CN113009275A - 一种柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法，包括以下步骤：(1)在检测到交流架空线‑电缆混合线路故障发生后，采集线路交流电源侧的电压和电流信息，采集换流器并网点处的电压信息，得到电压和电流的负序分量。(2)基于分布参数模型，以交流电源侧采集到的电压和电流的负序分量计算得到沿线负序电压分布。(3)以交流电源侧电气量信息计算得到的沿线负序电压幅值分布，将其与换流器并网点处采集到的负序电压幅值比较，根据故障点处两者幅值差最小的特点，通过幅值差函数确定故障距离。

Description

一种柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法
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接入的交流混合线路双端故障测距方法。
背景技术
柔性直流由于具有控制灵活、不存在换相失败和输电损耗低等突出优势，近几年在交流电网大区异步互联、区域输电网改造加强等方面取得了大量的实际工程应用，逐步形成了柔***直流混合输电***的格局。对于柔性直流接入的交流输电线路，在向城市负荷中心变电站输送电能过程中，考虑到投资成本和高压电缆中间接头故障率较高，无法使用大段长距离的电缆线路。但是为了配合城市现代化发展，由于电缆线路具有占地面积小、不受恶劣天气影响、市容市貌美观等优点，在特定路径上需要改设为电缆线路。交流架空线-电缆混合线路兼具了经济性和环保性的优势，具有广阔的应用前景。交流架空线-电缆混合线路的线路参数不均匀，架空线和电缆的故障原因和性质大不相同，在故障发生后，准确有效地计算出故障位置并及时清除故障，对于提高电网供电可靠性具有重要意义。因此，有必要研究有效的故障测距方法。
目前，已有的交流混合线路故障测距方法可分为行波法、人工智能算法和故障分析法三大类。行波法以检测暂态电流行波波头为主，辅以信号处理手段。但要求的采样频率极高，且混合线路连接点处折反射复杂，波头识别较为困难。人工智能算法处理过程复杂，且依靠大量仿真数据用于训练，性能尚待实际工程检验。故障分析法可分为单端和双端两种，单端故障测距方法原理简单，但受对侧***信息影响带来的误差难以避免。双端测距方法一是从线路两端分别计算沿线电压分布，根据故障点处电压幅值相等确定故障测距，二是建立混合线路连接点处的故障区域识别函数，先确定故障区段再计算故障距离。双端测距方法更为精确可靠，但是与单端测距方法相比过程非常复杂，且对数据同步和通信技术要求较高。
柔性直流接入为交流混合线路带来了新的故障特性，其换流器配置的控制策略会影响交流输出特性，近而影响现有双端故障测距方法的性能。换流器的低电压穿越控制策略使并网点处的正序电压和流过的正序电流在故障暂态的调节过程中呈现非线性时变，因无法准确提取基频电气量而影响基于双端正序电气量的故障测距方法的精度。换流器的负序电流抑制策略使其输出的负序电流被抑制为零，使得基于双端负序电气量的故障测距方法失效。因此，有必要考虑换流器控制策略的影响，提出适用的故障测距方法。
发明内容
本发明针对柔性直流接入的交流架空线-电缆混合线路，设计一种双端故障测距方法。相较传统的双端故障测距方法，该方法从柔性直流换流器配置的控制策略出发，利用控制策略下的负序网络仅包含交流电源侧，换流器并网点至故障点间的输电线路上流过的负序电流为零的故障特性，将交流电源侧电气量信息计算得到的沿线负序电压幅值分布与换流器并网点处采集到的负序电压幅值比较，寻找幅值差最小点确定故障距离，有效地提高了测距精度。本发明的技术方案如下：
一种柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法，包括以下步骤：
(1)在检测到交流架空线-电缆混合线路故障发生后，采集线路交流电源侧的电压和电流信息，采集换流器并网点处的电压信息，得到电压和电流的负序分量。
(2)基于分布参数模型，以交流电源侧采集到的电压和电流的负序分量计算得到沿线负序电压分布。
