一种LCC-VSC混合高压直流输电线路故障测距方法及系统

一种lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距方法及系统
技术领域
1.本发明涉及一种lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距方法及系统，属于电力系统继电保护技术领域。


背景技术：

2.在高压直流输电线路发生故障后，如果能快速，准确地排除故障，不但能提高电力系统运行的可靠性，而且可以减少因为停电而造成的巨大损失。因此，当线路发生故障后，如果能分析掌握不同的故障特征，迅速准确的预测故障距离，及时发现绝缘隐患，帮助用户排除线路故障带来的不便，不仅能第一时间修复故障线路，确保电网系统的安全稳定运行，降低由于线路故障带来的经济损失，而且还能减轻巡线人员的体力劳动，降低成本，产生巨大的经济效益。在高压直流输电系统中，输电距离较长，采用双端量法需要通信通道，而且要求两端数据同步，动作速度较慢；因此可采用单端量法进行故障测距，不需要对双端数据进行同步。在以往对故障距离进行计算的测距方法中，基本上都是在时间轴上对行波波头进行观测、标定识别，如果波头标定不精确则测距失败。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距方法及系统，用以解决上述技术问题。
4.本发明的技术方案是：一种lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距方法，基于单端行波测距原理，当没有遇到波阻抗不连续的点(如硬故障点，正、反向行波叠加点)时，基于贝瑞龙线路传输方程获取的电压行波突变是连续变化的。当线路发生故障时，行波遇到波阻抗不连续的点会发生折反射，则在全线长范围内分布的电压行波是不连续变化的，当遇到硬故障点时，正向电压行波和反向电压行波以相反的极性叠加，故障点电压行波的幅值小于故障位置之前和之后其他位置的电压行波幅值，即在故障点电压行波的幅值发生负极性突变；对于对偶故障点，正向电压行波与反向电压行波以相同的极性叠加，使得对偶故障点电压行波的幅值大于对偶故障点位置之前和之后位置的电压行波的幅值，即在故障点电压行波的幅值发生正极性突变；且硬故障点与对偶故障点对应的距离相加等于线路总长，因此利用单端获取的故障电流行波数据，应用贝瑞龙线路传输线方程推算全线长范围内任意时刻任意位置的电压行波和电流行波并进行方向行波分解，并利用方向行波构造积分函数，根据积分函数突变点来确定故障点的位置。
5.具体步骤为：
6.step1：基于单端行波测距的保护方法需构造保护边界，当系统频率较高时，该边界会呈现比较大的阻抗特性，相当于开路，故而测不到电流行波。可在量测点安装行波耦合箱和电流互感器。故障后电压行波经行波耦合箱后产生电流信号，利用电流互感器测量该电流信号从而间接测量电压信号。在量测端获取初始故障电压信号和电流信号。
7.step2：贝瑞隆线路模型是一种非常精确的输电线路模型，它充分考虑了高压直流
远距离输电分布电容的影响，故采用贝瑞隆线路模型分析暂态特性。根据量测端的故障电压信号和电流信号计算沿线任意一点的电压和电流。其计算公式为：
[0008][0009][0010]
其中，z
c,s
为线模波阻抗，x为距离送端的长度，vs为线模波速度，rs为单位长度的线模电阻，z1＝rsx/4，z2＝z
c,s
z1，z3＝z
c,s-z1，z4＝z
c,s-4z1，u
m,s
表示在某一时刻送端量测到的电压，i
m,s
表示在某一时刻送端量测到的电流。
[0011]
step3：对于始端而言，定义沿传输线终端到传输线始端的行波为正向行波，沿传输线始端到传输线终端的行波为反向行波。根据上述电压和电流计算任意一点的电压正向行波和电压反向行波，计算公式如下。
[0012][0013][0014]
step4：分别计算电压正向行波突变量的5次幂和电压反向行波突变量的5次幂。
[0015][0016][0017]
step5：利用窗长为3的滑动积分分别计算的电压正向行波突变量的5次幂和电压反向行波突变量的5次幂的叠加值。
[0018]
step5.1：为抑制高斯噪声对故障信号的影响，从电压正向行波变化量5次幂h

的第k个采样值开始，每n个h

的采样值求一次叠加值，作为电压正向行波突变能量e

的第k个值，可得出全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量5次幂的叠加值，计算公式如下。
[0019][0020][0021]
式中，k为第k个采样点，n为每次h

