一種基于s變換的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于S變換的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 特高壓直流輸電技術(shù)起源于20世紀60年代，由于換流設(shè)備的快速發(fā)展，近幾年高 壓直流輸電技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用。高壓直流輸電具有功率傳輸穩(wěn)定、輸電容 量大、傳輸效率高、可實現(xiàn)遠距離輸電等優(yōu)點，已成為大能源基地電力外送、異步電網(wǎng)互聯(lián) 的重要方式。特高壓直流線路輸送距離遠、送電功率大、穿越地形復雜，易遭受雷電、暴風雨 等引起的故障，線路保護能否快速可靠地檢測故障對直流輸電系統(tǒng)的安全運行意義重大。
[0003] 目前運行中的直流輸電線路繼電保護技術(shù)主要由ABB或SIEMENS提供。主保護配 置行波保護，利用線路上的故障行波來識別故障，動作速度快，但其可靠性和靈敏性易受過 渡電阻和干擾的影響；慢后備保護配置電流縱聯(lián)差動保護，利用線路兩端電流量的簡單加 和構(gòu)造保護判據(jù)，理論上具有絕對的選擇性，但故障初期電流波動較大，需要一定的延時才 能投入，速動性較差。因此，亟需研究可靠性高、不受過渡電阻影響的高壓直流輸電線路保 護。針對目前直流線路保護存在的問題，眾多學者對高壓直流輸電線路保護進行了大量研 究，提出了許多有益的方法。
[0004] 《±800kV特高壓直流輸電線路單端電氣量暫態(tài)保護》提出了一種利用區(qū)內(nèi)、外故 障時保護安裝處測得的暫態(tài)電壓小波能量的差異來識別故障的方法，該方法無需線路兩端 的通信，具有絕對選擇性，但需要利用小波變換來準確識別初始電壓行波的波頭，遠端高阻 故障對其產(chǎn)生不利影響。
[0005] 《基于電壓和電流突變量方向的高壓直流輸電線路保護原理》利用在區(qū)內(nèi)、外故障 時直流線路兩側(cè)保護安裝處測得的電壓和電流突變量的方向特征判斷故障，該原理根據(jù)兩 種故障信號的積分值是否超出門檻值構(gòu)成保護判據(jù)，但其動作性能仍受故障位置、故障電 阻的影響。
[0006] 《利用電流突變特性的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護新原理》提出了一種根據(jù)線路 兩端電流突變方向不同識別故障的方法，并構(gòu)造了電流突變的識別判據(jù)，給出了其整定原 貝IJ，該方法有效識別區(qū)內(nèi)、外故障，但高阻故障和雷電干擾影響其門檻值的整定。
[0007] 《特高壓直流輸電線路暫態(tài)能量保護》根據(jù)線路兩端低頻能量差值特征準確識別 區(qū)內(nèi)故障以及故障極，該方法簡單，可靠，但需要線路兩端的數(shù)據(jù)嚴格同步。
[0008] ((A novel pilot directional protection scheme for HVDC transmission line based on specific frequency current》提出一種在特定頻率下的縱聯(lián)電流差動保護方 法，該方法具有絕對的選擇性，但同樣需要線路兩端的數(shù)據(jù)同步。
[0009] ((A novel whole-line quick-action protection principle for HVDC transmission lines using one-end voltage》和《A new whole-line quick-action protection principle for HVDC transmission lines using one-end current〉〉分別通 過判斷特定頻帶下單端電壓或單端電流的積分值是否超過設(shè)定門檻來判別區(qū)內(nèi)、外故障， 其動作速度快，但發(fā)生長線路的遠端故障時，保護的靈敏性可能無法滿足要求。
[0010]《基于小波變換的高壓直流輸電線路暫態(tài)電壓行波保護》在小波分析的基礎(chǔ)上對 暫態(tài)電壓進行多尺度分析，利用暫態(tài)量的高低頻能量差異構(gòu)造保護判據(jù)，能正確判斷故障， 但小波變換的計算結(jié)果易受到小波基選取以及噪聲的影響。
