基于时域电压行波的柔性直流电网单端量线路保护方法

1.本发明属于电网线路保护技术领域，尤其是基于时域电压行波的柔性直流电网单端量线路保护方法。


背景技术：

2.基于模块化多电平换流器的柔性直流电网凭借其具有谐波含量低、无换相失败问题、无功有功独立控制、运行损耗低等特点，成为未来智能电网的发展趋势之一。目前，架空线路成为柔直电网主要的输电方式，直流线路故障发生概率高。由于柔性直流电网惯性小、阻尼低，故障电流幅值大、上升速度快，在数毫秒内将危及整个电网，这对线路保护的速动性提出了极为严苛的要求，保护需在3ms内完成出口，以保障整个系统的安全稳定运行。因此，研究快速、准确识别故障的线路保护是直流电网发展的迫切需求。
3.根据是否需要通信通道，柔性直流电网线路保护可分为两类。一类是双端量保护，需交互线路两端信息才能实现故障识别。现有技术提出一种基于线性回归的柔性直流电网纵联保护，利用短时窗内线路两端电流的回归系数进行故障识别和选极；现有技术提出一种基于低频故障分量f检验的直流输电线路纵联保护，利用线路两端故障电流变化趋势在区内外故障下的差异实现故障识别；现有技术提出一种基于直流滤波环节暂态能量比的高压直流线路纵联保护，利用线路边界两侧的能量比值甄别区内外故障。然而在长距离输电时，较大的通信延迟将显著降低双端量保护的动作速度，此时唯有单端量保护有望满足柔性直流电网对保护速动性的要求。
4.另一类是单端量保护，仅需要线路单端的信息即可实现故障识别。现有技术利用hilbert能量幅值和波形信息在区内外故障下的区别构造故障识别判据，但该方法针对的是特高压直流输电系统，在柔直电网中难以适用；现有技术根据区内外故障下线模电压积分的显著差异，设计了一种基于限流电抗器电压积分凹凸性的时域单端量保护，但该保护针对的是双极柔性直流输电系统，在柔直电网中的适应还有待检验；现有技术基于首行波曲率在区内外故障下的差别，提出一种基于首行波曲率的线路单端量保护，耐过渡电阻能力有所提升，但在反方向故障下保护可能误动；现有技术利用限流电抗器对暂态电压高频分量的衰减作用，构造了一种基于高频暂态能量的区内外故障识别方法，可耐受200ω的过渡电阻，未考虑雷击干扰的影响；现有技术根据区内外故障模型与实测电气量的匹配程度，提出了一种基于模型识别思想的故障识别新方法，但该保护未考虑雷击干扰的影响。以上现有技术对直流线路单端量保护进行了研究和改进，但未很好地解决区内远端高阻故障拒动和雷击干扰误动的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出基于时域电压行波的柔性直流电网单端量线路保护方法，通过启动判据和选极判据形成完整的线路单端量保护方案。
6.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
7.基于时域电压行波的柔性直流电网单端量线路保护方法，包括以下步骤：
8.步骤1、测量保护测点处正极电压、负极电压以及电流数据，并计算故障分量线模电压；
9.步骤2、构建启动判据，并判断故障分量线模电压是否满足启动判据，若满足则进行步骤3，否则返回步骤1；
10.步骤3、计算故障分量线模电压前行波和反行波；
11.步骤4、根据前行波和反行波计算方向判别因子；
12.步骤5、构建方向判据，并判断方向判别因子是否为正方向短路故障，若为正方向短路故障则进行步骤6，否则为反方向短路故障或雷击干扰，进行保护复位；
13.步骤6、计算拟合误差；
14.步骤7、构建识别判据，判断拟合误差是否满足识别判据，若满足则为区内短路故障，并进行步骤8，否则为正方向非区内短路故障；
15.步骤8、计算选极因子；
16.步骤9、构建选极判据，根据选极因子与选极判据的关系判断为正极故障、双极故障还是为负极故障。
17.而且，所述步骤1中故障分量线模电压的计算方法为：
[0018][0019]
其中，u
pij
、u
nij
为保护测点p
ij
