基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法及系统，针对多端直流系统，以保护方法灵敏度尽可能高和暂态方差电流误差尽可能小为原则，根据系统参数确定保护方法的采样窗；以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗长度整定保护阈值；基于暂态方差提取电流信号的高频能量，若大于保护阈值，则判为区内故障，执行保护动作，若小于阈值，则不执行保护动作。这种方法可以不依赖于仿真，利用更简单的计算提取电量的高频分量，可以理论计算出保护阈值的解析解，确保了保护方法的选择性，抗外界噪声能力强，具有高灵敏度与良好的耐过渡电阻能力。

说明书

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法及系统。

背景技术

近年来，远海风能接入的多端直流系统受到广泛关注。针对直流线路故障，二电平电压源换流器(two-level voltage source converter,TLVSC)和半桥型模块化多电平换流器(half-bridge modular multilevel converter,HBMMC)缺乏调控能力，导致换流器的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)快速闭锁，整个直流系统的电力传输被迫中断。随着电力电子直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的发展，直流故障能够在故障发生后的几毫秒内被切除，避免换流器闭锁。然而，直流故障后故障线路的快速精确检测和隔离是保护多端直流系统的巨大挑战之一。

如今针对直流电网中电流的故障特性和保护方法的研究已有很多，但这些研究具有一些局限性，具体如下：

1、缺乏适用于多端直流电网的故障电流解析表达；

2、保护方法采样率要求高，保护方法计算量较大；

3、基于复杂的数值仿真计算保护阈值；

4、保护方法易受外界噪声影响且容错率差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法及系统，利用简单的计算提取电量的高频分量，能够计算出保护阈值的解析解，保证了保护方法的选择性、灵敏性和速动性，具有良好的耐过渡电阻能力。

本发明采用以下技术方案：

一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法，以灵敏度最高和暂态方差电流误差最小为原则，根据多端直流系统参数确定采样窗；以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗的长度整定保护阈值；基于暂态方差提取电流信号的高频能量，若大于保护阈值，判断为区内故障，执行保护动作，若小于保护阈值，则不执行保护动作。

具体的，通过线路mn的暂态电流方差和保护阈值的比定义灵敏度K

其中，D

进一步的，线路mn的故障分量电流的频域表达式和时域表达式分别为：

其中，I

具体的，暂态电流方差的比值接近于1，具体为：

其中，

具体的，整定后的保护阈值D

D

其中，K

进一步的，对应的暂态电流方差D

其中，T表示暂态电流方差的计算时长，I

更进一步的，暂态电流方差的计算时长T等于2。

具体的，执行保护动作的条件如下：

D(I(t))＞D

其中，D(I(t))为直流线路电流的暂态方差，D

进一步的，直流线路电流的暂态方差D(I(t))为：

其中，T为暂态电流方差的计算时长，I(τ)为实际直流线路电流，t为以故障时刻为0时刻的参考时间，τ为积分变量。

本发明的另一技术方案是，一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护系统，包括：

采样模块，以灵敏度最高和暂态方差电流误差最小为原则，根据多端直流系统参数确定采样窗；

整定模块，以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗的长度整定保护阈值；

保护模块，基于暂态方差提取电流信号的高频能量，若大于保护阈值，判断为区内故障，执行保护动作，若小于保护阈值，则不执行保护动作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法，通过对多端直流系统故障分析，得到故障电流的解析表达式，为断路器的选择、保护方法的设计、保护阈值整定提供理论支撑，避免了双端量保护方法的通信问题，能够快速识别故障线路，有利于提高保护的速动性，基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法，提出了暂态电流方差这一指标描述直流故障电流的特性，避免了依赖复杂的数值仿真确定保护阈值，简化了保护方法的设计，且具有较高灵敏度与精确度，从而实现故障线路的快速检测和隔离。

