一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法、系统及装置与流程

1.本发明属于直流输电线路保护领域，具体涉及一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法、系统及装置。


背景技术：

2.随着我国直流输电技术水平逐提高，柔性直流输电是最近几年发展的一个重要热点；作为新一代直流输电技术，它有着灵活、坚强、高效的特点，在实际使用时可以充分利用可再生能源，减少社会资源的损耗，是直流输电在未来发展的必然趋势。更重要的是它不存在常规直流不可避免的换相失败，所以近几年在直流输配电中得到了广泛的应用。
3.在传统柔性直流输电工程应用上，如在柔性直流工程a中，以某段输电线路为例，当该段区外出现阀区短路或母线发生接地故障时，该段线路闭锁，相邻直流断路器分断，功率传输中断，导致线路电压先骤升，然后骤降，这样的电压特征会引起线路保护动作，使得无故障区域的线路受相邻故障线路的过电压干扰，被误识别为本段线路故障导致速断保护误动，影响传输效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法、系统及装置，用于解决现有技术中现有的速断保护方式本段线路受相邻故障线路的过电压干扰导致速断保护误动的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，步骤如下：
6.采集柔性直流输电线路其中一端的正、负极电流信号，结合稳态时刻线路的电流信号分别计算出该端线路的正、负极电流故障分量；根据所述线路的正、负极电流故障分量，得到该端线路的线模电流故障分量；并获取线路的电压信号，计算电压突变量；
7.当该端线路的电压突变量满足设定条件后，确定在设定时间窗内所述线路的线模电流故障分量的时域能量值；
8.根据所述时域能量值，判断输电线路的是否发生过电压干扰：若所述时域能量值大于设定能量阈值时，则判定线路发生过电压干扰，否则判定线路发生故障；其中，设定能量阈值大于0。
9.该过电压干扰识别方法通过对直流输电线路发生过电压干扰的情况下线模电流故障分量的波形特征，确定过电压情况在特定时间窗内线模电流故障分量的时域能量值的判断条件，因此能够通过设定时间窗内线模电流故障分量的时域能量值特征，根据保护启动前线模电流的故障分量的有无分辨操作过电压引起的干扰和线路故障，从而将过压干扰与线路故障分开，避免正常线路段的速断保护误动，提高保护可靠性。
10.进一步地，所述设定条件包括选区判据，具体如下：
[0011][0012]
式中：δu
max
(k)为线路在n个周期内的电压最大突变量，δu(k)为当前时刻直流线路的电压突变量，δu(k-n+1)为n个周期前时刻的电压突变量，δ2为选区判据门槛值。
[0013]
进一步地，所述设定条件还包括保护启动判据，具体如下：
[0014][0015]
式中：δu
p
(k)为当前时刻直流线路电压突变量，u
p
(k)为当前时刻的电压采样值，u
p
(k-1)为当前时刻的前一时刻的电压采样值，δ1为启动判据门槛值；
[0016]
线路的电压突变量满足设定条件，包括：
[0017]
当同时满足保护启动判据和选区判据时，判定电压突变量满足设定条件。
[0018]
进一步地，设定能量阈值大于正常运行电流波动下线模电流故障分量的最大值。
[0019]
进一步地，所述选区判据门槛值按照躲过区外金属性故障情况下直流线路电压最大值进行整定；所述最大值为相邻母线发生金属性故障时的电压最大突变量。
[0020]
进一步地，设定时间窗内所述线模电流故障分量的时域能量值的计算具体如下：
[0021][0022]
式中：e1为线模电流故障分量的时域能量值，为保护选区判据满足时刻采样点，n*为积分窗长内采样点数，δi1(k)为线模电流故障分量，δt为采样周期。
[0023]
进一步地，线模电流故障分量的具体计算公式为：
[0024][0025]
式中：δi1(k)为线模电流故障分量，δi
p
(k)、δin(k)分别为线路正、负极电流故障分量，下标1表示线模。
[0026]
进一步地，线路正、负极电流故障分量的计算公式为：
[0027][0028]
式中：δi
p
