一种可识别雷击干扰的MMC-HVDC暂态量保护方法与流程

一种可识别雷击干扰的mmc
‑
hvdc暂态量保护方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种可识别雷电干扰的高频暂态量保护方法。


背景技术：

2.面对传统直流输电中无法解决的难题，基于电压源换流器的柔性直流输电技术(vsc
‑
hvdc)迎来了广泛的研究与迅速的发展。采用两电平或三电平换流器的柔性直流输电技术无法满足当前的大容量和远距离输电的需求，为此，模块化多电平换流器(mmc)的提出将这一输电技术的发展前景又提升一个高度。
3.为保证速动性，目前保护的研究基本集中在暂态电气量上，研究角度主要分为时域和频域两个方面。时域上的保护方法的耐过渡电阻能力有限，虽然从频域的角度可以提高耐过渡电阻能力，但是需要选择合适的信号处理方法，且保护在干扰信号下容易误动。双端量保护有着较好的可靠性，但是它们在远距离输电中难以满足速度性要求。无论是时域还是频域的保护，它们都在获得速动性的同时牺牲了可靠性。非故障源信号带来的干扰同样可能引起电气量的剧烈突变，如不采取措施去识别这些干扰，则会造成保护不必要的误动作，中断电网的功率传输，这对于高压电网来说损失是巨大的。因此，如何在短时窗内权衡好速动性和可靠性的关系是至关重要的。
4.雷电冲击是一种持续时间极短的单极性脉冲波，当雷击不引起线路绝缘闪络时，对于保护来说是一种高频干扰源。在采用架空线的长距离输电系统中，受环境和气候因素的影响，雷击的发生概率明显提高，雷电干扰已经成为一种常见干扰因素。有学者利用电流变化量的大小进行雷击干扰的识别，或利用电流波形在时间轴的交替变化规律分辨雷击干扰与线路故障，但是这两种方法都是基于线路均匀性是否遭到破坏，以行波在线路两端或故障点可以完成数次的折反射为条件，不能在柔直系统中实现快速识别。故障行波与雷电波在频率分布上存在差异，有方法利用高低频比值识别雷击，但是有研究指出，在某些情况下二者频域特征类似，且阈值确定并不容易。有研究利用小波变换捕捉模极大值并拟合波尾来消除雷击干扰，但是该方法需要极高的采样率要求来实现，且在近端故障时，由于行波的折反射影响，行波的波尾是难以提取的。
5.柔性直流输电系统的故障发展速度迅速，致使传统继电保护的速动性受到了挑战，暂态量保护伴随着柔直技术的发展迎来了国内外研究的热潮。保护识别速度的提高必然伴随着可靠性的降低，且当前保护动作速度的研究进展已趋近于极限，所以如何在保证速动性要求下提高保护的可靠性是重中之重。远距离输电工程中雷击发生较为频繁，在不引起闪络的情况下，其作为一种干扰源是不容忽略的。基于此原因，本方法利用希尔伯特黄变换设计了一种高频保护方案，同时利用雷电波波形特征提出了一种雷击干扰识别方法。之后，将雷击判据与保护判据相结合以。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种可以可识别雷击干扰，提高可靠性的mmc
‑
hvdc暂态量保护方法，本发明考虑了线路的频变特性以及行波传输过程，并构造了基于高低频差异的保护方案，有效解决了目前单端量保护面临的高阻接地拒动问题，并具备较强的抗噪能力。所述方法包括以下步骤：
7.一种可识别雷击干扰的mmc
‑
hvdc暂态量保护方法，包括下列步骤：
8.步骤(1)：将保护测量点设置在线路始端即线路电抗器的线路侧，利用保护测量点的电压变化量实现保护启动与故障选极，令δu为保护安装处的实时测得的电压变化量，δu
z
为保护启动阈值，当连续两个采样点的电压变化量均大于保护启动阈值时，保护启动；
9.设k
pole
为连续n个采样点的电压变化量，δu
p
和δu
n
分别正负极电压突变量，
[0010][0011]
令k1为故障极判定阈值，构造选极判据如下：
[0012][0013]
步骤(2)：利用平波电抗器对故障行波的高频衰减作用制定区内外故障识别方法，通过经验模态分解将原信号按照高频到低频的顺序依次分解成一系列的固有模态函数即imf分量，对各imf分量进行希尔伯特变换后得到解析信号z(t)，进而得到imf中各时刻的瞬时频率f。
[0014]
对1模故障电压行波进行经验模态分解得到第一个固有模态函数分量imf1，对imf1中瞬时频率大于500hz的数据进行绝对值求和，并将其定义高频能量e1，则保护启动后t1内的e1为：
[0015][0016]
n1为判据时间窗内的数据点个数，当e1大于e
z
时，认为线路区内发生了故障，e
z
为判据阈值，根据最严重区外故障来整定。
[0017]
步骤(3)：利用时域波形面积特征进行故障识别，利用反行波构造雷击干扰识别判据，根据采样得到的离散数据构造如下判据：
[0018][0019]
式中，分子代表波形在固定时间窗内与坐标轴围成的面积，分母为波形最大值、坐
