一种基于MMC-HVDC架空线路故障分析与识别方法与流程

本发明涉及一种基于mmc-hvdc架空线路故障分析与识别方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术：

mmc-hvdc系统由两端的换流站和直流线路组成，与交流输电系统相比，直流线路中故障发展快速，故障切除的难度也更大。直流侧线路内部故障不仅会影响直流系统，对交流系统也会产生影响。直流侧线路内部故障严重危害了电力系统安全稳定的运行。

在mmc-hvdc系统故障时，与很大的负荷电流相比，故障前后的电流变化不明显。发生区内故障、区外故障时，系统量测端得到的高频分量差异很大。传统的hvdc系统故障检测方法有很多，诸如利用均匀传输线行波理论的行波保护、利用平波电抗器和直流滤波器组成的边界检测方法。其中行波方法主要利用电流电压行波变化率来识别出故障，边界检测方法通过物理边界隔离高频分量起到检测故障的方法，构成了边界保护。但在mmc-hvdc系统中，对雷击等产生的干扰和故障的分辨率和容错率更低，不适合利用电压电流变化率检测故障的行波保护。而且在mmc-hvdc系统中，并不需要配置直流滤波器，使得mmc-hvdc系统物理边界条件与传统hvdc系统的物理边界不尽相同。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于mmc-hvdc架空线路故障分析与识别方法，用以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种基于mmc-hvdc架空线路故障分析与识别方法，当线路发生单机接地故障时，在mmc-hvdc整流侧直流线路母线保护安装处来测量故障电流，根据直流线路母线保护安装处所获得的数据绘制量测端故障电流曲线，根据获得的故障电流曲线波形，利用小波变换系数，选取频带尺度db4小波提取高频能量d1与低频能量a1，利用d1与a1比值kq作为故障判据从而识别线路故障。

具体步骤为：

(1)当线路发生单机接地故障时，在mmc-hvdc整流侧直流线路母线保护安装处来测量电流；

(2)根据直流线路母线保护安装处所获得的数据绘制量测端故障电流曲线；

(3)根据获得的故障电流曲线波形，利用小波变换系数，选用db4小波对量测端故障电流进行分解，得到naquist频率fn，其表达式为：fs＞2fn，fs为信号采样率；

(4)根据步骤(3)中得到第j分解尺度下的高频分量系数为d1，低频分量系数为a1，进行小波能量信号重构后得到的信号分量所包含的信息频带范围为：

式中，dj表示第j分解尺度的高频分量，aj表示第j分解尺度的低频分量

(5)根据步骤(3)和步骤(4)得到的高频能量d1与低频能量a1，利用d1与a1的比值kq作为故障判据，mmc-hvdc单级接地故障判据为：kq＝d1/a1。

(6)根据kq是否大于整定值kset来判别直流系统故障和交流系统故障：

若kq≥kset，则判断为直流系统故障；

若kq<kset，则判断为交流系统故障。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用小波变换能量比对故障信号暂态量进行检测，用来识别故障。在区内外故障和雷击等暂态过程中，利用线路暂态突变量能量的特征差异明显，由此构成的暂态保护判据具有很高的灵敏性与选择性。

2、本发明采用小波分析，小波分析比傅里叶变换的优势在于具有频域和时域都可表征信号局部的能力，检测到信号中的暂态，将信号中的频率部分表示出来，便于对指定的信号进行分析。

附图说明

图1是本发明实施例中两端mmc-hvdc系统主电路典型拓扑系统模型图；

图2是本发明实施例中正极线路过渡电阻为0ω时故障电流曲线簇图；

图3是本发明实施例中正极线路过渡电阻为300ω时故障电流曲线簇图；

图4是本发明实施例中负极线路故障电流曲线簇图；

图5是本发明实施例中正极线路上直流线路故障kq分布图；

图6是本发明实施例中负极线路上直流线路故障kq分布图；

图7是本发明实施例中d2频带与d7频带对比图；

图8是本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于mmc-hvdc架空线路故障分析与识别方法，当线路发生单机接地故障时，在mmc-hvdc整流侧直流线路母线保护安装处来测量故障电流，根据直流线路母线保护安装处所获得的数据绘制量测端故障电流曲线，根据获得的故障电流曲线波形，利用小波变换系数，选取频带尺度db4小波提取高频能量d1与低频能量a1，利用d1与a1比值kq作为故障判据从而识别线路故障。

具体步骤为：

(1)当线路发生单机接地故障时，在mmc-hvdc整流侧直流线路母线保护安装处来测量电流；

(2)根据直流线路母线保护安装处所获得的数据绘制量测端故障电流曲线；

(3)根据获得的故障电流曲线波形，利用小波变换系数，选用db4小波对量测端故障电流进行分解，得到naquist频率fn，其表达式为：fs＞2fn，fs为信号采样率；

(4)根据步骤(3)中得到第j分解尺度下的高频分量系数为d1，低频分量系数为a1，进行小波能量信号重构后得到的信号分量所包含的信息频带范围为：

式中，dj表示第j分解尺度的高频分量，aj表示第j分解尺度的低频分量

(5)根据步骤(3)和步骤(4)得到的高频能量d1与低频能量a1，利用d1与a1的比值kq作为故障判据，mmc-hvdc单级接地故障判据为：kq＝d1/a1。对应每层频带尺度，重建能量信号。低尺度下的信号小波能量代表高频信号小波能量，高尺度下的信号小波能量代表低频小波能量。