的采样值叠加的个数，可根据需要选择。
[0022]
step5.2：从电压反向行波变化量5次幂h-的第k个采样值开始，每n个h-的采样值求一次叠加值，作为电压反向行波突变能量e-的第k个值，可得出全线长范围内任意时刻任意位置的电压反向行波变化量5次幂的叠加值，计算公式如下。
[0023][0024][0025]
式中，k为第k个采样点，n为每次h-的采样值叠加的个数，可根据需要选择。
[0026]
step6：将step5中的两组值作乘积运算。做乘积后分别在观测时窗[t1，t1 l/(2v)]和[t1 l/(2v)，l/v]内积分。
[0027]
计算公式如下。
[0028][0029][0030]
式中，t1，t1 l/2v。t1 l/2v，t1 l/v分别为两组行波观测时窗的上、下限。
[0031]
step7：式(8)、(9)表明，当没有遇到不连续的点(如硬故障点，正、反向行波叠加点)时，基于贝瑞龙线路传输方程计算出的电压行波突变是连续变化的，当遇到硬故障点或对偶故障点时呈现为全线长范围内任意时刻的行波变化量5次幂的叠加值分布不连续，出现负极性突变点。将[t1，t1 l/(2v)]和[t1 l/(2v)，l/v]两区间任意时刻的积分作为一个函数，当在某一时刻某一地点发生故障时，首先，测量出积分函数的第一个突变点对应的距离。其次，判断该积分函数的第一个突变点的极性，若为负，则故障距离xf为该点对应的线路长度x
m1
。若为正，则故障距离xf为输电线路的总长度l减去该点对应的长度x
m1
。
[0032]
一种lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距系统，其特征在于，包括：
[0033]
电气信号采集模块，用于采集和存储数据信息，在量测端安装行波耦合箱和电流互感器获取初始故障电压信号和电流信号。
[0034]
数值计算模块，用于计算全线长范围内任意时刻任意位置的正向行波突变量的h次幂的叠加值和反向行波突变量的h次幂的叠加值。
[0035]
故障测距模块，用于构造积分函数，将数值计算模块计算出的两个叠加值作乘积处理后再对其积分，并利用积分函数突变点进行故障测距，得出故障距离后出口测距结果。
[0036]
所述电气信号采集模块包括：
[0037]
数据采集单元，用于采集在量测端安装的互感器二次侧输出的模拟信号。
[0038]
模数转换单元，用于将数据采集单元采集到的模拟信号转换为数字信号。
[0039]
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储数据。
[0040]
所述数值计算模块中包括：
[0041]
线模转换单元，用于计算量测端电压行波的线模分量。
[0042]
数值计算单元，用于根据两个观测时窗内的积分值突变点的极性进行故障测距。
[0043]
所述故障测距模块包括：
[0044]
积分函数构造单元，用于求取全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量的5次幂的叠加值和电压反向行波变化量的5次幂的叠加值的积，并将该乘积在一定时窗内积分，得到积分函数。
[0045]
距离测量单元，用于测量积分函数第一个突变点相对于线路首端的距离。
[0046]
极性判断单元，用于判断积分函数第一个突变点的极性是正还是负。
[0047]
本发明的有益效果是：
[0048]
1、本发明与基于故障分析法原理的测距方法相比，利用行波法测距原理测距精度更高。
[0049]
2、本发明对于高压直流输电线路进行故障测距，采用单端行波测距，不存在数据同步问题。
[0050]
3、本发明测距误差较小，可以大大减小人工巡线的成本，具有较好的经济效益。
[0051]
4、本发明不需要标定故障行波波头，克服了传统单端测距方法利用波头信息测距不准确的问题。
附图说明
[0052]
图1是本发明仿真模型拓扑图；
[0053]
图2是本发明贝瑞龙线路等效模型示意图；
[0054]
图3是本发明实施例1的系统框图；
[0055]
图4是本发明实施例1的前半时窗积分函数结果图；
[0056]
图5是本发明实施例1的后半时窗积分函数结果图；
[0057]
图6是本发明实施例2的前半时窗积分函数结果图
[0058]
图7是本发明实施例2的后半时窗积分函数结果图。
具体实施方式
[0059]
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
[0060]
实施例1：lcc-vsc仿真模型系统如附图1所示，线路全线长1500km，电压等级为
±
800kv。设置故障发生在线路600km处，故障类型设置为正极接地永久性故障，过渡电阻设置为0.01ω，采样率为1mhz。
[0061]
实施的具体步骤为：
[0062]
step1：在量测端获取初始故障电压信号和电流信号；
[0063]
step2：在高压直流远距离输电系统当中的分布参数特征明显，线路中分布电容产生的充电电流不可忽略，而贝瑞隆线路模型是一种非常精确的输电线路模型，它充分考虑了分布电容的影响，故采用贝瑞隆线路模型分析暂态特性。将输电线路用贝瑞龙线路模型等效，等效图如附图2所示。
[0064]
基于本发明提供的高压直流输电线路故障测距方法的测距流程，具体步骤描述如下：在全线长范围内计算任意时刻任意位置处的电压和电流，计算公式为：
[0065][0066][0067]
其中，z
c,s
为线模波阻抗，x为距离送端的长度，vs为线模波速度，rs为单位长度的线模电阻，z1＝rsx/4，z2＝z
c,s
z1，z3＝z
c,s-z1，z4＝z
c,s-4z1，u
m,s
表示在某一时刻送端量测到的电压，i
m,s
表示在某一时刻送端量测到的电流。
[0068]
step3：对于始端而言，定义沿传输线终端到传输线始端的行波为正向行波，沿传输线始端到传输线终端的行波为反向行波。根据上述电压和电流计算任意一点的电压正向行波和电压反向行波，计算公式如下；
[0069][0070][0071]
step4：为了放大电压正向行波和电压反向行波的故障特征，突出故障点的突变量，现利用一阶线性微分方程分别计算电压正向行波变化量和电压反向行波变化量，为进一步突出故障信号的变化量，并且抑制变化量较小的点，消除小突变点的影响，计算电压正向行波变化量的5次幂和电压反向行波变化量的5次幂，取奇数次幂是为了使计算后的电压正向行波和电压反向行波突变点保留原有的极性。
[0072][0073][0074]
step5：为抑制高斯噪声对故障信号的影响，从电压正向行波变化量5次幂h