进一步的，使用线路mn的暂态电流方差D

进一步的，通过求解线路mn的故障分量电流的频域表达式和时域表达式，便于定量分析线路参数对故障电流的影响，从而对保护方案的设计以及阈值的整定具有理论指导作用。

进一步的，通过定义不同模型暂态电流方差比值接近1，减小了采用集总参数模型的误差，使保护方案准确性更高。

进一步的，通过设置合适的保护阈值D

进一步的，根据最严重的区外故障确定阈值，从而避免区外故障保护误动作。

进一步的，当选择合适的时间窗长度后，提出的保护方法具有较高的灵敏度与较高精度。

进一步的，当直流线路的暂态电流方差大于阈值时，保护应快速动作，保证在正常情况下直流线路的保护绝对不动作，保证了保护的可靠性。

进一步的，通过暂态电流方差提取故障电流中的高频部分，故障线路可以快速识别，且避免了复杂的时频域变换。

综上所述，本发明保护方法具有阈值整定不依赖于仿真、采样率较低、抗外界噪声能力强、耐过渡电阻等优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为包含内部故障和外部故障的保护线路图；

图3为测试的四端直流系统示意图；

图4为仿真图，其中，(a)为仿真结果一，(b)为仿真结果二，(c)为仿真结果三，(d)为仿真结果四，(e)为仿真结果五，(f)为仿真结果六。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法，定义暂态电流方差描述直流线路故障特性，可根据灵敏度分析和输电线路采用不同模型的误差分析计算出合适的采样窗长度，提出基于暂态电流方差提取高频信号的方法，且计算出保护阈值的解析解，若超过保护整定阈值，则判断该线路为故障线路，保护启动。

请参阅图1，本发明一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法，包括以下步骤：

S1、针对多端直流系统，根据系统参数确定保护方法的采样窗长度；

请参阅图2，为包含区内故障和区外故障的受保护电路。其中，线路mn为多端直流系统的任意输电线路，它的相邻线路为pm和nq。为了便于计算，输电线路采用经典RL模型。其中，R

由于VSC调节能力差，易受到直流故障电流的破坏，要在IGBT闭锁之前完成故障检测。因此故障后几毫秒即电容放电阶段的短路电流计算是本发明的研究对象。在电容放电阶段，故障分量电流在故障线路中呈线性增长，而在非故障线路中呈立方增长。线路mn的故障分量电流的频域表达式和时域表达式分别为：

其中，I

由于直流故障电流的高频部分在正常线路中会急剧下降，因此可以利用暂态高频分量来识别故障线路。设置S为由{x(0),x(1),…,x(N-1)}组成的任意时间序列，S的均值为：

S的暂态方差为：

可以利用离散傅里叶变换实现时域频域的变换：

其中，X(k)为信号x(n)的傅里叶变换，X’(k)为信号的离散傅里叶级数；

根据帕塞瓦尔定理，函数平方的积分等于其傅里叶转换式平方的积分：

根据式(4)，D(S)扩展为：

结合式(4)和式(5)，此时S的暂态方差可写成：

根据式(6)，S的暂态方差与其高频分量相关，因此无需通过时频域变换即可计算出S的暂态高频能量。设信号S的持续时间为T，X(k)的频率Δf为：

其中，f

为了便于实时计算，当S为关于时间的连续函数时，在采样窗口T期间的暂态方差为：

对于多端直流系统的灵敏度，计算保护线路区内发生最轻微故障，即金属性故障发生在保护线路mn的远端，此时保护线路的故障分量电流为：

在电容放电阶段，故障电流的暂态方差为：

其中，T表示暂态电流方差的计算时长；

根据系统参数确定保护方法的采样窗长度，需要使保护灵敏度尽可能大：

其中，D

在多端直流系统中，通常VSC的直流侧电容为几百μF，补偿电抗器为几百mH。为了使保护方法具有较高灵敏度，根据系统参数，当灵敏度K

选择保护方案合适采样窗长度，不仅需要考虑灵敏度的约束，还应该考虑输电线路采用不同模型的影响。输电线路的分布参数模型包含贝瑞隆模型线路、频变参数线路模型，一般用于描述故障瞬态过程。提出的保护方案是基于集总参数模型，忽略了输电线路中行波过程的影响，因此在该方案应用过程中，应考虑采用线路集总参数模型和分布参数模型误差。直流输电线路发生故障后，故障点产生故障行波，沿线路传播，且故障行波表现为阶跃信号特征。根据彼得孙法则，故障后输电线路mn的m侧的第一个行波浪涌I

