一种基于s变换的高压直流输电线路纵联保护方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法。
【背景技术】
[0002] 特高压直流输电技术起源于20世纪60年代，由于换流设备的快速发展，近几年高 压直流输电技术在世界范围内得到了广泛应用。高压直流输电具有功率传输稳定、输电容 量大、传输效率高、可实现远距离输电等优点，已成为大能源基地电力外送、异步电网互联 的重要方式。特高压直流线路输送距离远、送电功率大、穿越地形复杂，易遭受雷电、暴风雨 等引起的故障，线路保护能否快速可靠地检测故障对直流输电系统的安全运行意义重大。
[0003] 目前运行中的直流输电线路继电保护技术主要由ABB或SIEMENS提供。主保护配 置行波保护，利用线路上的故障行波来识别故障，动作速度快，但其可靠性和灵敏性易受过 渡电阻和干扰的影响；慢后备保护配置电流纵联差动保护，利用线路两端电流量的简单加 和构造保护判据，理论上具有绝对的选择性，但故障初期电流波动较大，需要一定的延时才 能投入，速动性较差。因此，亟需研究可靠性高、不受过渡电阻影响的高压直流输电线路保 护。针对目前直流线路保护存在的问题，众多学者对高压直流输电线路保护进行了大量研 究，提出了许多有益的方法。
[0004] 《±800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护》提出了一种利用区内、外故 障时保护安装处测得的暂态电压小波能量的差异来识别故障的方法，该方法无需线路两端 的通信，具有绝对选择性，但需要利用小波变换来准确识别初始电压行波的波头，远端高阻 故障对其产生不利影响。
[0005] 《基于电压和电流突变量方向的高压直流输电线路保护原理》利用在区内、外故障 时直流线路两侧保护安装处测得的电压和电流突变量的方向特征判断故障，该原理根据两 种故障信号的积分值是否超出门槛值构成保护判据，但其动作性能仍受故障位置、故障电 阻的影响。
[0006] 《利用电流突变特性的高压直流输电线路纵联保护新原理》提出了一种根据线路 两端电流突变方向不同识别故障的方法，并构造了电流突变的识别判据，给出了其整定原 贝IJ，该方法有效识别区内、外故障，但高阻故障和雷电干扰影响其门槛值的整定。
[0007] 《特高压直流输电线路暂态能量保护》根据线路两端低频能量差值特征准确识别 区内故障以及故障极，该方法简单，可靠，但需要线路两端的数据严格同步。
[0008] ((A novel pilot directional protection scheme for HVDC transmission line based on specific frequency current》提出一种在特定频率下的纵联电流差动保护方 法，该方法具有绝对的选择性，但同样需要线路两端的数据同步。
[0009] ((A novel whole-line quick-action protection principle for HVDC transmission lines using one-end voltage》和《A new whole-line quick-action protection principle for HVDC transmission lines using one-end current〉〉分别通 过判断特定频带下单端电压或单端电流的积分值是否超过设定门槛来判别区内、外故障， 其动作速度快，但发生长线路的远端故障时，保护的灵敏性可能无法满足要求。
[0010]《基于小波变换的高压直流输电线路暂态电压行波保护》在小波分析的基础上对 暂态电压进行多尺度分析，利用暂态量的高低频能量差异构造保护判据，能正确判断故障， 但小波变换的计算结果易受到小波基选取以及噪声的影响。
[0011] 综上可知，现有高压直流输电线路保护方法各有特点，但没有动作速度快、不受过 渡电阻以及雷电干扰等影响且灵敏度高的方法。
【发明内容】
[0012] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护 方法，本方法分析了直流线路区内外故障时电压和电流突变量的极性特征，利用S变换相 角差的方法来判断故障分量的极性，进而构造保护判据以识别直流线路的区内外故障；利 用S变换对故障信号的时频分析，提取两极的暂态电压S变换零频能量和，根据比值大小识 别故障极，具有快速有效，雷击扰动、故障位置以及过渡电阻等因素对判据几乎没有影响， 不需要两端数据同步，灵敏度高的优点。
[0013] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0014] -种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，包括以下步骤：
[0015] (1)采集与直流输电线路正、负极相连的保护元件处的电压和电流，对其进行滤波 处理；
[0016] (2)提取故障后设定时间内的电压和电流突变量数据，对其进行S变换，得到电压 和电流信号的复时频S矩阵；
[0017] (3)根据复时频S矩阵，计算电压和电流突变量在每个采样点的S变换相角及两者 的相角差的均值；
[0018] (4)建立直流输电线路的保护判据，直流线路整流侧的保护装置进行基于电压和 电流突变量S变换相角差的区内、外的故障识别；
[0019] (5)若识别结果为直流输电线路区内故障，整流侧保护装置比较正、负极电压突变 量的S变换零频带的暂态能量，进行故障极的判断。
[0020] 所述步骤（2)中，设定时间为5ms。
[0021] 所述步骤（3)中，计算信号S变换相角SAn的具体方式为：
[0022] SAn= angle (S n) (I)
[0023] 式中，
I Sa[m，η]为信号经S变换得到的复时频S矩阵，其中η为列 向量，表示信号在某一时刻的幅频特性;m为行向量，表示信号在某一频率下的时域特性， 矩阵的每一个元素都表征该信号在某一采样时刻某一特定频率下的幅值信息与相角信息。
[0024] 所述步骤（3)中，计算电压和电流突变量信号的S变换相角差ASai的具体方式 为：
(2)：
[0026] 式中，i = 1或2,表示直流输电线路极1或极2, SAnI^ S _分别为极i上电压和 电流突变量在第η个采样时刻下的S变换相角，N为数据窗内的采样点数。
[0027] 所述步骤（4)中，具体的保护判据为：
[0030] 式中，SAR、Sai分别为直流输电线路在整流侧和逆变侧的故障方向判别逻辑值；
[0031] 当Sar · Sai= 1时，即整流侧与逆变侧同时判断为正向故障时，识别为直流线路区 内故障；当Sar= 0或Sai= 0时，确定为线路区外故障。
[0032] 所述步骤（5)中，两极电压突变量的S变换零频带的暂态能量和的具体计算方法 为：
CS)
[0034] 式中，E (m，n) = {abs (Sa [m，η])}2,表示信号经S变换后在某一特定频率下某一采 样点的S变换暂态能量，其中，m为行向量，η为列向量，N为采样点数。
[0035] 所述步骤（5)中，故障极的判定方法为：
[0036] 定义双极线路同侧保护装置安装处测得的正极与负极电压突变量的S变换零频 带暂态能量和Wzi和Wz2的比值为
'则故障极的识别判据如下：
[0037] M > kWH，此时判断正极发生故障；
[0038] M < !%，此时判断负极发生故障；
[0039] 1%< M < k WH，此时判断为极-极故障；
[0040] 其中，1%和k WH为判据的固定门滥。
[0041] 本发明的有益效果为：
[0042] (1)利用S变换相角差识别电压和电流突变量的极性，从而识别区内外故障，利用 两极电压突变量的S变换零频带暂态能量和的比值识别区内故障的故障极，在IOOkHz的采 样频率下仅需5ms的数据窗即可完成判断，速动性强；
[0043] (2)在各种故障初始条件下可靠、快速地识别故障方向，过渡电阻、雷击干扰以及 故障位置等因素对保护判据几乎没有影响，可靠性、灵敏性高；
[0044] (3)所提方法不需要直流输电线路两端的数据同步，仅需要逆变侧向整流侧传送 故障方向的识别结果，对通信通道要求不高；
[0045] (4)识别方法原理简单、清楚，识别