基于反行波与信号处理的特高压直流输电线路纵联保护方法

现阶段直流输电线路纵联保护单纯地采用叠加原理,未考虑直流输电系统的强非线性,保护在实际工程中存在适应性问题。针对此问题,提出一种纵联保护新方法。从保护方法的适应性角度出发,提出基于描述函数法的信号线性化处理技术。通过分析直流输电线路区内、外故障发生后一段时窗内反行波的传输特性,发现发生区内故障时,线路两端反行波波形间相似度较高;发生区外故障时,线路两端反行波波形间相似度较低;进而提出一种基于反行波的纵联保护方法,该方法利用Hausdorff距离算法度量线路两端反行波的相似度,构造直流输电线路故障识别判据。仿真结果表明,该保护方法能可靠区分直流线路区内、外故障,且在发生高阻接地故障时具有较高灵敏性。     

采用直流断路器的对称单极多端柔性直流故障清除策略

针对直流断路器应用中直流线路故障快速选择性隔离问题,研究了对称单极多端柔性直流线路故障清除策略。根据对多端直流系统的单极和双极接地故障特性的分析结果,得到了单极和双极故障初期相同的故障电流上升率余弦特性衰减特性。提出了基于电流变化率的方向纵联选线策略,同时设计了采用直流断路器策略实现故障隔离和重合闸的直流线路故障清除方案。通过搭建的PSCAD/EMTDC模型,对单极接地故障时的电流上升率特性和设计的直流线路故障清除策略进行了验证,仿真结果证明了电流上升率特性的正确性以及所述故障清除策略的有效性。     

采用电流突变量夹角余弦的直流电网线路纵联保护方法

直流线路的保护是多端柔性直流电网发展面临的关键问题之一。文中针对现有纵联电流差动保护存在的问题,提出了一种采用电流突变量夹角余弦值的纵联保护方法,它利用线路两端电流突变量计算夹角余弦值从而进行区内、外故障判断。区内故障时,线路两端电流突变量方向相反,夹角余弦值为负值;区外故障时,线路两端电流突变量方向相同,夹角余弦值为正值。保护方法采用改进电压梯度法快速启动,并利用正、负极电压比值来识别故障极。仿真表明,所提出的保护方法不仅可以可靠识别区内、外故障,同时具有较强的耐过渡电阻能力且不易受线路分布电容电流的影响。     

高压直流线路纵联行波方向保护

行波保护作为直流线路的主保护其应用比较广泛,但由于它是单侧电气量的保护,保护范围需要通过定值整定来确定,且行波保护不能反应于高阻接地故障。文中在对行波传输原理进行分析的基础上,利用区内故障时线路两侧均有反向行波幅值大于正向行波幅值的特点,构成纵联行波方向保护。若线路两端保护的判断结果均为正向故障,则整流侧将迅速移相重启。RTDS仿真表明,所提出的纵联行波方向保护方案能够快速、可靠地识别线路区内外故障,具有整定方便、保护范围明确、能反应于高阻接地故障等优点,可作为直流线路主保护的有益补充。     

基于电流相关性的直流线路单极故障保护方案

目前,柔性直流配电网得到快速发展,但其直流线路保护方案还不成熟,特别是基于模块化多电平换流器（modular multi-level converter,MMC）的直流配电系统,单极接地故障时故障电流不明显,给故障识别增加了难度。针对这一问题,考虑直流线路的分布电容效应,提出一种采用Pearson相关系数计算正负极电流相关性的单极接地故障识别方法。区内故障时,线路每端的正极电流与负极电流均呈强正相关特性,而区外故障时,靠近故障端的线路正负极电流正线性相关性较差。以直流电压变化率作为故障识别启动判据,给出具体的单极接地故障保护方案。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了光伏直流接入系统仿真模型并进行了验证,结果表明：该方案可快速、可靠地识别区内外故障,并具有一定耐受过渡电阻的能力。     

基于电阻型超导限流器的直流线路纵联保护方法

柔性直流系统中双极短路故障电流的限流和对故障线路快速可靠的开断是实现柔性直流系统安全运行的重要保证。以南澳多端柔性直流示范工程为例,提出一种基于电阻型超导限流器的直流线路纵联保护方法。该方法结合超导材料特性,克服传统电流差动保护依赖额外电流测量设备的缺点,利用电阻型超导直流限流器失超时两端电压的正负,配合混合式直流断路器,实现有选择性的故障隔离。分析电阻型超导限流器在南澳多端柔性直流示范工程中的应用场景,在此基础上提出直流线路纵联保护流程和逻辑时序,最后在某四端柔性直流系统中进行仿真。仿真结果验证了该保护方法的可行性,可实现对直流线路双极短路故障的快速隔离。     