处测得的正极、负极电压，u0为系统正常运行时的线路电压(500kv)，δu
pij
、δu
nij
为p
ij
处的正极、负极故障电压分量，δu
0ij
、δu
1ij
为p
ij
处的地模、线模故障电压分量，可根据保护测点处的正、负极故障电压分量u
pij
、u
nij
得到该处的故障分量线模电压δu
1ij
。
[0020]
而且，所述步骤2构建的启动判据为为：
[0021]
|δu
1ij
(i)|＞δ
set
[0022]
其中，δu
1ij
为保护测点p
ij
处的故障分量线模电压；δ
set
为启动判据整定值，根据躲过正常运行时出现的最大不平衡故障分量线模电压整定。
[0023]
而且，所述步骤4中方向判别因子的计算方法为：
[0024][0025]
其中，w为方向判别因子，δu
qij
为保护测点p
ij
处的电压前行波，δu
fij
为保护测点p
ij
处的电压反行波；n为启动后0.5ms时间窗内电压行波的采样点个数，前、反行波的计算公式为：
[0026][0027]
其中，i
pij
、i
nij
为保护测点p
ij
处测得的正极、负极电流，i
0ij
为系统正常运行时保护测点p
ij
处的电流，δi
pij
、δi
nij
为p
ij
处的正极、负极故障电流分量，δi
0ij
、δi
1ij
为p
ij
处地模、线模故障电流分量，δu
1ij
为p
ij
处的线模故障电压分量，z
c1
为线路的1模电压行波阻抗，δu
qij
、δu
fij
为p
ij
处的故障分量1模电压前、反行波。
[0028]
而且，所述步骤5构建的方向判据为：
[0029][0030]
其中，w为方向判别因子，w
set
为方向判据整定值。
[0031]
而且，所述步骤6中拟合误差的计算方法为：
[0032][0033][0034]
其中，x为拟合误差同时也为识别因子，其大小为残差(δu
fij-y)的2范数；δu
fij
为以反行波首次到达保护处的时刻t1为起点，t时间内的故障首行波；t为时间窗长度，t1为反行波首次到达的时刻，t2为第二次到达的时刻记为；y＝y(t)为通过最小二乘法求得的拟合函数。
[0035]
而且，所述步骤7构建的识别判据为：
[0036][0037]
其中，x为拟合误差同时也为识别因子；x
set
为识别判据整定值，按躲过区内短路故障时出现的残差2范数最大值设定。
[0038]
而且，所述步骤8中选极因子的计算方法为：
[0039][0040]
其中，y为选极因子，δu
pij
为保护测点p
ij
处的故障分量正极电压，δu
nij
为保护测点p
ij
处的故障分量负极电压，n为启动后0.5ms时间窗内电压行波的采样点个数。
[0041]
而且，述步骤9构建的选极判据为：
[0042][0043]
其中，pgf为正极故障，pnf为双极故障，ngf为负极故障，y
set
为选极判据的整定值。
[0044]
本发明的优点和积极效果是：
[0045]
本发明根据电压行波反射系数在正、反方向短路故障或雷击干扰下的区别，构成了方向判据，避免反方向故障或雷击下保护误动；其次，利用电压行波传递函数解析区内短路故障和正方向非区内短路故障下保护处故障电压首行波满足的函数模型，根据故障首行波与基准函数模型之间匹配程度的不同结合启动判据和选极判据形成完整的线路单端量保护方法。本发明在pscad平台上搭建柔性直流电网模型验证保护性能，大量仿真结果表明所提保护适合用于线路主保护，满足柔直电网对保护速动性的要求，具备较强的可靠性和选择性，在各种位置发生短路故障或雷击干扰时都能准确辨识，能耐受500ω的过渡电阻，且理论分析表明对电网运行方式具有较强的适应性。
附图说明
[0046]
图1为本发明流程图；
[0047]
图2为本发明实施例搭建的柔性直流电网仿真模型结构图；
[0048]
图3为本发明实施例中采用的直流线路模型示意图；
[0049]
图4为本发明实施例中反方向故障或雷击双极故障仿真结果示意图；