(3)以交流电源侧电气量信息计算得到的沿线负序电压幅值分布，将其与换流器并网点处采集到的负序电压幅值比较，根据故障点处两者幅值差最小的特点，通过幅值差函数确定故障距离。
进一步地，步骤(1)中，对采样数据窗信息进行三角窗滤波处理，通过傅里叶变换提取相应的基频量，之后通过对称分量法变换得到电压和电流的负序分量。
进一步地，步骤(3)中，幅值差函数G(x)如下式：
Figure BDA0002946996920000021
式中，
Figure BDA0002946996920000022
表示混合线路上距离交流电源侧n端x处的故障电压负序分量幅值；
Figure BDA0002946996920000023
表示换流器并网点处m端负序电压幅值；N表示计算次数。
与现有技术相比，本发明考虑柔性直流换流器控制策略下的交流故障特性，提出了一种柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法，有效地提高了测距精度，具有以下优势：
(1)测距原理考虑换流器控制策略的影响，基于换流器并网点至故障点间的输电线路上流过的负序电流为零的特点，仅需要交流电源侧电气量信息计算单次的沿线负序电压幅值分布，节省了大量的计算量，减少了计算误差。
(2)仅需将换流器并网点处的负序电压幅值通过通信装置一次传输到交流电源侧的测距装置，数据传输量小，且不存在数据同步问题。
(3)适用性广。对于单相接地故障、相间短路故障、三相短路故障均适用，对于非混合线路和多区段混合线路均适用。此外，适用于逆变型分布式电源接入的交流输电线路。
附图说明
图1为柔性直流接入的交流混合线路接线图。
图2为单相接地故障复合序网图。
图3为双端故障测距方法流程图。
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所示为一个典型的柔性直流接入的交流混合线路接线图，由架空线-电缆-架空线构成的三区段交流混合线路mn上发生故障。图中，xF代表故障点F到混合线路交流电源侧n端的距离；
Figure BDA0002946996920000031
和
Figure BDA0002946996920000032
分别代表换流器并网点处m端和交流电源侧n端采集到的j相电压和电流相量，j＝A,B,C。本发明提出的柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法，主要包括沿线负序电压幅值计算和测距判据两部分。
1.沿线负序电压幅值计算
混合线路配置的保护在检测到故障发生后，进行故障类型判别和故障选相。采集图1中所示的交流电源侧n端的电压和电流信息，采集换流器并网点处m端的电压信息用于故障测距。考虑到故障后暂态含有各次谐波与衰减的直流分量，采集故障后第2个周期开始的40ms数据窗的电气量信息。对采样数据窗信息进行三角窗滤波处理，通过傅里叶变换提取相应的50Hz基频量，每个变换数据窗20ms，通过数据窗移动得到三组基频量，用于后续故障测距时多次计算取平均值，减小计算和采样误差。
输电线路三相之间存在电磁感应，会影响计算沿线电压分布时的准确性，通过对称分量法变换得到电压和电流的负序分量。解耦矩阵T如下(1)所示。
Figure BDA0002946996920000033
式中，a表示旋转分量，
Figure BDA0002946996920000034
基于分布参数模型，以交流电源侧采集到的电压和电流的负序分量计算得到沿线负序电压分布。对于架空线或电缆的单一线路，距离线路始端Y端x处的电压负序分量可由式(2)计算得到：
Figure BDA0002946996920000035
式中，
Figure BDA0002946996920000036
表示混合线路上距离线路始端Y端x处的故障电压负序分量；
Figure BDA0002946996920000037
表示线路始端Y端电气量解耦后得到的电压负序分量；
Figure BDA0002946996920000038
表示线路始端Y端电气量解耦后得到的电流负序分量；Zc2表示线路负序分量下的特征阻抗；γ2表示线路负序分量下的传播常数。
