一种多端混合直流输电系统的故障保护方法及系统与流程

本发明涉及直流输电，具体涉及一种多端混合直流输电系统的故障保护方法及系统。

背景技术：

1、多端lcc-mmc-hvdc系统即多端混合直流输电系统中，由于无可适配的dccb(直流断路器)，因此在直流线路故障时，不管故障发生在哪一段线路，其故障处理的方式均是切换系统控制方式实现故障穿越，具体方法是:通过整流侧lcc的紧急移相,同时逆变侧mmc换流器闭锁或者主动控制故障电流实现线路能量的释放和去游离，若为瞬时性故障则线路重启即可恢复。因此，该系统保护装置的覆盖范围与依靠断路器切除故障的点对点式两端系统有所不同，其原理与整定方式都与现有直流输电系统有所区别。然而，现有适用于特高压多端混合直流输电系统的保护原理有如下缺陷：

2、首先，如行波保护、微分欠压保护等机理简单、使用便捷，在设置上主要依赖仿真测试，缺乏坚实的理论基础，这在实际应用中可能引入不确定性，限制其灵敏性的进一步提升，工程中的抗过渡电阻能力仅为几十欧姆，这达不到800kv系统的600欧姆抗过渡电阻能力的要求；其次，多端混合直流输电系统虽然不要求毫秒级的故障隔离，但快速且无通信依赖的故障检测仍然至关重要，整流侧若能够在1ms内超高速检测故障，则可以大幅削弱逆变侧的过电压风险；第三，混合直流输电系统有树枝状的拓扑结构，传统方向判据有失效的风险，而且不同于多端柔直电网，多端混合直流输电系统的分支线路只有一侧有限流电抗器，限流电抗器的有限部署影响了传统边界保护与基于边界的方向判据的适应性。

3、因此，在多端混合直流输电系统中，现有保护方法无法满足故障分区保护的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中，无法满足多端混合直流输电系统的故障分区保护的需求等技术问题，本发明提供一种多端混合直流输电系统的故障保护方法及系统。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种多端混合直流输电系统的故障保护方法，包括如下步骤：

4、基于贝瑞隆数值计算法，根据多端混合直流输电系统在未发生故障时的运行参数以及所述多端混合直流输电系统的正向区外金属性故障参数模拟发生正向区外故障后预设时间内保护装置pm处的电流反行波导数，得到参考波形；其中，预设时间具体为0.2s；

5、当所述多端混合直流输电系统故障时，基于所述贝瑞隆数值计算法，在故障启动判据启动后的所述预设时间内根据所述保护装置pm处的线模电压和线模电流，计算出实测电流反行波导数；

6、对实测电流反行波导数添加扰动噪声，得到实测波形；

7、对参考波形和实测波形分别进行归一化，对应得到归一化参考波形和归一化实测波形；

8、计算归一化参考波形和归一化实测波形之间的滑动相关系数序列；

9、根据滑动相关系数序列，判断故障发生区域；

10、根据故障发生区域判断是否执行故障保护。

11、本发明的有益效果是：第一，利用贝瑞隆方法，为设备(包括电抗器、直流滤波器、换流站等)建立数值等效模型，使保护继电器能够数学计算不同故障位置的理论电气量变化(如电流和电压)，提高了故障检测的准确性和理论基础；第二，基于初始电流反行波导数曲线的校准实现保护原理，其核心是捕获每个继电器位置的初始反向电流行波的变化率。通过与实际测量波形的比较，使用局部滑动相关系数指数进行量化，实现了快速且准确的故障判断；第三，提出的保护方案同时适用于lcc侧保护和下游线路保护，解决了传统适用于多端混合直流输电系统的保护原理要分别整定lcc侧保护和下游线路保护的问题，具有高度的自适应性和快速响应能力；第四，引入了一种不带方向但极为敏感的启动判据，以解决方向元件可能失效或灵敏度不足的问题，同时人为地在电流反行波的导数曲线中加入与模板波形相同的微弱弱噪声、使其归一化后能够模拟一个虚拟的区外故障场景，既提高了灵敏度，又有效避免了反向故障，从而提升了整体安全性。

12、进一步，对实测电流反行波导数添加扰动噪声的计算公式如下：

13、

14、其中，表示所述实测波形，i'mh表示所述电流反行波导数，i'mh表示所述参考波形，α表示扰动噪声系数，α取值范围为0～5之间。

15、当发生反向故障时,保护装置pm在启动判据启动后电流反行波在0.2ms内几乎一直为0,即电流反行波导数也趋于0,保护流程中的归一化行为将会放大反向故障时保护检测到的细小杂波导致保护误动。

16、在未使用方向元件躲避反向故障的前提下,为使上述的主保护判据能够在反向故障的情况可靠不动作,在启动判据启动进入主保护流程之前,需要对保护装置处的实测电流反行波导数i'mh进行固定噪声添加。针对反向故障时保护检测到电流反行波趋于0的特点，对实测电流反行波导数i'mh添加α倍的参考波形i'mh。通过此法得到上述实测波形的计算公式。