的第k
个采样值开始，每n个h

的采样值求一次叠加值，作为电压正向行波突变能量e

的第k个值，可得出全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量5次幂的叠加值，计算公式如下；
[0075][0076][0077]
式中，k为第k个采样点，n为每次h

的采样值叠加的个数，可根据需要选择。
[0078]
从电压反向行波变化量5次幂h-的第k个采样值开始，每n个h-的采样值求一次叠加值，作为电压反向行波突变能量e-的第k个值，可得出全线长范围内任意时刻任意位置的电压反向行波变化量5次幂的叠加值，计算公式如下；
[0079][0080][0081]
式中，k为第k个采样点，n为每次h-的采样值叠加的个数，可根据需要选择。
[0082]
step6：求取全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量的5次幂的叠加值和电压反向行波变化量的5次幂的叠加值的积，并将该乘积在一定时窗内积分，计算公式如下；
[0083][0084][0085]
式中，t1，t1 l/2v；t1 l/2v，t1 l/v分别为两组行波观测时窗的上、下限。在本实施例中，t1为故障初始行波到达量测端的时刻，t1 l/v为故障初始行波到达量测端之后再经过l/v时窗长所对应的时刻。
[0086]
step7：由于贝瑞龙线路传输方程计算出的电压行波突变是连续变化的，当遇到硬故障点或对偶故障点时呈现为全线长范围内任意时刻的行波变化量h次幂的叠加值分布不连续，即出现突变点。将[t1，t1 l/(2v)]和[t1 l/(2v)，l/v]两积分区间内任意时刻的积分作为一个函数，积分函数分布结果如图4、图5、所示。首先，测量出积分函数的第一个突变点对应的距离为600km；其次，判断该积分函数的第一个突变点的极性是否为负，若是，则故障距离xf为该点对应的线路长度x
m1
；若否，则故障距离xf为输电线路的总长度l减去该点对应的长度x
m1
。在本实施例中，第一个突变点的极性为负，故障距离xf为该点对应的线路长度
600km。
[0087]
图3为本发明提供的lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距系统功能框图，包括：
[0088]
电气信号采集模块，用于采集和存储数据信息，在量测端安装行波耦合箱和电流互感器获取初始故障电压信号和电流信号；
[0089]
数值计算模块，用于计算全线长范围内任意时刻任意位置的正向行波突变量的h次幂的叠加值和反向行波突变量的h次幂的叠加值；
[0090]
故障测距模块，用于构造积分函数，将数值计算模块计算出的两个叠加值作乘积处理后再对其积分，并利用积分函数突变点进行故障测距，得出故障距离后出口测距结果。
[0091]
所述电气信号采集模块具体包括：
[0092]
数据采集单元，用于采集在量测端安装的互感器二次侧输出的模拟信号；
[0093]
模数转换单元，用于将数据采集单元采集到的模拟信号转换为数字信号；
[0094]
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储数据。
[0095]
所述数值计算模块中具体包括：
[0096]
线模转换单元，用于计算量测端电压行波的线模分量；
[0097]
数值计算单元，首先，在量测端获取初始故障电压信号和电流信号，根据量测端的故障电压信号和电流信号计算沿线任意一点的电压和电流；其次，根据上述电压和电流计算任意一点的电压正向行波和电压反向行波；再次，分别计算电压正向行波突变量的5次幂和电压反向行波突变量的5次幂；最后，利用窗长为3的滑动积分分别计算的电压正向行波变化量的5次幂和电压反向行波变化量的5次幂，并将两组值作乘积运算；将上述乘积分别在观测时窗[t1，t1 l/(2v)]和[t1 l/(2v)，l/v]内积分；根据两个观测时窗内的积分值突变点的极性进行故障测距。
