数据驱动下具备高抗干扰能力的输电线路故障检测技术_王志强.pdf
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1、第39卷 第6期2023年6月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.6Jun.2023智能电网Smart Grid基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2020QE213)。Project Supported by Natural Science Foundation of ShandongProvince(ZR2020QE213).ABSTRACT:Given the difficulties in identifying the terminalhigh-resistance fault dead zone,to improve the
2、safety andreliability,afaultdetectiontechnologywithhighanti-interference ability is proposed in this paper.Firstly,a typicalflexible HVDC transmission system model is established and thepropagation characteristics of traveling waves inside and outsidethe region are analyzed;secondly,the formula of t
3、raveling wavecurrent is deduced and its internal and external differences areanalyzed,which lays a theoretical foundation for fault detectiontechnology.The scheme of current elasticity coefficient and thefault detection technology is established accordingly.Finally,bysetting different fault states t
4、he reliability and correctness of thefault detection technology is verified.The results show that thescheme has good performance and solves the problem ofinsensitivity to high-resistance faults in the traditional scheme.KEY WORDS:flexible DC system;DC converter;faultdetection technology;traveling wa
5、ve current摘要:为提高安全性和可靠性,提出一种具备高抗干扰能力的故障检测技术。建立典型柔性直流输电系统模型并分析了行波的区内外传播特性;推导行波电流公式并解析其区内外差异,为故障检测技术奠定了理论基础;提出基于行波电流弹性系数的方案并据此建立了故障检测技术。设置不同故障状态对该故障检测技术的可靠性和正确性进行验证,结果表明,所提方案具备较好性能,解决了传统方案高阻故障不灵敏的问题。关键词:柔性直流系统;直流换流器;故障检测技术;行波电流柔性直流输电技术应用于新能源并网等项目中,在电网运行中担任着重要的作用。随着能源消耗的不断增加,新能源得到了越来越广泛的关注1。水电、风电等新能源的间
6、歇性对电力系统的传输技术提出了新的挑战。凭借自换相、解耦有功和无功功率控制以及黑启动能力的优点,基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电网技术被广泛认为是适合长距离输电的有效手段2-4。当直流电网发生输电线路短路故障时,所有子模块电容器快速放电,导致故障电流迅速抵达峰值。由于直流网络的低惯性,直流故障传播速度远快于交流故障5。柔性直流输电系统故障因其具有电流上升快、元件昂贵、电压等级高等特点,导致传统故障检测技术的适用性不足。直流故障检测技术的失效会导致换流器闭锁,进而导致交流侧断路器动作。在实际工程中,因高阻故障引发的事故也屡见不鲜,
