一种利用暂态能量的区内外故障识别方法与流程

本发明涉及一种利用暂态能量的区内外故障识别方法，属于模块化多电平换流器的高压直流输电线路故障识别技术领域。

背景技术：

模块化多电平换流器因制造难度低、扩展性强、损耗小和故障处理强等因素被广泛应用于柔性直流输电系统。与传统直流系统相比，全控性电力电子器件过电流能力较差，模块化多电平换流器的高压直流输电系统承受故障冲击能力较差，因此快速地识别故障区内外故障，并且相应的保护动作就显得尤为重要。在传统直流系统中，换流站出口会并联滤波器、串联直流电抗器，起到滤波、限流作用，这些设备就形成了对电压电流高频分量的吸收、阻滞作用的边界，进而利用边界特性差异来可靠识别区内外故障，但由于模块化多电平换流器的高压直流输电系统中没有滤波器以及电抗器这些天然边界，也就无法来识别区内外故障。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种利用暂态能量的区内外故障识别方法，用以解决上述问题。

本发明的技术方案是：一种利用暂态能量的区内外故障识别方法，首先读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电压和电流；其次根据所获取的电压和电流以及稳态时的电压和电流求得5ms时窗内的电压、电流故障分量；对所求得的故障分量相乘并且进行积分进而算得其暂态能量，然后判别两侧线路暂态能量乘积的正负，如果暂态能量乘积为正，则该故障为区内故障，如果暂态能量乘积为负，则该故障为区外故障。

具体步骤为：

step1：读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电压和电流；

step2：根据所获取的量测端的电压和电流通过公式(1)和(2)求得电压、电流故障分量，量测端m和量测端n的电压、电流故障分量计算方式相同，具体为：

δu＝u-u0(1)

δi＝i-i0(2)

式中，δu、u和u0为分别为量测端电压故障分量、量测端瞬时电压以及量测端稳态时的电压；δi、i和i0为量测端电流故障分量、量测端瞬时电流以及量测端稳态时的电流，

step3：通过(3)和(4)对电压、电流故障分量相乘并且进行积分进而算得其暂态能量，具体为：

式中，δem+为m端暂态能量，n为衰减直流分量的数据长度，δukm+为m端电压故障分量中第k个数据，δikm+为m端电流故障分量中第k个数据，δen+为n端暂态能量，δukn+为n端电压故障分量中第k个数据，δikn+为n端电流故障分量中第k个数据；

step4：根据m端和n端暂态能量δe极性，构造直流线路区内外故障识别方法的判据，具体为：

若δem+×δen+＞0，则为区内故障；

若δem+×δen+＜0，则为区外故障。

本发明额采样率为10khz。

本发明的原理是：由量测端高速采集装置获取的两侧线路的量测端电压电流，并求得电压电流故障分量，然后根据电压电流故障分量计算两端的暂态能量，通过比较两端暂态能量积的符号来辨识区内外故障。

当模块化多电平换流器的高压直流输电系统发生故障时，根据故障分量附加网络的特点，利用暂态能量来识别区内外故障的算法更加可靠、快速。当发生线路故障时，两侧的直流电压快速下降，对于整流侧，处于投入状态的子模块电容经换流器桥臂向故障点放电，直流电流和桥臂电流快速增大；对于逆变侧，在桥臂电抗续电流作用下，续流二极管由于单向导通性，因此逆变侧的直流电流减小。因此根据量测端电压电流故障分量可得线路两端的暂态能量符号相同且均为负值；同理，但当发生区外故障时，两端的直流电压快速下降，由于换流器导通方向不突变，续流二极管对交流电源体现单向导通性，所以两端的电流的幅值均减小，因此根据量测端电压电流故障分量可得线路两端的暂态能量符号相反。这样就很容易识别出区内外故障。