[0050]
图5为本发明实施例中反方向故障或雷击干扰仿真结果示意图；
[0051]
图6为本发明实施例中正方向区外故障双极故障仿真结果示意图；
[0052]
图7为本发明实施例中正方向雷击干扰区内雷击干扰仿真结果示意图；
[0053]
图8为本发明实施例中双极短路故障区内双极故障仿真结果示意图；
[0054]
图9为本发明实施例中单极接地故障区内正极故障仿真结果示意图。
具体实施方式
[0055]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0056]
基于时域电压行波的柔性直流电网单端量线路保护方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0057]
步骤1、测量保护测点处正极电压、负极电压以及电流数据，并计算故障分量线模电压。
[0058]
故障分量线模电压的计算方法为：
[0059][0060]
其中，u
pij
、u
nij
为保护测点p
ij
处测得的正极、负极电压，u0为系统正常运行时的线路电压(500kv)，δu
pij
、δu
nij
为p
ij
处的正极、负极故障电压分量，δu
0ij
、δu
1ij
为p
ij
处的地模、线模故障电压分量，可根据保护测点处的正、负极故障电压分量u
pij
、u
nij
得到该处的故障分量线模电压δu
1ij
。
[0061]
步骤2、构建启动判据，并判断故障分量线模电压是否满足启动判据，若满足则进行步骤3，否则返回步骤1。
[0062]
启动判据为：
[0063]
|δu
1ij
(i)|＞δ
set
[0064]
其中，δu
1ij
为保护测点p
ij
处的故障分量线模电压；δ
set
为启动判据整定值，根据躲过正常运行时出现的最大不平衡故障分量线模电压整定。
[0065]
步骤3、计算故障分量线模电压前行波和反行波。
[0066]
步骤4、根据前行波和反行波计算方向判别因子。
[0067]
方向判别因子的计算方法为：
[0068][0069]
其中，w为方向判别因子，δu
qij
为保护测点p
ij
处的电压前行波，δu
fij
为保护测点p
ij
处的电压反行波；n为启动后0.5ms时间窗内电压行波的采样点个数。前、反行波的计算公式为：
[0070][0071]
其中，i
pij
、i
nij
为保护测点p
ij
处测得的正极、负极电流，i
0ij
为系统正常运行时保护测点p
ij
处的电流，δi
pij
、δi
nij
为p
ij
处的正极、负极故障电流分量，δi
0ij
、δi
1ij
为p
ij
处地模、线模故障电流分量，δu
1ij
为p
ij
处的线模故障电压分量，z
c1
为线路的1模电压行波阻抗，δu
qij
、δu
fij
为p
ij
处的故障分量1模电压前、反行波。
[0072]
步骤5、构建方向判据，并判断方向判别因子是否为正方向短路故障，若为正方向短路故障则进行步骤6，否则为反方向短路故障或雷击干扰，进行保护复位。
[0073]
方向判据为：
[0074][0075]
其中，w为方向判别因子，w
set
为方向判据整定值。
[0076]
步骤6、计算拟合误差。
[0077]
拟合误差的计算方法为：
[0078][0079][0080]
其中，x为拟合误差同时也为识别因子，其大小为残差(δu
fij-y)的2范数；δu
fij
为以反行波首次到达保护处的时刻t1为起点，t时间内的故障首行波；t为时间窗长度，t1为反行波首次到达的时刻，t2为第二次到达的时刻记为；y＝y(t)为通过最小二乘法求得的拟合函数。
[0081]
步骤7、构建识别判据，判断拟合误差是否满足识别判据，若满足则为区内短路故
障，并进行步骤8，否则为正方向非区内短路故障。
[0082]
识别判据为：
[0083][0084]
其中，x为拟合误差同时也为识别因子；x
set
