一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法与流程
本申请涉及电力系统保护技术领域，特别涉及一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法。
背景技术：
近年来，以电压源型换流器(vsc)为基础的柔性直流输电系统成为直流输电领域重点发展方向。由于vsc的电压源特性以及四象限控制能力，适于构建多电源供电及多落点受电的多端柔性直流输电系统。从电网供电可靠性和运行灵活性考虑，多端柔直输电系统提供了更好的潮流控制能力，供电可靠性和系统冗余性；从建设成本和经济性角度考虑，多端柔直输电比并行多条点对点式直流输电线路节约线路通道，可以减少投资和降低运行费用。
常规直流输电为了抑制换流器产生的谐波，在直流线路两端安装有平波电抗器和直流滤波器等设备。柔性直流输电由于换流器产生谐波较少，无须平波电抗器，已投运的两电平、三电平结构的柔直工程多数未安装直流侧平波电抗器。
现有的多端柔性直流输电系统，从故障处理及保护出发，与常规直流输电系统相比具有以下特点：
(1)常规直流输电多采用点对点模式，而多端柔直有直流出线，这就存在故障区段识别问题，即：故障线路和非故障线路的识别(也称为故障区段定位)，而准确的故障区段识别是多端柔直故障隔离的基础。
(2)柔直系统缺少平波电抗器，使得传统基于行波原理的故障线路识别方法难以应用。如图2所示，对于线路故障后的暂态行波，平波电抗器呈现高阻抗特性，构成了行波边界，仅在故障线路上能检测到故障产生的暂态行波。如图3所示，当取消平波电抗器后，故障线路上产生的暂态行波将通过直流母线传输到非故障线路上，非故障线路上也能检测到故障产生的暂态行波。特别是当直流侧母线仅有两条出线时，故障线路和非故障线路上的暂态电流、电压幅值和方向是高度相似的，这使得传统基于幅值或极性比较的行波法难以应用于多端柔直的故障区段定位(故障线路识别)。
(3)当柔直输电线路故障时，由于直流侧大电容放电，故障电流会在几毫秒之内增大到峰值，这就要求系统快速动作。柔直输电系统对保护动作时间要求在1-3ms内装置能判断故障，因此，需要通讯或利用线路两端数据的故障识别方法难以满足时间要求。
目前，多端柔直系统故障区段定位尚未有成熟可靠的方案。为提高故障识别可靠性以及抑制故障后电流快速上升，在部分柔直工程中提出了在直流侧安装平波电抗器，构建行波边界，该方法可解决故障区段定位问题，但从经济角度看，该方案不尽合理。
现有技术中至少存在如下问题：多端柔直系统故障区段定位尚未有成熟可靠的方案。
技术实现要素：
本申请实施例的目的是提供一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法，以准确可靠地识别多端柔性直流输电系统的故障线路。
本申请实施例提供一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法是这样实现的：
一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法，所述方法包括：
获取目标线路的电流行波信号；
对所述电流行波信号进行小波变换，将所述信号分解为近似系数和细节系数；
根据所述细节系数，确定所述线路的故障初始时刻；
根据所述行波的初始波头幅值和所述线路的线路对端反射波幅值，计算得到反射波相对值；
根据所述线路对端反射波的相对值，确定所述线路是否故障线路。
优选实施例中，所述根据所述反射波的相对值，确定所述线路是否故障线路，包括：
若ad≤δ1×c，则确定所述线路是故障线路；
若δ1＜ad≤δ2×c，则再根据所述线路的反射波约束条件，确定所述线路是否是故障线路；
若ad＞δ2×c且ai＞ae，则确定所述线路是故障线路；
其中，ad表示所述反射波的相对值；
ai表示所述初始波头幅值；
ae表示所述线路的高阻电压变化率，根据系统结构进行数值或动模仿真可得100欧姆左右的ae；
δ1、δ2、c为定值；
其中c与线路接线相关，当分支线路仅有1条，c≈1；分支数量大于1时，c≈1/(n-1)，n表示分支线路条数；
rg表示故障过渡电阻，以电缆为基准；
当rg＝1欧姆，δ1<0.02；当rg＝100欧姆，δ2<0.5。
优选实施例中，所述再根据所述线路的反射波约束条件，确定所述线路是否是故障线路，包括：
获取所述线路的故障初始时刻；
获取所述线路对端的反射波到达时刻，获取故障点反射波到达时刻；
根据所述故障初始时刻、所述线路对端的反射波达到时刻、所述故障点反射波到达时刻，确定所述线路的反射波是否满足所述反射波约束条件，若满足所述反射波约束条件，则确定所述线路是故障线路。
优选实施例中，所述满足所述反射波约束条件包括符合下述表达式：
((t'2-t1)+(t"2-t1))×v≈l2
式中，t1表示所述线路的故障初始时刻；
t'2表示所述线路对端的反射波到达时刻；
t"2表示故障点反射波到达时刻；
