CN109541392B - 一种适用于柔性直流输电***的单端故障测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于柔性直流输电***的单端故障测距方法，包括：输电***检测到发生单极接地故障时，双端换流器快速闭锁，一侧断路器在故障发生后优先跳闸；等待故障暂态过程结束，在稳态采集数据进行故障测距：定义虚拟线路阻抗，综合利用电压和电流中的直流和3k次谐波分量，在频域下计算他们的沿线分布，而后在时域下获取一组沿线各距离在不同时刻下的电压、电流构成的数据组，求取虚拟线路阻抗，根据虚拟线路阻抗仅在故障点处波动最小的特点，利用方差思想建立故障测距函数；通过对所有测距结果进行数值比较，取其最小者为最终故障距离；计算故障距离，另一侧断路器跳闸实现故障清除。

Description

一种适用于柔性直流输电***的单端故障测距方法
技术领域
本发明属于电力***继电保护领域，具体涉及一种柔性直流输电***的故障测距方法。
背景技术
柔性直流输电技术由于其在灵活控制、电能质量和输电损耗等方面的突出优势，更加有利于西部地区新能源规模化开发与远距离外送。架空线路输电已成为柔性直流输电技术的主要发展方向，但受限于瞬时性直流故障频发等工程问题。准确可靠的故障测距是支撑新能源跨区输送的关键技术，在MMC-HVDC直流输电线路发生故障后，快速定位故障点并清除故障，对于提高***运行的经济性和可靠性具有重要意义
目前，国内外针对MMC-HVDC输电***故障测距的研究相对较少，可借鉴传统直流输电***和VSC-HVDC输电***的测距方法。直流输电***的故障测距方法主要分为行波法和故障分析法两类。高压直流输电在工程上大多采用行波法进行故障测距，但这类方法对设备的采样频率要求高达1MHz，且存在行波波头识别较为困难、抗干扰性差等技术问题，测距精度易受影响。非行波故障测距方法除个别采用R-L模型外，其余均采用贝瑞隆分布参数模型，没有考虑线路的频变特性，因此只有在线路特征阻抗远小于波阻抗时才具有较高精度，且存在线路参数固定、采样率低导致测距精度低等缺陷。
在高压长线直流输电***中，线路模型的精确性直接影响故障测距方法的精度，而在实际工程中线路参数往往是频变的，所以在采用频变参数模型的仿真环境中，上述方法均出现了较大的误差。因此，提出适用于频变参数模型的故障测距原理是非常具有工程实际意义的，是柔性直流输电***发展与推广的迫切需求。
发明内容
该发明针对双端柔性直流输电***，设计一种单端故障测距方法，相较传统的单端故障测距方法，该方法基于频变参数模型，可以有效降低采样频率并提高测距精度。本发明能够在***不同位置发生单极接地故障时保证测距的精确性，相较于其他测距方法，该测距方法在低采样频率、大过渡电阻情景下仍能可靠动作。本发明的技术方案如下：
一种适用于柔性直流输电***的单端故障测距方法，包括如下步骤：
(1)输电***检测到发生单极接地故障时，双端换流器快速闭锁，一侧断路器在故障发生后优先跳闸；
(2)等待故障暂态过程结束，在稳态采集数据进行故障测距：定义虚拟线路阻抗Z：
Figure BDA0001829235280000021
式中：Udc(x,t)和Idc(x,t)为距离直流电源侧母线x处在不同时刻下的故障电压电流的直流分量，u3(x,t)和i3(x,t)为距离直流电源侧母线x处在不同时刻下的3次谐波分量故障电压和故障电流，u3k(x,t)、i3k(x,t)分别为距离直流电源侧母线x处在不同时刻下的第3k次谐波分量故障电压和故障电流，其中k＝1、2、3…；
综合利用电压和电流中的直流和3k次谐波分量，在频域下计算他们的沿线分布，而后在时域下获取一组沿线各距离在不同时刻下的电压、电流构成的数据组，求取虚拟线路阻抗，根据虚拟线路阻抗仅在故障点处波动最小的特点，利用方差思想建立故障测距函数：
Figure BDA0001829235280000022
式中：Zi(x)为第i次测得的线路上某点的虚拟阻抗值，
Figure BDA0001829235280000023
为线路上某点获取的虚拟线路阻抗平均值；
通过对所有测距结果进行数值比较，取其最小者为最终故障距离；
(3)计算故障距离，另一侧断路器跳闸实现故障清除。
本发明相对于现有的技术有以下优点：
1、相较基于双端电气量故障测距方法，本方法不存在数据同步、投资成本高等问题，对于提高***运行的经济性和可靠性具有重要意义。
2、相较行波测距和基于贝瑞隆模型的测距方法，本方法对采样频率的要求更低，原理上不受过渡电阻和分布电容的影响，在频变参数环境下测距精度高。该方法不仅适用于大规模新能源跨区输送的点对点式柔性直流输电***，对于小规模柔性直流电网、非环状网络的单出线站等也具有适用性。
附图说明
图1为双端柔性直流输电***；
图2为故障测距动作策略时序图；
图3为单端电气量故障测距计算流程。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
图1所示为一个典型的双端柔性直流输电***，相比于极间短路故障，单极接地故障发生率更高但危害较小，故本发明只考虑单极接地故障。
图2为故障测距动作策略时序图。具体保护方案如下：
1.当***发生单极接地故障，3ms左右完成故障检测。
2.考虑动作的延时性，1ms左右双端换流器可靠闭锁，避免子模块电容的放电与能量损失。
3.一侧断路器在故障检测3～5ms左右优先跳闸，另一侧延时跳闸(根据两侧交流电网相对强弱选择，本发明以逆变侧断路器优先跳闸为例)。
