CN105098738A - 一种基于s变换的高压直流输电线路纵联保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，包括：采集与直流输电线路正、负极相连的保护元件处的电压和电流，对其进行滤波处理；提取故障后设定时间内的电压和电流突变量数据，对其进行S变换，得到电压和电流信号的复时频S矩阵；根据复时频S矩阵，计算电压和电流突变量在每个采样点的S变换相角及两者的相角差的均值；建立直流输电线路的保护判据，根据保护判据进行基于电压和电流突变量S变换相角差的区内、外的故障识别；若为区内故障，整流侧保护装置比较正、负极电压突变量的S变换零频带的暂态能量，进行故障极的判断。本发明不需要直流输电线路两端的数据同步，仅需要逆变侧向整流侧传送故障方向的识别结果。

Description

一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法

技术领域

本发明涉及一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法。

背景技术

特高压直流输电技术起源于20世纪60年代，由于换流设备的快速发展，近几年高压直流输电技术在世界范围内得到了广泛应用。高压直流输电具有功率传输稳定、输电容量大、传输效率高、可实现远距离输电等优点，已成为大能源基地电力外送、异步电网互联的重要方式。特高压直流线路输送距离远、送电功率大、穿越地形复杂，易遭受雷电、暴风雨等引起的故障，线路保护能否快速可靠地检测故障对直流输电***的安全运行意义重大。

目前运行中的直流输电线路继电保护技术主要由ABB或SIEMENS提供。主保护配置行波保护，利用线路上的故障行波来识别故障，动作速度快，但其可靠性和灵敏性易受过渡电阻和干扰的影响；慢后备保护配置电流纵联差动保护，利用线路两端电流量的简单加和构造保护判据，理论上具有绝对的选择性，但故障初期电流波动较大，需要一定的延时才能投入，速动性较差。因此，亟需研究可靠性高、不受过渡电阻影响的高压直流输电线路保护。针对目前直流线路保护存在的问题，众多学者对高压直流输电线路保护进行了大量研究，提出了许多有益的方法。

《±800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护》提出了一种利用区内、外故障时保护安装处测得的暂态电压小波能量的差异来识别故障的方法，该方法无需线路两端的通信，具有绝对选择性，但需要利用小波变换来准确识别初始电压行波的波头，远端高阻故障对其产生不利影响。

《基于电压和电流突变量方向的高压直流输电线路保护原理》利用在区内、外故障时直流线路两侧保护安装处测得的电压和电流突变量的方向特征判断故障，该原理根据两种故障信号的积分值是否超出门槛值构成保护判据，但其动作性能仍受故障位置、故障电阻的影响。

《利用电流突变特性的高压直流输电线路纵联保护新原理》提出了一种根据线路两端电流突变方向不同识别故障的方法，并构造了电流突变的识别判据，给出了其整定原则，该方法有效识别区内、外故障，但高阻故障和雷电干扰影响其门槛值的整定。

《特高压直流输电线路暂态能量保护》根据线路两端低频能量差值特征准确识别区内故障以及故障极，该方法简单，可靠，但需要线路两端的数据严格同步。

《AnovelpilotdirectionalprotectionschemeforHVDCtransmissionlinebasedonspecificfrequencycurrent》提出一种在特定频率下的纵联电流差动保护方法，该方法具有绝对的选择性，但同样需要线路两端的数据同步。

《Anovelwhole-linequick-actionprotectionprincipleforHVDCtransmissionlinesusingone-endvoltage》和《Anewwhole-linequick-actionprotectionprincipleforHVDCtransmissionlinesusingone-endcurrent》分别通过判断特定频带下单端电压或单端电流的积分值是否超过设定门槛来判别区内、外故障，其动作速度快，但发生长线路的远端故障时，保护的灵敏性可能无法满足要求。