新型直流输电行波电流极性比较式方向保护

为克服现有直流输电线路行波保护原理上存在的缺陷,基于现有行波保护方案的分析和仿真,改进了电流极性比较式方向保护方案。该方案引入了数学形态学梯度技术以提高方向保护的动作性能和准确反映暂态行波信号的突变时刻;且集故障定位与保护于一体。6个具有代表性算例的仿真比较表明,该方案能可靠区分直流输电线路区内、外的各种故障,对近距离故障、高阻接地故障等传统方法中难于准确定位的故障类型给出较准确的结果。     

基于零模电流相关性的直流配电网单极接地选线方法

柔性直流配电系统最常见的故障是单极接地故障。发生单极接地故障后,系统出现故障极与非故障极电压不平衡的现象,对系统安全稳定运行产生威胁,对保护方案的快速性和可靠性提出很高要求。针对此问题,首先分析了柔性直流配电系统线路发生单极接地故障后的故障电流特征,然后验证了故障时线路两端零模电流分量的相关性,最后提出基于线路两端零模电流量相关性的柔性直流配电系统单极接地选线方案。该保护方案充分利用故障后系统固有暂态特征,无需利用边界元件构造边界特性。在实时数字仿真器(Real Time Digital simulator, RTDS)上搭建基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的柔性直流配电系统电磁仿真模型验证所述方案的有效性。结果表明该选线方案能够实现快速、可靠识别故障线路,且耐受过渡电阻、噪声、传输延时的能力强,不受交流侧故障影响。     

长距离直流电缆对柔性直流系统故障影响分析

远距离海上风电越来越多的选择柔性直流经海缆送出的方式。采用电缆的柔性直流输电系统,其故障特性比传统架空线直流输电系统更加复杂。本文基于对称单极拓扑结构的双端柔性直流海上风电送出工程,简化了电缆和柔性直流输电系统的数学模型,分析了换流变阀侧交流系统单相接地和直流电缆线路单极接地等典型故障下的故障特性,运用叠加原理对故障机理进行解释,根据不同故障类型的故障源,等效出不同的故障回路,得到了长距离电缆显著的电容效应对柔性直流系统故障特征的复杂影响。利用实时数字仿真平台,搭建远海风电送出系统硬件在环仿真模型,验证了故障机理解析分析的正确性。     

基于暂态功率方向的柔性直流配电网线路单极接地保护方法

单极接地故障是柔性直流配电网最为常见的故障。采用小电流接地方式的MMC型柔性直流配电网发生单极接地故障时,短路电流小(主要是分布电容电流),故障识别困难,柔性直流配电网接地故障检测亟待解决。利用相模变换建立了基于MMC的多端环状柔性直流配电网单极接地故障的零模网络电路,分析了零模网络换流器和直流线路的阻抗特性。在所关注的特征频段内将零模网络简化等效,分析得到故障线路两端的零模电压导数与零模电流的极性均相反,非故障线路两端至少有一端的零模电压导数与零模电流极性相同。利用该故障线路与非故障线路差异特征,设计了一种利用暂态功率的方向纵联保护方法。其中故障线路两端暂态功率方向均为负,非故障线路两端功率方向至少有一端为正。最后在PSCAD/EMTDC平台搭建仿真验证。结果表明,所提保护方法能可靠识别区内区外故障,不依赖线路边界元件,无需数据同步,具有较好的耐受过渡电阻能力。     

基于波形相似度因子的双馈风电场送出线路单相接地保护

提出了一种基于波形相似度因子的双馈风电场送出线路单相接地保护方法。推导出电网故障下的风力发电机端口短路电流表达式,分析风电送出线路故障后故障电流的暂态特性。在此基础上,建立了风电送出系统的0模瞬时值模型。然后,利用区内外故障时模型差异特征构造0模电压波形相似度因子,进行故障定位。最后,通过仿真验证了该方法在各种单相接地故障情况下,均能正确识别区内外故障,不受过渡电阻和频率偏移影响。     

利用模量模型识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理

电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电控制系统复杂,故障承受能力差,线路保护装置动作正确率不高。文中提出了一种利用模量模型识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理。该原理将区外故障等效为正的电容模型,差动电流和差动电压导数相关系数为1;将区内故障等效为负的电容模型,差动电流和差动电压导数相关系数为-1。通过判别相关系数的正负,即可区分区内、区外故障。在实际运行中,VSC-HVDC输电系统多为双极运行,为降低极间电磁耦合的影响,采用了1模和0模量构成判据。理论分析和PSCAD仿真实验表明,新原理无需补偿输电线路电容电流,原理简单、易于整定,不受过渡电阻和控制特性的影响,在各种工况下均能快速可靠地区分区内、区外故障。     

基于测量波阻抗相位特征的三端混合直流线路纵联保护

线路的后备保护在混合直流输电系统中至关重要,但现有后备保护受分布电容和过渡电阻的影响较大,严重影响保护的可靠性和快速性。为解决上述问题,提出一种基于测量波阻抗相位特征的混合三端直流线路纵联保护方案。通过分析混合直流输电线路区内、外故障时线路两端测量波阻抗的差异性,利用S变换提取单频率的电压、电流初始行波,根据测量波阻抗相位差异构造判据区分区内、外故障。PSCAD 仿真表明,所提保护方案能可靠快速地识别区内外故障,具有较强的耐受过渡电阻的能力,并且不受故障电阻和分布电容的影响,有效提高了线路后备保护的可靠性和快速性。     