4.等待故障暂态过程结束，在稳态采集4ms数据窗进行故障测距。利用直流线路故障后的电压和电流中的直流和3k次谐波分量，进行故障测距。
当输电线发生金属性短路时，故障点处电压
Figure BDA0001829235280000031
可得计算点距整流侧x处的电压
Figure BDA0001829235280000032
和电流
Figure BDA0001829235280000033
为：
Figure BDA0001829235280000034
式中：
Figure BDA0001829235280000035
为线路故障点电压、电流的相量形式。
Figure BDA0001829235280000036
和
Figure BDA0001829235280000037
分别为线路特征阻抗和传播常数，x'＝l-x。
则可求得计算点到故障点之间的等效输入阻抗为：
Figure BDA0001829235280000038
令
Figure BDA0001829235280000039
则上式可化简为：
Figure BDA0001829235280000041
上式是在某一频率下求得采样点到故障点之间的等效输入阻抗，但受输电线路频变特性影响，不同频率下等效输入阻抗也会不同，其表达式应为距整流侧距离x和频率f的二元函数，即：
Zeq(x,f)＝Req(x,f)+jωLeq(x,f) (5)
本发明对沿线电压、电流中直流分量与所有3k次谐波分量之和的比值所构造的虚拟线路阻抗进行分析。定义虚拟线路阻抗：
Figure BDA0001829235280000042
式中：Udc和Idc为故障电压电流的直流分量，u3k(x,t)、i3k(x,t)分别为第3k次谐波分量对应的故障电压和故障电流，k＝1、2、3…。
由于逆变侧换流站的直流断路器优先动作，输电线路的故障电流仅由整流侧提供，不存在对端助增问题。利用式(5)将可虚拟线路阻抗化简表示为：
Figure BDA0001829235280000043
其中：
Figure BDA0001829235280000044
对沿线任一位置而言，式(8)中的直流电流Idc(x,t)、线路等效电阻Req(x,0)和Req(x,3k)、线路等效电感Leq(x,3k)均为定值，仅因谐波电流i3k(x,t)的存在造成了K(x,t)为一个变量。当且仅当x＝xF时，即沿线电压、电流计算点与故障点重合时，式(5)所示的线路等效输入阻抗Zeq(x,0)＝Zeq(x,3k)＝0，因此有K(x,t)＝0，此时虚拟线路阻抗Zeq(x,t)＝RF恒定。而当x≠xF时，Z(x,t)由于变量K(x,t)的存在而随时间变化，因此虚拟线路阻抗仅在故障点处恒定。
根据上述分析，虚拟线路阻抗仅在故障点处为恒定常数，因此，可根据虚拟线路阻抗仅在故障点处波动最小的特点进行故障测距。利用方差思想建立故障测距函数：
Figure BDA0001829235280000051
式中：Zi(x)为第i次测得的虚拟阻抗值，
Figure BDA0001829235280000052
为线路上某点获取的虚拟线路阻抗平均值。
通过如下的测距判据进行故障测距：
f(xF)＝min[f(x)] (10)
直流输电线路正负极间存在的电磁感应会影响计算沿线电压和电流分布时的准确性。为此，首先将整流侧线路出口处测得的正极和负极电气量进行解耦，在1模和0模量下分别进行计算。在两种分量的各自模量下，采用与频率相对应的1模和0模量线路参数，得到模量下的沿线电压、电流分布：
Figure BDA0001829235280000053
式中：
Figure BDA0001829235280000054
和
Figure BDA0001829235280000055
为相应频率下直流侧故障极线路出口处单端电气量。
理论上，虚拟线路阻抗仅在故障点处恒定的特点，对于故障极沿线电压、电流中的直流分量与任意3k次谐波分量叠加均成立，考虑到三次谐波是谐波分量中的最主要成分，可只提取其中的直流分量和三次谐波分量进行故障极沿线电压、电流分布计算，既不影响测距精度，又减小了计算量。计算时使用离散傅里叶变换实现模量信号中直流分量和谐波分量的有效提取。在已知某一频率线路参数的情况下，利用卡松公式得到任意频率下的线路参数。
通过相模反变换矩阵，将两种分量的各自模电压合成得到故障极电压，将模电流合成得到故障极电流；将合成得到的两种分量的故障极电压、电流通过离散傅里叶反变换返还到时域后叠加，得到线路全长范围内任一点故障电压和电流中的直流分量和三次谐波分量的时域叠加表达式；在时域下获取一组沿线各距离在不同时刻下的电压、电流构成的数据组，代入测距函数进行故障测距。
5.在故障发生之后大约20ms左右采样完成，另一侧断路器在之后的10ms之内跳闸实现故障清除，整个过程不超过30ms。
综上所述，可得单端电气量故障测距流程图如图3所示。
本发明所提的测距方法最短只需采集4ms数据窗，其余均依靠高速DSP进行离线计算。原则上，沿线电压、电流分布计算点步长ΔS越密集，测距精度越高，但又会影响测距算法的计算速度。在二者冲突的情况下，应优先保证测距精度，为了提高计算速度又不失精度，建议ΔS取值1km。两端换流器均由半桥子模块组成，输电线路模型采用频变参数模型，
考虑到只需提取单端电气量中的直流和三次谐波分量，根据奈奎斯特–香农采样定理可确定采样频率只需大于300Hz，因此本发明测距方法对采样频率要求较低，在仿真时，综合考虑动作可靠性和工程实际等因素，数据采样频率取为10kHz。

