适用于含UPFC输电线路的方向纵联暂态量保护方法与流程

本发明属于电力系统故障识别技术领域，尤其涉及一种适用于含统一潮流控制器(upfc)元件线路的方向纵联暂态量保护方法。

背景技术：

为提高输电线路的输送容量及系统稳定性，静止同步串联补偿器(staticsynchronousseriescompensator,sssc)、统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,upfc)作为目前最先进的柔性交流输电系统(facts)装置，已投入实际运行。当线路发生故障时，facts元件的快速调控使得反映工频量的短路路径发生变化；直流、新能源等逆变器型电源也使得反映工频量的电源特性发生变化。给依赖“源”、“径”不变特性的工频量继电保护带来了严峻考验。在交直流互联系统中，故障后应尽可能减少换相失败的持续时间，而工频量保护的滤波算法限制了动作速度的进一步提高。线路故障后的暂态分量中往往蕴含有丰富的故障特征信息，可实现线路超高速保护。因此，探讨如何利用故障暂态信息解决含facts元件线路的保护问题十分重要。

关于此方面的研究主要分为基于暂态高频分量和基于故障行波两类。在利用暂态高频分量方面，大多保护原理主要是基于母线电容、阻波器的边界作用，缺少facts装置对线路故障暂态影响的详细分析。随着光纤通信逐渐代替传统电力线载波，对于不含有阻波器的线路，当区内故障行波穿过线路补偿装置到达保护安装处时，其高频分量的衰减情况有可能低于区外故障。而行波法不受线路分布电容电流的影响，但需要额外引入电压量进行计算，对两侧时间同步的要求较高，其中对含upfc、sssc线路的适用性研究较少。

技术实现要素：

为了解决上述问题，提升含upfc等facts元件输电线路的主保护性能，本发明提出了一种适用于含upfc元件线路的方向纵联暂态量保护方法，包括：

步骤1：提取故障暂态时母线各出线中电流线模分量，对其进行小波分解，求得各出线的小波能量熵；

步骤2：计算各出线小波能量熵相对基准值的比值，与保护整定判据进行比较，开放或闭锁本侧保护，并向线路对侧发送闭锁或允许跳闸信号；

步骤3：通过综合判断线路本侧与对侧信息，判断区内、外故障，识别是否发生母线故障。

所述步骤1利用karenbauer变换提取线模分量，通过小波多尺度分解求取各层小波能量，构造各出线的小波能量熵。

步骤2中的所述基准值取为母线各出线中的小波能量熵最低值；所述保护整定判据基于母线电容对暂态高频电流的衰减作用，考虑一定保护裕度构造。

所述步骤2及步骤3进一步包括：若母线各出线小波能量熵中存在大于整定值的情况，大于整定值的线路判定为该线路正方向发生故障，线路本侧保护动作开放，并向对侧发送允许跳闸信号；小于整定值的线路判定为线路反方向发生故障，本侧保护闭锁，并向对侧发送闭锁信号。若母线各出线小波能量熵存在均小于整定值的情况，当保护收到对侧允许跳闸信号时，判定为本侧母线发生故障；当保护收到对侧闭锁信号时，判定为非本线路发生故障。

所述步骤3进一步包括：只有当保护本侧动作开放，且接收到对侧允许跳闸信号时，保护出口动作。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过分析upfc对线路故障暂态分量的影响机理，得出当线路发生故障时，母线各出线中的电流暂态频谱分布存在明显差异。通过比较母线各出线中的小波能量熵，提出一种适用于含upfc元件线路的方向纵联暂态量保护方法。

2、该发明解决了含upfc、sssc等元件线路单端暂态量保护判据难以整定的问题。不受upfc、sssc等线路串联装置对故障暂态高频分量的影响，保护判据易于整定。

3、经pscad/emtdc仿真验证表明，本发明所提的保护方案能够在各种故障类型及故障位置下准确识别区内、外故障，基本不受故障初始角及过渡电阻的影响，具有良好的速动性和灵敏性。

附图说明

图1为含upfc输电线路模型图；

图2为upfc串联侧等效电路图；其中，(a)为串联侧等效电路图，(b)为串联侧故障行波图；

图3为upfc并联侧等效电路图；其中，(a)为并联侧等效电路图，(b)为并联侧故障行波图；

图4为不同故障位置下暂态时域电流图；其中，(a)为f1点故障图，(b)为f2点故障图；

图5为小波能量熵与信号频谱示意图；

图6为各保护安装处的小波能量熵示意图；

图7为保护方案流程图；

图8为500kv系统仿真模型图；

图9为不同故障位置单相接地短路的小波能量熵图；

图10为过渡电阻为500ω时不同故障位置的小波能量熵图；

图11为故障初始角为0°时不同故障位置的小波能量熵图；

图12为母线电容为0.006μf时不同故障位置的小波能量熵图；

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

实施例1

本发明提出一种适用于含upfc元件线路的方向纵联暂态量保护方案。

为减少电力系统中三相耦合效应，首先利用karenbauer变换对各相电流进行解耦。由于线模分量理论上可以减少行波传播过程中的色散效应，因此采用线模分量进行分析，即im＝ia+ic-2ib。由于母线电容对50～100khz频带范围内的暂态能量衰减作用明显，因此设置采样频率为200khz。为准确提取信号突变处的能量变化，选择分频能力较好的db4小波对暂态信号进行3层离散小波分解，将低频分量计作第4层，分别表示为d1、d2、d3、d4，其中第j层小波能量ej取为：

