一种高压直流输电系统整流站区内外故障识别方法与流程

本发明涉及电力系统故障识别技术领域，具体为一种高压直流输电系统整流站区内外故障识别方法。

背景技术：

高压直流输电系统输电容量大、输电距离远、传输损耗低，因此在我国电力格局中占据着越来越重要的地位。高压直流输电的基本原理是：送端发电站的电能通过交流线路输送到高压直流输电系统的整流站，由整流站将三相交流电转换为直流电，电能经过高压直流输电线路传输，在高压直流输电系统的逆变站进行逆变，将直流电转换为三相交流电，电能则通过与逆变站相连的交流线路输送给受端电网或电站。

由于整流站与送电端相连，若其内部出现短路故障，将出现较大的短路电流，因此为了防止在整流站区内发生故障时整流站设备出现损坏，实际工程为整流站配置了多类保护。然而现有研究和实际工程运行经验表明，整流站的低交流电压保护、低直流电压保护以及100hz保护缺乏对整流站区内外故障的辨识能力，将导致这3种整流站保护在整流站区外故障下发生误动作事故，从而可能导致高压直流输电系统误停运，中断功率的传输，严重影响电网的安全稳定运行，例如：巴西2018年3月21日发生了大停电事故，此次事故主要是由整流站区外的交流系统故障引起整流站保护误动作、高压直流输电系统误停运而引发，造成了巴西电网约20000mw的电能供应中断，全国约四分之一用户断电。

因此，亟需引入一种高压直流输电系统整流站区内外故障的识别方法，为整流站保护赋予对整流站区内外故障的辨识能力，为提高整流站保护的可靠性提供基础。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可实现对整流站区内外故障的识别，为整流站保护赋予对整流站区内外故障的辨识能力，为提高整流站保护的可靠性提供基础的高压直流输电系统整流站区内外故障识别方法。技术方案如下：

一种高压直流输电系统整流站区内外故障识别方法，包括以下步骤：

步骤a：信号采集与故障分量计算

步骤a1：实时采集整流站交流滤波器入口处的三相电流信号：ia、ib和ic；实时采集整流站区外的n条交流线路的近整流站端的三相电流信号分别为：ia_lj、ib_lj和ic_lj，j＝1,2,…n；

步骤a2：分别计算ia、ib和ic的故障分量：△ia、△ib和△ic；计算ia_lj、ib_lj和ic_lj，j＝1,2,…n的故障分量：△ia_lj、△ib_lj和△ic_lj，j＝1,2,…n；

步骤b：故障检测

步骤b1：确定△ia、△ib和△ic中的最大值△imax＝max(△ia,△ib,△ic)；

步骤b2：判断是否存在连续q毫秒采集数据的△imax>0.02×i：若否，则返回步骤a；若是，则确定整流站区内或区外发生故障，记录当前时刻为故障时刻t0，并进入步骤c；其中i为整流站交流滤波器相电流的额定值；

步骤c：计算交流滤波器电流故障分量模量的m次特征谐波绝对值与各交流线路电流故障分量模量的m次特征谐波绝对值的最大值的比值：

步骤c1：对△ia、△ib、△ic在故障后即t0时刻后s毫秒时间内的数据进行相模变换得到交流滤波器电流故障分量的模量：

对△ia_lj、△ib_lj和△ic_lj，j＝1,2,…n在t0时刻后s毫秒时间内的数据进行相模变换得到所述n条交流线路电流故障分量的模量：

步骤c2：对△i_acl进行s变换，提取交流滤波器电流故障分量模量的m次特征谐波为：△i_acl^m；

分别对△i_lj进行s变换，提取各交流线路电流故障分量模量的m次特征谐波：△i_lj^m，j＝1,2,…n；

步骤c3：计算交流滤波器电流故障分量模量的m次特征谐波的绝对值：△i_acl；

计算各交流线路电流故障分量模量的m次特征谐波绝对值的最大值：△il＝max(|△i_l1^m|,|△i_l2|,…,|△i_ln^m|)；

步骤c4：计算△i_acl与△il的比值

步骤d：整流站区内外故障识别

判断λ>kset是否成立：若是，则判断发生的故障为整流站区内故障；若否，则判断发生的故障为整流站区外故障；其中kset为故障识别阈值。

进一步的，所述步骤c2中的特征谐波次数m取11。

更进一步的，所述步骤d中的故障识别阈值kset取1.6。

本发明的有益效果是：

1)本发明可实现对整流站区内外故障的识别，为整流站保护赋予对整流站区内外故障的辨识能力，为提高整流站保护的可靠性提供基础；

2)本发明需要采集整流站交流滤波器入口处的三相电流信号和整流站区外交流线路的近整流站端的三相电流信号，各信号测点距离整流站的控制保护系统较近，无需依赖长距离通信汇总采集到的信号数据；

3)本发明仅需提取换交流滤波器电流故障分量模量的11次特征谐波和交流线路故障分量模量的11次特征谐波，由于11次特征谐波的频率为550hz，故本发明对信号的采样频率仅需在1100hz以上即可，对采样频率的要求较低，方便工程实施；