(k)、δin(k)分别为线路正、负极电流故障分量，i
p
(t)、in(t)分别为采集的线路正、负极电流信号，i
p
(0)、in(0)分别为线路正、负极稳态时刻电流信号。
[0029]
本发明还提供了一种柔性直流输电线路过电压干扰识别系统，包括采集器和处理器，所述采集器用于实时采集其中一端输电线路的正、负极电流信号及电压信号，所述处理器用于执行程序指令，以实现如上述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法。该系统能够实现与上述柔性直流输电线路过电压干扰识别方法相同的有益效果。
[0030]
本发明还提供了一种柔性直流输电线路过电压干扰识别装置，包括：
[0031]
采集模块：采集柔性直流输电线路其中一端的正、负极电流信号，结合稳态时刻线路的电流信号分别计算出该端线路的正、负极电流故障分量；根据所述线路的正、负极电流故障分量，得到该端线路的线模电流故障分量；并获取该端线路的电压信号，计算电压突变
量；
[0032]
计算触发模块：当该端线路的电压突变量满足设定条件后，确定在设定时间窗内所述线模电流故障分量的时域能量值；
[0033]
判断模块：根据所述时域能量值，判断输电线路的是否发生过电压干扰：若所述时域能量值大于设定能量阈值时，则判定线路发生过电压干扰，否则判定线路发生故障；其中，设定能量阈值大于0。该装置能够实现与上述柔性直流输电线路过电压干扰识别方法相同的有益效果。
附图说明
[0034]
图1为本发明柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例中线路过电压干扰识别的流程框图；
[0035]
图2为本发明柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例中换流站a1区外出现阀区短路或母线发生接地故障时的电压与电流波形变化比对示意图；
[0036]
图3为本发明柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例中换流站a2区外出现阀区短路或母线发生接地故障时的电压与电流波形变化比对示意图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0038]
柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例
[0039]
本实施例提供了一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法的技术方案，参照图1，步骤如下：
[0040]
1)实时采集发生故障的输电线路其中一端的正、负极电流信号，结合稳态时刻线路的电流信号分别计算出该端线路的正、负极电流故障分量；根据所述线路的正、负极电流故障分量，得到该端线路的线模电流故障分量；并获取该端线路的电压信号，计算电压突变量。
[0041]
其中，线路正、负极电流故障分量的计算公式为：
[0042][0043]
式中：δi
p
(k)、δin(k)分别为线路正、负极电流故障分量，i
p
(t)、in(t)分别为采集的线路正、负极电流信号，i
p
(0)、in(0)分别为线路正、负极稳态时刻电流信号。
[0044]
对于对称的柔性直流双极系统，可利用极模变换法，构造变换矩阵q将双极线路解耦为零模和极模量。本实施例中所采用的线模电流故障分量，分别由正、负极电流故障分量通过如下的极模变换矩阵q得到：
[0045][0046]
因此，本实施例中，线模电流故障分量的具体计算公式为：
[0047][0048]
式中：δi1(k)为线模电流故障分量，δi
p
(k)、δin(k)分别为线路正、负极电流故障分量，下标1表示线模。过电压识别方案的基本目标是实现对断路器动作等操作引起的过电压干扰和线路故障的辨识，使得在线路遭受断路器动作等过电压干扰时，保护不误动，在短路故障时，保护不拒动；为了简便、直观地提取上述情况下暂态电流的差异，消除两极之间电磁耦合对两极暂态电流波形的影响，本实施例中所涉及的线模电流均以一模电流为特征进行分析。
[0049]
2)当该端线路电压突变量满足设定条件后，确定在设定时间窗内该端线路的线模电流故障分量的时域能量值。
