CN110601155A - 一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种多端柔性直流输电***的保护方法，包括快速的初级保护策略和初级失效时的后备保护策略。该策略是一种基于电压和电流的非单位的保护策略，通过对局部位置电压和电流信号进行采样，结合故障电流随时间的变化率结合机器学***和动作时间，可以实现当多端柔性直流输电***初级保护失败时，快速辨别并选择和触发合适的直流断路器，从而在更短时间内清除短路故障，减小短路电流峰值，达到提高电网***安全稳定性的目的。

Description

一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法
技术领域
本发明属于电力***保护领域，尤其涉及一种多端柔性直流输电***的保护方法。
背景技术
随着直流输电技术的发展和特高压交直流技术的广泛应用，目前我国已经形成了含有大规模多馈入直流输电***和受端***。多端直流***虽然具有更高的兼容性、稳定性、可靠性和安全性。但是当其受端***交流故障可能引起整个***的崩溃，导致直流传输功率的中断，最终威胁到整个交直流***的安全稳定运行。多端柔性直流***直流故障保护是直流***发展的关键技术之一,主要技术难点包括直流故障的可靠识别和快速隔离。当故障发生时，保护***必须准确的定位故障并切除故障。保护***由初级保护***和后备保护***构成。故障发生时，初级保护立即动作切除故障；当初级保护失败时，后备保护必须启动并清除故障。目前的快速后备保护的采用的初级保护失败的故障识别算法为线性识别法，其故障电流时限为3ms。该算法的缺点为容易造成错误识别，因此在实际应用中受到了限制。
现有技术中，专利号为CN106253240B，名称为一种基于边界特性的多端柔性直流电网***单端量保护方法，首先采用小波分解提取出故障电流中的高频分量；计算出故障电流的高频暂态能量Ej和平波电抗器上的压降VL；然后利用平波电抗器上的压降VL判断故障方向；如果判断出正方向无故障，则退出故障保护流程；如果判断出有正方向故障，进一步利用高频暂态能量Ej判据判断区内是否存在故障；如果满足Ej＞Eset判定为区内故障，执行故障保护动作；否则，判定为区内无故障，退出故障保护流程。该方法不能在初级保护动作失败时快速的投入后备保护，因此本文提出了一种快速识别初级保护区内故障并触发合适的直流断路器的策略。本策略在初级保护动作失败时，能够快速的诊断故障并选择合适的触发时间去触发后备保护隔离故障，从而降低故障电流。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种实现了更加快速的保护动作，避免了大故障电流的产生的多端柔性特高压直流输电***的保护方法。本发明的技术方案如下：
一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其包括以下步骤：
S1、根据继电保护***采集线路的电压和电流信号，计算电流和电压的阈值Vth、Ith以及电流随时间的变化率
S2、通过电流随时间变化率的正负号判断故障是正方向故障和反方向故障；如果为正，则故障为正方向故障；如果为负，故障为反方向故障；然后过机器学习的k-means方法以采集的电压和电流为输入量，将输入量与阈值进行比较，预测出故障为区内故障还是区外故障；
S3、如果为区内故障且为正方向故障，则检查初级保护断路器状态并触发初级保护断路器开断信号，并记录故障是否清除，同时初级保护和后备保护的继电保护***之间交换故障状态和断路器动作状态信息；
S4、如果为区内故障且为反方向故障，则根据初级保护和后备保护***的状态，如果故障并未切除，则触发后备保护的断路器，清除故障。
S5、如果判定为区外故障，则说明区内无故障，退出故障保护流程。
进一步的，所述步骤S1中，阈值电压边界计算公式为：Vth＝A×idc+B,A和B是与***参数有关的常数；阈值电流边界计算公式为：Ith＝1.25idc；idc为被保护的线路电流。
进一步的，所述步骤2中k-means分类方法根据测量得到的初级保护继电***和后备保护继电***的电压、电流信号分为2类，即初级保护动作区域和后备保护动作区域，k-means算法中k取为2，度量距离选为闵可夫斯基距离，得出阈值电压计算公式的系数。
进一步的，所述步骤S3中，触发初级保护断路器开断动作的条件为：且线路电压小于阈值电压，线路电流大于阈值电流，触发动作信号。