17、进一步，对参考波形和实测波形分别进行归一化，对应得到归一化参考波形i'mtem和归一化实测波形，包括如下步骤：

18、分别对参考波形和实测波形进行数据扩充；

19、对经过数据扩充后的参考波形和实测波形分别进行归一化，对应得到所述归一化参考波形和所述归一化实测波形；

20、其归一化公式如下：

21、

22、其中，i'mtem表示所述归一化参考波形，i'mact表示所述归一化实测波形，i'mtem表示经过数据扩充之后的参考波形，i'mact表示经过数据扩充之后的实测波形。

23、进一步，分别对参考波形和实测波形进行数据扩充，包括如下步骤：

24、利用线性插值法分别对所述参考波形和所述实测波形进行插值；其中，所述线性插值法的插值公式如下：

25、

26、其中，xn表示线性插值插入的第n个点的横坐标值，yn表示线性插值插入的第n个点的纵坐标值，xa表示线性插值区间的起始点的横坐标值，ya表示线性插值区间的起始点的纵坐标值，xb表示线性插值区间的终止点的横坐标值，yb表示线性插值区间的终止点的纵坐标值，g表示两相邻数据点之间线性插值的点数；所述横坐标值为时间序列，所述纵坐标值为波形序列；将经过插值后的所述参考波形中第一预设时间窗内的数据置零得到数据扩充后的所述参考波形；将经过插值后的所述参考波形中第一预设时间窗内的数据置零，得到数据扩充后的所述参考波形；其中，所述第一预设时间窗为所述保护装置pm启动时刻之前的时间窗，所述第一预设时间窗的长度小于所述预设时间。

27、记计算滑动相关性系数的时间窗长为tw，tw<t，t表示所述预设时间，保护装置pm采样频率为fs为便于滑动相关性分析，需要预留启动时刻前一个时间窗内的数据，而由于该时段内故障行波尚未到达，因此将该时段内的电流反行波数据置零。记线性插值后保护装置pm启动时刻的参考电流反行波导数与实测电流反行波导数的采样值分别为i‘mh(0)和i'mh(0)，对启动时刻前一个时间窗内的数据作如下设置：

28、

29、

30、其中，表示在保护装置pm启动时刻前数据点(g+1)fstw处的参考电流反行波导数的采样值，i′mh(-1)表示在保护装置pm启动时刻前数据点1处的考电流反行波导数的采样值；表示在保护装置pm启动时刻前数据点(g+1)fstw处的实测电流反行波导数的采样值，i′mh(-1)表示在保护装置pm启动时刻前数据点1处的电流反行波导数的采样值；

31、数据扩充后的参考波形i′mtem与数据扩充后的实测波形i′mact如下式所示：

32、

33、

34、其中，i′mh(1)表示在保护装置pm启动时刻后数据点1处的考电流反行波导数的采样值，i'mh((g+1)fst)表示在保护装置pm启动时刻后数据点(g+1)fstw处的参考电流反行波导数的采样值；i′mh(1)表示在保护装置pm启动时刻后数据点1处的电流反行波导数的采样值，第一预设时间窗表示保护装置pm启动时刻前的时间。

35、进一步，计算归一化参考波形和归一化实测波形之间的滑动相关系数序列，包括如下步骤：

36、记所述保护保护装置pm启动故障保护的时刻为t0m；归一化参考波形i'mref和归一化实测波形i'mact可如下式表示：

37、

38、

39、其中，为归一化后的数据，i'mh(-1)为i'mh(-1)归一化后的数据，i'mh(0)为i'mh(0)归一化后的数据，i'mh(1)为i'mh(1)归一化后的数据，i'mh((g+1)fst)为归一化后的数据；为归一化后的数据，i'mh(-1)为i'mh(-1)归一化后的数据，i'mh(0)为i'mh(0)归一化后的数据，i'mh(1)为i'mh(1)归一化后的数据，为归一化后的数据。

40、s101、初始化滑动系数i为i＝0，

41、s102、以tw为滑动相关系数的计算时间窗长，分别从归一化参考波形i'mref和归一化实测波形i'mact中截取比对片段，对应得到参考片段hmi和实测片段hmi；其中，所述参考片段hmi的数据数量与所述实测片段hmi中的数据数量相等；

42、s103、分别将所述参考片段hmi和所述实测片段hmi内的数据按降序排列，对应得到参考降序序列ami和实测降序序列bmi；

43、s104、求所述参考降序序列ami与所述实测降序序列bmi中的相同次序的数据之间的差，得到秩次差序列dmi；

44、s105、根据所述秩次差序列dmi中的数据计算局域相关系数ρm(i)；

45、其中，局域相关系数ρm(i)的计算公式如下：

46、

47、具体的，fs表示所述保护装置pm采集线模电压和线模电流的频率，d表示所述秩次差序列dmi中的数据，q表示所述秩次差序列dmi中的数据的次序值；dq表示秩次差序列dmi中次序为q时的数据，表示dq的平方；

