要一定时间,故障点距首端越近,传输时间也越短。本文提出的故障线路识别方法是通过计算故障行波到达线路首端位置tend时间内反向行波的变化率来实现的。如果在首行波到达线路首端tend时间内,故障点处第二次折反射行波到达,则会对故障识别产生影响,从而形成识别死区,如图2所示。
因此只有当线路上故障点距换流站的距离lf满足式(6)所示的条件后,该方法才可以区分故障线路。式中v为行波传输速度。
Figure BDA0003823397420000061
根据式(6)可以计算得到故障距离lf应大于14km,因此本文提出的故障线路识别判据在线路L1和L2首端处存在14km的死区。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图,但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内,各种替换、变化和修改都是可能的,因此,本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种适用于多端直流输电系统的故障线路识别方法,其特征在于:所述方法的步骤为:
S1、线路L2故障后反向行波由下降转变为上升时刻t0的确定
所述多端直流输电系统的线路L2发生故障后LCC站首端m处反向线模行波呈先下降后上升的趋势,而多端直流输电系统的线路L1故障后反向线模行波呈先快速下降然后趋于恒定的趋势,因此通过检测行波保护启动后线模反向行波的上升速率来进行故障线路的识别;
令线路L2故障后首端m处反向行波导数表达式(1)为0,可以求解得到线路L2故障后理论上反向行波由下降开始转变为上升的时刻t0,t0表达式如式(2)所示:
Figure FDA0003823397410000011
根据式(1)同时结合实际工程参数特点,可得:
Figure FDA0003823397410000012
根据式(2)可以将t0表达式简化,结果如式(3)所示。
Figure FDA0003823397410000013
由式(3)可得t0与故障类型、过渡电阻和故障位置等因素基本无关,根据线路L1参数以及MMC1换流站参数,计算得到线路L2发生故障后,t0约为75μs,因此通过检测保护启动元件启动t0时间后反向行波的上升速率来实现故障线路识别;
S2、故障线路识别判据确定
为去除高频噪声,首先采用巴特沃斯低通滤波器对信号进行处理,在保护元件启动后,开始计算反向行波的差分值,如果当前时刻反向行波差分值大于设定阈值,并且该时刻满足时间范围要求,则判断为线路L2故障,否则判断为线路L1故障;
线路L2故障的识别判据为:
Figure FDA0003823397410000021
其中:Bm为反向行波值;
t为当前采样时刻;
tst为判断开始时刻,可以设置为保护启动时刻;
tend为判断结束时刻,为在设定时间范围内可以检测到线路L2故障后反向行波上升,要求tend>t0
Kset为反向行波变化率阈值,可以根据式(4)来进行整定;
t0为理论计算中得到的反向行波开始上升时刻,可由式(3)计算得到;
Krel为可靠系数,取1.2,结合线路L2故障后反向线模行波表达式,可以通过解析计算的方式带入实际运行数据对阈值Kset进行整定;
从反向行波表达式和判据阈值计算式(4)可知,Kset与故障类型和过渡电阻有关,按照单极接地故障且过渡电阻最大的情况进行整定计算;
为说明阈值Kset计算方式的有效性,对线路L2故障后反向行波表达式求二阶导数,可以得到二阶导数为0的时刻t1表达式如式(5)所示:
Figure FDA0003823397410000022
根据反向行波的二阶导数表达式,可以得到在t0~t1时间段上二阶导数恒大于0,这说明反向行波在t0~t1时间段是凸函数;在t0~t1时间段内对任意两个反向行波采样点做差分运算,其差分值一定大于反向行波极小值点与之后第一个采样点间的差分值,即Kset;据此可以得到判据结束时刻tend应满足tend≤2t0
在故障点距换流站较近的情况下,故障后第二次折反射行波在判据识别时间范围内可能再次到达首端m处,对故障线路识别造成干扰,因此tend应尽可能接近t0,文中tend取1.2t0
行波从故障点传输到线路首端需要一定时间,故障点距首端越近,传输时间也越短,通过计算故障行波到达线路首端位置tend时间内反向行波的变化率来实现故障识别,如果在首行波到达线路首端tend时间内,故障点处第二次折反射行波到达,则会对故障识别产生影响,从而形成识别死区;
只有当线路上故障点距换流站的距离lf满足式(6)所示的条件后,该方法才可以区分故障线路,式中v为行波传输速度。
Figure FDA0003823397410000031
根据式(6)可以计算得到故障距离lf应大于14km,因此该故障线路识别判据在线路L1和L2首端处存在14km的死区。
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