进一步的，所述步骤S3中，初级保护继电***和后备保护继电***的信息交换机制为：初始状态均为0，当某一级保护动作了，则状态变为0。Tpp、Tbp分别表示初级保护和后备保护的动作信号，即：如果Tpp＝1,Tbp＝0，则表示初级保护已动作；如果Tpp＝0,Tbp＝1，则表示后备保护已动作，记录故障清除时，如果测量得到的电压小于线路电压，表明故障为清除，TFC＝1；TFC表示被保护线路故障状态，如果测量电压大于或者等于线路电压，则故障已清除，TFC＝0，将TFC的状态返回给后备保护***。
进一步的，所述步骤S4中，后备保护动作的条件为：TFC＝1，线路电压小于阈值电压，线路电流大于阈值电流，且等待0.2ms的超调时间，然后判断如果Tpp＝1,Tbp＝1，那么即发出后备保护动作信号。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明方法针对多端柔性特高压直流输电提出了一种初级和局部后备的保护策略，可以实现在初级保护区域高速的识别故障并选择触发合适的断路器，在后备保护区域可以快速的识别初级保护失败，并在等待0.2ms超调时间后触发动作信号，快速隔离故障。这种方法可以减小故障电流峰值和电压降低水平，与现有的线性辨识算法(3ms)相比，k-means方法可以快速准确的分类初级保护和后备保护的边界。同时，这种方法只是需要断路器安装位置的局部的***参数、电压和电流信号，不受***结构变化的影响。采用的朴素贝叶斯分类法只需要少量的数据就能做出高准确度的分类，对噪声数据不敏感，可是处理实时数据和离散数据。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的方法实施概要图；
图2是一种多端柔性特高压直流输电***的保护策略的流程图；
图3为本发明实施例提供k-means分类方法流程图。
图4为本发明实施案例的多端柔性直流***单线(图a)和母线保护区域布局图(图b)
图5为本发明实施案例的直线母线保护区域的布局图
图6为本发明实施案例中初级保护启动清除故障的电流电压波形图
图7为本发明实施案例中后备保护启动清楚故障的电流电压波形图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提供了一种基于机器学习的k-means分类器来确定初级保护和后备保护的阈值范围和动作时间的框架，通过测量局部电压和电流来确定和分类故障类型，从而实现后备保护的快速动作。相比较于现有的保护，本保护方法实现了更加快速的保护动作，避免了大故障电流的产生。当初级保护失败时，后备保护加速到了0.2ms之后即进行动作，同时实施本保护方案的继电保护***不受输电网络结构的改变。
在本发明实施例中，由于能够快速识别故障区域和初级保护是否正常切断故障，并能够快速启动后备保护，从而降低短路电流和电压降落，减少电网损失，达到提高电网***安全稳定性的目的。
本发明实施基于仿真案例进行介绍，其具体实施流程图见图2所示，实施步骤如下：
(1)实施案例的多端柔性特高压直流输电网路单线图见图4(a)所示，是一个四端模块化多电平换流器直流输电网络，为双极型输电网络，拥有环形网络，每一条线路两端都配有串联电抗器和混合型直流断路器。线路L24,L43,L31,L21andL32的长度分别为80km,80km,100km,100km和150km。通过陆地VSC电站(MMC-1和MMC-2)来控制直流线路的电压，控制方法为通过P-Vdc电压降控制和无功功率控制。故障发生于母线1和母线3之间的线路L31。线路的保护区域见图4(b)所示，划分为2个区域：区域1为初级保护区域，区域2位二级保护区域。继电器R13、R12和R1分别测量线路的电压电流信号V和I。***的参数见表1-表3所示：
表1***基本参数
表2PI参数
表3传输线路的π型结构等效参数
(2)精确的预测线路的故障区域是保护策略可靠执行的前提，因此首先根据线路的参数，PSCAD软件仿真采集线路的电压电流数据，采集频率10KHz，然后确定出前向故障和后向故障的边界。分别假设一个低阻接地和高阻接地(10Ω)故障发生于线路3的不同位置，将采集到的电压电流值画在一个平面，即V-I平面，然后采用K-means分类方法将数据分为区域1和区域2，得出区域和区域2的边界线。K-means分类方法流程图见图3所示，线路L31故障F3的区域1和区域2的边界线见图5所示，其阈值电压表达式为Vth＝80iR(t)+281，iR(t)表示继电器测量的电流(kA)。
