一种基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法与流程

本发明涉及一种基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法。

背景技术：

近年来，电压源换流器(vsc)型高压直流系统在大规模新能源并网、区域电网异步互联等工业实践中得到了广泛应用。在多端直流(mtdc)系统中，换流器通过直流线路辐射状或网状连接，它被认为是新能源接入下远距离电力传输的最佳方案。多端直流系统的故障分析和故障检测仍是直流电网未来发展面临的重大挑战之一。有许多学者对多端直流系统的故障特征和故障检测方法进行了研究，但这些研究具有一些局限性：

1、没有推导出清晰的多端直流系统故障电流的解析表达式；

2、保护方法依赖于仿真，缺乏坚实的理论基础；

3、保护方法要求的采样率较高，投资成本较大。

技术实现要素：

本发明提供一种基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法，易于实现阈值整定，提高了多端直流系统故障检测的鲁棒性，且对采样频率要求较低，具有良好的耐过渡电阻能力。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法，建立多端直流系统线路的故障分量电流的解析表达式，根据故障分量电流的解析表达式获取电流的暂态高频能量，如果某线路的暂态高频能量超过预设的保护阈值，则判断该线路为故障线路。

所述的基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法包含以下步骤：

步骤s1、计算多端直流系统中的线路故障分量电流；

对环状连接的多端直流系统，从与故障线路不相连的换流站处解耦打开环网，计算保护线路发生区外最严重故障的线路故障分量电流：

其中，s为拉普拉斯频域符号，cc1是1端vsc对地电容，lt12为支路line12上1侧的直流补偿电感，lt13为支路line31上1侧的直流补偿电感，lt31为支路line31上3侧的直流补偿电感，r13和l13分别为直流输电线路line13的电阻和电感，r是线路line13和line23的电流之比；

步骤s2、计算线路的暂态高频能量；

其中，x(k)为暂态信号f(n)的离散傅里叶变换，n＝t×fs，为一个采样窗内的数据点数，t为滑动时间窗长度，fs为采样频率；

设定提取暂态高频能量的截止频率(即频率下界)：

确定离散傅里叶变换选择的频带：

其中，foc为第1端电容与line13并联支路的振荡频率，fix(x)为取整函数，等于不超过x的最大整数；

步骤s3、设定保护阈值；

其中，k为可靠性系数；

步骤s4、判断线路的暂态高频能量是否超过预设的保护阈值，若是e＞e^set，则判断该线路为故障线路，若否，则判断该线路为健全线路。

本发明通过建立清晰的多端直流系统线路的故障分量电流的解析表达式，易于实现阈值整定，提高了多端直流系统故障检测的鲁棒性，且对采样频率要求较低，具有良好的耐过渡电阻能力。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法的流程图。

图2为三端直流环网电路图。

图3为环网连接mtdc系统打开成辐射网示意图。

图4为测试的四端mtdc系统示意图。

图5a～图5d为不同模型在不同过渡电阻下的仿真结果。

具体实施方式

以下根据图2～图5d具体说明本发明的较佳实施例。

本发明提供一种基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法，建立多端直流系统线路的故障分量电流的解析表达式，根据故障分量电流的解析表达式获取电流的暂态高频能量，如果某线路的暂态高频能量超过预设的保护阈值，则判断该线路为故障线路。

对于短时的故障分析，线路的故障分量电流的解析表达式中的高频成分起主要作用，只保留该成分可在保证计算误差较小的前提下使拉普拉斯逆变换大大化简，可以得到清晰的故障分量电流的解析表达式。分析计算表明，健全线路的故障分量电流等于故障线路的故障分量电流乘以若干二阶低通滤波器的级联，所以健全线路故障分量电流的高频分量相比于故障线路故障分量电流的高频分量大大衰减，利用暂态高频能量理论上可以快速区分故障线路与健全线路。

所述的基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法具体包含以下步骤：

步骤s1、计算多端直流系统中的线路故障分量电流；

对环状连接的多端直流系统，从与故障线路不相连的换流站处解耦打开环网，计算保护线路发生区外最严重故障的线路故障分量电流：

其中，s为拉普拉斯频域符号，cc1是1端vsc对地电容，lt12为支路line12上1侧的直流补偿电感，lt13为支路line31上1侧的直流补偿电感，lt31为支路line31上3侧的直流补偿电感，r13和l13分别为直流输电线路line13的电阻和电感，r是线路line13和line23的电流之比；

步骤s2、计算线路的暂态高频能量；

其中，x(k)为暂态信号f(n)的离散傅里叶变换，n＝t×fs，为一个采样窗内的数据点数，t为滑动时间窗长度，fs为采样频率；

设定提取暂态高频能量的截止频率(即频率下界)：

确定离散傅里叶变换选择的频带：

其中，foc为第1端电容与line13并联支路的振荡频率，fix(x)为取整函数，等于不超过x的最大整数；

步骤s3、设定保护阈值；

其中，k为可靠性系数；

步骤s4、判断线路的暂态高频能量是否超过预设的保护阈值，若是e＞e^set，则判断该线路为故障线路，若否，则判断该线路为健全线路。

在本发明的一个实施例中，基于暂态高频能量的多端直流系统故障检测方法包含以下步骤：

步骤1、基于故障分量网络计算多端直流系统的故障分量电流；

图2为典型三端环网的电路模型，图中tm为换流站，rmk和lmk分别为直流输电线路linemk的电阻和电感，rm0和lm0分别为直流线路从m端换流站到故障点的电阻与电感，ltmk为支路linemk上m侧的直流补偿电感，ccm是m端vsc对地电容，m，k都是自然数；