[0050]
本实施例中，设定条件包括线路保护启动判据和选区判据，只有在同时满足保护启动判据和选区判据时，才判定线路暂态过电压设定条件；通常情况下，启动保护判据是保护启动的前提，因此本实施例在首先判定保护启动后(即电压突变量能够触发速断保护后)，才开始启动选区判据，选区判据满足后再判定是不是由线路暂态过电压造成的保护误动，从而达到精准避开误动情况的技术效果；在其他实施例中，启动判据和选区判据也可以并行判断。
[0051]
需要满足的保护启动判据具体如下：
[0052][0053]
式中：δu
p
(k)为当前时刻直流线路电压突变量，u
p
(k)为当前时刻的电压采样值，u
p
(k-1)为当前时刻的前一时刻的电压采样值，δ1为启动判据门槛值；本实施例中所提到的时刻均指的是采样时刻。通常情况下，启动判据门槛值的选取要大于正常运行电压波动下电压梯度的最大值，同时也要保证直流电网内部故障准确、快速启动；本实施例中，启动判据门槛值δ1取0.02pu；其中，pu为归一化单位，正常情况下线路的稳态电压值设为1pu。当线路电压突变量满足保护启动判据后，才继续进行选区判据判断的过程，避免识别流程频繁触发，节省识别成本。
[0054]
本实施例在启动判据满足后，计算n个周期内的最大突变量δu
max
(k)；选区判据具体如下：
[0055][0056]
式中：δu
max
(k)为线路在n个周期内的电压最大突变量，δu(k)为当前时刻直流线路的电压突变量，δu(k-n+1)为n个周期前时刻的电压突变量，δ2为选区判据门槛值。
[0057]
在柔性直流工程a中，当线路发生故障后，线路电压发生骤降，200us内跌落到极值点；若执行周期为50us，n可取5。选区判据门槛值δ2应按照躲过区外金属性故障情况下直流线路电压最大值进行整定，经过仿真验证，最大值为相邻母线发生金属性故障时，最大突变量δu
max
为0.1pu，其中，pu为归一化单位，正常情况下线路的稳态电压值设为1pu；考虑一定的可靠系数k1取1.2，δ2取0.12pu。
[0058]
设定时间窗内线路线模电流故障分量的时域能量值的计算具体如下：
[0059][0060]
式中：e1为线模电流故障分量的时域能量值，为保护选区判据满足时刻采样点，n*为积分窗长内采样点数，δi1(k)为线模电流故障分量，δt为采样周期。
[0061]
在传统直流线路保护中，对线路保护速动性要求不高，一般取2ms左右时间窗，若采样率为10khz，n为20；在柔性直流线路保护中，通常对线路保护速动性要求高，如柔性直流输电工程a要求3ms内保护动作出口，若δt为50us，则一般取0.5ms时间窗，n*取10。
[0062]
4)根据线路线模电流故障分量的时域能量值，判断输电线路的是否发生过电压干扰；判断条件具体如下：
[0063]
若满足：e1＞δ3，则判定线路发生过电压干扰，闭锁线路保护动作出口；否则判定线路发生故障；其中δ3为设定能量阈值。
[0064]
根据对直流工程a的仿真分析，参照图2和图3，其中图2为换流站a1区外出现阀区短路或母线发生接地故障时的电压与电流波形比对示意图，图3为换流站a2区外出现阀区短路或母线发生接地故障时的电压与电流波形比对示意图，可得当换流站发生故障后(约5ms处)，电气量即刻开始发生改变，当直流断路器动作且非故障换流站相邻的线路保护启动时(约10ms处)，线模电流已经积累了明显的故障分量。而当线路发生故障后，当线路保护启动时，线模电流的变化几乎与之同步，此前并未积累故障分量。因此，基于保护启动前线模电流的故障分量的有无(故障分量积累的多少)，能够分辨操作过电压引起的干扰和线路故障。
[0065]
设定能量阈值δ3的选取要大于正常运行电流波动下线模电流故障分量的最大值。扰动情况下，电流变化幅值很小，通常远小于0.1倍的额定电流，并且受扰时电流表现为围绕稳态运行值的上下波动，电流故障分量积分后正负抵消，计算得到的结果更小。以直流工程a为例，可将设定能量阈值保守地整定为积分时间(0.5ms)内0.1倍额定电流(0.3ka)的波动量，并考虑一定的可靠系数k2取1.5，则本实施例中，设定能量阈值δ3为：
[0066][0067]
