模块化多电平柔性直流输电线路故障快速检测方法研究

摘要

近年来，模块化多电平柔性直流输电技术(MMC-HVDC)得到广泛重视，随之而来的直流线路保护问题也愈加突出。与传统直流输电相比，MMC-HVDC系统故障电流上升快、峰值大、故障暂态过程复杂，需要保护系统快速准确检测故障，为快速切除故障创造条件，因此柔性直流线路快速故障检测方法的研究对保障系统安全稳定运行具有至关重要的意义。论文从不同故障类型的暂态特征出发，研究模块化多电平柔性直流线路快速故障检测方法，所做主要研究工作和创新成果如下:
　　(1)针对双端MMC-HVDC直流线路单极接地故障，揭示了故障信号和干扰信号的频带特征差异，提出了基于小波时间熵的双端MMC-HVDC单极接地故障检测方法，解决了基于电压、电流变化率的检测方法易受噪声等于扰信号影响的问题;而对于多端MMC-HVDC的单极接地故障，还要求进一步识别出故障线路，对此，论证了线路两端暂态差流可以用来区分故障和非故障线路，进一步为减小暂态过程对识别结果的影响，提出了基于暂态差流短时能量的多端MMC-HVDC单极接地故障线路识别方法，可以在单极接地故障电流小、暂态过程复杂的情况下可靠识别故障线路，解决了单极接地时难以依靠电压、电流变化率区分故障线路的问题。
　　(2)针对MMC-HVDC线路单极接地后故障距离的检测，提出了一种基于主动式脉冲的MMC-HVDC单极接地故障测距方法。结合模块化多电平柔性直流子模块控制特性，提出了基于子模块控制的主动式脉冲产生原理，进而通过检测脉冲发出时间和反射脉冲到达监测点的时间，提出了适用于MMC-HVDC的主动式脉冲测距方法;进一步采用二分递推奇异值分解(SVD)进行行波到达时刻的检测，信号各分解层上对脉冲到达时间的检测结果不发生偏移，可实现波头到达时刻的精确测量。提出的测距方法不需要额外增加设备，不受过渡电阻影响，可多次进行测量，提高了故障检测的准确度和可靠性，解决了被动式行波测距无法多次测量和易受过渡电阻影响的问题。
　　(3)针对MMC-HVDC线路双极故障，提出了基于时间特性的多端MMC-HVDC双极故障快速检测方法。通过分析多端MMC-HVDC双极故障时的行波特性及其在换流器引起的电压波动特性，利用故障与非故障线路在第一次电压行波上的特征差异提出了基于时间特性的双极故障快速检测方法。提出的时间比值方法不受过渡电阻的影响，受高频干扰信号的影响也较小，可以在1ms内快速识别双极故障，有利于直流断路器快速切断处于上升阶段的故障电流，减小多端柔性直流系统停运的风险，解决了基于电压、电流变化率的故障检测方法易受过渡电阻和干扰信号影响而误判的问题。
　　(4)针对MMC-HVDC线路双极故障性质的检测，提出了一种基于强局部加权回归的双极永久性故障快速识别方法。通过分析永久性故障、瞬时性故障和保护误动等不同场景下断路器动作后的电气量特征，提出利用正负极电压之差是否快速衰减为零来识别双极永久性故障;进一步提出采用强局部加权回归方法滤除电压信号中的高频分量，实现暂态过程中双极永久性故障的快速识别。提出的强局部加权回归方法能快速识别双极故障性质，在瞬时性故障或保护误动后快速闭合断路器，MMC-HVDC系统能快速恢复稳定运行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 柔性直流线路故障检测方法研究现状

1．2．2 柔性直流故障测距方法研究现状

1．2．3 柔性直流永久性故障识别研究现状

1．2．4 存在问题分析

1．3 论文研究思路与主要工作

1．3．1 论文研究思路

1．3．2 论文主要工作

第2章 基于小波时间熵的MMC-HVDC架空线路单极接地故障检测方法

2．1 引言

2．2 MMC-HVDC换流器拓扑和接地方式

2．3 单极接地故障特性分析

2．4 基于小波时间熵的单极接地故障检测方法

2．4．1 小波时间熵

2．4．2 单极接地电流暂态信号小波时间熵特征分析

2．4．3 交流区故障暂态信号小波时间熵特征分析

2．4．4 雷击和噪声干扰暂态信号小波时间熵特征分析

2．4．5 故障极识别

2．4．6 母线单极接地故障分析

2．4．7 小波时间熵单极接地故障检测判据

2．5 仿真分析

2．6 本章小结

第3章 基于短时能量的多端柔性直流单极接地故障线路识别方法

3．1 引言

3．2 基于MMC的多端柔性直流单极接地故障分析

3．2．1 线路稳态电压电流特性分析

3．2．2 线路正负极对地电容电流暂态特性分析

3．2．3 线路暂态对地电容电流与暂态故障电流的关系

3．3 基于线路对地电容电流的线路两端暂态差流分析

3．3．1 故障线路两端暂态差流

3．3．2 非故障线路两端暂态差流

3．3．3 故障线路和非故障线路两端差流对比分析

3．4 基于线路两端差流短时能量的MMC-MTDC单极接地故障线路识别

3．4．1 线路两端差动电流的短时能量

3．4．2 故障线路和非故障线路两端差流的短时能量

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

第4章 基于主动脉冲的MMC-HVDC单极接地故障测距方法

4．1 引言

4．2 MMC-HVDC主动脉冲单极接地测距方法

4．3 基于子模块控制的MMC主动式脉冲产生方法

4．3．1 主动式脉冲产生原理及控制方法

4．3．2 适用于测距的主动式脉冲参数选取

4．4 主动式脉冲到达时间检测

4．5 主动式脉冲传播速度的测定

4．6 MMC-HVDC主动式脉冲单端测距流程

4．7 仿真分析

4．7．1 MMC主动式脉冲产生

4．7．2 二分递推SVD对脉冲到达时刻的检测

4．7．3 测距结果及分析

4．8 本章小结

第5章 基于时间特性的MMC-MTDC双极故障快速检测方法

5．1 引言

5．2 故障点初始行波特性

5．3 故障行波引起的线路电压变化分析

5．3．1 故障行波作用下线路电压计算

5．3．2 故障与非故障线路电压对比分析

5．4 电压变化时间比值方法

5．5 双极故障检测流程

5．6 仿真及性能分析

5．6．1 典型仿真结果

5．6．2 算法性能仿真分析

5．7 本章小结

第6章 MMC-MTDC线路双极永久性故障快速识别方法

6．1 引言

6．2 断路器动作后直流线路电压特性分析

6．3 MMC-MTDC永久性故障快速识别方法

6．3．1 断路器动作后线路电压高频分量分析

6．3．2 基于强局部加权回归的正负极电压快速识别

6．4 永久性故障识别流程

6．5 仿真算例

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 论文研究结论

7．2 未来研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介