一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种多端柔性直流输电系统的保护方法，包括快速的初级保护策略和初级失效时的后备保护策略。该策略是一种基于电压和电流的非单位的保护策略，通过对局部位置电压和电流信号进行采样，结合故障电流随时间的变化率结合机器学习中的k‑means确定出短路区域，然后判断出前向故障和后向故障动作的阈值水平和动作时间，可以实现当多端柔性直流输电系统初级保护失败时，快速辨别并选择和触发合适的直流断路器，从而在更短时间内清除短路故障，减小短路电流峰值，达到提高电网系统安全稳定性的目的。

A protection method for multi terminal flexible UHVDC transmission system

【技术实现步骤摘要】
一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法
本专利技术属于电力系统保护领域，尤其涉及一种多端柔性直流输电系统的保护方法。
技术介绍
随着直流输电技术的发展和特高压交直流技术的广泛应用，目前我国已经形成了含有大规模多馈入直流输电系统和受端系统。多端直流系统虽然具有更高的兼容性、稳定性、可靠性和安全性。但是当其受端系统交流故障可能引起整个系统的崩溃，导致直流传输功率的中断，最终威胁到整个交直流系统的安全稳定运行。多端柔性直流系统直流故障保护是直流系统发展的关键技术之一,主要技术难点包括直流故障的可靠识别和快速隔离。当故障发生时，保护系统必须准确的定位故障并切除故障。保护系统由初级保护系统和后备保护系统构成。故障发生时，初级保护立即动作切除故障；当初级保护失败时，后备保护必须启动并清除故障。目前的快速后备保护的采用的初级保护失败的故障识别算法为线性识别法，其故障电流时限为3ms。该算法的缺点为容易造成错误识别，因此在实际应用中受到了限制。现有技术中，专利号为CN106253240B，名称为一种基于边界特性的多端柔性直流电网系统单端量保护方法，首先采用小波分解提取出故障电流中的高频分量；计算出故障电流的高频暂态能量Ej和平波电抗器上的压降VL；然后利用平波电抗器上的压降VL判断故障方向；如果判断出正方向无故障，则退出故障保护流程；如果判断出有正方向故障，进一步利用高频暂态能量Ej判据判断区内是否存在故障；如果满足Ej＞Eset判定为区内故障，执行故障保护动作；否则，判定为区内无故障，退出故障保护流程。该方法不能在初级保护动作失败时快速的投入后备保护，因此本文提出了一种快速识别初级保护区内故障并触发合适的直流断路器的策略。本策略在初级保护动作失败时，能够快速的诊断故障并选择合适的触发时间去触发后备保护隔离故障，从而降低故障电流。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种实现了更加快速的保护动作，避免了大故障电流的产生的多端柔性特高压直流输电系统的保护方法。本专利技术的技术方案如下：一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法，其包括以下步骤：S1、根据继电保护系统采集线路的电压和电流信号，计算电流和电压的阈值Vth、Ith以及电流随时间的变化率S2、通过电流随时间变化率的正负号判断故障是正方向故障和反方向故障；如果为正，则故障为正方向故障；如果为负，故障为反方向故障；然后过机器学习的k-means方法以采集的电压和电流为输入量，将输入量与阈值进行比较，预测出故障为区内故障还是区外故障；S3、如果为区内故障且为正方向故障，则检查初级保护断路器状态并触发初级保护断路器开断信号，并记录故障是否清除，同时初级保护和后备保护的继电保护系统之间交换故障状态和断路器动作状态信息；S4、如果为区内故障且为反方向故障，则根据初级保护和后备保护系统的状态，如果故障并未切除，则触发后备保护的断路器，清除故障。S5、如果判定为区外故障，则说明区内无故障，退出故障保护流程。进一步的，所述步骤S1中，阈值电压边界计算公式为：Vth＝A×idc+B,A和B是与系统参数有关的常数；阈值电流边界计算公式为：Ith＝1.25idc；idc为被保护的线路电流。进一步的，所述步骤2中k-means分类方法根据测量得到的初级保护继电系统和后备保护继电系统的电压、电流信号分为2类，即初级保护动作区域和后备保护动作区域，k-means算法中k取为2，度量距离选为闵可夫斯基距离，得出阈值电压计算公式的系数。进一步的，所述步骤S3中，触发初级保护断路器开断动作的条件为：且线路电压小于阈值电压，线路电流大于阈值电流，触发动作信号。进一步的，所述步骤S3中，初级保护继电系统和后备保护继电系统的信息交换机制为：初始状态均为0，当某一级保护动作了，则状态变为0。Tpp、Tbp分别表示初级保护和后备保护的动作信号，即：如果Tpp＝1,Tbp＝0，则表示初级保护已动作；如果Tpp＝0,Tbp＝1，则表示后备保护已动作，记录故障清除时，如果测量得到的电压小于线路电压，表明故障为清除，TFC＝1；TFC表示被保护线路故障状态，如果测量电压大于或者等于线路电压，则故障已清除，TFC＝0，将TFC的状态返回给后备保护系统。进一步的，所述步骤S4中，后备保护动作的条件为：TFC＝1，线路电压小于阈值电压，线路电流大于阈值电流，且等待0.2ms的超调时间，然后判断如果Tpp＝1,Tbp＝1，那么即发出后备保护动作信号。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术方法针对多端柔性特高压直流输电提出了一种初级和局部后备的保护策略，可以实现在初级保护区域高速的识别故障并选择触发合适的断路器，在后备保护区域可以快速的识别初级保护失败，并在等待0.2ms超调时间后触发动作信号，快速隔离故障。这种方法可以减小故障电流峰值和电压降低水平，与现有的线性辨识算法(3ms)相比，k-means方法可以快速准确的分类初级保护和后备保护的边界。同时，这种方法只是需要断路器安装位置的局部的系统参数、电压和电流信号，不受系统结构变化的影响。采用的朴素贝叶斯分类法只需要少量的数据就能做出高准确度的分类，对噪声数据不敏感，可是处理实时数据和离散数据。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例的方法实施概要图；图2是一种多端柔性特高压直流输电系统的保护策略的流程图；图3为本专利技术实施例提供k-means分类方法流程图。图4为本专利技术实施案例的多端柔性直流系统单线(图a)和母线保护区域布局图(图b)图5为本专利技术实施案例的直线母线保护区域的布局图图6为本专利技术实施案例中初级保护启动清除故障的电流电压波形图图7为本专利技术实施案例中后备保护启动清楚故障的电流电压波形图具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：本专利技术提供了一种基于机器学习的k-means分类器来确定初级保护和后备保护的阈值范围和动作时间的框架，通过测量局部电压和电流来确定和分类故障类型，从而实现后备保护的快速动作。相比较于现有的保护，本保护方法实现了更加快速的保护动作，避免了大故障电流的产生。当初级保护失败时，后备保护加速到了0.2ms之后即进行动作，同时实施本保护方案的继电保护系统不受输电网络结构的改变。在本专利技术实施例中，由于能够快速识别故障区域和初级保护是否正常切断故障，并能够快速启动后备保护，从而降低短路电流和电压降落，减少电网损失，达到提高电网系统安全稳定性的目的。本专利技术实施基于仿真案例进行介绍，其具体实施流程图见图2所示，实施步骤如下：(1)实施案例的多端柔性特高压直流输电网路单线图见图4(a)所示，是一个四端模块化多电平换流器直流输电网络，为双极型输电网络，拥有环形网络，每一条线路两端都配有串联电抗器和混合型直流断路器。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据继电保护系统采集线路的电压和电流信号，计算电流和电压的阈值V