并且，为满足保护的可靠性，启动判据门槛值大于正常运行电压波动下电压梯度的最大值；选区判据门槛值按照躲过区外金属性故障情况下直流线路电压最大值进行整定，本实施例中，通过仿真确定，该最大值为相邻母线发生金属性故障时的电压最大突变量。
[0068]
柔性直流输电线路过电压干扰识别系统实施例
[0069]
本实施例提供了一种柔性直流输电线路过电压干扰识别系统的技术方案，包括采集器和处理器；该采集器用于实时采集其中一端输电线路的正、负极电流信号及电压信号，该处理器用于执行程序指令，以实现如上述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例中的过电压干扰识别方法。由于该系统处理器的处理原理、内容以及对应的有益效果均在上述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例中进行了详细的说明，因此此处不再赘述。
[0070]
柔性直流输电线路过电压干扰识别装置实施例
[0071]
本实施例提供了一种柔性直流输电线路过电压干扰识别装置的技术方案，该识别装置包括：
[0072]
采集模块：采集柔性直流输电线路其中一端的正、负极电流信号，结合稳态时刻线路的电流信号分别计算出该端线路的正、负极电流故障分量；根据所述线路的正、负极电流故障分量，得到该端线路的线模电流故障分量；并获取该端线路的电压信号，计算电压突变量；
[0073]
计算触发模块：当该端线路的电压突变量满足设定条件后，确定在设定时间窗内所述线模电流故障分量的时域能量值；
[0074]
判断模块：根据所述时域能量值，判断输电线路的是否发生过电压干扰：若所述时域能量值大于设定能量阈值时，则判定线路发生过电压干扰，否则判定线路发生故障；其中，设定能量阈值大于0。
[0075]
上述装置模块的功能原理与具体运行方式以及对应的有益效果已经在上述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法实施例中进行了详细的说明，因此此处不再赘述。
[0076]
本发明的特点在于：通过对直流输电线路发生过电压干扰的情况下线模电流故障分量的波形特征，确定区外故障引起的过电压干扰情况在特定时间窗内线模电流故障分量的时域能量值的判断条件，因此能够通过设定时间窗内线模电流故障分量的时域能量值特征，根据保护启动前线模电流的故障分量的有无分辨操作过电压引起的干扰和线路故障，从而将过压干扰与线路故障分开，避免正常线路段的速断保护误动，提高保护可靠性。且本发明在线路电压突变量满足保护启动判据后，才继续进行选区判据判断的过程，在满足选区判据后，才启动后续识别流程，能够避免识别流程频繁触发，节省识别成本。
[0077]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细地说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0078]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0079]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0080]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，步骤如下：采集柔性直流输电线路其中一端的正、负极电流信号，结合稳态时刻线路的电流信号分别计算出该端线路的正、负极电流故障分量；根据所述线路的正、负极电流故障分量，得到该端线路的线模电流故障分量；并获取该端线路的电压信号，计算电压突变量；当该端线路的电压突变量满足设定条件后，确定在设定时间窗内所述线模电流故障分量的时域能量值；根据所述时域能量值，判断输电线路的是否发生过电压干扰：若所述时域能量值大于设定能量阈值时，则判定线路发生过电压干扰，否则判定线路发生故障；其中，设定能量阈值大于0。2.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，所述设定条件包括选区判据，具体如下：式中：δu
max