[0098]
所述故障测距模块具体包括：
[0099]
积分函数构造单元，用于求取全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量的5次幂的叠加值和电压反向行波变化量的5次幂的叠加值的积，并将该乘积在一定时窗内积分，得到积分函数；
[0100]
距离测量单元，用于测量积分函数第一个突变点相对于线路首端的距离。得出距离为600km。
[0101]
极性判断单元，用于判断积分函数的第一个突变点的极性，得出极性为负。
[0102]
因此得出故障距离xf为600km。
[0103]
实施例2：lcc-vsc仿真模型系统如附图1所示，线路全线长1500km，电压等级为
±
800kv。设置故障发生在线路100km处，故障类型设置为正极接地永久性故障，过渡电阻设置为0.01ω，采样率为1mhz。实施的具体步骤为：
[0104]
step1：在高压直流输电系统中的送端和受端中，一般都有平波电抗器和直流滤波器形成的边界，当系统频率较高时，该边界会呈现出比较大的阻抗特性，相当于开路，测不到电流行波。对于高频信号，电压互感器的传变能力较差，一般不用电压互感器来测量电压信号，所以在量测点安装行波耦合箱，故障电压行波经行耦合箱后会产生电流行波，再利用电流互感器测量该电流信号从而间接测量出电压信号。在量测端获取初始故障电压信号和
电流信号。
[0105]
step2：高压直流输电系统中输电线路较长，输电线路正极和负极之间存在电磁耦合，因此需要对故障电压行波进行解耦将正负电压解耦为独立的线模分量和零模分量，由于零模电气量在传播过程中衰减严重，且零模电气量只存在于接地故障情况下，而线模电气量不仅存在于接地故障还存在于极间故障，因此利用线模量更能适用于不同故障类型的分析。对故障电压行波进行解耦，获取送端和受端的线模电压行波。
[0106]
在高压直流远距离输电系统当中的分布参数特征明显，线路中分布电容产生的充电电流不可忽略，而贝瑞隆线路模型是一种非常精确的输电线路模型，它充分考虑了分布电容的影响，故采用贝瑞隆线路模型分析暂态特性。将输电线路用贝瑞龙线路模型等效，等效图如附图2所示。在全线长范围内计算任意时刻任意位置处的电压和电流，计算公式为：
[0107][0108][0109]
其中，z
c,s
为线模波阻抗，x为距离送端的长度，vs为线模波速度，rs为单位长度的线模电阻，z1＝rsx/4，z2＝z
c,s
z1，z3＝z
c,s-z1，z4＝z
c,s-4z1，u
m,s
表示在某一时刻送端量测到的电压，i
m,s
表示在某一时刻送端量测到的电流。
[0110]
step3：对于始端而言，定义沿传输线终端到传输线始端的行波为正向行波，沿传输线始端到传输线终端的行波为反向行波。根据上述电压和电流计算任意一点的电压正向行波和电压反向行波，计算公式如下；
[0111][0112][0113]
step4：为了放大电压正向行波和电压反向行波的故障特征，突出故障点的突变量，现利用一阶线性微分方程分别计算电压正向行波变化量和电压反向行波变化量，为进一步突出故障信号的变化量，并且抑制变化量较小的点，消除小突变点的影响，计算电压正向行波变化量的5次幂和电压反向行波变化量的5次幂，取奇数次幂是为了使计算后的电压正向行波和电压反向行波突变点保留原有的极性。
[0114]
[0115][0116]
step5：为抑制高斯噪声对故障信号的影响，从电压正向行波变化量5次幂h