混合线路参数不均匀，在计算沿线负序电压分布时，应代入不同的线路参数，分段计算。以交流电源侧n端采集到的电压和电流的负序分量作为始端边界，代入相应的特征阻抗和传播常数参数，以计算得到的连接点处的电压和电流的负序分量作为新的始端边界，修改线路参数后继续推导计算，从而完成全线负序电压分布计算。
值得一提的是，单相接地故障和相间短路故障可直接变换出负序分量，本发明的沿线负序电压幅值计算方法可直接使用。对于三相短路故障，需要对其中一相数据窗进行人为加入延时处理。对交流电源侧A相滤波数据窗加入相应延时，B、C两相不变，将三相短路故障人为转变成BC相间短路故障，制造出负序分量，转变成相间短路故障。
2.测距判据
以混合线路发生A相接地故障为例，对测距原理进行简要说明，单相接地故障复合序网图如图2所示。换流器的低电压穿越控制策略使并网点处的正序电压和流过的正序电流在故障暂态的调节过程中呈现非线性时变，在复合序网的正序网路中，换流器等效为受控正序电流源
Figure BDA0002946996920000041
使得换流器并网点处的基频电气量无法准确提取，影响基于双端正序电气量的故障测距方法的精度。在负序网络中，换流器的负序电流抑制策略将其输出的负序电流抑制为零，体现为阻抗无穷大Rm＝∞，相当于断路，
Figure BDA0002946996920000042
利用该故障特征进行故障测距。图中，
Figure BDA0002946996920000043
和
Figure BDA0002946996920000044
分别表示从混合线路m端和n端流入故障点的故障序分量电流；Zm1，Zm2，Zm0和Zn1，Zn2，Zn0分别表示故障点与混合线路母线m和n端之间的等效序分量阻抗；Zseq1，Zseq2，Zseq0分别表示混合线路母线n端背后交流***的等效序分量阻抗；
Figure BDA0002946996920000045
代表混合线路母线n端背后交流***的等效电压。
以交流电源侧电气量信息计算得到的沿线负序电压幅值，与换流器并网点处采集到的负序电压幅值比较，利用幅值差函数确定故障距离，幅值差函数G(x)如下式(3)所示。
Figure BDA0002946996920000046
式中，
Figure BDA0002946996920000047
表示混合线路上距离交流电源侧n端x处的故障电压负序分量幅值；
Figure BDA0002946996920000048
表示换流器并网点处m端负序电压幅值；N表示计算次数，采样得到三组基频量共进行三次计算。通过三次重复计算，并求取平均值，减小计算和采样误差。
根据故障点处两者幅值差函数最小的特点，通过下式(4)的测距判据实现故障测距：
G(xF)＝min[G(x)] (4)
式中，xF表示故障距离。
综上所述，双端故障测距方法流程图如图3所示。

Claims (3)

1.一种柔性直流接入的交流混合线路双端故障测距方法，包括以下步骤：
(1)在检测到交流架空线-电缆混合线路故障发生后，采集线路交流电源侧的电压和电流信息，采集换流器并网点处的电压信息，得到电压和电流的负序分量。
(2)基于分布参数模型，以交流电源侧采集到的电压和电流的负序分量计算得到沿线负序电压分布。
(3)以交流电源侧电气量信息计算得到的沿线负序电压幅值分布，将其与换流器并网点处采集到的负序电压幅值比较，根据故障点处两者幅值差最小的特点，通过幅值差函数确定故障距离。
2.根据权利要求1所述的故障测距方法，其特征在于，步骤(1)中，对采样数据窗信息进行三角窗滤波处理，通过傅里叶变换提取相应的基频量，之后通过对称分量法变换得到电压和电流的负序分量。
3.根据权利要求1所述的故障测距方法，其特征在于，步骤(3)中，幅值差函数G(x)如下式：
Figure FDA0002946996910000011
式中，
Figure FDA0002946996910000012
表示混合线路上距离交流电源侧n端x处的故障电压负序分量幅值；
Figure FDA0002946996910000013
表示换流器并网点处m端负序电压幅值；N表示计算次数。
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