特高压直流输电线路暂态保护方法、系统及装置

1.本发明涉及特高压直流输电线路暂态保护。


背景技术：

2.中国已建成的特高压直流输电工程达20多项，已基本形成特高压直流输电网络。特高压直流输电线路故障是特高压直流输电工程的主要故障，特高压直流输电线路暂态保护方法是保证特高压直流输电系统安全可靠运行的基础，而现有的特高压直流输电线路暂态保护方法并不能快速区分单极性和双极性故障，导致保护动作情况并不理想，存在误动作与拒动作现象。快速、准确地对特高压直流输电线路的故障类型进行合理判断和区分，是特高压直流输电线路暂态保护的前提，也可以及时启动特高压直流输电线路保护，对故障情况进行及时处理，减少不必要的损失，保障特高压直流输电线路的可靠运行。
3.小波包变换算法本身在快速提取故障电压和电流等信号方面具有其优势，但是其对高、低频信号都做多层次分解，必然造成频率混叠且对特征信号的分解速度很慢，因此必须对其进行改进。时域暂态电压的比较方法对区内区外故障的识别程度较高，而单极性与双极性故障需通过其特定的故障电压电流特征量来识别，改进小波包变换算法在电压电流特征量识别上具有很大的优势。


技术实现要素：

4.本发明针对特高压直流输电系统安全可靠运行，提供一种基于改进小波包变换算法的特高压直流输电线路暂态保护方法、系统及装置，针对小波包算法存在频率混叠且对特征信号的分解速度慢的问题，提出了改进小波包变换算法，并对故障电压电流进行分解，构建了异常频谱分量，作为单极性与双极性故障的判据，以提高特高压直流输电线路故障识别的准确性，快速启动保护系统，实现特高压直流输电线路的可靠运行。
附图说明
5.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
6.图1为本发明一实施例提供的基于改进小波包变换算法的特高压直流输电线路暂态保护技术框架图。
7.图2为本发明一实施例提供的基于改进小波包变换算法的特高压直流输电线路暂态保护方法流程图。
8.图3为本发明一实施例提供的
±
800v特高压输电系统的故障等效电路拓扑。
9.图4为本发明一实施例提供的基于改进小波包分析算法的信号分解过程示意图。
10.图5为本发明一实施例提供的1500hz～200hz频段故障电压信号的频谱示意图。
具体实施方式
11.图1示出了一种基于改进小波包变换算法的特高压直流输电线路暂态保护技术框架图。图2示出了一种基于改进小波包变换算法的特高压直流输电线路暂态保护方法流程图。如图1、图2，所述方法包括故障保护启动、区内外故障特征电压分析、区内区外故障判断、构建改进小波包变换算法、基于改进小波包故障特征信号分析以及双极性和单极性故障判断等步骤，下面对各个步骤进行详细说明。
12.步骤1，由于故障发生后，特高压输电系统输电线路上的电压和电流会急剧变化，电压急剧下降、电流急剧上升，因此该步骤主要是根据故障检测得到的电压、电流信号，以及保护启动的判据，确定是否要启动保护。
13.利用状态观测器检测特高压输电系统输电线路上的电压和电流的信号，判断检测到的电压的变化幅值δu和电流的变化幅值δi与输电线路的额定电压un和额定电流in的大小关系，如果|δu|≥0.1un或|δi|≥0.1in，则保护启动，否则保护不启动。在一示例中，确定电压和电流变化幅值的时间间隔可以是为1ms。
14.步骤2，根据叠加原理，以区内故障和区外故障点为参考，基于双极特高压输电系统的故障等效电路拓扑，分析不同频率ω1和ω2作用下，故障区域内和故障区域外的比值电压δ
in
和δ
ex
。下面对该步骤进行详细说明。
15.步骤2.1，根据叠加原理，以区内故障点f7和区外故障点f8为参考，在故障位置加入故障叠加电压源，构建双极
±
800v特高压输电系统的故障分析电路，如图3所示。
16.步骤2.2，根据故障分析等效电路，计算故障等效阻抗z
1,in
(jω)和阻抗z
0,in
(jω)值：其中z
bd
为线路b、d两点之间的阻抗，rd、ld和cd分别为输出逆变站的等效电阻、电感和电容，l
cl2
为限流电抗器的电感值。因为特高压直流输电是双回路，本技术中，未特别注明的情况下，公式符号中1代表上回路，2代表下回路，in、ex分别为故障区域内和故障区域外。
17.步骤2.3，根据故障分析等效电路，计算阻抗z
0,ex
和阻抗z
1,ex
值：
18.步骤2.4，不同频率ω1和ω2作用下，计算故障区域内的行波电压u
d1,in
：其中，uf为故障叠加电压源，rf为过渡电阻。
19.步骤2.5，不同频率ω1和ω2作用下，计算故障区域外的行波电压u