式中，δt为采样周期；n为第n个采样时刻；m为采样窗长，设为m＝200，即数据窗长为1ms；d(kδt)为k时刻第j层小波分解系数。为有效衡量暂态电流信号在频率空间的能量分布复杂度，提高保护可靠性，本方案采用将shannon信息熵的概念与小波多尺度变换相结合的方法，基于小波能量熵提取故障暂态特征。设某一时间窗内，e为各层小波能量之和，则第j层尺度的小波能量占信号总能量的百分比为pj＝ej/e，于是定义小波能量熵wee：

当线路发生故障时，保护安装处的小波能量熵将突然增大，根据梯度算法设计保护启动判据：

式中，保护启动定值kset取为0.001,wi,ee代表第i路出线的小波能量熵；当启动判据动作后，各线路保护计算其1ms内小波能量熵之和，并上传至sv网；以母线各出线中的最低值为基准，站域主机计算各出线相对于基准值的比值ri,按下式计算

式中∑wi,ee代表1ms内第i路出线的小波能量熵之和，i＝1,2…n,n为出线的总路数。

最后，由站域主机将ri与保护整定值rset进行综合判断，识别故障方向，并通过goose网向智能终端传送允许跳闸或闭锁信号。其中，rset值根据最不利的工况进行选取：当线路对侧母线发生故障时，保护应灵敏地识别故障，即线路ri应大于rset；当线路近母线处发生故障时，远故障侧线路保护应可靠不误动，即远故障侧线路ri应小于rset。

本发明提出基于暂态电流波形特征的快速差动保护方案的基本原理为：

1、如图1所示，upfc可以看作是由静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator,statcom)与sssc元件通过直流侧电容组合起来，可以对线路实现多种控制目标。由于直流侧电容对高频分量相当于短路，可以分别从upfc的串联侧和并联侧出发，对线路故障暂态电流影响特征进行研究。

对于upfc串联侧，对于故障暂态高频分量，电压型换流器(voltagesourceconverter,vsc)中的等值电容所呈阻抗较低。在线路发生故障后，控制系统及自身保护装置往往要经过一定时间的延迟才进行响应。因此，upfc串联侧所呈高频阻抗主要体现为由变压器漏抗和桥臂电抗构成的强电感特性。如图2所示，以无穷长直角波为例，得回路微分方程为：

式中，u0为入射波电压，z1、z2为upfc两侧线路波阻抗，iq2为行波通过电感后的透射电流。可解得iq2时域表达式为：

式中，tl＝l/(z1+z2)。当故障行波穿过upfc串联侧时，由于等值电感的抑制作用，行波波头将发生较大拉伸，从而严重抑制了行波高频分量的传播。

2、对于upfc并联侧，upfc并联侧高频阻抗主要与并联侧变压器漏抗和桥臂电抗有关。在故障暂态阶段，同样可将并联侧等效为电感l。如图3所示，得回路微分方程为：

式中，u0为入射波电压，z1、z2为upfc两侧线路波阻抗，il为行波透射至并联支路的电流。令tl＝l(z1+z2)/z1z2，解得il为：

从而得行波透射电流iq2时域表达式为：

当行波波头经过upfc并联侧安装位置时，由于并联支路的电感电流不能突变，波头几乎不发生变化。之后由于并联侧的分流作用，行波幅值有所减小。从频域的角度分析，对于阶跃行波中的高频分量，并联侧等值电抗xl＝ωl将变得很大，可以近似等效为开路。

3、如图1所示，设置区内单相接地故障分别发生在f1和f2处。以a相为例，m侧保护安装处的时域电流波形如图4所示。当故障点位于f1时，相比于不含upfc线路，由于upfc串联侧使得线路波阻抗不再连续，从而增加了一些反射点。但故障暂态电流大体保持一致，高频成分基本不变。当故障点位于f2时，相比于不含upfc线路，故障产生的行波波头经过upfc串联元件时被拉伸而更加平缓。

4、故障暂态时，母线近故障侧线路的高频含量一定大于其他线路；其他线路由于导线类型基本一致，信号高频含量接近相等。因此，可以通过对母线各出线中保护安装处的暂态能量幅频特征比较，构成线路方向保护判据。该原理基本不受upfc元件影响，且同样适用于一般输电线路。如图5所示，当线路正常时，电流主要含有基波及少数谐波，信号能量频谱集中在较低的频率点上，谱峰狭窄，因此熵值很低；当线路发生故障时，暂态电流较为杂乱，含有丰富的高频成分，信号能量频谱较为平坦，因此熵值很高。