[0011] 綜上可知，現(xiàn)有高壓直流輸電線路保護方法各有特點，但沒有動作速度快、不受過 渡電阻以及雷電干擾等影響且靈敏度高的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于S變換的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護 方法，本方法分析了直流線路區(qū)內(nèi)外故障時電壓和電流突變量的極性特征，利用S變換相 角差的方法來判斷故障分量的極性，進而構(gòu)造保護判據(jù)以識別直流線路的區(qū)內(nèi)外故障；利 用S變換對故障信號的時頻分析，提取兩極的暫態(tài)電壓S變換零頻能量和，根據(jù)比值大小識 別故障極，具有快速有效，雷擊擾動、故障位置以及過渡電阻等因素對判據(jù)幾乎沒有影響， 不需要兩端數(shù)據(jù)同步，靈敏度高的優(yōu)點。
[0013] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0014] -種基于S變換的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護方法，包括以下步驟：
[0015] (1)采集與直流輸電線路正、負極相連的保護元件處的電壓和電流，對其進行濾波 處理；
[0016] (2)提取故障后設(shè)定時間內(nèi)的電壓和電流突變量數(shù)據(jù)，對其進行S變換，得到電壓 和電流信號的復時頻S矩陣；
[0017] (3)根據(jù)復時頻S矩陣，計算電壓和電流突變量在每個采樣點的S變換相角及兩者 的相角差的均值；
[0018] (4)建立直流輸電線路的保護判據(jù)，直流線路整流側(cè)的保護裝置進行基于電壓和 電流突變量S變換相角差的區(qū)內(nèi)、外的故障識別；
[0019] (5)若識別結(jié)果為直流輸電線路區(qū)內(nèi)故障，整流側(cè)保護裝置比較正、負極電壓突變 量的S變換零頻帶的暫態(tài)能量，進行故障極的判斷。
[0020] 所述步驟（2)中，設(shè)定時間為5ms。
[0021] 所述步驟（3)中，計算信號S變換相角SAn的具體方式為：
[0022] SAn= angle (S n) (I)
[0023] 式中，
I Sa[m，η]為信號經(jīng)S變換得到的復時頻S矩陣，其中η為列 向量，表示信號在某一時刻的幅頻特性;m為行向量，表示信號在某一頻率下的時域特性， 矩陣的每一個元素都表征該信號在某一采樣時刻某一特定頻率下的幅值信息與相角信息。
[0024] 所述步驟（3)中，計算電壓和電流突變量信號的S變換相角差ASai的具體方式 為：
(2)：
[0026] 式中，i = 1或2,表示直流輸電線路極1或極2, SAnI^ S _分別為極i上電壓和 電流突變量在第η個采樣時刻下的S變換相角，N為數(shù)據(jù)窗內(nèi)的采樣點數(shù)。
[0027] 所述步驟（4)中，具體的保護判據(jù)為：
[0030] 式中，SAR、Sai分別為直流輸電線路在整流側(cè)和逆變側(cè)的故障方向判別邏輯值；
[0031] 當Sar · Sai= 1時，即整流側(cè)與逆變側(cè)同時判斷為正向故障時，識別為直流線路區(qū) 內(nèi)故障；當Sar= 0或Sai= 0時，確定為線路區(qū)外故障。
[0032] 所述步驟（5)中，兩極電壓突變量的S變換零頻帶的暫態(tài)能量和的具體計算方法 為：
CS)
[0034] 式中，E (m，n) = {abs (Sa [m，η])}2,表示信號經(jīng)S變換后在某一特定頻率下某一采 樣點的S變換暫態(tài)能量，其中，m為行向量，η為列向量，N為采樣點數(shù)。
[0035] 所述步驟（5)中，故障極的判定方法為：
[0036] 定義雙極線路同側(cè)保護裝置安裝處測得的正極與負極電壓突變量的S變換零頻 帶暫態(tài)能量和Wzi和Wz2的比值為
'則故障極的識別判據(jù)如下：
[0037] M > kWH，此時判斷正極發(fā)生故障；
[0038] M < !%，此時判斷負極發(fā)生故障；
[0039] 1%< M < k WH，此時判斷為極-極故障；
[0040] 其中，1%和k WH為判據(jù)的固定門濫。
[0041] 本發(fā)明的有益效果為：
[0042] (1)利用S變換相角差識別電壓和電流突變量的極性，從而識別區(qū)內(nèi)外故障，利用 兩極電壓突變量的S變換零頻帶暫態(tài)能量和的比值識別區(qū)內(nèi)故障的故障極，在IOOkHz的采 樣頻率下僅需5ms的數(shù)據(jù)窗即可完成判斷，速動性強；
[0043] (2)在各種故障初始條件下可靠、快速地識別故障方向，過渡電阻、雷擊干擾以及 故障位置等因素對保護判據(jù)幾乎沒有影響，可靠性、靈敏性高；
[0044] (3)所提方法不需要直流輸電線路兩端的數(shù)據(jù)同步，僅需要逆變側(cè)向整流側(cè)傳送 故障方向的識別結(jié)果，對通信通道要求不高；
[0045] (4)識別方法原理簡單、清楚，識別