CN115528657A - 基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法 - Google Patents

基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法 Download PDF

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CN115528657A CN202211293794.6A CN202211293794A CN115528657A CN 115528657 A CN115528657 A CN 115528657A CN 202211293794 A CN202211293794 A CN 202211293794A CN 115528657 A CN115528657 A CN 115528657A
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张雨宁
梁天宇
杨松浩
叶冬萌
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Abstract

本发明公开了一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法，S1.采样柔性直流输电线路正极、负极的电压和电流，计算1模、0模的电压和电流，计算1模电压反行波；S2.计算1模电压反行波一阶导数绝对值的对数；S3.基于最小二乘法拟合1模电压反行波一阶导数绝对值的对数与采样时刻的线性关系，计算线性关系的斜率；S4.计算故障距离；S5.判别故障区域，若判据满足，则为区内故障，保护动作，否则返回S1。本发明方法可以快速检测出直流线路是否发生故障，对故障的快速隔离和保障电力系统的安全稳定运行有着重要的现实意义。

Description

基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护 方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及直流输电线路的继电保护技术领域，具体涉及一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法。
背景技术
随着化石能源的日渐枯竭和环境问题的日益严重，世界各国均提出了从化石能源向可再生能源转变的发展规划。传统高压直流输电在电力系统中肩负着能源产地与负荷中心间输送电能的重任，在远距离、大容量电能传输及非同步电网互联等应用场合具有明显优势。随着电力电子器件和控制技术的发展，柔性直流输电技术已经实现，突破了换相失败、无功补偿等传统直流输电技术的固有瓶颈，适用于清洁能源并网、海上平台供电、城市异步电网互联、孤岛供电等技术等场景。
然而，柔性直流输电系统是一个“低惯量”系统，故障后电流上升速度快且幅值大，若不及时切除故障将很快影响到整个系统，因此快速可靠的线路保护是保障其安全稳定运行的关键。
对于柔性直流电网，故障隔离与清除方案采用“半桥型MMC+直流断路器”，为减小故障的影响范围，直流电网应具备快速识别、定位故障的能力，进而实现故障隔离。然而，高阻故障和雷击干扰场景下，保护原理的识别、定位故障的能力将被弱化，严重影响其可靠性，亟待提出具有强耐受过渡电阻和雷击干扰能力的保护原理。现有研究成果可概括为四类，分别基于线路故障电气量的频域特征，线路故障电气量的时域特征，人工智能算法，线路边界(波阻抗不连续点)特性。然而，现有原理普遍存在耐过渡电阻能力弱，保护阈值的整定依赖仿真数据，对计算能力要求高，对平波电抗器等边界元件依赖性高等问题。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法，本发明方法耐受过渡电阻能力强，保护阈值的整定不依赖于仿真数据，保护原理不依赖于集中元件(平波电抗器、滤波电容器等)构成的直流线路边界。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法，包括如下步骤：
步骤一：采样柔性直流输电线路正极、负极的电压和电流，计算1模、0模的电压和电流，计算1模电压反行波；
根据式(1)计算1模电压u(1)(ti)、0模电压u(0)(ti)、1模电流i(1)(ti)、0模电流i(0)(ti)，
Figure BDA0003902431030000021
式中，ti为第i个采样时刻，i为采样序号，N为采样总数，Q为变换矩阵，up(ti)为正极电压，un(ti)为负极电压，ip(ti)为正极电流，in(ti)为负极电流；
根据式(2)，由1模电压u(1)(ti)和1模电流i(1)(ti)的定义式推导1模电压反行波ub(1)(ti)的表达式，如式(3)所示，
Figure BDA0003902431030000022
式中，uf(1)(ti)为1模电压前行波，ub(1)(ti)为1模电压反行波，if(1)(ti)为1模电流前行波，ib(1)(ti)为1模电流反行波，ZC为波阻抗。
ub(1)(ti)＝[u(1)(ti)-i(1)(ti)·ZC]/2 (3)
根据式(3)，由1模电压u(1)(ti)、1模电流i(1)(ti)计算1模电压反行波ub(1)(ti)；
步骤二：计算1模电压反行波一阶导数绝对值的对数；
根据式(4)，由1模电压反行波ub(1)(ti)计算1模电压反行波一阶导数u′b(1)(ti)；
Figure BDA0003902431030000031
式中，TS为采样间隔；
由1模电压反行波一阶导数u′b(1)(ti)计算其绝对值的对数ln(|u′b(1)(ti)|)，简记为Y(ti)；
步骤三：基于最小二乘法拟合1模电压反行波一阶导数绝对值的对数与采样时刻的线性关系，计算线性关系的斜率；
线性关系的斜率K0计算公式如式(5)所示，
Figure BDA0003902431030000032
式中，1模电压反行波一阶导数的绝对值对数的均值
Figure BDA0003902431030000033
和采样时刻的均值
Figure BDA0003902431030000034
可根据式(6)计算得到；
Figure BDA0003902431030000035
步骤四：计算故障距离；
根据式(7)，由斜率K0计算反行波波形畸变系数τ，
Figure BDA0003902431030000036
根据式(8)，由反行波波形畸变系数τ计算故障距离l，
Figure BDA0003902431030000041
式中，τ0为反行波波形畸变常数；
步骤五：判别故障区域，若判据满足，则为区内故障，保护动作，否则返回步骤一；
故障区域判据如式(9)所示，
l＜ε (9)
式中，ε为阈值，其整定原则如式(10)所示，
ε＝rel·l0 (10)
式中，rel为阈值整定的可靠系数，通常取值为0.8～0.85，l0为被保护线路的长度。
本发明和现有技术相比较，具备如下优点：
由于过渡电阻仅影响反行波的幅值衰减系数，不影响其波形畸变系数，本发明的保护原理具有较强的耐受过渡电阻能力；由于故障距离可以解析表达，本发明的阈值整定可以消除对仿真数据的依赖；由于故障距离的计算仅基于直流线路对反行波的传播特性，本发明的保护原理可以消除对直流线路边界特性的依赖。综上，本发明对故障的快速隔离和保障电力系统的安全稳定运行有着重要的现实意义。
附图说明
图1是适用于本发明方法的一种直流系统拓扑图。
图2是本发明方法的流程图。
图3(a)是一种直流线路故障下的线路正极电压波形。
图3(b)是一种直流线路故障下的线路负极电压波形。
图3(c)是一种直流线路故障下的线路正极电流波形。
图3(d)是一种直流线路故障下的线路负极电流波形。
图4(a)是一种直流线路故障下的线路1模反行波波形。
图4(b)是一种直流线路故障下的线路1模反行波导数波形。
图4(c)是一种直流线路故障下的线路1模反行波导数绝对值的对数波形。
图5是基于本发明方法判别的保护动作信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，0.4ms时，输电线路MN正极在距离换流站M 100km处发生正极金属性接地故障(记为故障F1)。
当故障F1发生后，采样元件测得的电压和电流波形如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，基于本发明方法判别的保护元件动作信号如图5所示。
一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法，其流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤一：采样正极电压up(ti)，负极电压un(ti)，正极电流ip(ti)，负极电流in(ti)，结果分别如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示。
根据式(1)计算1模电压u(1)(ti)、0模电压u(0)(ti)、1模电流i(1)(ti)、0模电流i(0)(ti)。
根据式(3)，由1模电压u(1)(ti)、1模电流i(1)(ti)计算1模电压反行波ub(1)(ti)，结果如图4(a)所示。
步骤二：根据式(4)，由1模电压反行波ub(1)(ti)计算其一阶导数u′b(1)(ti)，结果如图4(b)所示。
根据一阶导数u′b(1)(ti)计算其绝对值的对数ln(|u′b(1)(ti)|)，结果如图4(c)所示。
步骤三：根据式(5)，基于最小二乘法计算线性关系的斜率K0，结果为-2.4398×105。
步骤四：根据式(7)计算波形畸变系数τ，结果为4.0987×10-6。
取波形畸变常数τ0为4.06×10-8s/km，根据式(8)，计算故障距离l，结果为100.0547km。
步骤五：根据式(10)整定阈值ε，其中，可靠系数rel取为0.85，被保护线路的长度l0为300km，ε整定为255km。
根据式(9)进行故障区域判别，判据满足区内故障，保护出口，流程结束。从图5可以看出：该保护方法能够可靠的识别故障并发出正确的动作信号，且保护动作的时间短。

