一种新型的高压直流输电线路双端量保护方法

本发明涉及高压直流输电继电保护，特别涉及一种新型的高压直流输电线路双端量保护方法。

背景技术：

1、高压直流输电技术由于其技术和经济上的独特优势，在电力大容量、长距离的输送和大区域联网中得到了广泛的应用。作为区域联网的联络线以及大功率传输线，高压直流输电线路的安全性和可靠性不仅关系到本系统的稳定性，一旦发生故障闭锁将给两端交流系统带来强烈冲击，因此，必须进一步研究新型的具有高可靠性和优良性能的直流线路保护方案。

2、目前直流输电线路保护方法分为单端法和双端法。单端保护方法使用本端的故障信息，不存在双端通信带来的时延问题，动作迅速，经常作为主保护使用，常见的单端保护方法包括行波保护、微分欠压保护等；双端保护方法虽然存在通信问题，导致难以保证保护动作的快速性，但是由于其利用双端信息，可以保证对故障更高的选择性，因此一般作为后备保护，如差动保护等。

3、电流差动保护作为直流线路行波保护和微分欠压保护的后备保护，具有绝对选择性，主要用于检测高阻接地故障。受线路分布电容的影响，保护需要增加适当延时来躲开故障初期差流波动造成的影响，同时，其动作延时还应短于直流低电压保护的动作延时，保护动作时长最高可达1100ms。直流线路的保护不同于交流输电，要求必须在毫秒级时间内做出快速响应，传统的双端量保护在速动性方面还达不到先于控制系统(约为30ms)动作的要求，因而对双端量保护的深入研究尤为重要。

4、为提高差动保护的灵敏性和快速性，一些专家学者针对双端暂态电气量保护的时频分析方法展开了大量研究。彭涛等《基于熵值的特高压直流输电线路双端电压保护》通过比较线路区内外故障两端故障电压600～700hz频率段信号的香农熵差异构造双端量保护，但此方法需要在不同故障类型下选取合适的基函数与时间窗口。李钊等《基于s变换的hvdc输电线路纵联保护方法》通过s变换分析区内外故障两侧电压电流的相角差异进行故障判别，但所提方案未具体分析保护的动作时间。齐国强等《基于hilbert-huang变换的hvdc突变量方向纵联保护方法》采用hilbert-huang变换分析故障电压与电流的极性差异，对故障分类较为准确，但存在模态混叠与端点效应问题。

5、以上论文所提保护方案采用双端电气量的时频分析方法进行故障区段的识别，保护的快速性得到了一定提升，但并未充分考虑实际工程中emd算法模态混叠与端点效应、保护动作时间晚于控制系统响应时间、耐受过渡电阻能力以及分布电容影响保护动作时间等问题，在时频分析算法的自适应、强解析、高可靠等方面仍有待优化。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种新型的高压直流输电线路双端量保护方法，具体技术方案如下：

2、一种新型的高压直流输电线路双端量保护方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，建立双极高压直流输电系统电磁暂态仿真模型，进行线路区内外故障仿真；

4、步骤s2，采集线路保护装置获取的正负极线路两端的暂态电流和正负极线路两端的电压；所述线路保护装置设置四个，分别设置在正极直流输电线路首、末端及负极直流输电线路首、末端；

5、步骤s3，计算极电流突变量，根据极电流突变量值构造极电流保护启动判据，并进行保护启动门槛值的整定，以判定直流线路是否发生了故障；若直流线路发生了故障，则进行步骤s4，否则返回步骤s2；电流保护启动判据为：其中，为正极或负极的极电流突变量，iset为保护启动门槛值，当判据满足时，保护装置启动；

6、步骤s4，根据线路保护装置获取的暂态电流计算线路两端的电流突变量；所述线路两端的电流突变量包括线路整流侧电流突变量和线路逆变侧电流突变量；根据线路保护装置获取的电压计算线路正负极整流侧的电压突变量，所述线路正负极整流侧的电压突变量包括线路正极整流侧电压突变量和线路负极整流侧电压突变量；

7、步骤s5，采用变分模态分解算法对步骤s3中的线路两端的电流突变量、线路正负极整流侧的电压突变量进行分解，将线路两端的电流突变量、线路正负极整流侧的电压突变量分解得到对应各阶imf分量与残余分量的叠加；

8、步骤s6，将线路两端的电流突变量的两组残余分量分别进行hilbert变换得到对应的两组hilbert相位角，进而得到hilbert相角差；

9、步骤s7，以hilbert相角差作为判别区内外故障的特征量，通过与设定的保护动作门槛值进行比较，判定直流系统发生区内故障还是区外故障；

10、步骤s9，将线路正负极整流侧的电压突变量分解得到的各阶imf分量分别进行hilbert变换，得到反映正负极整流侧的电压突变量的信号幅值随时间-频率分布的hilbert谱；

11、步骤s10，根据步骤s9得到的两组hilbert谱计算正负极整流侧的电压突变量的多频段hilbert能量，及正负极整流侧的电压突变量的多频段hilbert能量的能量比；

12、步骤s11，根据步骤s10得到的能量比构造选极判据，选出直流系统发生故障的故障极。

13、优选地，所述步骤s4中计算线路两端的电流突变量具体包括以下步骤：

14、根据实时采集到的线路整流侧的暂态电流ir、线路逆变侧的暂态电流ii，将其分别与直流系统发生故障前一个工频周期的正常运行时对应的暂态电流采样值做差，分别得到线路整流侧电流突变量δir和线路逆变侧电流突变量δii，具体如下：