为了便于对环网进行故障分析，从与故障线路不相连的换流站处打开环网，换流站直流电压为：

其中，line12是故障线路，i13和i23分别是直流线路line13和line23的故障分量电流，s为拉普拉斯频域(即s域)符号，cc3是并联电容；

为了打开环网，将并联电容cc3解耦成分别属于line13和line23的两个电容，如图3所示；

解耦电容表达式如下：

其中，r是线路line13和line23的电流之比，即电流分配系数：

相应的，原来的三端环网可以打开成辐射状网络；

故障支路line10的故障分量电流i10写成如下形式：

其中，zf10是第1端直流侧电容与line13支路的并联阻抗；

步骤2、计算基于高频等效模型的健全线路故障分量电流和故障线路故障分量电流；

直接求解式(4)的反拉式变换获得i10(t)的时域表达式是十分困难的，特别是多端直流网络非故障线路的电流，其频域表达式更为复杂，因此有必要对电流的频域表达式做一定处理；

对于短时的故障分析，保留线路电流频域表达式中的高频成分，可使计算大大化简；

在高频域中，式(4)中的并联阻抗zf10可以近似为一个对地电容：

zf10^h(s)＝1/scc1(5)

相应的，故障线路的故障分量电流在高频域内写成：

同样的，可以求出健全线路的故障分量电流：

在高频域内可以做如下近似：

公式(6)和(8)就是利用高频等效模型求出的故障线路和健全线路的故障分量电流表达式，可以看出，健全线路的故障分量电流等于故障线路的乘以一个转移函数h(s)，且该转移函数具有二阶低通滤波器的特性；

以上分析是基于三端直流电网的，对于多端系统，同样可以用高频等效模型求得故障线路和健全线路在故障初瞬的电流表达式，其广义表达式如下：

可以看出，健全线路的故障分量电流等于故障线路的故障分量电流乘以若干二阶低通滤波器的级联，健全线路故障分量电流的高频分量相比于故障线路故障分量电流的高频分量大大衰减，利用暂态高频能量理论上可以区分故障线路与健全线路；

步骤3、计算线路的暂态高频能量；

为了准确区分故障线路与健全线路，需要进一步确定暂态高频能量中高频成分的频率范围，假定cc1＝cc3，公式(8)中的h(s)可以重写为：

其中，τ为相关系数；

为了保证灵敏性，需要确定保护方法所提取的高频分量的频率下界，即截止频率，当提取频率大于截止频率时，故障线路电流高频分量远大于健全线路；

定义foc为第1端电容与line13并联支路的振荡频率，则有：

为了使转移函数h(s)有明显的区分性，令截止频率fcut大于10倍的振荡频率：

fcut≥10·foc(12)

此时，转移函数h(s)的幅值满足下式：

其中，j为虚数单位；

由式(13)可见，当提取频率大于截止频率时，故障线路和健全线路的故障分量电流的高频分量之比非常大，选择它们作为特征量的保护方法应有较高的灵敏性；

用离散傅里叶变换来提取直流线路电流中的高频成分，其表达式为：

其中，x(k)为暂态信号f(n)的离散傅里叶变换，x’(k)为f(n)的离散傅里叶级数；

结合上述分析，暂态高频能量定义为：

其中，p为距离截止频率最近的离散傅里叶频点，计算方式如下：

其中，fix(x)返回不大于x的最近的整数；

步骤4、设定保护阈值；

用保护线路发生区外金属性故障的暂态高频能量整定该线路的保护阈值；

对于线路line13，当故障发生在线路line12出口时，电流的故障分量满足：

根据公式(15)，可以得到健全线路line13在发生故障一个时间窗后的暂态高频能量：

所以，保护阈值可设定为：

e^set＝k·e¹³(19)

其中，k为可靠性系数，对于过量保护，k应大于1；

步骤5、判断线路的暂态高频能量是否超过预设的保护阈值，若是，则判断该线路为故障线路，若否，则判断该线路为健全线路；

保护动作判据为线路电流的高频暂态能量大于阈值：

e＞e^set(20)

图4为测试的四端直流系统示意图，电气元件参数命名方法与图2相同，换流站c1、c3和c4按照主从控制模式，换流站c2采用定电圧控制。分别改变故障线路的故障距离与过渡电阻，验证不同故障距离和过渡电阻下本发明提供的故障检测方法的有效性。图5(a)为直流线路200km和300km处分别发生300ω正极接地故障的线路电流故障分量波形。可以看出，在不同故障距离下，rl模型和hf模型下的故障电流非常接近，且时间越短，两者间的误差越小，仿真结果验证了高频等效模型的有效性。图5(b)为200km和300km故障时，线路电流故障分量的频谱图。可以看出，rl模型和hf模型下的电流频谱也十分接近，其暂态高频能量均大于保护阈值，保护可以正确启动。图5(c)和图5(d)为200ω正极接地故障下的仿真结果。同样可以看出，使用高频等效模型进行故障初瞬电流计算具有较高的精度，且基于暂态高频能量的保护方法在不同故障距离和不同过渡电阻下均有良好的性能。

本发明通过建立清晰的多端直流系统线路的故障分量电流的解析表达式，易于实现阈值整定，提高了多端直流系统故障检测的鲁棒性，且对采样频率要求较低，具有良好的耐过渡电阻能力。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。