一种全直流风电送出线路的单端量保护方法及相关装置

本发明属于风电场送出线路保护领域，特别涉及一种全直流风电送出线路的单端量保护方法及相关装置。

背景技术：

1、在能源转型和电力电子技术日趋成熟推动下，大规模风电接入电力系统大势所趋，其故障特征与常规电网不同，全直流风电输电系统具有控制灵活、组网方便、无换相故障等优点。在风电场的风电采集和传输过程中，传统交流集送、升压和输电系统的弊端越来越明显。风电交流集输中存在的谐波和无功补偿问题，它包含大量的电力电子转换器。这些电力电子转换器具有有限的承受过电流的能力。而且直流系统大多采用架空线路传输电能，在这种情况下，瞬时故障频繁发生。因此，高性能的高压直流输电线路保护对提高直流系统及与其互联的交流系统的安全可靠运行至关重要。

2、现有的直流输电线路保护主要包括行波保护、直流欠压保护、差动保护、交–直流导线碰线保护和金属回路导线保护，其中行波保护为主保护，其他为后备保护。行波保护和直流欠压保护是以电压变化率为动作判据，需要整定，当直流线路发生高阻接地故障时，这2种保护易拒动此外，直流输电线路行波保护的可靠性还受到下列因素的影响：1)噪声干扰引起的数据采样值波动；2)耦合电容分压式电压互感器行波传变能力差；3)高阻故障、线路太长以及线路直流电晕将使故障行波波头不明显。因此，有必要进一步研究新的稳定可靠、响应快速、具有绝对选择性的高压直流线路暂态保护。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种全直流风电送出线路的单端量保护方法及相关装置，以解决传统技术的高阻故障下波头不明显，受噪声影响大、阈值整定复杂的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种全直流风电送出线路的单端量保护方法，包括：

4、提取风电场送出线路保护安装处的电压信号，对提取到的电压信号进行解耦得到零模和线模分量，获取零模和线模分量的输电线路上幅频特性；

5、结合分析限流电抗器的边界特性和输电线路的上零模分量的幅频特性，获取初始反行波的内部和外部故障的解析表达式；

6、利用广义s变换对区内外故障的初始反行波进行处理，得到频域下的初始反行波的能量差异，计算发生区内故障和区外故障时初始反行波高频和低频能量比λ；

7、将高低频能量比λ与整定值相比，大于整定值判断区内为区内故障；小于整定值判断为区外故障。

8、可选的，提取风电场送出线路保护安装处的电压信号，对提取到的电压信号进行解耦得到零模和线模分量：

9、对于双极直流输电线路，正、负极之间存在耦合，通过如下极模变换将正、负极量解耦为零模量和线模量，当风电场送出线路发生故障时，采集风电场送出线路保护安装处的初始电压行波，数据窗为3ms；

10、

11、式中：up和un分别表示正极电压和负极电压；u1和u0分别表示电压的线模量和零模量；ip和in分别表示正极电流和负极电流；i1和i0分别表示电流的线模量和零模量。

12、可选的，获取零模和线模分量的输电线路上幅频特性：

13、根据线路的频变特性，故障首行波在直流线路上传播过程中的衰减和畸变，分析零模和线模在线路上的频率特性，分析直流输电线路的幅频特性；

14、

15、a(jω)＝e-γ(jω)l  (3)。

16、式中：γ(jω)为线路的传播系数；a(jω)为线路传递函数；l为线路长度；z和y为线路阻抗和导纳参数；

17、可选的，结合分析限流电抗器的边界特性和输电线路的上零模分量的幅频特性，获取初始反行波的内部和外部故障的解析表达式：

18、利用直流边界对高频分量的阻滞作用，当发生区内故障时，初始反行波从故障点经过输电线路传输至保护安装处；当发生区外故障时，初始反行波通过限流电抗器，经过输电线路传输至保护安装处，其高频分量衰减相比区内故障更严重。

19、可选的，利用广义s变换对区内外故障的初始反行波进行处理，得到频域下的初始反行波的能量差异：

20、广义s变换，的基本结构是:

21、

22、式中：t为时间；f为频率；j为虚数单位；τ是高斯窗函数的中心位置；

23、利用广义s变换将故障初始反行波提取到其频率分量，计算将0-10khz分成四等份，其7.5k-10khz高频和0-2.5khz低频；

24、可选的，当发生区内故障时，反向行波通过输电线路传输到保护安装现场；因此，故障点产生的故障电压δuf的初始行波复频域表达式为：

25、

26、式中：uf1为直流线路故障点处产生的故障行波的线模分量幅值，表达式为

27、

28、式中：u0为直流线路额定电压；rf为过渡电阻；zc0和zc1分别为直流输电线路零模和一模波阻抗；

29、当发生正向区外故障，故障的初始波通过线路的整个长度和边界传输到保护安装位置；根据的peterson等效电路，柔性直流输电线路边界分量的传递函数表达式为其初始反行波表达式如下：

30、

31、其中：a(s)为线路的传播函数、zc1为直流线路的波阻抗、ldc为限流电抗器；

32、可选的，通过广义s变换，信号在某一频率下的瞬态能量的数学定义如下：

33、

34、式中：s[k,j]复时频矩阵；k代表行向量；j代表采样点数；n为采样点数，n＝0，1，2，…，n-1。

35、可选的，计算发生区内故障和区外故障时初始反行波高频和低频能量比λ：

36、提取0-2.5khz的低频段和7.5k-10khz的高频段。单端保护是利用反向行波的高频和低频能量之比构建的单端量保护。

37、

38、

39、式中：s[k,j]复时频矩阵，k代表行向量，j代表采样点数，n为采样点数，n＝0，1，2，…，n-1。

40、可选的，整定值为0.8。

41、第二方面，本发明提供一种全直流风电送出线路的单端量保护系统，包括：

42、数据采集模块，用于提取风电场送出线路保护安装处的电压信号，对提取到的电压信号进行解耦得到零模和线模分量，获取零模和线模分量的输电线路上幅频特性；

43、故障的解析表达式获取模块，用于结合分析限流电抗器的边界特性和输电线路的上零模分量的幅频特性，获取初始反行波的内部和外部故障的解析表达式；

44、极性获取模块，用于利用广义s变换对区内外故障的初始反行波进行处理，得到频域下的初始反行波的能量差异，计算发生区内故障和区外故障时初始反行波高频和低频能量比λ；

45、区内外故障判断模块，用于将高低频能量比λ与整定值相比，大于整定值判断区内为区内故障；小于整定值判断为区外故障。

46、第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种全直流风电送出线路的单端量保护方法的步骤。

47、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种全直流风电送出线路的单端量保护方法的步骤。

48、与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

49、本发明提出了一种基于初始电压反向行波高低频比的单端保护，当风电场送出线路发生故障时，首先对保护安装处的初始反行波进行采样，其次对反行波频率分量进行分析，利用广义s变换提取频率分量的高频和低频能量，判断反行波高低频能量比是否满足故障识别条件，来判别区内外故障。该算法简单，易实现，能够识别常见的故障类型，具备较强的抗过渡电阻能力和抗噪声能力，能耐受500ω过渡电阻和30db高斯白噪声，并且对故障信号采样频率要求不高，在实际工程中可应用于后备保护。建立了四端风电全直流输电系统模型，受过渡电阻影响小，保护方法简单易行，可靠性较好，对线路采样装置要求较低，适用于风电送出系统。