電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路保護(hù)方法
【專利摘要】一種利用電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路保護(hù)方法，通過對(duì)直流側(cè)并聯(lián)電容支路和直流線路入口處的電流進(jìn)行采樣，分別計(jì)算直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流的Pearson相關(guān)系數(shù)，最后比較兩側(cè)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)直流線路故障的判別。該保護(hù)方法運(yùn)算簡(jiǎn)單，所需采樣頻率低，且不受數(shù)據(jù)同步、故障類型、故障位置、噪聲干擾以及控制方式等因素的影響，能準(zhǔn)確地識(shí)別直流線路區(qū)內(nèi)、外故障，實(shí)現(xiàn)故障線路的保護(hù)。該保護(hù)方法對(duì)于柔性高壓直流輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。
【專利說明】
電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種電力系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種電流相關(guān)性的柔性高壓直 流線路保護(hù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于電壓源型換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VSC-HVDC)具有獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和 無功功率、可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)高壓直流輸電(HVDC)的本質(zhì)缺陷，因此 其被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模可再生能源遠(yuǎn)距離傳輸領(lǐng)域。然而，與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)相比， 柔性直流系統(tǒng)缺乏低壓限流功能和成熟的直流開關(guān)器件，直流線路的故障判別與故障處理 成為限制柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)展的主要因素之一。
[0003] 目前柔性直流輸電系統(tǒng)中針對(duì)交流側(cè)故障控制保護(hù)策略的研究已經(jīng)比較成熟。而 直流線路的保護(hù)僅借鑒了傳統(tǒng)高壓直流的保護(hù)策略，以行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)為主，電 流差動(dòng)保護(hù)作為后備保護(hù)，此外還配置直流過電壓保護(hù)和直流電壓不平衡保護(hù)。行波保護(hù) 和微分欠壓保護(hù)動(dòng)作速度快，不受電流互感器飽和及長(zhǎng)線分布電容等因素影響，但是對(duì)高 阻接地故障靈敏度不足，可靠性不高；電流差動(dòng)保護(hù)對(duì)高阻接地有效，但易受分布電容的影 響，只能通過長(zhǎng)延時(shí)來躲過，不適用于柔性直流線路保護(hù)快速動(dòng)作的要求。
[0004] 經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN103199511A公開（公告）日 2013.07.10，公開了一種基于模型參數(shù)識(shí)別的VSC-HVDC輸電線路縱聯(lián)保護(hù)方法，該技術(shù)將 外部故障等效為正的電容模型，識(shí)別出的電容值為正，電流和電壓導(dǎo)數(shù)相關(guān)系數(shù)為1;內(nèi)部 故障等效為負(fù)的電容模型，識(shí)別出的電容值為負(fù)，電流與電壓導(dǎo)數(shù)相關(guān)系數(shù)為-1。通過判別 識(shí)別出的電容值或相關(guān)系數(shù)的正負(fù)，即可區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。但該技術(shù)需要計(jì)算電壓導(dǎo) 數(shù)，電壓導(dǎo)數(shù)的計(jì)算對(duì)擾動(dòng)十分敏感，當(dāng)系統(tǒng)因功率調(diào)節(jié)導(dǎo)致電壓波動(dòng)，使得電壓導(dǎo)數(shù)變化 明顯，極易引起保護(hù)誤動(dòng)作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路 保護(hù)方法，對(duì)全電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，無需補(bǔ)償分布電容電流和計(jì)算電壓、電流微分量，克服 了利用單一暫態(tài)信息檢測(cè)故障可靠性不高的缺陷;無需同步，故障判別的可靠性與快速性 較高。將該方法應(yīng)用于多端柔性直流線路的故障判別，具有較好的適應(yīng)性，對(duì)提高多端柔性 直流系統(tǒng)的直流線路故障處理能力有重要的參考作用。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明以柔性直流輸電系統(tǒng)中直流線路入口處分流器與電容支路電流互感器為 故障判別測(cè)量點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集整流側(cè)正極/負(fù)極線路入口處及并聯(lián)電容支路的電流以及逆變 側(cè)線路入口處和并聯(lián)電容支路的電流，經(jīng)采樣后分別計(jì)算整流側(cè)以及逆變側(cè)電流各自對(duì)應(yīng) 的Pearson相關(guān)系數(shù)，當(dāng)任一極的整流側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均大于零時(shí)則為 該極直流線路故障，當(dāng)任一極的整流側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均小于等于零時(shí)， 則為該極直流線路區(qū)外故障。