《基于小波变换的高压直流输电线路暂态电压行波保护》在小波分析的基础上对暂态电压进行多尺度分析，利用暂态量的高低频能量差异构造保护判据，能正确判断故障，但小波变换的计算结果易受到小波基选取以及噪声的影响。

综上可知，现有高压直流输电线路保护方法各有特点，但没有动作速度快、不受过渡电阻以及雷电干扰等影响且灵敏度高的方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，本方法分析了直流线路区内外故障时电压和电流突变量的极性特征，利用S变换相角差的方法来判断故障分量的极性，进而构造保护判据以识别直流线路的区内外故障；利用S变换对故障信号的时频分析，提取两极的暂态电压S变换零频能量和，根据比值大小识别故障极，具有快速有效，雷击扰动、故障位置以及过渡电阻等因素对判据几乎没有影响，不需要两端数据同步，灵敏度高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，包括以下步骤：

(1)采集与直流输电线路正、负极相连的保护元件处的电压和电流，对其进行滤波处理；

(2)提取故障后设定时间内的电压和电流突变量数据，对其进行S变换，得到电压和电流信号的复时频S矩阵；

(3)根据复时频S矩阵，计算电压和电流突变量在每个采样点的S变换相角及两者的相角差的均值；

(4)建立直流输电线路的保护判据，直流线路整流侧的保护装置进行基于电压和电流突变量S变换相角差的区内、外的故障识别；

(5)若识别结果为直流输电线路区内故障，整流侧保护装置比较正、负极电压突变量的S变换零频带的暂态能量，进行故障极的判断。

所述步骤(2)中，设定时间为5ms。

所述步骤(3)中，计算信号S变换相角S_An的具体方式为:

S_An＝angle(S_n)(1)

式中，S_a[m,n]为信号经S变换得到的复时频S矩阵，其中n为列向量，表示信号在某一时刻的幅频特性；m为行向量，表示信号在某一频率下的时域特性，矩阵的每一个元素都表征该信号在某一采样时刻某一特定频率下的幅值信息与相角信息。

所述步骤(3)中，计算电压和电流突变量信号的S变换相角差ΔS_Ai的具体方式为：

${\mathrm{\ΔS}}_{A_i}=\stackrel{\‾}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}|S_{{\mathrm{AnI}}_i}-S_{{\mathrm{AnU}}_i}|}---\left(2\right)$

式中，i＝1或2，表示直流输电线路极1或极2，S_AnIi和S_AnUi分别为极i上电压和电流突变量在第n个采样时刻下的S变换相角，N为数据窗内的采样点数。

所述步骤(4)中，具体的保护判据为：

式中，S_AR、S_AI分别为直流输电线路在整流侧和逆变侧的故障方向判别逻辑值；

当S_AR·S_AI＝1时，即整流侧与逆变侧同时判断为正向故障时，识别为直流线路区内故障；当S_AR＝0或S_AI＝0时，确定为线路区外故障。

所述步骤(5)中，两极电压突变量的S变换零频带的暂态能量和的具体计算方法为：

$W_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}E(m,n)---\left(5\right)$

式中，E(m,n)＝{abs(S_a[m,n])}²，表示信号经S变换后在某一特定频率下某一采样点的S变换暂态能量，其中，m为行向量，n为列向量，N为采样点数。

所述步骤(5)中，故障极的判定方法为：

定义双极线路同侧保护装置安装处测得的正极与负极电压突变量的S变换零频带暂态能量和W_Z1和W_Z2的比值为则故障极的识别判据如下：

M＞k_WH，此时判断正极发生故障；

M＜k_WL，此时判断负极发生故障；

k_WL＜M＜k_WH，此时判断为极-极故障；

其中，k_WL和k_WH为判据的固定门槛。

本发明的有益效果为：

(1)利用S变换相角差识别电压和电流突变量的极性，从而识别区内外故障，利用两极电压突变量的S变换零频带暂态能量和的比值识别区内故障的故障极，在100kHz的采样频率下仅需5ms的数据窗即可完成判断，速动性强；