v表示所述线路的行波传播速度；
l2表示所述线路的长度。
优选实施例中，所述反射波相对值包括采用下述公式计算得到：
ad＝af/ai
式中，ad表示所述反射波相对值；
ai表示所述初始波头幅值；
af表示所述反射波幅值。
优选实施例中，所述对所述电流行波信号进行小波变换，将所述信号分解为近似系数和细节系数，包括：
采用条样函数或高斯函数小波对所述电流行波信号进行小波变换，将所述电流行波信号分解为近似系数和细节系数。
其中，所述电流行波信号分解后的表达式如下：
y(i)＝l(i)+d(i)
式中，y(i)(i＝0,1,......n)表示所述电流行波信号；
l(i)表示所述近似系数；
d(i)表示所述细节系数。
优选实施例中，所述根据所述细节系数，确定所述线路的故障初始时刻，包括：
根据所述细节系数，确定所述细节系数的模极大值，进而确定所述模极大值的幅值的最大时刻为所述故障初始时刻。
优选实施例中，所述确定所述细节系数的模极大值包括：
若所述细节系数d(i)满足下述表达式，则所述细节系数d(i)的绝对值为所述模极大值：
式中，i＝0,1,......n。
利用本申请实施例提供的一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法，可以用于识别未装设平波电抗器的多端柔直输电系统故障后的故障线路和非故障线路，以便于多端柔直系统的准确快速的故障隔离。另外，所述方法基于单端电气量进行识别，系统结构简单，并且仅需要故障后约1ms左右数据即可完成故障区段识别，时间上满足与保护动作的配合要求。算法快速性好，算法逻辑简单，运算量固定，无复杂计算环节，具有较好的快速性，便于工程实现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例提供的一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法的方法流程示意图；
图2是常规直流输电系统的电气结构图；
图3是多端柔性直流输电系统的电气结构图；
图4是本申请一个实施例提供的所述多端柔性直流输电系统的故障后波过程示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1是本申请所述一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法一种实施例的方法流程图。虽然本申请提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者更少的操作步骤或模块单元。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本申请实施例或附图所示的执行顺序或模块结构。
具体的，如图1所述，本申请提供的一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法的一种实施例可以包括：
s1：获取目标线路的电流行波信号。
s2：对所述电流行波信号进行小波变换，将所述信号分解为近似系数和细节系数。
s3：根据所述细节系数，确定所述线路的故障初始时刻。
s4：根据所述行波的初始波头幅值和所述线路的线路对端反射波幅值，计算得到反射波相对值。
s5：根据所述线路对端反射波的相对值，确定所述线路是否故障线路。
本例中，所述根据所述反射波的相对值，确定所述线路是否故障线路，包括：
若ad≤δ1×c，则确定所述线路是故障线路；
若δ1＜ad≤δ2×c，则再根据所述线路的反射波约束条件，确定所述线路是否是故障线路；
若ad＞δ2×c且ai＞ae，则确定所述线路是故障线路；
其中，ad表示所述反射波的相对值；
ai表示所述初始波头幅值；
ae表示所述线路的高阻电压变化率，根据系统结构进行数值或动模仿真可得100欧姆左右的ae；
δ1、δ2、c为定值；
其中c与线路接线相关，当分支线路仅有1条，c≈1；分支数量大于1时，c≈1/(n-1)，n表示分支线路条数；
rg表示故障过渡电阻，以电缆为基准；
当rg＝1欧姆，δ1<0.02；当rg＝100欧姆，δ2<0.5。
本例中，所述再根据所述线路的反射波约束条件，确定所述线路是否是故障线路，包括：
获取所述线路的故障初始时刻；
获取所述线路对端反射波到达时刻，获取故障点反射波到达时刻；
根据所述故障初始时刻、所述线路对端的反射波达到时刻、所述故障点反射波到达时刻，确定所述线路的反射波是否满足所述反射波约束条件，若满足所述反射波约束条件，则确定所述线路是故障线路；
其中，所述满足所述反射波约束条件包括符合下述表达式：
((t'2-t1)+(t"2-t1))×v≈l2
式中，t1表示所述线路的故障初始时刻；
t'2表示所述线路对端反射波到达时刻；
t"2表示故障点反射波到达时刻；
v表示所述线路的行波传播速度；
l2表示所述线路的长度。