为识别判据整定值，按躲过区内短路故障时出现的残差2范数最大值设定。
[0085]
步骤8、计算选极因子。
[0086]
选极因子的计算方法为：
[0087][0088]
其中，y为选极因子，δu
pij
为保护测点p
ij
处的故障分量正极电压，δu
nij
为保护测点p
ij
处的故障分量负极电压，n为启动后0.5ms时间窗内电压行波的采样点个数。
[0089]
步骤9、构建选极判据，根据选极因子与选极判据的关系判断为正极故障、双极故障还是为负极故障。
[0090]
选极判据为：
[0091][0092]
其中，pgf为正极故障，pnf为双极故障，ngf为负极故障，y
set
为选极判据的整定值。
[0093]
根据上述基于时域电压行波的柔性直流电网单端量线路保护方法，通过在pscad中搭建如图2所示的柔性直流电网仿真模型，以p
11
处保护为例验证所提单端量保护的性能，采用如图3所示的线路模型。设置短路故障或雷击干扰于“0时刻”发生，采样频率50khz。
[0094]
由于直流系统的非线性，一般难以通过简单计算完成直流保护定值的整定，通常采用数字仿真来确定各种保护的定值。遍历相关的短路故障或雷击干扰，各保护判据的整定值如表1所示。
[0095]
表1保护判据整定值
[0096][0097]
1、非区内短路故障分析
[0098]
对于图2中安装于p
11
处的保护而言，非区内短路故障主要包括：反方向短路故障(f5～f7)或雷击干扰(f5～f7)、正方向区外短路故障(f2～f4)和正方向雷击干扰(f1～f4)，此时保护应可靠不动作。根据图1所示的保护流程，考察以上几类情况下的保护性能。
[0099]
雷击干扰考虑较为常见的雷击正极线路，使用广泛认可的1.2/50us双指数雷电流进行仿真。
[0100]
1.1反方向故障或雷击
[0101]
当f5处(线路4中点)发生金属性双极短路故障时，保护测点p
11
处电压量如图4(a)所示，行波量如图4(b)所示。
[0102]
由图4可见，故障分量线模电压于0.16ms时大于整定值10kv，保护启动；以启动时刻0.16ms向后0.5ms的数据窗，计算得到的方向判别因子w为15.60，大于1.2，故根据图1，保护判断为反方向故障或雷击，无需进行识别和选极。
[0103]
当f5处(线路4中点)发生雷击干扰时，保护测点p
11
处电压量如图5(a)所示，行波量如图5(b)所示。从图中可看出，保护于0.18ms时启动，方向判别因子w为201.92，保护可靠不动作。
[0104]
当反方向发生其他不同类型的短路或雷击时，保护安装处的方向判别因子w均大于整定值1.2，判断为反方向的短路或雷击干扰，可靠不动作。相应的仿真结果如表2所示。
[0105]
表2反方向故障或雷击仿真结果
[0106][0107]
1.2、正方向区外故障
[0108]
当f4处发生金属性双极短路故障时，故障点位于线路2首端，保护测点p
11
处保护的故障分量线模电压如图6(a)所示，保护测点p
11
处保护的故障分量线模电压前、反行波如图6(b)所示，保护测点p
11
处保护的故障分量线模电压初始反行波及曲线拟合如图6(c)所示。
[0109]
从图6(a)可看出，0.64ms时故障分量线模电压满足启动判据，保护启动；从图6(b)中利用启动后0.5ms的数据计算出方向判别因子w为0.46，判断为正方向短路或雷击；图6(c)中根据启动前0.3ms和启动后0.5ms的数据，利用小波变换模极大值确定识别判据数据窗为0.5ms(从0.62ms开始)，并进行曲线拟合，由此计算出识别因子x为17.68，大于识别判
据整定值x
set
，保护不动作。
[0110]
当正方向区外其他位置发生短路故障时，仿真结果见表3。从中不难看出，对于各种正向区外故障，保护均可靠不动作。
[0111]
表3正方向区外故障仿真结果
[0112][0113][0114]
1.3、正方向雷击干扰
[0115]
当线路1中点(f1)发生雷击干扰时，保护测点p