(2)在各种故障初始条件下可靠、快速地识别故障方向，过渡电阻、雷击干扰以及故障位置等因素对保护判据几乎没有影响，可靠性、灵敏性高；

(3)所提方法不需要直流输电线路两端的数据同步，仅需要逆变侧向整流侧传送故障方向的识别结果，对通信通道要求不高；

(4)识别方法原理简单、清楚，识别准确，易于工程实现，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为直流输电***简化等值电路；

图2为直流线路区内故障时的附加网络；

图3为直流线路区外故障时的附加网络；

图4为本发明的故障识别原理框图；

图5为±800kV特高压直流输电线路模型；

图6(a)为距整流侧5km处发生极1金属性接地故障时，在整流侧测得的5ms数据窗内极1上电压和电流突变量的S变换相角的变化曲线示意图；

图6(b)为距整流侧5km处发生极1金属性接地故障时，在逆变侧测得的5ms数据窗内极1上电压和电流突变量的S变换相角的变化曲线示意图；

图7(a)为整流站正极母线发生接地故障时，在整流侧测得的5ms数据窗内极1上电压和电流突变量的S变换相角变化曲线；

图7(b)为整流站正极母线发生接地故障时，在逆变侧测得的5ms数据窗内极1上电压和电流突变量的S变换相角变化曲线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图4所示，一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，包括以下步骤：

(1)***两侧保护实时采集与直流输电线路各极相连的保护元件处的电压和电流；

(2)将采集的电压和电流滤波后，提取故障后5ms的电压和电流突变量；

(3)***两侧保护分别对电压和电流突变量进行S变换，得到各个信号的复时频S矩阵，分别求取各个信号的S变换相角，得到电压和电流突变量在每个采样点的S变换相角S_AnIi，S_AnUi，然后求取二者相角差的均值，记为ΔS_Ai；

(4)构造保护判据，直流线路整流侧处的保护完成基于电压和电流突变量S变换相角差的区内外故障的识别；

(5)若识别为直流输电线路区内故障，整流侧处的保护通过比较两极电压突变量的S变换零频带的暂态能量和进行故障极的识别。

步骤(4)中，基于电压和电流突变量S变换相角差的区内外故障的识别原理为：

如图1所示为直流输电***简化等值电路，此处以正极直流线路为例，负极直流线路与此类似。Z_REC、Z_INV和Z_L分别为整流侧、逆变侧和直流线路的等值阻抗；i_R和u_R分别为直流线路M侧的电流和电压；i_I和u_I分别为直流线路N侧的电流和电压；为便于分析，规定正极和负极线路的电流正方向均为由换流站指向输电线路。

如图2所示为直流线路区内故障时的附加网络。根据叠加原理，正极直流线路区内故障时，等效于在故障点处叠加一个负的电压源u_F，Z_RL和Z_IL分别为故障点至整流侧和逆变侧保护安装处的线路阻抗；Δu_R，Δi_R和Δu_I，Δi_I分别为线路整流侧和逆变侧保护安装处的电压、电流突变量；R_F为故障接地电阻。线路区内任一处发生故障时，有

Δu_R＝-Δi_RZ_REC(6)

Δu_I＝-Δi_IZ_INV(7)

由式(6)和(7)所示，Δu_R和Δi_R的极性相反，Δu_I和Δi_I的极性也相反。

如图3所示为直流线路整流侧电抗器外侧发生故障时的附加网络。由图可知：

Δu_R＝Δi_R(Z_L+Z_INV)(8)

Δu_I＝-Δi_IZ_INV(9)