理论上，((t'2-t1)+(t"2-t1))×v应等于l2，但是实际实施过程中，由于各种误差的影响，只要二者近似相等(相差在预定范围内)，即可确定所述线路为故障线路。
若不满足上述实施例中确定所述线路为故障线路的各条件，则所述线路为非故障线路。
本例中，所述反射波相对值ad可以包括采用下述公式计算得到：
ad＝af/ai
式中，ad表示所述反射波相对值；
ai表示所述初始波头幅值；
af表示所述反射波幅值。
本例中，所述对所述电流行波信号进行小波变换，将所述信号分解为近似系数和细节系数，可以包括：
采用条样函数或高斯函数小波对所述电流行波信号进行小波变换，将所述电流行波信号分解为近似系数和细节系数。
其中，所述电流行波信号分解后的表达式如下：
y(i)＝l(i)+d(i)
式中，y(i)(i＝0,1,......n)表示所述电流行波信号；
l(i)表示所述近似系数；
d(i)表示所述细节系数。
其中，所述近似系数为所述信号经变换后的低频部分，所述细节系数为所述信号经变换后的高频部分，细节系数具有较好的时间分辨率适用于故障初始时刻计算。
本例中，所述根据所述细节系数，确定所述线路的故障初始时刻，可以包括：
根据所述细节系数，确定所述细节系数的模极大值，进而确定所述模极大值的幅值的最大时刻为所述故障初始时刻。
本例中，所述确定所述细节系数的模极大值包括：
若所述细节系数d(i)满足下述表达式，则所述细节系数d(i)的绝对值为所述模极大值：
式中，i＝0,1,......n。
具体的，本申请实施例中可以采用小波变换模极大值确定所述故障初始时刻，具体步骤如下：
(1)提取小波变换细节系数d(i)计算模极大值序列，其中，模极大值定义如下：
即当某一点绝对值比两侧点绝对值都大时，该点定义为模极大值。
(2)根据模极大值序列定位故障初始时刻，选择模极大值幅值最大时刻作为故障初始时刻。由模极大值法可得非故障线路、故障线路初始时刻分别为：t1、t2。当保护装置采用同步启动时，理论上故障线路、非故障线路的故障初始时刻t1＝t2。
本申请所述的故障线路的识别判据的理论依据如下：
对于长度为l1的非故障线路，故障初始时刻后在固定时刻能检测到线路对端反射波，该反射波具有以下特征：
1)反射波到达换流站端时刻为t'1＝t1+2×l1/v，其中v为行波传播波速；
2)以初始行波波头为基准，该反射波极性为负极性；
3)反射波与初始波头相对值基本为定值，假定故障初始波头幅值为ai，反射波幅值为af，则反射波相对值为ad＝af/ai≈c，c与换流站端出线相关，可根据历史数据或特征阻抗计算获得。
对于长度为l2故障线路，在故障初始时刻后的固定时刻t'2＝t2+2×l2/v，理论上也能检测到来自线路对端的反射波。但由于增加故障点这一特征阻抗不连续点，如图3所示，经过故障点折射，线路对反射波相对值(ad＝af/ai)会有所降低，相对值变化程度与过渡电阻相关。
根据故障点过渡电阻的不同，ad变化情况大体上可分为以下几种：
1)金属性短路情况下(过渡电阻rg≤1欧姆)，难以检测到来自线路对端的反射波，此时ad趋近于0；
2)高阻故障情况下(过渡电阻rg≥100欧姆)，来自线路对端的反射波相对值较高ad，且幅值越高，相对值越接近于c，但此时初始波头幅值(ai)会明显降低；
3)当1欧姆≤过渡电阻≤100欧姆时，ad降低，且能同时检测到线路对端反射波(负极性)和故障点反射波(正极性)，假设线路对端反射波到达时刻为t'2、故障点反射波到达时刻为t"2，则((t'2-t1)+(t"2-t1))×v≈l2。
因此，故障线路识别判据可分为三类：
1)当ad≤δ1×c，可以确认该线路为故障线路，δ1为定值1，δ1取值范围在0-1之间。
2)当δ1×c<ad≤δ2×c时，δ2为定值2，δ1取值范围在0-1之间；此外，还需检测故障初始波头后是否存在故障点反射波及线路对端反射波组合，即有正极性反射及负极性反射波组合满足条件：((t'2-t1)+(t"2-t1))×v≈l2，在此情况下认为该线路为故障线路。
3)当ad≥δ2×c时，ai>ae(故障初始波头幅值与电压/电流变化率相关，与系统运行方式等无关，ae可通过仿真计算获得)则认为该线路为故障线路。
若ad不满足上述条件，则认为该线路为非故障线路，不应进行故障切除或隔离。
利用上述实施例提供的一种多端柔性直流输电系统故障线路识别方法的实施方式，可以用于识别未装设平波电抗器的多端柔直输电系统故障后的故障线路和非故障线路，以便于多端柔直系统的准确快速的故障隔离。另外，所述方法基于单端电气量进行识别，系统结构简单，并且仅需要故障后约1ms左右数据即可完成故障区段识别，时间上满足与保护动作的配合要求。算法快速性好，算法逻辑简单，运算量固定，无复杂计算环节，具有较好的快速性，便于工程实现。
虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。
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