7、已经成为现有保护面临的主要挑战6-8。文章编号:1674-3814(2023)06-0080-08中图分类号:TM774文献标志码:A数据驱动下具备高抗干扰能力的输电线路故障检测技术王志强1,2,3,宋新新2,常英贤4,姜杨2,刘佩伟3,郭昌升3,王栋5(1.国网山东省电力公司平原供电公司,山东 德州253000;2.国家电网有限公司技术学院分公司,山东 济南250000;3.国网数字科技控股有限公司,北京100053;4.国网山东省电力公司,山东 济南250000;5.青岛科技大学,山东 青岛266000)The Data Driven Fault Detection Technology
8、of Transmission Lines withHigh Anti-Interference AbilityWANG Zhiqiang1,2,3,SONG Xinxin2,CHANG Yingxian4,JIANG Yang2,LIU Peiwei3,GUO Changsheng3,WANG Dong5(1.Pingyuan Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company,Dezhou 253000,Shandong,China;2.Technical College Branch of State Gr
9、id Corporation of China,Jinan 250000,Shandong,China;3.State Grid Digital TechnologyHolding Co.,Ltd.,Beijing 100053,China;4.State Grid Shandong Electric Power Company,Jinan 250000,Shandong,China;5.Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266000,Shandong,China)第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid针
10、对上述问题,学者分别提出了基于时域和频域的故障检测技术9。西门子公司和 ABB 公司的行波保护是时域方案中应用最多的故障检测技术。超高速动作的优势使该原理具有良好的工程经验。然而,对高阻故障不敏感和抗干扰能力有限是该方案的最大缺点10-11。文献12提出了一种自适应行波故障检测技术,提高了抵御过渡电阻和雷电干扰的能力。然而该方案只适用于常规高压直流输电系统的单极接地故障。基于时域故障检测技术常常利用电气信息的变化量、变化率、积分等特点实现故障检测。此类方案易于实现,但抗干扰能力差13。基于频域的故障检测技术利用小波变换、S变换等数学工具实现检测,受高阻故障影响较小,但具备原理复杂、计算量大、应
11、用困难的特点14。文献15详细分析边界对故障信息的频率影响,提出一种基于高频能量的故障检测技术。然而,该方案对故障频率分析不够精确。文献16则对 3 种精确频率故障信息进行分析,提出了单端故障检测技术。实际研究中,大量文献提出了基于边界影响的故障检测技术17-20。但是,所提技术存在需采用大量组合算法、原理复杂、整定困难、可应用范围低等问题21-27。针对现有故障检测技术抗干扰能力弱的问题,本文提出一种基于行波电流弹性系数的检测技术。首先,推导了行波电流表达式并分析其故障特性;其次,提出了基于弹性系数的单端检测技术;最后,通过设置不同故障状态验证了该方案的抗干扰能力。该方案应用简单且无需整定,
12、具备较好的实用性。1故障特征如图 1 所示为典型柔性直流输电系统的基本拓扑结构。该系统主要包括:换流器、限流电抗器、保护装置和输电线路。图中,M 和 N 代表线路保护装置的安装位置;L1和 L2代表限流电抗器,其具有限制故障电流上升的作用;交流系统通过 MMC 换流器转换为直流电,换流器间使用架空线路连接。其中换流器是系统的核心元件,担任着交直流转换的任务,它的主要构成元件包括子模块和桥臂限流电抗器。MMC 换流器拓扑结构包括 3 个相单元,相单元由多个桥臂构成。设置反向区外故障 F1、正向区内故障 F2和正向区外故障 F3。图1柔性直流输电系统拓扑结构Fig.1Topological str