此时，Δu_R和Δi_R的极性相同，Δu_I和Δi_I的极性相反。当逆变侧电抗器外侧发生故障时，Δu_R和Δi_R的极性相反，Δu_I和Δi_I的极性相同。

若***发生交流侧故障，对于直流输电线路而言，此情况等同于直流线路区外故障，电压、电流突变量的极性关系与上述直流线路发生区外故障时相同。

因此，直流输电线路发生区内故障时，故障极两侧保护安装处检测到的电压和电流突变量的极性相反；直流输电线路的一侧发生区外故障时，离故障点近侧保护安装处检测到的电压和电流突变量的极性相同，另一侧极性相反。

而利用S变换可以提取故障分量的相角信息，因此故障后电压和电流突变量的极性可以由两个信号的S变换相角差进行识别，从而实现直流输电线路区内、外故障判别。

步骤(5)中，比较两极电压突变量的S变换零频带的暂态能量，进行故障极识别的判据的构建：

定义双极线路同侧保护安装处测得的极1与极2的电压突变量的S变换零频带暂态能量和W_Z1和W_Z2的比值为此时，故障极的识别判据如下：

M＞k_WH，此时判断为极1发生故障；

M＜k_WL，此时判断为极2发生故障；

k_WL＜M＜k_WH，此时判断为极-极故障。

上述判据中，k_WL和k_WH为判据的固定门槛，考虑到保护的灵敏性以及上述分析，k_WL的取值为0.80，k_WH的取值为1.25。

理论和仿真分析表明，直流线路发生单极接地故障时，故障极上保护安装处测得的S变换零频暂态能量和远大于同侧健全极的S变换零频暂态能量和；由于双极直流***的两极结构一般相同，当发生极-极故障时，两极线路同侧保护检测到的零频暂态能量和基本相同。

因此区内故障发生后，当线路保护安装处检测到的M大于门槛值k_WH时，判断极1为故障极；当M小于门槛值k_WL时，则判断极2为故障极；当M在二者之间时，判断为极-极故障。

所述步骤(4)和(5)中，***两侧保护安装处对于区内、外故障以及故障极的识别流程为：

由于直流输电***故障后的电流关断和***重启动都在整流侧完成，因此纵联保护仅需要逆变侧向整流侧传递故障方向的识别结果，由整流侧保护完成区内外故障和故障极的识别。

当逆变侧检测到S_AI＝0时，说明故障发生在逆变侧的反向，此时无论整流侧的保护对故障方向的判别结果如何，都判断为区外故障。当逆变侧检测到S_AI＝1，即故障发生在逆变侧的正方向时，逆变侧向整流侧传递故障方向信息，此时若整流侧的S_AR＝1，可判断为区内故障，并根据故障极的识别判据识别出故障极。

当整流侧检测到S_AR＝0时，表明故障发生在整流侧的背后，此时无需等待逆变侧的判别结果，可直接识别为区外故障；当检测到S_AR＝1时，故障发生在整流侧的正方向，但是否在线路内部尚需逆变侧传递的故障方向结果。

综上所述，只有当整流侧识别为正向故障且收到逆变侧的正向故障信息时，才最终识别为直流线路的区内故障，并由整流侧保护完成故障极的识别。

利用PSCAD构建直流输电***仿真模型，对所提方法进行仿真验证：

1)建立模型

仿真模型根据±800kV哈-郑特高压直流输电线路实际参数，利用PSCAD搭建了双极直流输电***仿真模型，如图5所示。其中，整流站与逆变站均采用双12脉波换流阀；线路采用依频模型，6***，全长2190km。

如图5所示，在模型中设置不同位置的直流线路区内外故障，以测试所提保护的性能。本文采样频率为100kHz，S变换的数据窗为5ms，***两侧保护在启动判据启动后分别进行计算。

2)区内故障仿真

a、金属性极地故障。距整流站出口5km处的F₁点设置正极线路即极1接地故障，过渡电阻为100Ω。图6(a)所示为极1线路整流侧故障后5ms数据窗内的电压和电流突变量的相角变化曲线。图6(b)所示为极1线路逆变侧故障后5ms数据窗内的电压和电流突变量的相角变化曲线。由图6(a)、图6(b)可知，无论线路两侧检测到的电压和电流突变量的相角如何变化，其两者差值的绝对值都为180°左右，表1为线路两侧的计算结果。

