一种MMC-HVDC直流输电线路故障测距方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种MMC

【技术实现步骤摘要】
一种MMC
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HVDC直流输电线路故障测距方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种MMC
‑
HVDC直流输电线路故障测距方法及系统，属于电力系统继电保护


技术介绍

[0002]目前，随着化石能源的枯竭以及水力发电对于水资源的破坏日益加剧，可再生能源发电在我国西部、北部地区大量投入运行，风电，太阳能等可再生能源发电大量的接入电网，推动了直流输电系统的发展。基于传统的换相换流器(LCC)的直流输电技术容易出现换相失败等问题，但随着电力电子技术发展日益成熟，采用电压源型换流器(VSC)为核心部件的柔性(MMC
‑
HVDC)直流输电在直流输配电领域逐渐得到重视。相较于传统的交流输电，柔性直流输电在新能源并网、孤岛供电中都具有较为明显的优势，其具有供电容量大、线路的损耗较小、电能质量高等优点。同时柔性直流输电系统的缺点也较为明显，由于直流输电系统一般都运用于长距离输电，其输电线路较长，常年遭受雷击、树枝等环境因素影响，容易发生故障，并且直流系统自身的阻尼就要小于交流系统，导致故障率增大，由于距离较长，发生故障时人工巡线的成本较高。因此，为了确保柔性直流输电系统能够稳定运行，需要保证输电线路在发生故障时能够迅速的识别故障并尽可能地准确定位故障位置，缩短人工巡线的距离，为后续的线路抢修工作争取时间，做到更快地恢复供电，提高电力部门的经济效益。
[0003]近年来，随着继电保护技术的发展，故障发生时切除故障的速度越来越快，导致线路表面不会出现比较明显的损坏痕迹，很难依靠人工巡线来查找到故障点，因此急需研究出可靠的故障测距装置。根据目前所采用的一些测距方法，对于行波法，都是利用故障初始行波到达时刻时间差再结合线路长路通过计算得到故障距离，双端行波法测距的优点显而易见，可靠性高，测量精度高，不存在测距死区，但是需要两端的采集装置通信同步，这就依赖于GPS装置为其提供可靠的同步通信，特别是在长距离输电线路中，微小的时间误差都将导致较大的测距误差；对于单端行波法，仅依赖一侧的故障行波数据，不需要考虑通信同步问题，装置简单，但在输电线路远端发生故障时可能出现测距失败的问题。总之，传统的行波测距多是基于行波时域特征并于时间轴上对行波进行观测、刻画、标定和甄别，以达成故障距离的计算，若行波波头标定不准确均会使得测距误差极大，增加人工巡线的成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种MMC
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HVDC直流输电线路故障测距方法及其系统，可有效解决传统行波法或故障分析法对于长距离输电线路受故障信息衰减的影响，导致测距失败并出现测距盲区的问题。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种MMC
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HVDC直流输电线路故障测距方法及其系统，基于行波能量突变沿线分布特性的新型单端法行波测距原理。行波在遇到波阻抗不连续的点时会发生反射和折反射，表现为线路中出现沿线电压和电流行波能量分布的不连续点，可视
为这些不连续点是由正向电流行波与反向电流行波相遇叠加所造成的，且幅值最大的正极性叠加点对应于硬故障点离开观测端的距离，幅值最大的负极性点对应于对偶故障距离。在柔性直流输电系统中，电压等级都较高，一般采用每隔一定距离步长计算一次电压和电流，来描述全线各点的电压和电流分布情况，并求出时间维度和距离维度相结合的正向电流行波与反向电流行波，进而构造出正反方向的电流行波突变检测函数解析表达式，将两个解析表达式的乘积用于构造积分函数，通过积分函数极值点到量测端的距离来实现故障定位。
[0006]其具体步骤为：
[0007]Step1：当线路故障时，采集线路的故障电气信号。在MMC
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HVDC直流输电系统中电流行波是无法在量测端直接测量得到的，高频电压行波也无法通过电压互感器直接获取，通常是将电压行波经过行波耦合箱后获得电流行波，再通过电流互感器间接测量获得电压信号。
[0008]Step2：根据量测端采集的数据，每隔一定距离步长计算一次电压和电流，得出全线各点的电压和电流分布情况，具体步骤如下：
[0009]Step2.1：在实际工程的MMC
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HVDC直流输电系统中，输电距离较长，相互平行的正负极线路之间存在电磁耦合作用，因此需要进行相模变化以消除不同导线之间的线路耦合作用，相模变换后得到彼此独立的线模分量和零模分量。由于零模分量的传播路径为导线与大地之间，环境因素会造成零模分量的大量衰减，而线模分量的波速度则较为平稳，也不会出现大量的衰减，因此选择提取线模分量的特征。利用凯伦贝尔变换对输电线路正负极电压进行解耦，得出线模行波。计算公式如下：
[0010][0011][0012]式中，U
M
和U
N
分别表示正负极电压，I
M
和I
N
分别表示正负极电流，U1和U0分别表示线模电压和零模电压，I1和I0线模电流和零模电流，A为凯伦贝尔相模变化矩阵。
[0013]Step2.2：由于MMC
