電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路保護方法
【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方法，通過對直流側(cè)并聯(lián)電容支路和直流線路入口處的電流進行采樣，分別計算直流系統(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)計算的相關(guān)系數(shù)，從而實現(xiàn)直流線路故障的判別。該保護方法運算簡單，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，能準確地識別直流線路區(qū)內(nèi)、外故障，實現(xiàn)故障線路的保護。該保護方法對于柔性高壓直流輸電系統(tǒng)安全運行具有重要意義。
【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)（簡稱VSC-HVDC)具有獨立調(diào)節(jié)有功和 無功功率、可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電等特點，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)?？稍偕茉催h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)中針對交流側(cè)故障控制保護策略的研究已經(jīng)比較成熟。而 直流線路的保護僅借鑒了傳統(tǒng)高壓直流的保護策略，以行波保護和微分欠壓保護為主，電 流差動保護作為后備保護，此外還配置直流過電壓保護和直流電壓不平衡保護。行波保護 和微分欠壓保護動作速度快，不受電流互感器飽和及長線分布電容等因素影響，但是對高 阻接地故障靈敏度不足，可靠性不高；電流差動保護對高阻接地有效，但易受分布電容的影 響，只能通過長延時來躲過，不適用于柔性直流線路保護快速動作的要求。
[0004] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN103199511A公開（公告）日 2013.07.10，公開了一種基于模型參數(shù)識別的VSC-HVDC輸電線路縱聯(lián)保護方法，該技術(shù)將 外部故障等效為正的電容模型，識別出的電容值為正，電流和電壓導(dǎo)數(shù)相關(guān)系數(shù)為1;內(nèi)部 故障等效為負的電容模型，識別出的電容值為負，電流與電壓導(dǎo)數(shù)相關(guān)系數(shù)為-1。通過判別 識別出的電容值或相關(guān)系數(shù)的正負，即可區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。但該技術(shù)需要計算電壓導(dǎo) 數(shù)，電壓導(dǎo)數(shù)的計算對擾動十分敏感，當系統(tǒng)因功率調(diào)節(jié)導(dǎo)致電壓波動，使得電壓導(dǎo)數(shù)變化 明顯，極易引起保護誤動作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(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 保護方法，對全電流信號進行計算，無需補償分布電容電流和計算電壓、電流微分量，克服 了利用單一暫態(tài)信息檢測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 故障判別測量點，實時采集整流側(cè)正極/負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)采樣后分別計算整流側(cè)以及逆變側(cè)電流各自對應(yīng) 的Pearson相關(guān)系數(shù)，當任一極的整流側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均大于零時則為 該極直流線路故障，當任一極的整流側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均小于等于零時， 則為該極直流線路區(qū)外故障。
[0008] 所述的采樣是指:實時監(jiān)測柔性直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流， 對電容支路電流和入口處電流進行采樣，獲得離散電流信號采樣序列.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 極;k = r, i分別表示整流側(cè)與逆變側(cè);n表示信號序列點數(shù)。
[0009] 所述的Pear son相關(guān)系數(shù)是指：計算整流側(cè)與逆變側(cè)所測電流信號序列icm_k與 icabiem+i^Pearson 相關(guān)系數(shù)，即：
'其中：N為時間窗口內(nèi)的采 樣點個數(shù)，N = FS*T，F(xiàn)S為采樣頻率，T為Pearson相關(guān)系數(shù)計算時間窗；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)計算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)，Rmi表示逆變側(cè)計算得到的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，即 差異越小。
[0012] 對于計算的Pearson相關(guān)系數(shù)Rmr和Rmi進行邏輯判斷：當Rmr>0且Rmi>0，則保護判 定為極m直流線路故障，當或Rmi<0，則保護判定為直流線路區(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)算法的時間復(fù)雜度與信號長度成正比，運算速度快，可以滿足實時 性的要求。直流線路區(qū)內(nèi)、外故障時，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)差異特征能準確實現(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 線路雙端計算的Pearson相關(guān)系數(shù)實現(xiàn)故障判別，傳遞的信息僅為對端相關(guān)系數(shù)的極性信 號，與傳統(tǒng)電流差動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為正極線路中點故障時正極線路保護測量和計算的結(jié)果示意圖；
[0018] 圖4為正極線路中點故障時負極線路保護測量和計算的結(jié)果示意圖；
[0019] 圖5為距離整流端190km處極間故障時正極線路保護測量和計算的結(jié)果示意圖；
[0020] 圖6為直流側(cè)M點故障時正極線路保護測量和計算的結(jié)果示意圖；
[0021] 圖7為逆變側(cè)換流母線F三相短路故障時正極線路保護測量和計算的結(jié)果示意圖；
[0022]圖8為交流側(cè)故障是正極線路保護計算的電流Pearson相關(guān)系數(shù)示意圖；