5、如图6所示，保护判据设计为：若母线各出线中存在ri＞rset：对于ri＞rset的线路，判定该线路正方向发生故障，线路本侧保护动作开放，并向对侧发送允许跳闸信号；对于1≤ri＜rset的线路，判定为线路反方向发生故障，本侧保护闭锁，并向对侧发送闭锁信号。若母线各出线均判定为1≤ri＜rset：当保护收到对侧允许跳闸信号时，判定为本侧母线发生故障；当保护收到对侧闭锁信号时，判定为非本线路发生故障。rset值根据最不利的工况进行选取为1.7，保护方案流程如图7所示，只有当保护本侧动作开放，且接收到对侧允许跳闸信号时，保护出口动作。

为验证本发明所提保护方案的可靠性，如图8所示，利用pscad/emtdc电磁暂态仿真软件搭建500kv超高压输电系统。线路采用频域相关模型，被保护线路mn长300km，线路nj长100km，线路km长100km，线路pn长200km。r1至r5为线路继电保护装置，母线对地电容为0.1μf。故障位置f1至f5分别设置为距母线n侧250、0、150、50、10km处，其中f2为母线故障。

以故障初始角90°、接地电阻0ω为例，设置a相短路接地、ab两相短路接地、ab相间短路、abc三相短路接地四种故障类型。图9为在不同位置发生a相接地故障时，各保护安装处小波能量熵随时间的变化曲线。当线路发生故障时，各保护安装处的小波能量熵均发生突变。可以看出由于upfc元件对暂态高频分量的衰减作用，使得小波能量熵降低。但在不同故障位置下，受到母线电容的影响，母线m与母线n近故障侧线路的小波能量熵均明显大于远故障侧，且远故障侧线路的小波能量熵近似相等。

表1详细给出了在不同故障位置和不同故障类型的条件下，线路各保护安装处的小波能量熵相对于基准值的比值。

表1不同故障位置和故障类型下的小波能量熵

由表1可知，在不同故障位置和不同故障类型的条件下，母线近故障侧线路的小波能量熵均远大于远故障侧，其中最小比值为2.85，保护可有效识别故障方向。在母线远故障侧线路中，保护安装处小波能量熵的最大比值为1.22，保护不会误动。因此，基于母线各出线小波能量熵对比的保护方案，能够可靠识别区内外故障，且不受线路upfc元件的影响。当线路不含upfc元件或upfc元件退出运行时，母线近故障侧与远故障侧的小波能量熵差异会更加明显，所提保护判据的可靠性将进一步提高。

分析不同过渡电阻对所提保护判据的影响。一般500kv输电线路的最大过渡电阻约为300ω，因此设置单相接地故障的过渡电阻分别为100、200、500ω。

表2详细给出了在不同故障位置和不同过渡电阻的条件下，线路各保护安装处的小波能量熵相对于基准值的比值。

表2不同过渡电阻的小波能量熵

由图10及表2可以看出，在不同故障位置和不同过渡电阻的条件下，母线近障侧与远故障侧的小波能量熵差异依然较大，基本不随过渡电阻的变化而发生明显波动，所提保护判据能有效识别故障方向。理论上，过渡电阻对电流暂态高频分量不会产生衰减作用，仅对故障暂态电流的幅值产生一定影响，进而使得小波能量熵的计算产生偏差，但各保护安装处测量值的相对大小基本保持不变。因此，该保护判据基本不受过渡电阻的影响。

在不同故障初始角下，故障暂态高频分量的幅值将受到影响，因此设置故障初始角分别为0°、30°、60°、90°，对保护判据的性能进行分析。

表3详细给出了在不同故障位置和不同故障初始角的条件下，线路各保护安装处的小波能量熵相对于基准值的比值。

表3不同故障初始角的小波能量熵

由图11和表3表明，在不同故障位置和不同故障初始角的条件下，本发明所提保护判据的灵敏度依然较高。随着故障初始角减小，暂态高频分量的幅值整体降低，而波形的陡度变化不大。由于小波能量熵主要关注能量频率的分布状况，对幅值敏感度较低，因此，所提保护判据在不同故障初始角下可以有效识别故障方向。

由于本发明所提保护原理是基于母线对地电容对暂态高频分量的影响，因此需要分析在不同母线电容下的保护判据性能。设置母线等值电容分别为0.06μf、0.02μf和0.006μf。

表4详细给出了在不同故障位置和不同母线电容的条件下，线路各保护安装处的小波能量熵相对于基准值的比值。

表4不同母线对地电容的小波能量熵

由图12和表4可得，随着母线对地电容的增大，母线近故障侧与远故障侧的小波能量熵差异越明显，保护判据越灵敏。即使当母线电容为0.006μf时，f5处发生故障，暂态高频分量经过母线电容与upfc的双重衰减作用，m侧母线小波能量熵的比值最小为2.17，所提保护判据依然具有较高的灵敏度。因此，本发明所提保护判据对母线等值电容的要求不高，具有较强的普适性。

其他因素主要指雷击干扰和开关操作，在雷击或开关操作的暂态瞬间，均会产生含有高频分量的行波，对暂态量保护产生一定影响。因此，需要对其开展进一步的研究，快速区分故障与干扰。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。