(3)分别在8个不同位置的故障在L31线路上，用于测试初级保护和后别保护的策略，假设故障发生在1.4ms。初级保护检测到故障电流并产生一个断路器开断信号，并改变TPP-13和Tfc的值为1。故障位置的检测和切除通过电压电流阈值来判断，断路器CB13在1.15ms时开断，故障电流在经过2.375ms后减小为0，表示故障已清除，电压也已经恢复到大于阈值电压(400kV),然后Tvc的值返回为0.初级保护清除故障的电压电流波形以及R1继电器的状态波形见图6所示。
(4)当F3出故障未清除时，即初级保护切除故障失败，此时后备保护应该启动，触发断路器开断信号。根据本发明方法，后备保护等待0.2ms的超调时间后，后备保护启动，触发断路器B12、B13和B1的开断信号，切除故障。即在故障发生2.575ms后，此刻Tvc的值依旧为0，表明故障为清除，TBP-1信号发出，上述断路器在3.575ms后进行开断，故障电流在4.575ms后减小为0。电流电压的波形见图7所示。
(5)与线性识别算法相比，本方法可以将初级保护中故障清除时间从4.6ms,降低到2.375ms；把后备保护中故障清除时间从7.8ms降低到4.575ms，这说明了本发明的方法具有较大的应用优势。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据继电保护***采集线路的电压和电流信号，计算电流和电压的阈值Vth、Ith以及电流随时间的变化率
S2、通过电流随时间变化率的正负号判断故障是正方向故障和反方向故障；如果为正，则故障为正方向故障；如果为负，故障为反方向故障；然后通过机器学习的k-means方法以采集的电压和电流为输入量，将输入量与阈值进行比较，预测出故障为区内故障还是区外故障；
S3、如果为区内故障且为正方向故障，则检查初级保护断路器状态并触发初级保护断路器开断信号，并记录故障是否清除，同时初级保护和后备保护的继电保护***之间交换故障状态和断路器动作状态信息；
S4、如果为区内故障且为反方向故障，则根据初级保护和后备保护***的状态，如果故障并未切除，则触发后备保护的断路器，清除故障。
S5、如果判定为区外故障，则说明区内无故障，退出故障保护流程。
2.根据权利要求1所述的一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其特征在于，所述步骤S1中，区内故障初级保护阈值电压边界计算公式为：Vth＝A×idc+B,A和B是与***参数有关的常数；阈值电流边界计算公式为：Ith＝1.25idc；idc为被保护的线路电流。
3.根据权利要求2所述的一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其特征在于，所述步骤2中k-means分类方法根据测量得到的初级保护继电***和后备保护继电***的电压、电流信号分为2类，即初级保护动作区域和后备保护动作区域，k-means算法中k取为2，度量距离选为闵可夫斯基距离，得出阈值电压计算公式的系数。
4.根据权利要求2所述的一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其特征在于，所述步骤S3中，触发初级保护断路器开断动作的条件为：且线路电压小于阈值电压，线路电流大于阈值电流，触发动作信号。
5.根据权利要求4所述的一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其特征在于，所述步骤S3中，初级保护继电***和后备保护继电***的信息交换机制为：初始状态均为0，当某一级保护动作了，则状态变为1。Tpp、Tbp分别表示初级保护和后备保护的动作信号，即：如果Tpp＝1,Tbp＝0，则表示初级保护已动作；如果Tpp＝0,Tbp＝1，则表示后备保护已动作，记录故障清除时，TFC表示被保护线路故障状态，如果测量得到的电压小于线路电压，表明故障为清除，TFC＝1；如果测量电压大于或者等于线路电压，则故障已清除，TFC＝0，将TFC的状态返回给后备保护***。
6.根据权利要求5所述的一种多端柔性特高压直流输电***的保护方法，其特征在于，所述步骤S4中，后备保护动作的条件为：TFC＝1，线路电压小于阈值电压，线路电流大于阈值电流，且等待0.2ms的超调时间，然后判断如果Tpp＝1,Tbp＝1，那么即发出后备保护动作信号。
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