基于单端暂态电流的MMC‑HVDC输电线路故障检测方法

摘要

一种基于单端暂态电流的MMC‑HVDC输电线路故障检测方法，通过对直流线路中电流进行采样，满足直流线路电流更新条件时，更新直流线路电流值I

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电力输送领域的技术，具体是一种基于单端暂态电流的MMC-HVDC输电线路故障检测方法。

背景技术

模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统具有输出电能质量高、换流器损耗低、易于扩展和系统可靠性高等优点，已成为柔性直流输电的主要实现形式。柔性直流输电线路横跨区域广，故障率高，且故障发生时常常伴随着过流或过压问题，对换流阀造成冲击并影响交流系统的安全稳定。与两电平和三电平电压源换流器相比，模块化多电平换流器(MMC)直流侧无并联大电容，导致基于MMC的柔性直流输电系统直流侧故障时直流线路、故障支路与换流器形成独特的故障回路，故障特性与传统两电平和三电平柔性直流输电系统故障特性具有明显差异。

发明内容

本发明针对现有技术如下缺陷：直流电压不平衡保护、直流低电压保护和直流过电压保护受电容式电压互感器暂态响应特性较差的影响，很难快速检测直流线路故障；直流过流保护仅适用于双极短路低阻故障，且不能实现单极接地故障和断线故障的检测；纵联电流差动保护易受分布电容的影响，需要通过延时来防止误动，动作速度慢，仅用作后备保护。提出一种基于单端暂态电流的MMC-HVDC输电线路故障检测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于单端暂态电流的MMC-HVDC输电线路故障检测方法，包括以下步骤：

1)对直流线路中电流进行采样，满足直流线路电流更新条件时，更新直流线路电流值I_dc；

2)进行故障存在判断，当I_op>I_setI时系统存在故障并进行下一步，其中：N₁为一定时间窗口内的采样点个数，k为最新采样点，I_setI为电流整定值；

3)计算直流线路电流固有模态能量熵H，当符合直流侧故障判据，即直流侧存在故障时执行步骤4，否则返回步骤2。

4)构建故障识别判据，根据故障识别判据判断故障类型。

所述的直流线路电流更新条件为其中：k为最新采样点，i(k)为电流采样值，N为一定时间窗口内的采样点个数。

对于任意一信号x(t)，针对时间区间[t₁,t₂]，所述的固有模态能量熵其中：c_i(t)为x(t)通过经验模态分解后得到的固有模态函数；r_n(t)为x(t)通过经验模态分解后得到的残差项，x(t)的经验模态分解结果为：

所述的直流侧故障判据为min{H(k),…,H(k-(N₂-1)}＞H_set，其中：N₂为一定时间窗口内的采样点个数，H(j)为时间窗口[j-(N₃-1),j]内直流电流固有模态能量熵，N₃为一定时间窗口内的采样点个数，H_set为固有模态能量熵门槛值。

所述的故障识别判据为其中：m对应保护启动时刻，即t＝mT_s时I_op>I_setI第一次成立，T_s为保护采样周期，ΔI(j)＝I_MAF(j)-I_dc(j)，N₄为一定时间窗口内的采样点个数，I_setII为电流整定值。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用高频信号传变效果好的电流信号暂态量进行故障的检测和分类，通过固有模态能量熵区分直流侧和交流侧故障，可以快速检测到直流侧故障；通过滑动平均滤波提取电流变化趋势，响应速度快，故障类型识别准确可靠。

附图说明

图1为MMC-HVDC系统结构示意图；

图2为本发明流程示意图；

图3为单极接地故障示意图；

图4为双极短路故障示意图；

图5为断线故障示意图；

图6为直流线路中点双极金属性短路故障保护动作图；

图7为直流线路中点正极金属性接地故障保护动作图；

图8为直流线路中点正极断线故障保护动作图；

图9为逆变站交流侧单相金属性接地保护动作图。

具体实施方式

如图1所示，MMC-HVDC系统采用对称单极主接线方式，直流侧经箝位电阻接地。f₁、f₂和f₃分别是整流侧电网故障位置、逆变侧电网故障位置、直流线路故障位置。

系统直流线路发生故障时，在故障处产生故障行波并向线路两侧传播。由于故障初始行波包含不同频率分量，同时受输电线路的参数频变特性、行波传播距离、故障过渡电阻和直流控制等因素的影响，监测处的电流包含丰富的高频分量。对应于直流侧不同类型故障，具体特征如下：双极短路故障时直流线路电流总体上急剧上升，但受故障行波影响，当故障距离足够大时短路电流阶梯式上升；单极接地故障时，直流线路电流经短时高频振荡后恢复正常；断线故障时，两端换流站正常的功率传输被中断，直流线路电流经短时高频振荡后下降至零。