的第k个采样值开始，每n个h

的采样值求一次叠加值，作为电压正向行波突变能量e

的第k个值，可得出全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量5次幂的叠加值，计算公式如下；
[0117][0118][0119]
式中，k为第k个采样点，n为每次h

的采样值叠加的个数，可根据需要选择。
[0120]
从电压反向行波变化量5次幂h-的第k个采样值开始，每n个h-的采样值求一次叠加值，作为电压反向行波突变能量e-的第k个值，可得出全线长范围内任意时刻任意位置的电压反向行波变化量5次幂的叠加值，计算公式如下；
[0121][0122][0123]
式中，k为第k个采样点，n为每次h-的采样值叠加的个数，可根据需要选择。
[0124]
step6：求取全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量的5次幂的叠加值和电压反向行波变化量的5次幂的叠加值的积，并将该乘积在一定时窗内积分，计算公式如下；
[0125][0126][0127]
式中，t1，t1 l/2v；t1 l/2v，t1 l/v分别为两组行波观测时窗的上、下限。在本实施例中，t1为故障初始行波到达量测端的时刻，t1 l/v为故障初始行波到达量测端之后再经过l/v时窗长所对应的时刻。
[0128]
step7：由于贝瑞龙线路传输方程计算出的电压行波突变是连续变化的，当遇到硬故障点或对偶故障点时呈现为全线长范围内任意时刻的行波变化量5次幂的叠加值分布不连续，即出现突变点。将全线长范围内任意时刻任意位置的积分作为一个函数，积分函数分布结果如图6、图7所示，首先，测量出积分函数的第一个突变点对应的距离为100km；其次，
判断该积分函数的第一个突变点的极性是否为负，若是，则故障距离xf为该点对应的线路长度x
m1
；若否，则故障距离xf为输电线路的总长度l减去该点对应的长度x
m1
。在本实施例中，第一个突变点的极性为负，则故障距离xf为该点对应的线路长度，即100km，故障距离为100km。
[0129]
本实施例的lcc-vsc混合高压直流输电线路故障测距系统，包括：
[0130]
电气信号采集模块，用于采集和存储数据信息，在量测端安装行波耦合箱和电流互感器获取初始故障电压信号和电流信号；
[0131]
数值计算模块，用于计算全线长范围内任意时刻任意位置的正向行波突变量的h次幂的叠加值和反向行波突变量的h次幂的叠加值；
[0132]
故障测距模块，用于构造积分函数，将数值计算模块计算出的两个叠加值作乘积处理后再对其积分，并利用积分函数突变点进行故障测距，得出故障距离后出口测距结果。
[0133]
所述电气信号采集模块具体包括：
[0134]
数据采集单元，用于采集在量测端安装的互感器二次侧输出的模拟信号；
[0135]
模数转换单元，用于将数据采集单元采集到的模拟信号转换为数字信号；
[0136]
保护启动单元，用于判断数字信号是否大于设定的启动阈值，若是，则读取启动时间并存储数据。
[0137]
所述数值计算模块中具体包括：
[0138]
线模转换单元，用于计算量测端电压行波的线模分量；
[0139]
数值计算单元，用于根据两个观测时窗内的积分值突变点的极性进行故障测距。
[0140]
所述故障测距模块具体包括：
[0141]
积分函数构造单元，用于求取全线长范围内任意时刻任意位置的电压正向行波变化量的5次幂的叠加值和电压反向行波变化量的5次幂的叠加值的积，并将该乘积在一定时窗内积分，得到积分函数；
[0142]
距离测量单元，用于测量积分函数第一个突变点相对于线路首端的距离，得出距离为100km。
[0143]
极性判断单元，用于判断积分函数函数的第一个突变点的极性，得出极性为负。
[0144]
因此得出故障距离xf为该点对应的线路长度，即100km，故障距离为100km。
[0145]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。