[0008] 所述的采樣是指:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柔性直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流， 對(duì)電容支路電流和入口處電流進(jìn)行采樣，獲得離散電流信號(hào)采樣序列.1 ， |/c { )?丨，少'} 其中：i Cm_k表示線路入口處電流，iCablem+k表示并聯(lián)電容支路電流，m = 1，2分別表示正極和負(fù) 極;k = r, i分別表示整流側(cè)與逆變側(cè);n表示信號(hào)序列點(diǎn)數(shù)。
[0009] 所述的Pear son相關(guān)系數(shù)是指：計(jì)算整流側(cè)與逆變側(cè)所測(cè)電流信號(hào)序列icm_k與 icabiem+i^Pearson 相關(guān)系數(shù)，即：
'其中：N為時(shí)間窗口內(nèi)的采 樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，N = FS*T，F(xiàn)S為采樣頻率，T為Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算時(shí)間窗；icm_k表示并電容支路 暫態(tài)電流，icabi^+k表示直流線路入口處暫態(tài)電流，k = r，i分別表示整流側(cè)與逆變側(cè)，Rmr表 示整流側(cè)計(jì)算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)，Rmi表示逆變側(cè)計(jì)算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)。
[001 1 ] 所述的Pearson相關(guān)系數(shù)Rmk(icm_k, icablem_k) G [-1，+ 1]，其中：+1表示兩處暫態(tài)電流 完全正相關(guān)，-1表示兩處暫態(tài)電流完全負(fù)相關(guān)，0則表示兩處暫態(tài)電流不相關(guān)，Pearson相關(guān) 系數(shù)Rmk(i Cm_k，iCable?_k)越大表示電容支路暫態(tài)電流與線路入口處暫態(tài)電流相關(guān)性越強(qiáng)，即 差異越小。
[0012] 對(duì)于計(jì)算的Pearson相關(guān)系數(shù)Rmr和Rmi進(jìn)行邏輯判斷：當(dāng)Rmr>0且Rmi>0，則保護(hù)判 定為極m直流線路故障，當(dāng)或Rmi<0，則保護(hù)判定為直流線路區(qū)外故障。 技術(shù)效果
[0013]本發(fā)明通過Pearson相關(guān)系數(shù)來描述電容支路和直流線路入口處暫態(tài)電流的差異 程度。Pearson相關(guān)系數(shù)算法的時(shí)間復(fù)雜度與信號(hào)長(zhǎng)度成正比，運(yùn)算速度快，可以滿足實(shí)時(shí) 性的要求。直流線路區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)，線路兩端暫態(tài)電流Pearson相關(guān)系數(shù)的特征差異明顯， 利用Pearson相關(guān)系數(shù)差異特征能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)直流線路區(qū)內(nèi)、外故障的判別。
[0014] 本發(fā)明與傳統(tǒng)的基于行波原理的故障判別方法相比，抗過渡電阻能力較高。利用 線路雙端計(jì)算的Pearson相關(guān)系數(shù)實(shí)現(xiàn)故障判別，傳遞的信息僅為對(duì)端相關(guān)系數(shù)的極性信 號(hào)，與傳統(tǒng)電流差動(dòng)以及利用電流極性特征的故障判別方法相比，該方法無需同步，故障判 別的可靠性與快速性較高。
【附圖說明】
[0015] 圖1為實(shí)施例電網(wǎng)模型示意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明流程圖。
[0017]圖3為正極線路中點(diǎn)故障時(shí)正極線路保護(hù)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果示意圖；
[0018] 圖4為正極線路中點(diǎn)故障時(shí)負(fù)極線路保護(hù)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果示意圖；
[0019] 圖5為距離整流端190km處極間故障時(shí)正極線路保護(hù)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果示意圖；
[0020] 圖6為直流側(cè)M點(diǎn)故障時(shí)正極線路保護(hù)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果示意圖；
[0021] 圖7為逆變側(cè)換流母線F三相短路故障時(shí)正極線路保護(hù)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果示意圖；
[0022]圖8為交流側(cè)故障是正極線路保護(hù)計(jì)算的電流Pearson相關(guān)系數(shù)示意圖；