4)由于12脉动换流器的固有特性，现有的所有高压直流输电工程中的交流滤波器入口处和整流站区外交流线路的近整流站端均存在11次特征谐波，因此本发明可适用于所有的高压直流输电工程。

附图说明

图1为高压直流输电系统整流站区内外故障分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明高压直流输电系统整流站区内外故障分布如图1所示；高压直流输电系统整流站区内外故障识别方法具体实现步骤为：

步骤a：信号采集与故障分量计算

步骤a1：实时采集整流站交流滤波器入口处的三相电流信号：ia、ib、ic；实时采集整流站区外的n条交流线路l1～ln的近整流站端的三相电流信号：ia_l1、ib_l1、ic_l1，ia_l2、ib_l2、ic_l2，…，ia_ln、ib_ln、ic_ln。

在本实施例中，对各信号的采样频率为10000hz。

步骤a2：计算ia、ib、ic的故障分量△ia、△ib、△ic；计算ia_l1、ib_l1、ic_l1，ia_l2、ib_l2、ic_l2，…，ia_ln、ib_ln、ic_ln的故障分量：△ia_l1、△ib_l1、△ic_l1，△ia_l2、△ib_l2、△ic_l2，…，△ia_ln、△ib_ln、△ic_ln。

步骤b：故障检测

步骤b1：计算△ia、△ib、△ic的最大值△imax＝max(△ia,△ib,△ic)。

步骤b2：判断是否存在连续q毫秒采集数据的△imax>0.02×i成立：若否，则返回第a步；若是，则确定整流站区内或区外发生了故障，记录此时为故障时刻t0，并进入第c步工作；其中i为整流站交流滤波器相电流的额定值。

在本实施例中，q毫秒取0.5ms。

步骤c：计算交流滤波器电流故障分量模量的m次特征谐波绝对值与各交流线路电流故障分量模量的m次特征谐波绝对值的最大值的比值：

步骤c1：对△ia、△ib、△ic在故障后即t0时刻后s毫秒时间内的数据进行相模变换得到交流滤波器电流故障分量的模量：

对△ia_l1、△ib_l1、△ic_l1，△ia_l2、△ib_l2、△ic_l2，…，△ia_ln、△ib_ln、△ic_ln在t0时刻后s毫秒时间内的数据进行相模变换得到交流线路l1～ln电流故障分量的模量：

在本实施例中，s毫秒取1ms。

步骤c2：对△i_acl进行s变换，提取交流滤波器电流故障分量模量的m次特征谐波：△i_acl^m；分别对△i_l1，△i_l2，…，△i_ln进行s变换，提取各交流线路电流故障分量模量的m次特征谐波：△i_l1^m，△i_l2^m，…，△i_ln^m。

在本实施例中，特征谐波次数m取11。

步骤c3：计算交流滤波器电流故障分量模量的m次特征谐波的绝对值：△i_acl；

计算各交流线路电流故障分量模量的m次特征谐波绝对值的最大值：

△il＝max(|△i_l1^m|,|△i_l2|,…,|△i_ln^m|)。

步骤c4：计算△i_acl与△il的比值

步骤d：整流站区内外故障识别

判断λ>kset是否成立，若是，则判断发生的故障为整流站区内故障，若否，则判断发生的故障为整流站区外故障，其中kset为故障识别阈值。在本实施例中，故障识别阈值kset取1.6。

仿真实验

基于pscad/emtdc平台中的国际大电网标准高压直流输电系统模型的整流站区外搭建2条交流线路分别为l1与l2。l1的长度为20km，l2的长度为30km，国际大电网标准高压直流输电系统模型的整流站区内有2台换流变压器分别为bt1与bt2。分别在模型上设置不同故障类型与不同故障位置的整流站区内和区外故障，并利用本发明所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表1所示。其中f1表示整流站区内的直流侧高压端故障，f2-bt1与f2-bt2分别表示换流变压器bt1一次侧故障和换流变压器bt2一次侧故障，f3-l1与f3-l2分别表示整流站区外的交流线路l1与交流线路l2上发生的故障；表1中的ag表示a相接地故障，ab表示a相和b相两相短路故障，abc表示a相、b相与c相三相短路故障；表1中的故障距离表示f3-l1或f3-l2距离整流站换流母线m的距离；f1、f2-bt1、f2-bt2、f3-l1和f3-l2的过渡电阻均为60ω，f2-bt1、f2-bt2、f3-l1和f3-l2的故障初始角为30度。

表1仿真结果

根据表1中结果可知，在整流站区内发生不同类型故障时，λ均大于1.6，此时判断发生的故障为整流站区内故障；在整流站区外交流线路上距离整流站换流母线不同距离处发生不同类型故障时，λ均小于1.6，此时判断发生的故障为整流站区外故障。因此可知，无论在整流站区内还是整流站区外发生故障，本发明均能够准确识别，与本发明所要实现的目的一致。