13、ucture of the flexible HVDCtransmission system1.1区内故障考虑输电线路的分布参数后,故障点与保护装置处故障行波信息关系如下:|Ui(0,s)Ii(0,s)=|cosh(i(s)x)-Zcisinh(i(s)x)-sinh(i(s)x)Zcicosh(i(s)x)|Ui(x,s)Ii(x,s)(1)式中:Ui(0,s)和 Ii(0,s)代表保护装置处电压、电流;Ui(x,s)和 Ii(x,s)代表故障点电压、电流;x,Zci和i(s)分别代表故障距离、线路波阻抗和线路传输函数。依据式(1)可得行波电流传输表达式为Ii(0,s)=e-i(s)xIi(
14、x,s)(2)由于e-i(s)x中包含故障行波的畸变信息和传输时间信息,种信息相互耦合。参考拉氏变换性质,可以将该传输函数简化为e-i(s)x=1-kax1+saxe-sx v(3)式中:ka和a代表线路的衰减系数;v 代表波速度。式(3)表明,传输函数受故障距离和线路参数的影响,即行波由故障点传输至测量点的过程中,不同故障位置的传输函数存在差异。设置发生区内故障,行波信息经线路传递至测量点,则行波电流的频域表达式为If11(s)=-(1-kax)Uf1sZC1(1+sax)(4)式中:Uf1代表故障点行波电压。对式(4)进行拉斯逆变换,可得行波电流时域表达式为|If11(t)|=(kax-1
15、)Uf1ZC1(1-e-t ax)(5)式(5)表明,随着故障距离的增加,行波电流的畸变和衰减愈加严重。设母线流向线路为正方向,故障初始时刻(t=0)行波电流最大。故障距离最小时行波电流瞬间减小为 0,随着距离的增大,电流减小的速率变慢。1.2区外故障发生区外故障时,行波信号经限流电抗器和线路抵达保护装置处,其故障等值电路如图 2 所示。忽略反射行波,由图 2 可得区外故障行波电流频域81智能电网Smart Grid表达式为If22(s)=-2ZC1(1-kax)Uf1s(2ZC1+sL1)(1+sax)(6)图2区外故障等值电路Fig.2Equivalent circuit for the
16、external fault对式(6)进行拉斯逆变换,得到其时域表达式为|If22(s)|=(1-kax)Uf1ZC1(1-e-t(sa+L12Zc1)(7)对比行波电流的区内外时域表达式发现,区内故障的行波电流只受线路衰减的影响,区外故障的行波电流同时受线路和限流电抗器的影响。故障时间由t=0逐渐增大,故障距离 x 逐渐增大时,行波电流的变化速率逐渐降低28-30。1.3故障特性行波电流表达式表明,边界元件对行波信号的影响体现在时域和频域 2 个层次。边界阻碍了高频信号(频域)并扭曲了电压波形(时域)。为了验证分析的正确性,对不同的故障位置(F1、F2、F3)进行了仿真,仿真结果如图 3 所
17、示。由图 3 可知:1)不同故障位置的行波电流波形畸变程度存在差异。2)区外故障的行波畸变率远高于区内故障。3)区内故障行波电流波形弯曲程度远低于区外故障。图3不同故障位置行波电流绝对值Fig.3Absolute value of traveling wave current atdifferent fault locations因此,若可以挖掘波形信息,利用可靠算法建立新特征值,则可以实现区内外故障的识别。针对上述特征,本文提出一种基于弹性系数的单端故障检测技术,解决了传统方案的高阻故障难识别的问题。2基于弹性系数的故障检测技术2.1弹性系数弹性系数是经济学中的一个概念,它表示一定时期内相互
18、关联的 2 个经济指标的增长率之比,其是用来衡量一个经济变量增长率对另一个经济变量增长率的依赖性的31-32。如果自变量定义为 xi,因变量为 yi,则弹性系数定义为因变量与自变量的比率,其描述了因变量与自变量的百分比变化。因此,因变量和自变量之间的关系为Ei=yi-yi-1yi-1xi-xi-1xi-1=yxi-1xyi-1(8)式中,Ei代表当前弹性系数。式(8)只能得到某一时刻的弹性系数,不能涵盖行波的所有时间。因此,本文计算弹性系数的平均值,以提高方案的可靠性。定义f(x)=dyidxi,则平均弹性系数计算公式为|E|=f(xi)x iy i(9)式中:x i和y i分别表示因变量和自
19、变量的平均值。弹性系数可分为零弹性(E=0)、低弹性或弱效应弹性(|E|1)。弹性系数越大,代表变量的相关性越高。一般来说,2 个变量的关系越密切,对应的弹性值越大;2个变量越不相关,对应的弹性值越小。使用弹性分析方法处理问题的优点是简单易实现、计算方便、计算成本低、所需数据少和应用灵活广泛。对于本文,数据窗内的行波电流即为因变量和自变量。将数据窗口分为两部分,定义第一部分为xi,第二部分为yi。对两部分信号计算平均值并代入式(9),可得到行波电流弹性系数表达式为|E|=IfIf1-If2-(10)式中:If表示行波电流;If1-和If2-分别表示第一部分和第二部分行波电流平均值。2.2故障检