15、

16、式中，n为采样点序数，t为工频周期，ir(n)、ii(n)分别为线路整流侧的暂态电流、线路逆变侧的暂态电流第n个采样点的值，δir(n)、δii(n)分别为线路整流侧电流突变量、线路逆变侧电流突变量第n个采样点的值，ir(n-t)、ii(n-t)分别为线路整流侧的暂态电流、线路逆变侧的暂态电流第(n-t)个采样点的值。

17、优选地，所述步骤s5中将线路两端的电流突变量分解为以下形式：

18、

19、其中，f(t)代表线路整流侧电流突变量信号或线路逆变侧电流突变量信号；μk(t)表示信号f(t)分解得到的第k阶imf分量，rk(t)表示信号f(t)的残余分量；k为模态分解个数。

20、优选地，所述步骤s5中还包括采用麻雀搜索算法对变分模态分解算法的二次惩罚因子α和模态分解个数k两个参数进行迭代寻优；当迭代寻优代收敛时，输出对应的二次惩罚因子α和模态分解个数k。

21、优选地，所述步骤s6中具体包括以下步骤：

22、将正极整流侧电压突变量信号或负极整流侧电压突变量信号分解后得到的残余分量rk(t)进行hilbert变换得到信号y(t)为：

23、

24、构造解析函数z(t)为：

25、z(t)＝μk(t)+jy(t)＝βk(t)ejθ(t)；

26、其中，解析函数z(t)的瞬时幅值βk(t)、hilbert瞬时相位角θ(t)分别为：

27、

28、

29、将线路两端的电流突变量的两组残余分量分别按上述步骤进行hilbert变换得到对应的两组hilbert瞬时相位角后并对两组hilbert瞬时相位角离散化，然后计算两组hilbert瞬时相位角之差的绝对值并做均值处理，得到hilbert相角差δθ，具体如下：

30、

31、其中，θr(n)、θi(n)分别表示线路整流侧电流突变量的hilbert相位角和线路逆变侧电流突变量的hilbert相位角，n为采样点数量。

32、优选地，所述步骤s7中判断标准如下：

33、

34、其中，θset1、θset2、θset3、θset4分别为设定的保护动作门槛值。

35、优选地，所述步骤s5中将正负极整流侧的电压突变量分解为以下形式：

36、

37、其中，f(t)'代表正极整流侧电压突变量信号或负极整流侧电压突变量信号；βk(t)表示信号f(t)'分解后的第k阶imf分量的瞬时幅值，ωk为信号f(t)'分解后的第k阶imf分量的瞬时频率，rk(t)'为信号f(t)'的残余分量；re表示取实部。

38、优选地，所述步骤s9中具体包括以下步骤：

39、省略线路正负极整流侧的电压突变量分解以后的残余分量rk(t)'，将正负极整流侧的电压突变量分解得到的各阶imf分量分别进行hilbert变换，得到反映正负极整流侧的电压突变量的信号幅值随时间-频率分布的hilbert谱h(ω,t)，具体如下：

40、

41、优选地，所述步骤s10中具体包括以下步骤：

42、根据hilbert谱h(ω,t)求得信号任一频段内的hilbert瞬时能量e(t)及其hilbert能量和esum，具体如下：

43、

44、

45、其中，ω1、ω2分别为起始角频率、结束角频率，t1、t2分别为故障采样时间的起点和终点时刻，

46、对e(t)'离散化处理得到e(n)'后，计算得到hilbert能量和esumr：

47、

48、采用上述步骤分别计算线路正极整流侧的电压突变量的高频hilbert能量和esumrh1、线路正极整流侧的电压突变量的低频hilbert能量和esumrl1、线路负极整流侧的电压突变量的高频hilbert能量和esumrh2、线路负极整流侧的电压突变量的低频hilbert能量和esumrl2；其中，低频的频率为1～500hz，高频的频率为6～10khz；

49、则能量比p的计算方式为：

50、

51、优选地，所述步骤s11中选极判据具体如下：

52、

53、其中，pset1、pset2分别为判据的门槛值上限、门槛值下限。

54、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种新型的高压直流输电线路双端量保护方法，通过采用变分模态分解算法对线路两端的电流突变量、线路正负极整流侧的电压突变量进行分解，并根据分解后的信号构建故障判据和故障选极判据，得到发生故障的区段和故障极。本发明所提出的故障判据可有效识别区内外故障与故障极，不受过渡电阻和故障距离的影响，保护方案对于区内单极故障与双极故障均有效。

55、而且采用麻雀搜索算法对变分模态分解算法的参数进行优化，不受分布电容的影响，线路保护装置可在23ms内动作，可较好满足直流线路的后备速动性要求。采用本发明经过麻雀搜索算法对变分模态分解算法的参数进行优化后，各个模态分量波形清晰，高频和低频分量均被准确地解析出来，可有效提取其故障特征。

56、本发明通过ssa对vmd算法的两种主要参数进行优化，增强了其自适应性，提取到故障暂态电压的高低频段分量更加准确；利用vmd-hilbert相角差和多频段hilbert能量和比值构造保护判据，受分布电容影响小，具有较强的耐受过渡电阻，对采样装置要求不高，可以实现对全长线路的快速可靠保护。