直流电网线路故障保护技术-单端电压的多端柔性直流电网保护方法

［全］直流电网线路故障保护技术-单端电压的多端柔性直流电网

保护方法

相较于交流电网以及常规高压直流输电系统，基于电压源换流器

的多端柔性直流电网在大规模新能源并网、区域电网互联以及中

心负荷供电等方面具有极大的优势。但是，由于柔性直流系统的

阻尼较小，直流侧故障后故障发展很快，在数毫秒内故障电流就

会上升到极大的值，危及整个直流电网的安全。因此，为了在换

流站闭锁之前将故障清除，保证故障后健全线路的安全可靠运行,

必须在故障发生后的暂态过程中将故障线路隔离。

目前，直流故障隔离技术已经取得了长足的发展，包括直流断路

器、故障自清除换流器等。由于现有的故障隔离技术中，只有直

流断路器能够在换流站不停运的情况下切除故障，保证柔直电网

中的健全线路继续运行，因此基于直流断路器的故障隔离技术被

认为是柔直电网直流线路故障的最佳解决方案。但是，该方法需

要在极短的时间内准确定位故障线路，目前尚无可靠成熟的方法,

因此亟需一种能够满足柔直电网选择性以及快速性的线路保护

新原理。

现有技术提出了基于双端量的保护方法，该方法虽然具有较好的

选择性，但是由于其存在通信时延，难以满足速动性的要求，因

此不能作为柔直电网线路的主保护。

现有技术提出了基于低电压、过电流以及电流微分、电压微分的

保护方法，该方法可以满足速动性的要求，但是由于过渡电阻等

因素的影响，上述保护原理的灵敏度难以保证，同时相邻故障线

路的切除也可能导致本线路保护误动。

问题拆分

实时采集直流正、负极线路限流电抗器两侧电压信号；构成低电

压启动判据；计算得到的限流电抗器上的线模电压进行小波变换,

计算小波变换模极大值；进行数据有效性检验，记录首个满足数

据有效性条件的小波变换模极大值的大小和符号；建立故障识别

判据，进行基于单端电压行波小波变换模极大值符号和幅值差异

的故障识别；构建故障极识别判据，进行基于电压行波暂态能量

大小差异的故障极识别。本发明所提线路保护方法在各种故障初

始条件下可靠、快速地识别故障方向，过渡电阻、故障位置以及

交流系统故障等因素对保护判据几乎没有影响，可靠性、灵敏性

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问题解决

1.基于单端电压的多端柔性直流电网直流线路快速保护方法,其

特征在于，包括：

⑴实时采集直流正、负极线路限流电抗器两侧的电压信号，并

对采集到的电压信号进行滤波处理；

(2)根据限流电抗器线路侧的电压与直流电网额定电压之间的关

系构造低电压启动判据，判断限流电抗器线路侧电压是否满足低

电压启动条件，如果是，则直流线路发生故障，进入下一步；否

则，返回步骤⑴；

(3)计算故障后设定时间内的直流正、负极线路限流电抗器两侧

线模电压行波，从而计算得到限流电抗器上的线模电压；

(4)对步骤(3)计算得到的限流电抗器上的线模电压进行小波变换,

计算第一尺度小波变换模极大值;

(5)对步骤(4)得到的小波变换模极大值进行数据有效性检验，记

录首个满足数据有效性条件的小波变换模极大值的符号和大小;

(6)建立故障识别判据，利用步骤(5)计算得到的小波变换模极大

值符号和大小信息，进行基于单端线模电压小波变换模极大值符

号和大小差异的区内外故障识别；

⑺若步骤⑹识别为区内故障，则根据直流输电线路一端的正极

与负极电压行波暂态能量和，构建故障极识别判据，进行基于电

压行波暂态能量大小差异的故障极识别，从而识别出故障类型。

限流电抗器

205.9km

［，町331RD./

P!：1500MW

L13

P3000XfW

P］：3000MW188.1km1：

2O8.Jkm

"TT"

图1

S0E3

回回回

)I］

回回回

&-00S

回回回

00S

।TT

FT1

S00

@SE3

图2

2.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，根据限流电抗器线路侧的电压与

直流电网额定电压之间的关系构造低电压启动判据，具体为：当

满足直流正极线路限流电抗器线路侧的电压的绝对值或者直流

负极线路限流电抗器线路侧的电压的绝对值小于设定倍数的直

流电网额定电压时，判定发生故障，保护启动。

3.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，计算故障后设定时间内的直流正、

负极线路限流电抗器两侧线模电压行波，具体为：

定义线路一端限流电抗器线路侧和母线侧的线模电压行波分别

为AURJine和AUR,bus,则:

式中，Upjine和UnJine分别为限流电抗器线路侧正极与负极

电压采样值，Up,bus和Un,bus分别为限流电抗器母线侧正极

与负极电压采样值，n为当前采样点，h表示数据窗内采样点的

个数。

4.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，计算得到限流电抗器上的线模电

压，具体为：

定义线路一端限流电抗器上的线模电压为AUR,则：

△UR(n)=△UR/line(n)-AUR,bus(n)

其中，AURJine和AUR,bus分别为线路一端限流电抗器线路侧

和母线侧的线模电压行波，n为当前采样点。

-500

110100

频率/kHz

图5

5.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，对限流电抗器上的线模电压进行

小波变换，计算第一尺度小波变换模板大值，具体为：

式中,aO(k)为原始信号,hO、hl分别为低通和高通滤波器;aj(k).

dj(k)为原信号的第j层平滑逼近系数和细节系数，分别代表从采

样率为fs的原始信号中提取的频段。〜fs/2j+l和fs/2j+l~

fs/2j的信号分量；

小波变换模极大值dj(kn)定义为:|dj(kn)|>|dj(k)|;

其中，dj(k)为原信号的第j层平滑细节系数。

6.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，对小波变换模极大值进行数据有

效性检验，记录首个满足数据有效性条件的小波变换模极大值的

符号和大小，具体为：

设定整定值Mmax,取小波变换模极大值大于所述整定值的数

据为有效数据；

式中，整定值Mmax根据采样时间窗内计算得到的小波变换模

极大值所能取到的最大值确定。

7.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，建立故障识别判据，具体为：

定义第一尺度满足首个小波变换模极大值为Ml,若Ml满足

式中，MO为区外故障时所能取得的小波变换模极大值的最大值,

Krel为可靠系数,取为1.2;若满足上述条件,则保护判定为区

内故障。

8.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，则根据直流输电线路一端的正极

与负极电压行波暂态能量和，构建故障极识别判据，具体为：

定义双极线路一端正极与负极电压行波暂态能量和的比值为入，

设定可靠系数k/O<k<l/则入计算式为：

式中，h为采样时间窗内采样点的个数，Upjine和UnJine分

别为限流电抗器线路侧正极与负极电压采样值」为当前采样点。

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

时间/ms

图7

9.如权利要求1所述的基于单端电压的多端柔性直流电网直流线

路快速保护方法，其特征在于，进行基于电压行波暂态能量大小

差异的故障极识别，从而识别出故障类型，具体为：

若入21+k,则判断发生正极接地故障；

若入Wl-k,则判断发生负极