如图2所示，本实施例中MMC-HVDC输电线路故障检测方法包括以下步骤：

1)对直流线路中电流进行采样，满足直流线路电流更新条件时，更新直流线路电流值I_dc。直流线路电流更新条件为其中：k为最新采样点，i(k)为电流采样值，N为一定时间窗口内的采样点个数，此处N取100ms时间窗口内的采样点数，I_setI为电流整定值，此处I_setI＝0.01·I_N，I_N为直流输电线路额定运行电流。

2)进行故障存在判断，当I_op>I_setI时系统存在故障并进行下一步，其中：N₁为1ms时间窗口内的采样点数，k为最新采样点，I_setI为电流整定值。

3)计算直流线路电流固有模态能量熵H，满足直流侧故障判据时直流侧存在故障并进行下一步。

故障暂态所产生的电压、电流暂态信号中蕴含了丰富的故障信息，提取相应的故障特征，可实现快速、可靠的继电保护。经验模态分解(EMD)是一种将信号按不同尺度的波动或趋势逐级分解成有限个固有模态函数(IMF)和一个残差项的信号处理方法。EMD根据数据自身的时间尺度特征自适应完成信号分解，无须预先设定任何基函数。

所述的固有模态能量熵将经验模态分解、信号能量和信息熵结合，固有模态能量熵其中：c_i(t)为x(t)通过经验模态分解后得到的固有模态函数；r_n(t)为x(t)通过经验模态分解后得到的残差项，x(t)的经验模态分解结果为：所述的直流侧故障判据为min{H(k),…,H(k-(N₂-1)}＞H_set，其中：N₂为2ms时间窗口的采样点数，H_set为固有模态能量熵门槛值。H(j)为时间窗[j-(N₃-1),j]内的直流电流的固有模态能量熵，N₃为5ms时间窗口内的采样点数，H_set为固有模态能量熵门槛值，此处H_set＝0.005。满足直流侧故障判据则表示说明直流线路方式故障，此时进行步骤4)进一步判断故障类型。

4)构建故障识别判据，根据故障识别判据判断故障类型。

所述的故障识别判据为其中：m对应保护启动时刻，即t＝mT_s时I_op>I_setI第一次成立，T_s为保护采样周期，ΔI(j)＝I_MAF(j)-I_dc(j)，I_setII为电流整定值，I_setII＝0.1·I_N，I_N为直流线路额定运行电流，N₄为10ms时间窗口内的采样点个数。根据故障识别判据将故障识别为单极接地故障、双极短路故障或断线故障。

如图3～5所示，若故障为双极短路故障时，闭锁换流器并跳开交流断路器。若为单极接地故障或断线故障时，应改变控制策略以减少对系统的影响并尽快排除故障。

本实施例基于图1所示系统对本发明所述方法进行仿真验证。如图1所示，系统额定容量为400MW，直流额定电压为200kV，直流输电线路长度为200km。仿真中，以系统达到稳定时刻为零时刻，故障发生在0.1s时刻，直流侧故障持续时间为0.1s，交流侧故障持续时间为0.05s。数据采样频率为20kHz，保护整定值为：N＝2 000、N₁＝20、N₂＝40、N₃＝100、N₄＝200、I_setI＝0.01kA、I_setII＝0.1kA、H_set＝0.005。仿真结果具体如图6至图9，图6至图8表明本方法能够可靠检测直流线路故障并识别故障类型，图9表明本方法在交流侧故障时可靠不动作。

与现有技术相比：本发明采用高频信号传变效果好的电流信号暂态量进行故障的检测和分类，通过固有模态能量熵区分直流侧和交流侧故障，可以快速检测到直流侧故障；通过滑动平均滤波提取电流变化趋势，响应速度快，故障类型识别准确可靠。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。