(6)根据kq是否大于整定值kset来判别直流系统故障和交流系统故障，综合遍历过的大量仿真结果，kset考虑线路故障中的裕度，设置为0.9。

若kq≥kset，则判断为直流系统故障；

若kq<kset，则判断为交流系统故障。

本发明的原理是：

一、基于小波变换方法的时域信号分析

小波分析比傅里叶变换的优势在于具有频域和时域都可表征信号局部的能力，检测到信号中的暂态，将信号中的频率部分表示出来，便于对指定的信号进行分析。

小波分解可将信号分解为低频段和高频段，而小波能量随之被分解到不同频带。

通过多层小波解析方法能够将信号分解到不同频率成分的多个子空间中。各个子空间占有总能量的比重存在不同，利用不同故障情况下总能量的比重存在的差别，将量测端电流行波利用小波对量测端电流进行分解，重建能量信号得出高频分量，实现故障支路的识别。db4小波函数为紧支撑正交小波，时域紧支撑性能较强且消失距小，计算量相对而言简单，满足快速检测故障的要求，故本文利用db4小波函数进行小波变换。

二、单端mmc-hvdc电流量区分交直流故障识别判据

利用直流单端电流量，采用高低频电流比值来区分交、直流侧的故障。在mmc-hvdc整流侧直流线路母线保护安装处来测量电流，在全线长范围内预设一批线路金属性接地故障和线路外部故障。由直流线路母线保护安装处获得量测端故障电流曲线，选用合适的小波对量测端电流进行分解，利用输入小波系数，重建能量信号得出的高频分量，通过高、低频的比值从而识别线路故障。

三、交直流故障的识别

(1)由直流线路母线保护安装处获得量测端的故障电流曲线。对故障电流曲线进行小波变换后，选取合适的频带尺度作为高频能量d1与低频能量a1，利用d1与a1比值kq作为故障判据来识别故障。综上，mmc-hvdc正极接地故障判据为：kq＝d1/a1。

(2)根据kq是否大于整定值kset来判别直流侧故障和交流侧故障，取kset为0.9，若kq≥kset，判断为直流侧故障，,若kq<kset，判断为交流侧故障。

具体的说：

在pscad中搭建如图1所示的mmc-hvdc系统模型，在6.4khz采样率下，线路长度为400km。当线路发生单级接地故障，在整个线路中10km由近至远的设置金属性接地故障，故障过渡电阻分别采用0ω、300ω用来仿真普通故障和高阻故障。选取故障电流曲线中发生故障前1个点，故障后32个点的时域电流波形。

对故障电流曲线进行小波变换后，根据naquist采样定理分解为8个频带，对应的频带范围如下表1：

表1

对应每层频带尺度，重建能量信号。低尺度下的信号小波能量代表高频信号小波能量，高尺度下的信号小波能量代表低频小波能量。选取一个交流侧故障信号进行小波变换后，作为参考值，通过相同的频带，对比相差较大的高低频率。考虑d1和d8能量尺度中干扰因素，选出d2为高频能量尺度，d7为低频能量能量尺度，对比如图7所示：

在图1中，交流侧a点发生单相接地故障后，通过仿真计算，保护安装处的电流小波能量高低频比kq为0.5442；整流侧正极直流线路母线处b点发生接地故障后，过渡电阻为0ω，保护安装处的电流小波能量高低频比kq为3.1817。综合遍历过的大量仿真结果，kset考虑线路故障中的裕度，设置为0.9。高低频能量对比后，得出线路单级故障比值。仿真结果显示，kq均大于等于kset，符合预期结果。

经过仿真后的交流测故障仿真结果总结如表2所示：

表2

本发明通过分析mmc-hvdc不接地系统架空线路单极接地故障后电流特性，并对其进行了仿真分析。利用mmc换流器的阻抗频率，明确了mmc-hvdc的边界效应。小波分析比傅里叶变换的优势在于具有频域和时域都可表征信号局部的能力，检测到信号中的暂态，将信号中的频率部分表示出来，便于对指定的信号进行分析。因此本文采用小波变换能量比对故障信号暂态量进行检测，用来识别故障。在区内外故障和雷击等暂态过程中，利用线路暂态突变量能量的特征差异明显，由此构成的暂态保护判据具有很高的灵敏性与选择性。通过对模块化多电平换流器的阻抗频率特性进行了分析，在不同的控制模式下，mmc直流侧阻抗特性基本相同，呈现单调滤波器特性，对故障信号里的高频分量产生了明显的衰减作用，利用换流器的特性提出了基于时域系数能量比的单端mmc-hvdc保护方法，在主流线路母线保护安装处的量测端获取故障电流簇，做归一化处理后，利用小波变换重建信号，构造小波能量尺度，选取合适的频率尺度，通过高频比低频得到故障判据来识别故障。通过仿真验证了此方法计算不复杂，判断迅速且有效。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。