表1F₁点故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

	ΔSA1/(°)	SAR或SAI	WZ1/(V2)	WZ2/(V2)	M
						整流侧	173.6	1	153.1	0.5	303.2
逆变侧	182.3	1	30.5	10.0	3.05

由表1中的数据可知，整流侧保护计算得出的电压和电流突变量的S变换相角差为173.6°，逆变侧为182.3°，因此两侧电压和电流突变量的极性均相反，S_AR·S_AI＝1，结论为直流线路区内故障。又由于整流侧M＝303.2>k_WH＝1.25，因此判断极1为故障极，所提方法的判别结果准确。

b、极-极故障。在线路中点处设置极-极故障，表2为整流侧和逆变侧的仿真结果。

表2F₃点故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

	ΔSA1/(°)	ΔSA2/(°)	WZ1/(V2)	WZ2/(V2)	M
						整流侧	186.1	174.3	335.9	347.4	0.97
逆变侧	193.2	168.5	313.0	326.5	0.96

由表中数据可知，整流侧两极和逆变侧两极均检测到电压和电流突变量极性相反，即S_AR·S_AI＝1。又因为整流侧k_WL<M＝0.97<k_WH，即S变换零频暂态能量比值在门槛值以内，因此判断为区内极-极故障，所提方法的判别结果准确。

3)不同故障初始条件的仿真与分析

区内故障影响因素分析。设置负极线路(极2)区内故障，考察不同故障距离、不同过渡电阻对保护判据的影响。故障条件和仿真结果见表3，表中R_f为故障过渡电阻。

表3负极故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

由表3仿真数据可以得出：①在不同故障距离、不同过渡电阻的情况下，***两侧均能正确判断故障方向和故障极；②对于同一类型的故障，不同过渡电阻下计算得出的S变换零频暂态能量和变化明显，但最后的比值不影响判断结果。

4)雷击干扰与故障性雷击仿真

对逆变侧线路出口处10km的F₂点进行不同初始条件下的雷击干扰、故障性雷击仿真，仿真结果如表4所示。表中，ΔS_RA、ΔS_IA代表整流侧和逆变侧的正极S变换相角差，S_A(＝S_AR·S_AI)表示整流侧得到的逻辑计算值。

表4F₂点雷击干扰故障与雷击故障的仿真结果

由表4数据可知，在不同的雷电流干扰下，线路两侧的S变换相角均在保护判据范围之外，判别结果正确；若雷击线路并引起了故障，线路两侧的S变换相角均在保护判据范围以内，保护判定为区内故障。仿真结果表明该方法可有效识别雷击干扰。

5)区外故障仿真

a、电抗器外侧故障。当整流站的正极母线F₄处接地故障时，图7(a)、图7(b)显示了正极线路两侧检测到的S变换相角变化曲线。

由图7(a)、图7(b)可知，对于正极线路外侧区外故障，整流侧检测到的电压和电流突变量的S变换相角变化曲线几乎重合，逆变侧检测到的S变换相角变化曲线的角度差始终为180°左右，满足区外故障时电压和电流突变量的极性特征。

为测试区外故障时过渡电阻对判据的影响，同样在F₄处设置不同过渡电阻的接地故障，表5显示了在正负极线路的两侧检测到的电压、电流突变量的S变换数据以及判别结果。

表5F₄点故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

由表5仿真结果可知，在不同过渡电阻下，线路两侧均能正确检测到S_AR＝0,S_AI＝1，即故障发生在整流侧保护安装处的外侧。由于电磁耦合的作用，健全极也能检测到相应的S变换相角，但不影响故障极区内外故障的判断。