【技术特征摘要】
1.一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据继电保护系统采集线路的电压和电流信号，计算电流和电压的阈值Vth、Ith以及电流随时间的变化率
S2、通过电流随时间变化率的正负号判断故障是正方向故障和反方向故障；如果为正，则故障为正方向故障；如果为负，故障为反方向故障；然后通过机器学习的k-means方法以采集的电压和电流为输入量，将输入量与阈值进行比较，预测出故障为区内故障还是区外故障；
S3、如果为区内故障且为正方向故障，则检查初级保护断路器状态并触发初级保护断路器开断信号，并记录故障是否清除，同时初级保护和后备保护的继电保护系统之间交换故障状态和断路器动作状态信息；
S4、如果为区内故障且为反方向故障，则根据初级保护和后备保护系统的状态，如果故障并未切除，则触发后备保护的断路器，清除故障。
S5、如果判定为区外故障，则说明区内无故障，退出故障保护流程。


2.根据权利要求1所述的一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法，其特征在于，所述步骤S1中，区内故障初级保护阈值电压边界计算公式为：Vth＝A×idc+B,A和B是与系统参数有关的常数；阈值电流边界计算公式为：Ith＝1.25idc；idc为被保护的线路电流。


3.根据权利要求2所述的一种多端柔性特高压直流输电系统的保护方法，其特征在于，所述步骤2中k-means分类方法根据测量得...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，贺婷婷，高兵，王金浩，郑惠萍，刘新元，薄利明，郝鑫杰，程雪婷，郝捷，张颖，
申请(专利权)人：重庆大学，国网山西省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50