标轴以及时间窗所围成的矩形面积，二者的比值为k
s
，b1为保护安装处测得的1模反行波，n2为判据时间窗内的数据点个数，当k
s
>k2时认为是线路故障，k2为雷击干扰判定阈值，否则为雷击干扰。
[0020]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0021]
1、由于限流电抗器这一天然高频边界的存在，故障行波的高频分量经限流电抗器后会发生大幅的衰减，通过希尔伯特黄变换提取1模反行波的高频分量可以准确识别区内外故障，并具备较高的耐过渡电阻能力。
[0022]
2、本方法从时域角度合理利用波形面积特征设计雷击识别方法，所提办法可以准确排除线路不同位置的雷击干扰，防止保护因雷击干扰而误动，保证输电系统稳定持续地运行。即便是在雷击引起线路故障的情况下，本方法也不会影响保护的正常动作。虽然近距离故障时的反行波波形会受到折反射的影响，但并不会影响方法的判定。
附图说明
[0023]
图1为故障点电压分量波形；
[0024]
图2为测量点电压反行波波形；
[0025]
图3为标准雷电波波形；
[0026]
图4为标准雷电波幅值谱；
[0027]
图5为雷电波时域波形；
[0028]
图6为故障行波时域波形。
具体实施方式
[0029]
本发明利用希尔伯特黄变换设计了一种高频保护方案，同时利用雷电波波形特征提出了一种雷击干扰识别方法。之后，将雷击判据与保护判据相结合，以弥补暂态量保护的不足，提高其可靠性。
[0030]
步骤(1)将保护测量点设置在线路始端(线路电抗器的线路侧)，利用保护测量点的电压变化量实现保护启动与故障选极。令δu为保护安装处的实时测得的电压变化量，δu
z
为保护启动的阈值，根据正常运行时的电压波动情况可取10～25kv。当连续两个采样点的δu满足下式时，保护启动，t
s
为当前采样时刻，t
s 1
为下一个采样时刻。
[0031]
δu(t
s
)＞δu
z
&δu(t
s 1
)＞δu
z
ꢀꢀꢀ
(1)
[0032]
设k
pole
为连续n个采样点的电压变化量，δu
p
和δu
n
分别正负极电压突变量。
[0033][0034]
令k1为故障极判定阈值，选取范围为1.1～1.5。由此可构造选极判据如式(3)：
[0035][0036]
步骤(2)利用平波电抗器对故障行波的高频衰减作用制定区内外故障识别方法。经验模态分解将原信号按照高频到低频的顺序依次分解成一系列的固有模态函数(imf分量)。对各imf分量进行希尔伯特变换后可得到解析信号z(t)，进而可以得到imf中各时刻的瞬时频率f。
[0037][0038][0039]
考虑到线路对1模行波分量的衰减作用相对较小，本发明对1模故障电压行波进行经验模态分解得到第一个固有模态函数分量imf1。对imf1中瞬时频率大于500hz的数据进行绝对值求和，并将其定义高频能量e1。则保护启动后t1内的e1为：
[0040][0041]
n1为判据时间窗内的数据点个数。当e1大于e
z
时，可认为线路区内发生了故障。e
z
为判据阈值，根据最严重区外故障来整定，其值可取在100～300kv之间。
[0042]
步骤(3)利用时域波形面积特征进行故障识别。利用反行波构造雷击干扰识别判据，因为反行波直接来源于故障点或雷击点。根据采样得到的离散数据构造式(7)的判据。
[0043][0044]
式(7)中，分子代表波形在固定时间窗内与坐标轴围成的面积，分母为波形最大值、坐标轴以及时间窗所围成的矩形面积，二者的比值为k
s
。b1为保护安装处测得的1模反行波，n2为判据时间窗内的数据点个数。当k
s
>k2时可认为是线路故障，k2为雷击干扰判定阈值，最佳选取范围为0.40～0.55。否则为雷击干扰。
[0045]
下面对本发明作进一步的详细说明。
[0046]
1，利用保护测量点的电压变化量实现保护启动与故障选极。
[0047]
线路故障伴随着明显的电压下降，故可利用电压变化量的大小实现保护启动。故障发生时，故障极的电压变化量大于非故障极的，双极故障时正负极电压变化量接近，利用正负极的电压变化量的比值可以进行故障极的确定。
[0048]
2，利用平波电抗器对故障行波的高频衰减作用制定区内外故障识别方法
[0049]
当线路发生故障时，故障点电压迅速降低，在不考虑过渡电阻的情况下，相当于在故障点叠加了一个大小为
‑
u
dc
的阶跃信号，如图1所示(故障发生时刻为1.3s)。
[0050]
电压突变的同时同样也伴随着各个高频分量的产生，且故障分量的低频分量含量较大。之后，该阶跃信号将以行波的形式向线路两端传输。经短暂延时后，测量点所测得的反向行波b
m
与原始阶跃信号有着明显差异，在传输过程中由于线路的分布参数及频变特性，行波中的各个频率成分将发生不同程度的衰减，从而导致故障行波的波头变缓，如图2所示。