[0023]圖中a為整流側(cè)不同類型故障時(shí)的電流Pearson相關(guān)系數(shù)，b為逆變側(cè)不同類型故 障時(shí)的電流Pearson相關(guān)系數(shù);其中A-G表示單相接地故障;AB表示相間故障;AB-G表示相間 接地故障;ABC表示三相短路故障示意圖；
[0024]圖9為正極線路中點(diǎn)故障時(shí)不同信噪比下正、負(fù)極線路保護(hù)計(jì)算的電流Pearson相 關(guān)系數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 如圖1所示，本實(shí)施例以柔性直流輸電系統(tǒng)中直流線路入口處分流器與電容支路 電流互感器為故障判別測(cè)量點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集整流側(cè)極1和極2線路入口處及并聯(lián)電容支路的電 流icabim ici_r、icable2_r、ic2_r以及逆變側(cè)線路入口處和并聯(lián)電容支路的電流ic abl(i、ici_i、 其中：電流的正方向設(shè)為圖1中箭頭所示方向，M、N、E、F分別表示直流線路區(qū) 外故障點(diǎn)位置，M、N位于直流側(cè)并聯(lián)電容與換流器連接線處，E、F位于整流側(cè)與逆變側(cè)的交 流換流母線處。
[0026] 當(dāng)直流線路故障時(shí)，系統(tǒng)兩端直流側(cè)并聯(lián)電容迅速向故障點(diǎn)放電，在電容放電階 段，兩端的直流線路入口處分流器與電容支路電流變化方向及趨勢(shì)一致，呈強(qiáng)相關(guān)性;當(dāng)發(fā) 生區(qū)外故障時(shí)，一端直流線路入口處分流器與電容支路電流變化方向及趨勢(shì)一致，呈強(qiáng)相 關(guān)性，而另一端直流線路入口處分流器與電容支路電流變化方向及趨勢(shì)相反，呈負(fù)相關(guān)。
[0027] 在近距離故障的電容放電階段，并聯(lián)電容支路暫態(tài)電流與線路入口處故障暫態(tài)電 流具有很好的吻合性。然而隨著故障距離的增加，放電回路阻抗參數(shù)也將增加，同時(shí)分布電 容的影響也將越來越大，電容支路暫態(tài)電流與線路入口處故障暫態(tài)電流將存在一定的差 異。一方面放電電流峰值減少，交流側(cè)饋入的電流影響增大，另一方面IGBT閉鎖后，續(xù)流二 極管導(dǎo)通聯(lián)通交流側(cè)，相關(guān)換流設(shè)備雜散電容和二極管等值電感，與直流側(cè)電容形成高頻 振蕩，使得電容支路電流混有高頻分量。通過直接比較的方式進(jìn)行故障判別容易產(chǎn)生較大 誤差。為消除高頻分量，可以采用低通濾波器的方法，但增加了信號(hào)處理的延時(shí)，影響柔性 直流線路故障判別與故障處理的快速性。電容支路暫態(tài)電流可以看成直流分量與高頻分量 的疊加，即使電容支路電流與線路入口處電流瞬時(shí)值并不完全相等，但在放電階段的增長(zhǎng) 與衰減趨勢(shì)一致，具有良好的相關(guān)性。
[0028]本實(shí)施例利用Pearson相關(guān)系數(shù)來描述電容支路暫態(tài)電流與線路入口處暫態(tài)電流 的差異程度，從而進(jìn)行直流線路區(qū)內(nèi)外故障判別，可有效克服高頻分量的影響。利用電流相 關(guān)性的柔性高壓直流線路保護(hù)方法流程如圖2所示，具體步驟如下：
[0029] 1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柔性直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流，對(duì)電容支路 電流和入口處電流進(jìn)彳丁米樣，獲得尚散電流彳目號(hào)米樣序列：iCm_k = {xi，X2，. . .，Xn}，iCablem_k ={yi)Y2, ? ? ? ,Yn}；
[0030] 2)計(jì)算整流側(cè)與逆變側(cè)所測(cè)電流信號(hào)序列iCm_k與i Cablem_k的Pearson相關(guān)系數(shù)，Rmk (icHibbl^+k) G [-1，+1]，+ 1表示兩處暫態(tài)電流完全正相關(guān)，-1表示兩處暫態(tài)電流完全負(fù) 相關(guān)，〇則表示兩處暫態(tài)電流不相關(guān)。
[0031 ] 3)對(duì)于計(jì)算的Pearson相關(guān)系數(shù)Rmr和Rmi進(jìn)行邏輯判斷：
[0032] a ?當(dāng)Rmr>0且Rmi>0,則保護(hù)判定為極m直流線路故障；
[0033] b.當(dāng)Rmr彡0或Rmi彡0,則保護(hù)判定為直流線路區(qū)外故障。
[0034] 本實(shí)施例基于圖1所示系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明所述方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證如圖1所示系統(tǒng)，兩端 系統(tǒng)額定運(yùn)行電壓±60kV，容量為60MW，正負(fù)極線路直流側(cè)電容均為1000uF，直流線路采用 頻變參數(shù)電纜模型，線路長(zhǎng)度200km。電流采樣頻率為10kHz，Pear S〇n相關(guān)系數(shù)計(jì)算時(shí)間窗 為3ms。由于VSC-HVDC系統(tǒng)正負(fù)極線路對(duì)稱，對(duì)于交流側(cè)區(qū)外故障，僅給出正極線路保護(hù)測(cè) 量和計(jì)算的結(jié)果。具體如圖3至圖9。圖3至5表明本方法能可靠識(shí)別直流線路故障類型，且對(duì) 于單極故障，健全極保護(hù)能可靠不同動(dòng)作。圖6至圖8表明本方法能可靠識(shí)別區(qū)外故障，保護(hù) 可靠不動(dòng)作。圖9表明，本方法具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。