48、s106、令滑动系数i＝i+1，循环执行步骤s102至步骤s105，直至滑动系数i满足i＝(g+1)fst时，执行步骤s107；其中，t表示所述预设时间；

49、s107、将每次得到的局域相关系数ρm(i)整合为数据序列，得到所述滑动相关系数序列。

50、参考片段hmi以t0m-tw时刻对应的序列值为起始点，t0m时刻对应的序列值i'mh(0+i)和i'mh(0+i)为终点；实测片段hmi以t0m-tw时刻对应的序列值为起始点，t0m时刻对应的序列值i'mh(0+i)为终点，截取出参考片段hmi与实测片段hmi如下所示：

51、

52、

53、对参考片段hmi与实测片段hmi内数据分别按降序排列获得参考降序序列ami与实测降序序列bmi如下所示：

54、

55、

56、将参考片段hmi内第z个元素点在参考降序序列ami中的位置记为rz，称其为第z个元素点的秩次，从而可以得到参考片段hmi中所有元素对应的秩次序列rmi。同理，记实测片段hmi内第z个元素点在实测降序序列bmi中的位置记为sz，得到实测片段hmi中所有元素对应的秩次序列smi。将数列rmi与数列smi内每个元素对应相减得到秩次差序列dmi如下所示：

57、

58、保持截取波形的滑动时间窗长度tw不变，滑动窗每次向后滑动一个数据点即i＝i+1，按上述步骤计算每次滑动窗口内的局域相关系数ρm(i)，直至时间窗不断滑动遍历所述预设时间t＝0.2ms内所有数据即i＝(g+1)fst时停止，最终可以得到由每次滑动窗口内参考片段hmi与实测片段hmi的局域相关系数ρm(i)组成的滑动相关系数序列ρm，如下所示：

59、ρm(0)、ρm(1)以及均表示滑动相关系数序列ρm中的数据。

60、进一步，根据滑动相关系数序列，判断故障发生区域，包括如下步骤：

61、以滑动相关系数序列作为横坐标，以时间作为横坐标，建立相关系数坐标系；

62、求所述预设时间内所述滑动相关系数序列与所述关系系数坐标系的横坐标和横坐标所围成的面积，得到滑动相关系数面积；

63、其中，求滑动相关系数面积的公式如下：

64、sm表示滑动相关系数面积，t表示所述预设时间,t0m表示所述保护保护装置pm启动故障保护的时刻，t表示所述关系系数坐标系的横坐标上的时间点，ρm(t)表示计算时间点t处的所述局域相关系数的函数；t的取值为0.2；

65、通过将所述滑动相关系数面积与预设面积阈值进行比对判断故障发生区域。

66、进一步，所述预设面积阈值的计算公式如下：

67、sset＝krel.mainsout；

68、其中，sset表示所述预设面积阈值，krel.main表示保护可靠系数，sout表示多端混合直流输电系统发生正向区外故障时所述滑动相关系数面积，所述保护可靠系数kmrel取值范围为0.8≤kmrel≤0.9。

69、由于参考片段由贝瑞隆法根据正向区外金属性故障参数模拟计算生成，因此当发生正向区外故障时实测片段与参考片段应高度吻合，故正向区外故障时所述滑动相关系数序列应为近似于一条平行于x轴，与y轴截距为1的直线，则该滑动相关系数序列与坐标轴所围成区域应是长为0.2宽为1的长方形，故有sout＝0.2×1＝0.2。

70、进一步，通过将滑动相关系数面积与预设面积阈值进行比对判断故障发生区域的具体步骤如下：

71、当所述滑动相关系数面积大于或等于所述预设面积阈值时，则判定故障为区外故障；当所述滑动相关系数面积小于所述预设面积阈值时，则判定故障为区内故障。

72、进一步，根据故障发生区域判断是否执行故障保护的具体步骤如下：

73、若判定故障为区内故障，则控制故障保护组件执行故障保护操作；若判定故障为区外故障，则控制故障保护组件不执行故障保护操作。

74、为了解决上述技术问题，本发明还提供一种多端混合直流输电系统，其具体技术内容如下：

75、一种多端混合直流输电系统，包括，

76、参考波形计算模块，用于基于贝瑞隆数值计算法，根据多端混合直流输电系统在未发生故障时的运行参数以及所述多端混合直流输电系统的正向区外金属性故障参数模拟发生正向区外故障后预设时间内所述保护装置pm处的电流反行波导数，得到参考波形；

77、实测波形计算模块，用于，当所述多端混合直流输电系统故障时，基于所述贝瑞隆数值计算法，在故障启动判据启动后的所述预设时间内根据所述保护装置pm处的线模电压和线模电流，计算出实测电流反行波导数；

78、噪声添加模块，用于对实测电流反行波导数添加扰动噪声，得到实测波形；

79、归一化模块，用于对参考波形和实测波形分别进行归一化，对应得到归一化参考波形和归一化实测波形；

80、相关系数计算模块，用于计算归一化参考波形和归一化实测波形之间的滑动相关系数序列；

81、故障判断模块，用于根据滑动相关系数序列，判断故障发生区域；

82、故障执行模块，用于根据故障发生区域判断是否执行故障保护。