d1,ex
：
20.步骤2.6，构建故障区域内和故障区域外的比值电压δ
in
和δ
ex
表达式：可以看出表达式消除了过渡电阻的影响。
21.步骤2.7，根据行波电压u
d1,ex
和u
d1,in
的值，对比值电压δ
in
和δ
ex
进行一些简化和求解，得到：
22.步骤3，根据求解的比值电压δ
in
和δ
ex
对区内外故障进行区分，区分判据是区外故障的比值电压大于区内故障的比值电压，即δ
ex
》δ
ο
，其中δ
ο
为区内外故障区分的阈值。也就是若比值电压满足δ
ex
》δ
ο
，则判断为区外故障，否则，判断为区内故障。步骤2、3时域暂态电压的比较方法对区内区外故障的识别程度较高。
23.步骤4，构建改进小波包变换算法，具体过程如步骤4.1～步骤4.4。
24.步骤4.1，构建小波分解算法：其中，j为尺度，d为小波包分解系数，h为高频信号分解系数，g为低频信号分解系数，l为当前层数，n为小波包分解层数，k为随机数，k＝1,2,
…
,n。
25.步骤4.2，构建频率卷积算子a：其中，nj为2j尺度的数据长度(j＝1,2,
…
,n)，x(k)的计算如下：i为随机数，i＝1,2,
…
,n，w为小波包分解特征信号后的系数，k为随机数，k＝1,2,
…
,n，n为小波包分解层数。
26.步骤4.3，构建频率卷积算子b：其中y(k)的计算如下：i为随机数，i＝1,2,
…
,n，w为小波包分解特征信号后的系数，k为随机数，k＝1,2,
…
,n，n为小波包分解层数。
27.步骤4.4，通过频率卷积算子a和b去除传统小波变换h与g卷积后多余的频率成分的算子，从而消除频率混叠的部分。
28.步骤5，利用改进的小波包分析算法将监测点的电压和电流进行信号分解和重构，根据分解和重构得到的n层频带的能量ei，做傅里叶变换，对故障特征电压和电流信号进行分析。其中基于改进小波包分析算法的信号分解过程如图4所示，1500hz～200hz频段故障
电压信号的频谱如图5所示。
29.其中，w为小波包分解特征信号后的系数，k为随机数，k＝1,2,
…
,n，i为随机数，i＝1,2,
…
,n，n为信号频率段的带宽。
30.改进的小波包分析算法对监测点的电压和电流进行信号分解和重构时，通过频率卷积算子a和b去除传统小波变换h与g卷积后多余的频率成分的算子，来消除n层频带的能量ei中频率混叠的部分。
31.对n层频带的能量ei做傅里叶变换：其中，t为时域时间，n为采样点数，f为采样频率。
32.步骤6，双极性和单极性故障的判断，具体过程如步骤6.1～步骤6.3。
33.步骤6.1，将故障电压、电流的频谱与理论电压和电流故障特征频率进行比对，提取出故障f1～f8相对应的异常频谱分量e
ω
(f)，作为双极性和单极性故障的判据。
34.步骤6.2，不同故障对应的频带的能量不同，双极性故障对应的频带高频能量大，即e
ω1
(f)》e
ω2
(f)，其中，下标1代表双极性故障，下标2代表单极性故障，据此构建区单双极性故障区分的判据：e
ω
(f)》e
μ
，其中，e
μ
为单双极性故障区分的阈值；
35.步骤6.3，根据异常频谱分量e
ω
(f)区分单双极性故障：若满足e
ω
(f)》e
μ
，则判断为双极性故障，否则，判断为单极性故障。
36.根据故障类型，采取相应的保护措施，若是单极性故障，启动光纤纵差保护，移相重启并闭锁直流单级，若是双极性故障，启动光纤纵差保护，报警、极平衡，并合中性母线接地开关。
37.在一示例性实施例中，还提供一种基于改进小波包变换算法的特高压直流输电线路暂态保护系统，该系统包括：故障保护启动模块、区内外故障特征电压分析模型、区内区外故障判断模型、改进小波包变换算法构建模块、基于改进小波包故障特征信号分析模块以及双极性和单极性故障判断模块，各个模块分别被配置为实现步骤1～步骤6的过程。
38.在一示例性实施例中，还提供一种特高压直流输电线路暂态保护装置，该装置包括：处理器；用于存储所述处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行项上述方法的全部或部分步骤。
39.在一示例性实施例中，还提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的全部或部分步骤。例如，所述非临时性计算机可读存储介质可以是rom、ram、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。