Claims (2)

1.一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：采样柔性直流输电线路正极、负极的电压和电流，计算1模、0模的电压和电流，计算1模电压反行波；
根据式(1)计算1模电压u(1)(ti)、0模电压u(0)(ti)、1模电流i(1)(ti)、0模电流i(0)(ti)，
Figure FDA0003902431020000011
式中，ti为第i个采样时刻，i为采样序号，N为采样总数，Q为变换矩阵，up(ti)为正极电压，un(ti)为负极电压，ip(ti)为正极电流，in(ti)为负极电流；
根据式(2)，由1模电压u(1)(ti)和1模电流i(1)(ti)的定义式推导1模电压反行波ub(1)(ti)的表达式，如式(3)所示，
Figure FDA0003902431020000012
式中，uf(1)(ti)为1模电压前行波，ub(1)(ti)为1模电压反行波，if(1)(ti)为1模电流前行波，ib(1)(ti)为1模电流反行波，ZC为波阻抗；
ub(1)(ti)＝[u(1)(ti)-i(1)(ti)·ZC]/2 (3)
根据式(3)，由1模电压u(1)(ti)、1模电流i(1)(ti)计算1模电压反行波ub(1)(ti)；
步骤二：计算1模电压反行波一阶导数绝对值的对数；
根据式(4)，由1模电压反行波ub(1)(ti)计算1模电压反行波一阶导数u′b(1)(ti)；
Figure FDA0003902431020000013
式中，TS为采样间隔；
由1模电压反行波一阶导数u′b(1)(ti)计算其绝对值的对数ln(|u′b(1)(ti)|)，简记为Y(ti)；
步骤三：基于最小二乘法拟合1模电压反行波一阶导数绝对值的对数与采样时刻的线性关系，计算线性关系的斜率；
线性关系的斜率K0计算公式如式(5)所示，
Figure FDA0003902431020000021
式中，1模电压反行波一阶导数的绝对值对数的均值
Figure FDA0003902431020000022
和采样时刻的均值
Figure FDA0003902431020000023
根据式(6)计算得到；
Figure FDA0003902431020000024
步骤四：计算故障距离；
根据式(7)，由斜率K0计算反行波波形畸变系数τ，
Figure FDA0003902431020000025
根据式(8)，由反行波波形畸变系数τ计算故障距离l，
Figure FDA0003902431020000026
式中，τ0为反行波波形畸变常数；
步骤五：判别故障区域，若判据满足，则为区内故障，保护动作，否则返回步骤一；
故障区域判据如式(9)所示，
l＜ε (9)
式中，ε为阈值，其整定原则如式(10)所示，
ε＝rel·l0 (10)
式中，rel为阈值整定的可靠系数，l0为被保护线路的长度。
2.根据权利要求1所述的一种基于反行波波形畸变系数的柔性直流输电线路测距式保护方法，其特征在于：阈值整定的可靠系数rel取值为0.8～0.85。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116338525A (zh) * 2023-05-26 2023-06-27 昆明理工大学 一种风电交流送出线路故障测距方法及系统
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