[0035] 本方法基于電流相關(guān)性的特點(diǎn)，通過計(jì)算電流的Pearson相關(guān)系數(shù)來判定故障。 Pearson相關(guān)系數(shù)算法的時(shí)間復(fù)雜度與信號(hào)長(zhǎng)度成正比，運(yùn)算速度快，可以滿足實(shí)時(shí)性的要 求，因此采用2~4ms數(shù)據(jù)窗即可滿足速度要求。同時(shí)，采用全電流進(jìn)行計(jì)算，對(duì)采樣頻率要 求不高，克服了利用單一頻次電流檢測(cè)故障可靠性不高的缺陷。此外，系統(tǒng)兩側(cè)電流 Pearson相關(guān)系數(shù)獨(dú)立計(jì)算，故障判定傳遞的信息僅為對(duì)端相關(guān)系數(shù)的極性信號(hào)，因此本方 法無需補(bǔ)償分布電容電流和數(shù)據(jù)同步，雙極線路能準(zhǔn)確、獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)直流線路區(qū)內(nèi)、外故障 的判別。與傳統(tǒng)電流差動(dòng)以及利用電流極性特征的故障判別方法相比，該方法無需同步，故 障判別的可靠性與快速性較高。
[0036] 上述具體實(shí)施可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同 的方式對(duì)其進(jìn)行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)且不由上述具體實(shí)施所 限，在其范圍內(nèi)的各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路保護(hù)方法，其特征在于，以柔性直流輸電系統(tǒng) 中直流線路入口處分流器與電容支路電流互感器為故障判別測(cè)量點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集整流側(cè)正極 和負(fù)極線路入口處及并聯(lián)電容支路的電流以及逆變側(cè)線路入口處和并聯(lián)電容支路的電流， 經(jīng)采樣后分別計(jì)算整流側(cè)以及逆變側(cè)電流各自對(duì)應(yīng)的Pearson相關(guān)系數(shù)，當(dāng)任一極的整流 側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均大于零時(shí)則為該極直流線路故障，當(dāng)任一極的整流 側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均小于等于零時(shí)，則為該極直流線路區(qū)外故障。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性高壓直流線路保護(hù)方法，其特征是，所述的采樣是指:實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)柔性直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流，對(duì)電容支路電流和入口處 電流進(jìn)行采樣，獲得離散電流信號(hào)采樣療ζ中：iCm_k表示線路入 口處電流，icabiem+k表示并聯(lián)電容支路電流，m= 1，2分別表示正極和負(fù)極;k = r，i分別表示整 流側(cè)與逆變側(cè);η表示信號(hào)序列點(diǎn)數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柔性高壓直流線路保護(hù)方法，其特征是，所述的Pearson相 關(guān)系數(shù)是指:計(jì)算整流側(cè)與逆變側(cè)所測(cè)電流信號(hào)序列idk與i Cablem_k的Pearson相關(guān)系數(shù)， 艮P- '其中：N為時(shí)間窗口內(nèi)的采樣點(diǎn) 個(gè)數(shù)，N = Fs*T，F(xiàn)s為采樣頻率，T為Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算時(shí)間窗；iCm_k表示并電容支路暫態(tài) 電流，icablem+k表示直流線路入口處暫態(tài)電流，k = r, i分別表示整流側(cè)與逆變側(cè)，Rmr表示整 流側(cè)計(jì)算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)，Rmi表示逆變側(cè)計(jì)算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性高壓直流線路保護(hù)方法，其特征是，所述的Pearson相關(guān) 系數(shù)1^(1^4^1_)已[-1，十1]，其中 ：十1表示兩處暫態(tài)電流完全正相關(guān)，-1表示兩處暫 態(tài)電流完全負(fù)相關(guān)，〇則表不兩處暫態(tài)電流不相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)Rmk( icm_k, icablem_k)越大 表示電容支路暫態(tài)電流與線路入口處暫態(tài)電流相關(guān)性越強(qiáng)，即差異越小。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性高壓直流線路保護(hù)方法，其特征是，當(dāng)Rmr>0且Rmi>0，則 保護(hù)判定為極m直流線路故障，當(dāng)R mrSO或RmiSO，則保護(hù)判定為直流線路區(qū)外故障。
【文檔編號(hào)】G01R31/08GK105891676SQ201610223498
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】劉劍, 邰能靈, 范春菊, 楊亞宇, 陳實(shí)
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)