11
处故障分量线模电压如图7(a)所示，保护测点p
11
处故障分量线模电压前、反行波如图7(b)所示，保护测点p
11
处故障分量线模电压初始反行波及曲线拟合如图7(c)所示。从中可看出，保护于0.32ms启动，通过启动后0.5ms内的数据计算出方向判别因子w为0.47，由小波变换模极大值方法得到识别判据时间窗长度为0.5ms，利用此时间段内数据做曲线拟合，得识别因子x为125.6，根据动作逻辑可知保护可靠不动作。
[0116]
当保护正方向其他位置发生雷击干扰时，对应的仿真结果如表4所示。依据保护动作逻辑，判断结果均为正方向非区内短路故障，即在正方向雷击干扰下保护均可靠不动作。
[0117]
表5正方向雷击干扰仿真结果
[0118][0119]
由以上分析可见，所提保护在雷击干扰、反方向短路和正方向区外短路下均不会误动。
[0120]
2、区内短路故障分析
[0121]
当线路1发生短路故障时，对应保护应可靠动作。以下从双极短路故障和单极接地故障两个方面来分析保护的动作情况。
[0122]
2.1、双极短路故障
[0123]
假设发生区内金属性双极短路故障，故障点至p
11
处的距离为线路1全长的25％，则保护处测量到的故障分量线模电压如图8(a)所示，保护处测量到的故障分量线模电压前反行波如图8(b)所示，保护处测量到的故障分量线模电压初始反行波及曲线拟合如图8(c)所示，保护处测量到的故障分量正负极电压如图8(d)所示。
[0124]
由图8(a)可知，故障发生后0.16ms故障分量线模电压绝对值大于10kv，满足启动判据，保护启动；启动后0.5ms的数据窗(0.16～0.66ms)，计算方向判别因子w为0.58，判断为正方向故障或雷击，如图8(b)所示；图8(c)中，启动前0.3ms至启动后0.5ms的数据(-0.14ms～0.66ms)，由小波变换模极大值方法求得故障电压反行波到达时刻为t1＝0.14ms、t2＝0.44ms，识别判据时间窗长度为t＝0.3ms(0.14～0.44ms)，并进行曲线拟合算出识别因子为x＝3.41，保护判断为区内短路故障；根据图8(d)中启动后0.5ms数据窗(0.16～0.66ms)内故障分量正、负极电压求出选极因子为y＝1.00，判断为双极短路故障，保护向断路器发出跳闸命令。以上叙述即为一次完整的保护流程。
[0125]
通过改变过渡电阻和故障位置，双极短路故障的过渡电阻不会很大，这里考虑0ω和50ω，故障位置以百分比表示，验证区内双极短路故障下的保护性能，仿真结果见表5。
[0126]
表5区内双极故障仿真结果
[0127][0128]
从表5可看出，对于各种类型的区内双极短路故障，保护均能做出准确判断，保护可靠动作。
[0129]
2.2、单极接地故障
[0130]
为了验证区内末端高阻故障时所提保护的性能，此处设置线路1末端发生正极接地故障，过渡电阻取500ω，保护测点处的故障分量线模电压如图8(a)所示，保护测点处的故障分量线模电压前、反行波如图8(b)所示，保护测点处的故障分量线模电压初始反行波及曲线拟合如图8(c)所示，保护测点处的故障分量正、负极电压如图8(d)所示。
[0131]
从图8可看出，p
11
处保护于0.62ms启动，方向、识别和选极判据的时间窗长度均为0.5ms，方向判别因子w为0.41，识别因子x为4.80，选极因子y为5.50，由图4的保护逻辑知判断结果为区内正极短路故障，保护在区内远端高阻故障下不会拒动。
[0132]
为验证过渡电阻和故障位置对保护性能的影响，过渡电阻取0ω、300ω、500ω，故障位置同样以百分比表示，仿真结果如表6所示。
[0133]
表7区内单极故障仿真结果
[0134][0135]
从表6中不难看出，当过渡电阻达到500ω时，保护仍能准确识别。
[0136]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。