b、交流侧故障。不失一般性，本次仿真在逆变站交流母线F₅故障点处设置不同类型的故障，仿真结果如表6所示。

表6F₅点故障时整流侧和逆变侧的仿真结果

由表6结果可知，对于发生在交流侧的各种故障类型，所提判据能正确识别故障方向，所提方法判别结果准确。

本发明利用直流输电线路区内、外故障时线路两端电压和电流突变量的极性特征，先对电压和电流突变量进行S变换，求得电压和电流突变量的S变换相角差，从而判断两者的极性，进而识别区内、外故障，通过比较两极电压突变量的S变换零频带的暂态能量和进行故障极的识别。仿真分析表明，在各种故障条件下，本发明均能正确识别区内外故障、故障极以及雷电干扰，灵敏度高，可靠性强。另外，该发明只需要5ms的数据窗进行计算，动作速度快。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)采集与直流输电线路正、负极相连的保护元件处的电压和电流，对其进行滤波处理；

(2)提取故障后设定时间内的电压和电流突变量数据，对其进行S变换，得到电压和电流信号的复时频S矩阵；

(3)根据复时频S矩阵，计算电压和电流突变量在每个采样点的S变换相角及两者的相角差的均值；

(4)建立识别直流输电线路区内外故障的保护判据，直流线路整流侧处的保护装置进行基于电压和电流突变量S变换相角差的区内、外故障的识别；

(5)若识别结果为直流输电线路区内故障，整流侧保护装置比较正、负极电压突变量的S变换零频带的暂态能量，进行故障极的判断。

2.如权利要求1所述的一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：所述步骤(2)中，设定时间为5ms。

3.如权利要求1所述的一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：所述步骤(3)中，计算信号S变换相角S_An的具体方式为:

S_An＝angle(S_n)(1)

式中，S_a[m,n]为信号经S变换得到的复时频S矩阵，其中n为列向量，表示信号在某一时刻的幅频特性；m为行向量，表示信号在某一频率下的时域特性，矩阵的每一个元素都表征该信号在某一采样时刻某一特定频率下的幅值信息与相角信息。

4.如权利要求1所述的一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：所述步骤(3)中，计算电压和电流突变量信号的S变换相角差ΔS_Ai的具体公式为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{A_i}=\stackrel{\&OverBar;}{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}|S_{{\mathrm{AnI}}_i}-S_{{\mathrm{AnU}}_i}|}---\left(2\right)$

式中，i＝1或2，表示直流输电线路极1或极2，S_AnIi和S_AnUi分别为极i上电压和电流突变量在第n个采样时刻下的S变换相角，N为数据窗内的采样点数。

5.如权利要求1所述的一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体的保护判据为：

式中，S_AR、S_AI分别为直流输电线路在整流侧和逆变侧的故障方向判别逻辑值；

当S_AR·S_AI＝1时，即整流侧与逆变侧同时判断为正向故障时，识别为直流线路区内故障；当S_AR＝0或S_AI＝0时，确定为线路区外故障。

6.如权利要求1所述的一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：所述步骤(5)中，两极电压突变量的S变换零频带的暂态能量和的具体计算方法为：

$W_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}E(m,n)---\left(5\right)$

式中，E(m,n)＝{abs(S_a[m,n])}²，表示信号经S变换后在某一特定频率下某一采样点的S变换暂态能量，其中，m为行向量，n为列向量，N为采样点数。

7.如权利要求1所述的一种基于S变换的高压直流输电线路纵联保护方法，其特征是：所述步骤(5)中，故障极的判定方法为：

定义双极线路同侧保护装置安装处测得的正极与负极的电压突变量的S变换零频带暂态能量和W_Z1和W_Z2的比值为此时，故障极的识别判据如下：

M＞k_WH，此时判断为正极发生故障；

M＜k_WL，此时判断为负极发生故障；

k_WL＜M＜k_WH，此时判断为极-极故障；

其中，k_WL和k_WH为判据的固定门槛。