(k)为线路在n个周期内的电压最大突变量，δu(k)为当前时刻直流线路的电压突变量，δu(k-n+1)为n个周期前时刻的电压突变量，δ2为选区判据门槛值。3.根据权利要求2所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，所述设定条件还包括保护启动判据，具体如下：式中：δu
p
(k)为当前时刻直流线路电压突变量，u
p
(k)为当前时刻的电压采样值，u
p
(k-1)为当前时刻的前一时刻的电压采样值，δ1为启动判据门槛值；线路的电压突变量满足设定条件，包括：当同时满足保护启动判据和选区判据时，判定电压突变量满足设定条件。4.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，设定能量阈值大于正常运行电流波动下线模电流故障分量的最大值。5.根据权利要求2所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，所述选区判据门槛值按照躲过区外金属性故障情况下直流线路电压最大值进行整定；所述最大值为相邻母线发生金属性故障时的电压最大突变量。6.根据权利要求1-5任一项所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，设定时间窗内所述线模电流故障分量的时域能量值的计算具体如下：式中：e1为线模电流故障分量的时域能量值，为保护选区判据满足时刻采样点，n*为积分窗长内采样点数，δi1(k)为线模电流故障分量，δt为采样周期。7.根据权利要求1-5任一项所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，线模电流故障分量的具体计算公式为：
式中：δi1(k)为线模电流故障分量，δi
p
(k)、δi
n
(k)分别为线路正、负极电流故障分量，下标1表示线模。8.根据权利要求1-5任一项所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法，其特征在于，线路正、负极电流故障分量的计算公式为：式中：δi
p
(k)、δi
n
(k)分别为线路正、负极电流故障分量，i
p
(t)、i
n
(t)分别为采集的线路正、负极电流信号，i
p
(0)、i
n
(0)分别为线路正、负极稳态时刻电流信号。9.一种柔性直流输电线路过电压干扰识别系统，包括采集器和处理器，其特征在于，所述采集器用于实时采集其中一端输电线路的正、负极电流信号及电压信号，所述处理器用于执行程序指令，以实现如上述权利要求1-8任一项所述的柔性直流输电线路过电压干扰识别方法。10.一种柔性直流输电线路过电压干扰识别装置，其特征在于，包括：采集模块：采集柔性直流输电线路其中一端的正、负极电流信号，结合稳态时刻线路的电流信号分别计算出该端线路的正、负极电流故障分量；根据所述线路的正、负极电流故障分量，得到该端线路的线模电流故障分量；并获取该端线路的电压信号，计算电压突变量；计算触发模块：当该端线路的电压突变量满足设定条件后，确定在设定时间窗内所述线模电流故障分量的时域能量值；判断模块：根据所述时域能量值，判断输电线路的是否发生过电压干扰：若所述时域能量值大于设定能量阈值时，则判定线路发生过电压干扰，否则判定线路发生故障；其中，设定能量阈值大于0。

技术总结
本发明属于直流输电线路保护领域，具体涉及一种柔性直流输电线路过电压干扰识别方法、系统及装置。该过电压干扰识别方法通过对直流输电线路发生过电压干扰的情况下线模电流故障分量的波形特征，确定过电压情况在特定时间窗内线模电流故障分量的时域能量值的判断条件，因此能够通过设定时间窗内线模电流故障分量的时域能量值特征，根据保护启动前线模电流的故障分量的有无分辨操作过电压引起的干扰和线路故障，将过压干扰与线路故障分开，避免正常线路的速断保护误动，提高保护可靠性。且本发明在线路电压突变量满足保护启动判据后，才继续进行选区判据判断的过程，在满足选区判据后，才启动后续识别流程，能够避免识别流程频繁触发，节省成本。节省成本。节省成本。


技术研发人员：李传西 吴庆范 戴国安 李卓凡 崔晨 田培涛 王秋开 刘晨 李星奎 李乾 孙攀磊 付艳 李程昊
受保护的技术使用者：国网河南省电力公司电力科学研究院 国家电网有限公司
技术研发日：2022.09.30
技术公布日：2023/7/26