20、测技术2.2.1启动元件为保证检测方案不因扰动等情况频繁启动,本王志强,等:数据驱动下具备高抗干扰能力的输电线路故障检测技术Vol.39No.682第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid文设置启动元件保证其可靠性。发生故障后,极电压将快速降低,而正常状态下其几乎不变。因此,本文以极电压作为启动元件,其判据如下:dudtkset(11)式中,kset代表阈值,其值由系统参数决定。已有文献研究表明8,极电压波动超过 0.1 倍的额定电压可判断发生故障。若系统额定电压为 U,采样点时间间隔为 t,则其阈值为 kset=(Ui+1-Ui)/t。为保证检测技术的可靠性,设置连续 3 次
21、启动元件越过判据判定为发生故障。2.2.2故障检测元件根据第 1 节和 2.1 小节分析,可以得出以下结论:1)区内故障行波电流弯曲程度较差。此时,行波具有等效或强效应弹性,即|E|1。2)区外故障的行波弯曲程度较高。此时,行波具有低效应或弱效应弹性。因此,故障检测技术的判据为区内故障:|E|1区外故障:|E|kset1di dt kset2(13)式中:u代表行波电压;i代表行波电流。当行波微分超过阈值时,行波保护动作。然而,由式(4)、式(5)可知,行波电压和行波电流的幅值由故障电压(Uf1)决定,而故障电压表达式为Uf1=UfZCZC+Rf(14)式中:Uf,ZC和 Rf分别代表额定电压
22、、线路波阻抗和故障电阻。显然,故障电压同故障电阻密切相关。故障电阻增大降导致故障电压降低。故障电阻持续增大,传统行波保护将出现拒动的情况。本文所述方案利用行波电流的弹性系数识别故障,故障电阻增大只会影响其幅值,不改变其弹性系数。因此,该方案理论具备高耐电阻能力。以区内故障 F2为例,仿真得到行波电流和弹性系数,如图 8 所示。图 8(a)为不同故障电阻的行波电流仿真结果,显然故障电阻的增大降低了行波电流的幅值,但行波电流的波形弯曲程度未发生变化。因此,图 8(b)中弹性系数几乎相同,均高于阈值。仿真结果表明,故障电阻的增大只能改变行波电流幅值,不能改变弹性系数,即该方案可以识别高阻故障,解决了
23、现有单端保护的主要问题。图8不同故障电阻仿真结果Fig.8Simulation results of different fault resistances3.4噪声本文方案采用特征值为高频行波信号,噪声干扰是此类保护失效的重要原因。然而,本文所用弹性系数只和行波电流变化趋势相关,理论上该方案具备强抗噪声能力。信噪比(signal noise ratio,SNR)通常用于表示噪声干扰的强度。当信噪比达到 20 dB 时,噪声会淹没原始信号。本节设置多种噪声以验证该方案的耐噪声能力,含噪声电压电流波形如图 9 所示。图 9(a)代表电流信号,图 9(b)代表电压信号。可以发现,噪声增加导致电压电
24、流出现波动,此时传统行波保护方案可能失效。对其计算行波电流及其王志强,等:数据驱动下具备高抗干扰能力的输电线路故障检测技术Vol.39No.684第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid弹性系数,仿真结果见表 1。图9含噪声电压电流Fig.9Noise-containing voltage and current结果显示,区外故障时两侧弹性系数均小于阈值,而区内故障的弹性系数高于阈值。因此,噪声并不影响该方案的准确性。现有基于行波的故障检测技术只能接受 30 dB 的噪声干扰8。显然,本文所提检测技术提高了抗噪声干扰能力。表1不同噪声的仿真结果Table 1Simulation
25、 results for different noises故障位置F1F2F3SNR/dB402040204020|E|M0.3910.3821.2301.1450.6390.624N0.4170.4091.2411.1370.6880.6843.5典型工程模型仿真验证为验证该技术方案在实际工程中的可行性,建立了张北四端柔性直流输电系统模型。张北柔性直流输电系统拓扑如图 10 所示。其中换流站MMC1MMC4 采用半桥拓扑结构,线路为对称双极接线,且为依频模型。4 个换流站的额定功率分别为:MMC1、MMC3 为 1 500 MW;MMC2、MMC4为 3 000 MW。换流器出口限流电抗器为
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