基于反行波差值的特高压直流线路纵联保护方案

纵差保护作为高压直流线路后备保护,需设置较长延时躲过区外故障时分布电容电流的影响。为提高纵联保护性能,提出一种基于反行波差值的纵联保护原理。区内故障时,远离故障侧的反行波与近故障侧的前行波不满足线路的传输函数;区外故障时,远离故障侧的反行波与近故障侧的前行波满足线路的传输函数。因此根据传输函数与近故障侧前行波计算远故障侧反行波,并将计算所得的反行波与实际反行波比较,识别区内、外故障。在PSCAD/EMTDC中对所提方案进行了验证,仿真结果表明,不同故障情况下保护方案均能快速、可靠地识别故障,并具有良好的耐受高阻能力。     

基于母线关联出线暂态频谱信息的UPFC线路纵联保护

统一潮流控制器(UPFC)作为新一代柔性交流输电系统元件在输电线路中逐渐应用,需要对含UPFC线路的保护原理进行深入研究。通过分析UPFC对线路故障暂态影响,得出高频分量经其串联侧时发生严重衰减,使仅利用单端暂态量的保护可靠性下降。分析母线关联出线的故障暂态特征可知,同一母线的故障侧线路与非故障侧线路的电流频谱分布存在明显差异。通过采用小波能量熵提取母线各出线暂态信息,提出一种适用于含UPFC线路的方向纵联保护方案。仿真结果表明,该方案可准确识别区内、外故障及母线故障,在不同过渡电阻、故障初始角等故障情况下,均具有较好的灵敏性和可靠性。     

基于边缘检测的大规模风电场送出线路纵联保护算法

由于风电出力的波动及送出线路发生故障时故障电流的频偏特性,风电场送出线路纵联保护灵敏度下降甚至拒动,因此提出了基于边缘检测的风电场送出线路纵联保护算法。通过将风电场送出线路两侧采集到的电流构造为矩阵形式,并使用Sobel算子进行边缘检测,从而确定电流采样值变化大的部分。然后通过所识别到的线路两侧电流采样值变化大的部分计算平均梯度幅值并与整定值相比较,实现区内故障和区外故障的快速识别。最后通过PSCAD/EMTDC搭建了大规模风电场送出系统模型,验证了所提算法的适用性、速动性及抗过渡电阻能力。与现有送出线路的纵联保护相比,所提方法在风电场弱出力的情况下仍适用,且动作速度更快。     

基于S变换样本熵的输电线路纵联保护新原理

提出了一种基于电流行波S变换样本熵的快速纵联保护新方法。利用故障后一段时间内线路两端故障电流行波的S变换样本熵比值来识别区内外故障。区外故障时,一侧的反行波和另一侧前行波为同一行波,波形相似,对应电流行波样本熵基本相同,其比值接近1。区内故障时,线路一侧的反行波和另一侧前行波为不同行波,波形相似度小,线路两端电流行波样本熵差异较大,其样本熵之比(数值小的与数值大的之比)最小。利用此特征可以确定线路区内外故障。仿真结果表明,所提出的纵联保护方案能够快速识别区内外故障,其性能不受故障类型、故障初始角、接地电阻、故障位置和母线结构的影响。     

基于线模电流故障分量的高压直流输电线路纵联保护方案

针对现有高压直流输电线路纵联保护受分布电容影响大,动作速度慢从而导致系统闭锁这一问题,提出了一种不受分布电容影响的高压直流输电线路方向纵联保护方案。通过分析模电流传输特性得到线模电流具有受分布电容影响小的特点。基于输电线路线模阻抗推导了区内和区外故障下线路两侧测点电流幅值特征,从而利用整流侧和逆变侧测点线模电流故障分量幅值比的差异作为保护判据,构建了区内外故障识别方案,并通过理论分析为保护阈值选取提供了依据。仿真结果表明,所提保护方案能够可靠识别区内外故障,保护动作不受分布电容影响,对采样和通信要求不高,并具有较强的耐过渡电阻能力和抗噪性。     

基于行波波形相关性分析的直流输电线路纵联保护方案

直流输电线路差动保护易受故障暂态影响,动作速度慢,有必要研究性能更为优越的纵联保护方案。通过对线路区内、区外故障行波传输过程的分析可知:区外故障时,故障侧前行波与非故障侧反行波为同一行波,波形呈现很强的相似性;区内故障时,一侧的前行波与另一侧反行波为不同行波,波形相似度很小。根据此特征差异,提出了一种基于行波波形相关性分析的快速纵联保护方案。仿真结果表明,所提出的纵联保护方案能够快速识别区内、区外故障,准确检测高阻接地故障,正确判别故障极,适用于不同电压等级直流输电工程,且对数据同步性要求不高。