[0051]
b
m
(t)＝
‑
u
dc
*a(t)*ε(t
‑
τ
m
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0052]
其中a(t)是线路的传播函数，频率越高该值越小，即衰减程度越大。同时，故障距离越远，a(t)越小，即线路对行波的衰减作用越大。由上述可知，当行波到达时，在保护安装处所测得的故障电压的频率成分主要集中在较低频段。此外，当线路区外发生故障时，由于线路两端限流电抗器的存在，高频分量经过电抗器会发生大幅衰减，这个特点可以作为构造保护方案的重要依据。
[0053]
故障电压作为一种非平稳信号，需要采用合适的信号处理办法提取高频分量。加窗傅里叶变换、小波变换、winger
‑
ville分布以及s变换等基于傅里叶分析演变而来的时频分析方法同样都受傅里叶分析不足的限制。同时，受海森堡不确定原理的限制，这些分析方法在时间分辨率和频率分辨率之间难以权衡。
[0054]
希尔伯特黄变换从瞬时频率的角度对原信号依次进行经验模态分解以及希尔伯特变换，可以揭示信号频率随时间变化的特征。
[0055]
3，利用时域波形面积特征进行故障识别。
[0056]
雷击对输电线路的冲击主要分为直击雷与感应雷两种形式，其中直击雷根据雷击位置又可以分为雷击避雷线、雷击杆塔以及雷击输电线路，雷击输电线路又可称为绕击。
[0057]
雷击避雷线中较为严重的是雷击档距中央，但是发生概率较低，且难以对高压输电线路构成威胁。雷击杆塔或是其附近的避雷线有可能对输电线路引起反击，而对于特高压输电线路来说，反击的耐雷水平很高，因此反击概率极低。雷电冲击不足以引起绝缘受损时，保护不应该动作，这种情况属于雷击干扰。上述干扰情况可利用0模和1模电压变化量进行区分，本发明主要针对雷电绕击的情况进行分析。
[0058]
发生绕击时，如果雷电流不足以引起绝缘子闪络时，线路仍能维持正常运行，此时为非故障性绕击。当雷电流幅值过高，线路遭受的过电压过大时，线路绝缘将会遭到破坏，这种情况为故障性绕击，保护应该动作。非故障性绕击也伴随着电压降低、电流增大以及高频分量的产生，所以要提高暂态量保护的可靠性，必须准确区分非故障性绕击和线路故障。
[0059]
雷击输电线路的过程可以看作是雷电波沿无限长的雷电通道经雷击点向线路两端传输，雷电流波形可以用式(9)的双指数函数来表示。雷电压波形与之类似，其波形为雷电流波形乘以雷电通道的波阻抗。
[0060]
i(t)＝ai
p
(e
‑
αt
‑
e
‑
βt
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0061]
i
p
是雷电流的峰值，a，α以及β为波形参数，不同的雷电流波形对应不同的参数。iec的标准波形1.2/50μs如图3所示，其中，t1＝1.2μs为(视在)波前时间，t2＝50μs为(视在)半峰值时间。
[0062]
对式(9)进行傅立叶变换，可以得到雷电波的频域表达式。
[0063]
[0064]
由此可以得到1.2/50μs波形的频谱图如图4所示，可见，雷电波的频率成份也主要分布在低频段。有文献指出在高频成分与低频成份的相对含量上，雷电波比故障行波有着更高的高频含量，故可利用高低频的相对大小识别雷击干扰。但是，当考虑线路对行波的衰减作用时，当雷击位置位于线路远端时，高频分量衰减较大，这时保护安装处所检测到的高低频成份关系可能与故障行波类似。并且，当近距离故障发生时，在有限的数据窗长内，行波在平波电抗器与故障点之间已经发生了数次折反射过程，测量点电压的频率分布将会发生变化。此时的故障电压同样具有包含较多高频成分的特征，保护将难以判定是否为短路故障或是雷击干扰。可见，利用频域方法将难以准确识别雷击干扰，只能从时域上寻求判定方法。
[0065]
图5和图6分别为雷电波与故障行波的时域波形，矩形区域以一固定时间窗(本发明采用0.6ms)、横坐标轴以及最大值之间构成，雷电波曲线与坐标轴构成图5中的s2，故障行波曲线与坐标轴构成图6中的t2。
[0066]
令：
[0067][0068][0069]
从图6可以看出，故障行波的m1是大于0.5的。m2可由下式计算得出，t
s
为保护启动时刻。
[0070][0071]
m2计算结果为0.1172，m2的大小都远小于0.5。m1>m2，通过此特点可以制定雷击干扰识别方法。
[0072]
本发明具体实施过程如下：首先计算连续两个采样值的电压突变量是否超过启动阈值，如果超过，则保护启动。之后，利用希尔波特黄变换计算高频分量的大小，当其大于故障判定阈值时，则认为线路可能发生了故障。之后计算雷击判据k s
，如k
s
>k2，则认定为故障，进行后续的选极判定，否则判定为雷击干扰。最后，根据选极判据选择正确的故障极，实现保护正确出口，切除故障。