Claims (1)

1.一种适用于柔性直流输电***的单端故障测距方法，包括如下步骤：
(1)输电***检测到发生单极接地故障时，双端换流器快速闭锁，输电***直流线路逆变侧断路器在故障发生后优先跳闸；
(2)等待故障暂态过程结束，在稳态采集数据进行故障测距：定义虚拟线路阻抗Z：
Figure FDA0002444693030000011
式中：Udc(x,t)和Idc(x,t)为距离直流电源侧母线x处在不同时刻下的故障电压电流的直流分量，u3(x,t)和i3(x,t)为距离直流电源侧母线x处在不同时刻下的3次谐波分量故障电压和故障电流，u3k(x,t)、i3k(x,t)分别为距离直流电源侧母线x处在不同时刻下的第3k次谐波分量故障电压和故障电流，其中k＝1、2、3…；
综合利用电压和电流中的直流和3k次谐波分量，在频域下计算他们的沿线分布，而后在时域下获取一组沿线各距离在不同时刻下的电压、电流构成的数据组，求取虚拟线路阻抗，根据虚拟线路阻抗仅在故障点处波动最小的特点，利用方差思想建立故障测距函数：
Figure FDA0002444693030000012
式中：Zi(x)为第i次测得的线路上某点的虚拟阻抗值，
Figure FDA0002444693030000013
为线路上某点获取的虚拟线路阻抗平均值；
通过对所有测距结果进行数值比较，取其最小者为最终故障距离；
(3)计算故障距离，输电***直流线路整流侧断路器跳闸实现故障清除。
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Granted publication date: 20200901

Termination date: 20211015

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