本发明的有益效果是：通过计算故障后短时窗内的暂态能量，线路故障和区外故障的差异明显，有利于可靠选极。求取暂态能量算法简单，整体逻辑结构简单。

附图说明

图1是本发明模块化多电平换流器的高压直流输电线路仿真模型图；

图2是本发明实施例1中m端正极电流图；

图3是本发明实施例1中m端正极电压图；

图4是本发明实施例1中n端正极电流图；

图5是本发明实施例1中n端正极电压图；

图6是本发明实施例1中m端正极电流故障分量图；

图7是本发明实施例1中m端正极电压故障分量图；

图8是本发明实施例1中n端正极电流故障分量图；

图9是本发明实施例1中n端正极电压故障分量图；

图10是本发明实施例2中m端正极电流图；

图11是本发明实施例2中m端正极电压图；

图12是本发明实施例2中n端正极电流图；

图13是本发明实施例2中n端正极电压图；

图14是本发明实施例2中m端正极电流故障分量图；

图15是本发明实施例2中m端正极电压故障分量图；

图16是本发明实施例2中n端正极电流故障分量图；

图17是本发明实施例2中n端正极电压故障分量图。

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。

当发生线路故障时，两端的直流电压快速下降，对于整流侧，处于投入状态的子模块电容经换流器桥臂向故障点放电，直流电流和桥臂电流快速增大；对于逆变侧，模块化多电平换流器的续流二极管由于单向导通性，直流电流减小，因此根据量测端电压电流故障分量可得线路两端的暂态能量符号相同且均为负值；同理，当发生区外故障时，两端的直流电压快速下降，模块化多电平换流器的续流二极管由于单向导通性，两端的电流的幅值均减小，因此根据量测端电压电流故障分量可得线路两端的暂态能量符号相反。借此，可以构建新型的故障识别方法。

一种利用暂态能量的区内外故障识别方法，首先读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电压和电流；其次根据所获取的电压和电流以及稳态时的电压和电流求得5ms时窗内的电压、电流故障分量；对所求得的故障分量相乘并且进行积分进而算得其暂态能量，然后判别两侧线路暂态能量乘积的正负，如果暂态能量乘积为正，则该故障为区内故障，如果暂态能量乘积为负，则该故障为区外故障。

具体步骤为：

step1：读取由量测端高速采集装置获取的正极线路的量测端电压和电流；

step2：根据所获取的量测端的电压和电流通过公式(1)和(2)求得电压、电流故障分量，量测端m和量测端n的电压、电流故障分量计算方式相同，具体为：

δu＝u-u0(1)

δi＝i-i0(2)

式中，δu、u和u0为分别为量测端电压故障分量、量测端瞬时电压以及量测端稳态时的电压；δi、i和i0为量测端电流故障分量、量测端瞬时电流以及量测端稳态时的电流，

step3：通过(3)和(4)对电压、电流故障分量相乘并且进行积分进而算得其暂态能量，具体为：

式中，δem+为m端暂态能量，n为衰减直流分量的数据长度，δukm+为m端电压故障分量中第k个数据，δikm+为m端电流故障分量中第k个数据，δen+为n端暂态能量，δukn+为n端电压故障分量中第k个数据，δikn+为n端电流故障分量中第k个数据；

step4：根据m端和n端暂态能量δe极性，构造直流线路区内外故障识别方法的判据，具体为：

若δem+×δen+＞0，则为区内故障；

若δem+×δen+＜0，则为区外故障。

本发明额采样率为10khz。

实施例1：某300kv模块化多电平换流器直流输电线路仿真模型如图1所示。其线路参数如下：直流输电线路全长400km。故障位置：正极线路距m端100km发生故障。采样频率为10khz。

(1)根据说明书中的第一步得到量测端电压电流的波形和数据，其波形如图2、图3、图4和图5所示。

(2)根据说明书中的第二步可以得到两侧的电压电流故障分量的波形和数据，其波形如图6、图7、图8和图9所示。

(3)根据说明书的第三步的暂态能量计算公式得到两侧的暂态能量em和en，如表1所示。

(4)根据说明书中的第四步可以判断出该故障为线路故障，如表1所示。

表1

实施例2：某300kv模块化多电平换流器直流输电线路仿真模型如图1所示。其线路参数如下：直流输电线路全长400km。故障位置：整流侧直流出口处的正极故障。采样频率为10khz。

(1)根据说明书中的第一步得到量测端电压电流的波形和数据，其波形如图10、图11、图12和图13所示。

(2)根据说明书中的第二步可以得到两侧的电压电流故障分量的波形和数据，其波形如图14、图15、图16和图17所示。

(3)根据说明书的第三步的暂态能量计算公式得到两侧的暂态能量em和en，如表2所示。

(4)根据说明书中的第四步可以判断出该故障为区外故障，如表2所示。

表2

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。