其中，L

当L

采样窗长度T应大于下一次在最长的传输线路的起点注入电流行波的时间：

其中，v为行波波速，等于(L

对于集总参数模型，基于式(10)得到故障线路的暂态电流方差：

根据系统参数确定保护方法的采样窗长度，需要使采用集总参数线路模型进行分析计算的误差尽可能小，即使采用分布参数模型和集总参数模型时的暂态方差比接近于1：

其中，

根据式(18)可知，若采样窗长度T增长，使分布参数模型和集总参数模型的暂态方差比值降低。对于任意多端直流系统，在给定L

S2、以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗长度整定保护阈值；

为了避免区外故障时保护设备误操作，应考虑最严重的区外故障，即下级线路的始端发生金属故障，根据式(20)，保护线路的故障分量电流为：

相应的暂态电流方差为：

保护阈值具体的值为：

其中，I

S3、判断计算得到的暂态电流方差是否超过保护阈值，若D(I(t))＞D

执行保护的条件为：

D(I(t))＞D

其中，S(t)为随时间变化的特定信号，x(τ)为信号S(t)的连续函数，T表示暂态电流方差的计算时长，D

本发明再一个实施例中，提供一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护系统，该系统能够用于实现上述基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法，具体的，该基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护系统包括采样模块、整定模块以及保护模块。

其中，采样模块，以灵敏度最高和暂态方差电流误差最小为原则，根据多端直流系统参数确定采样窗；

整定模块，以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗的长度整定保护阈值；

保护模块，基于暂态方差提取电流信号的高频能量，若大于保护阈值，判断为区内故障，执行保护动作，若小于保护阈值，则不执行保护动作。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法的操作，包括：

以灵敏度最高和暂态方差电流误差最小为原则，根据多端直流系统参数确定采样窗；以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗的长度整定保护阈值；基于暂态方差提取电流信号的高频能量，若大于保护阈值，判断为区内故障，执行保护动作，若小于保护阈值，则不执行保护动作。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

以灵敏度最高和暂态方差电流误差最小为原则，根据多端直流系统参数确定采样窗；以保证选择性为依据，根据系统参数与采样窗的长度整定保护阈值；基于暂态方差提取电流信号的高频能量，若大于保护阈值，判断为区内故障，执行保护动作，若小于保护阈值，则不执行保护动作。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，为测试的四端直流系统示意图，电气元件参数命名方法与图2相同，T1、T3和T4处的换流站采用定功率控制，T2处的换流站采用定电圧控制。分别改变故障位置与过渡电阻的大小，验证本发明提供的保护方法的有效性与耐过渡电阻能力。

请参阅图4，图4(a)为直流线路12末端发生金属性故障时，不同模型的故障分量电流的仿真结果与计算结果。可以看出，采用RL模型和所提模型得到的故障电流几乎相同，与频变模型具有相近的增长速率。这表明所提出的模型对基于VSC换流器的多端直流系统的分析是准确的。

图4(b)为直流线路12末端发生金属性故障时，故障线路的暂态电流方差。可以看出，在故障后大概1ms时超过阈值，保护可以正确启动，验证了保护方案的速动性。

图4(c)和图4(d)分别为直流线路12末端发生金属性故障时，线路24的故障分量电流和暂态电流方差。可以看出，三种模型的非故障线路故障分量电流波形相似，且故障后的3ms内三种模型的瞬态方差均不超过阈值，验证了所提方案的选择性。

图4(e)和图4(f)分别为过渡电阻为200Ω时，不同故障距离的故障分量电流与其暂态方差。由于行波效应，频变模型的故障线路的暂态电流方差围绕RL模型的暂态电流方差产生振荡。可以看出，采用RL模型与所提模型的暂态方差相差不大，这表明所提保护方案的准确性。

仿真结果验证了本发明所提的保护方法具有较好的选择性，且具有良好的耐过渡电阻能力。

综上所述，本发明一种基于暂态电流方差的多端直流系统单端量保护方法及系统，针对多端直流系统，定义暂态电流方差描述直流故障电流特性，计算出保护阈值的解析解，实现保护阈值整定，保证保护方案的选择性。这种方法可以不依赖于仿真，利用更简单的计算提取电量的高频分量，抗外界噪声能力强，具有高灵敏度与良好的耐过渡电阻能力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

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。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。