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HVDC直流输电都为长距离输电，分布电容会对线路的电流分布产生较大的影响，采用贝杰龙输电线路等效模型对线路进行等效。根据量测端采集的电压和电流数据，每隔1公里步长计算一次电压和电流，得出全线各点的电压和电流分布情况，计算公式如下
[0014][0015][0016]式中，Z
c,s
为线模波阻抗，x为该点到送端的距离，i
M,s
为输电线路上某时刻高速采集装置测得的电流，u
M,s
为输电线路上某时刻高速采集装置测得的电压，r
s
为单位长度的线模电阻，v
s
为线模波速度。
[0017]Step3：根据输电线路各点电压和电流，计算时间维度和距离维度相结合的电流方向行波系列，其中i
+x,s
为正向电流行波，定义为由送端向受端传播，即从M端到N端，i
‑
x,s
为反向电流行波，定义为由受端向送端传播，即从N端到M端，计算公式如下：
[0018][0019][0020]Step4：对电流方向行波系列进行差分计算得到沿线分布的电流梯度，计算沿线分布的电流梯度的3次幂，具体为：
[0021]Step4.1：为增加测距装置的可靠性，对行波能量突变进行放大。对电流方向行波系列进行差分计算得到沿线分布的电流梯度和计算公式如下：
[0022][0023][0024]式中，k表示第k个采样点，i
+
(k)和i
‑
(k)分别表示电流正向行波和电流反向行波第k个采样点的值，和分别表示沿线分布的正向电流梯度和沿线分布的反向电流梯度。
[0025]Step4.2：由于干扰突变点的存在，为进一步减小干扰突变点的幅值以消除其对故障定位的影响，进一步突出反应故障位置信息的突变点幅值，并保证突变点原有的极性不发生改变，计算沿线分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MMC
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HVDC直流输电线路故障测距方法，其特征在于：Step1：当线路故障时，采集线路的故障电气信号；Step2：根据量测端采集的数据，每隔一定距离步长计算一次电压和电流，得出全线各点的电压和电流分布情况；Step3：根据输电线路各点电压和电流，计算时间维度和距离维度相结合的电流方向行波系列；Step4：对电流方向行波系列进行差分计算，并求其高次幂；Step5：利用电流方向行波差分高次幂分别构造正向行波和反向行波的突变检测函数解析表达式；Step6：将方向行波的两个解析表达式作乘积，并将该乘积在两个相继时窗内进行积分；Step7：将两个相继时窗内的积分作为两个测距函数，将两个测距函数中的极值点两两配对，利用极值点之间的关系并结合极值点对应的距离与其幅值即可实现故障测距。2.根据权利要求1所述的MMC
‑
HVDC直流输电线路故障测距方法，其特征在于：所述Step1中的故障电气信号通过安装在MMC
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HVDC直流输电线路母线的高速采集装置来获取。3.根据权利要求1所述的MMC
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HVDC直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step2具体为：Step2.1：利用凯伦贝尔变换对输电线路正负极电压进行解耦，得出线模行波：Step2.1：利用凯伦贝尔变换对输电线路正负极电压进行解耦，得出线模行波：式中，U
M
和U
N
分别表示正负极电压，I
M
和I
N
分别表示正负极电流，U1和U0分别表示线模电压和零模电压，I1和I0线模电流和零模电流，A为凯伦贝尔相模变化矩阵；Step2.2：根据量测端采集的电压和电流数据，每隔1公里步长计算一次电压和电流，得出全线各点的电压和电流分布情况：出全线各点的电压和电流分布情况：
式中，Z
c,s
为线模波阻抗，x为该点到送端的距离，i
M,s
为输电线路上某时刻高速采集装置测得的电流，u
M,s
为输电线路上某时刻高速采集装置测得的电压，r
s
为单位长度的线模电阻，v
s
为线模波速度。4.根据权利要求1所述的MMC
‑
HVDC直流输电线路故障测距方法，其特征在于：所述Step3中，所述电流方向行波系列包括正向电流行波i
+x,s
和反向电流行波i
‑
x,s
；正向电流行波，定义为由送端向受端传播，反向电流行波，定义为由受端向送端传播。5.根据权利要求1所述的MMC
‑
HVDC直流输电线路故障测距方法，其特征在于，所述Step4具体为：Step4.1：对电流方向行波系列进行差分计算得到沿线分布的电流梯度和和和式中，k表示第k个采样点，i
+
(k)和i
‑
(k)分别表示电流正向行波和电流反向行波第k个采样点的值，和分别表示沿线分布的正向电流梯度和沿线分布的反向电流梯度；Step4.2：计算沿线分布的电流梯度和的3次幂。6.根据权利要求1所述的MMC
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HVDC直流输电线路故障测距方法，其特征在于：所述Step5正向行波和反向行波的突变检测函数解析表达式具体为：Step5正向行波和反向行波的突变检测函数解析表达式具体为：式中，k为第k个采样点，E
+
为正向电流行波突变检测函数解析表达式，E
‑
为反向电流行波突变检测函数解析表达式。7.根据权利要求1所述的MMC
...

【专利技术属性】
技术研发人员：束洪春，曹耀仁，代月，田鑫萃，董俊，韩一鸣，赵红芳，杨竞及，安娜，唐玉涛，蒋晓涵，雷顺广，邓亚琪，王广雪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：