[0023]圖中a為整流側(cè)不同類型故障時的電流Pearson相關(guān)系數(shù)，b為逆變側(cè)不同類型故 障時的電流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為正極線路中點故障時不同信噪比下正、負極線路保護計算的電流Pearson相 關(guān)系數(shù)示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 如圖1所示，本實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量點，實時采集整流側(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] 當直流線路故障時，系統(tǒng)兩端直流側(cè)并聯(lián)電容迅速向故障點放電，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一致，呈強相關(guān)性;當發(fā) 生區(qū)外故障時，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一致，呈強相 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相反，呈負相關(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，但增加了信號處理的延時，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值并不完全相等，但在放電階段的增長 與衰減趨勢一致，具有良好的相關(guān)性。
[0028]本實施例利用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方法流程如圖2所示，具體步驟如下：
[0029] 1)實時監(jiān)測柔性直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流，對電容支路 電流和入口處電流進彳丁米樣，獲得尚散電流彳目號米樣序列：iCm_k = {xi，X2，. . .，Xn}，iCablem_k ={yi)Y2, ? ? ? ,Yn}；
[0030] 2)計算整流側(cè)與逆變側(cè)所測電流信號序列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 相關(guān)，〇則表示兩處暫態(tài)電流不相關(guān)。
[0031 ] 3)對于計算的Pearson相關(guān)系數(shù)Rmr和Rmi進行邏輯判斷：
[0032] a ?當Rmr>0且Rmi>0,則保護判定為極m直流線路故障；
[0033] b.當Rmr彡0或Rmi彡0,則保護判定為直流線路區(qū)外故障。
[0034] 本實施例基于圖1所示系統(tǒng)對本發(fā)明所述方法進行仿真驗證如圖1所示系統(tǒng)，兩端 系統(tǒng)額定運行電壓±60kV，容量為60MW，正負極線路直流側(cè)電容均為1000uF，直流線路采用 頻變參數(shù)電纜模型，線路長度200km。電流采樣頻率為10kHz，Pear S〇n相關(guān)系數(shù)計算時間窗 為3ms。由于VSC-HVDC系統(tǒng)正負極線路對稱，對于交流側(cè)區(qū)外故障，僅給出正極線路保護測 量和計算的結(jié)果。具體如圖3至圖9。圖3至5表明本方法能可靠識別直流線路故障類型，且對 于單極故障，健全極保護能可靠不同動作。圖6至圖8表明本方法能可靠識別區(qū)外故障，保護 可靠不動作。圖9表明，本方法具有較強的抗噪聲干擾能力。
[0035] 本方法基于電流相關(guān)性的特點，通過計算電流的Pearson相關(guān)系數(shù)來判定故障。 Pearson相關(guān)系數(shù)算法的時間復(fù)雜度與信號長度成正比，運算速度快，可以滿足實時性的要 求，因此采用2~4ms數(shù)據(jù)窗即可滿足速度要求。同時，采用全電流進行計算，對采樣頻率要 求不高，克服了利用單一頻次電流檢測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)獨立計算，故障判定傳遞的信息僅為對端相關(guān)系數(shù)的極性信號，因此本方 法無需補償分布電容電流和數(shù)據(jù)同步，雙極線路能準確、獨立地實現(xiàn)直流線路區(qū)內(nèi)、外故障 的判別。與傳統(tǒng)電流差動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 的方式對其進行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準且不由上述具體實施所 限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。
【主權(quán)項】
1. 一種電流相關(guān)性的柔性高壓直流線路保護方法，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量點，實時采集整流側(cè)正極 和負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)采樣后分別計算整流側(cè)以及逆變側(cè)電流各自對應(yīng)的Pearson相關(guān)系數(shù)，當任一極的整流 側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均大于零時則為該極直流線路故障，當任一極的整流 側(cè)以及逆變側(cè)電流Pearson相關(guān)系數(shù)均小于等于零時，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方法，其特征是，所述的采樣是指:實 時監(jiān)測柔性直流系統(tǒng)兩側(cè)電容支路電流與直流線路入口處電流，對電容支路電流和入口處 電流進行采樣，獲得離散電流信號采樣療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分別表示正極和負極;k = r，i分別表示整 流側(cè)與逆變側(cè);η表示信號序列點數(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方法，其特征是，所述的Pearson相 關(guān)系數(shù)是指:計算整流側(cè)與逆變側(cè)所測電流信號序列idk與i Cablem_k的Pearson相關(guān)系數(shù)， 艮P- '其中：N為時間窗口內(nèi)的采樣點 個數(shù)，N = Fs*T，F(xiàn)s為采樣頻率，T為Pearson相關(guān)系數(shù)計算時間窗；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)計算得到的Pearson相關(guān)系數(shù)，Rmi表示逆變側(cè)計算得到的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，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方法，其特征是，當Rmr>0且Rmi>0，則 保護判定為極m直流線路故障，當R mrSO或RmiSO，則保護判定為直流線路區(qū)外故障。
【文檔編號】G01R31/08GK105891676SQ201610223498
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】劉劍, 邰能靈, 范春菊, 楊亞宇, 陳實
【申請人】上海交通大學