一种多端混合直流输电线路的保护方法
阅读说明：本技术 一种多端混合直流输电线路的保护方法 (Protection method for multi-terminal hybrid direct-current transmission line ) 是由 邢超 王龙 奚鑫泽 何鑫 刘明群 李胜男 马红升 向川 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本申请涉及继电保护技术领域,提供一种多端混合直流输电线路的保护方法,当直流输电系统发生故障时,实时采集线路端故障电流,通过计算故障电流线模分量突变量的正负,判断故障方向,防止反向故障引起的保护误动作；利用CEEMDAN算法对故障电流线模分量进行分解,获得各IMF分量；进而,根据Teager能量算子计算高频分量的瞬时幅值,并通过比较高频分量瞬时幅值的最大值与整定值的大小,判断故障位置。当高频分量瞬时幅值的最大值大于整定值时,判定为区内故障,相应保护端执行保护动作；当高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于整定值时,判定为区外故障,保护端不动作。本申请能迅速且可靠地执行保护动作,保证最小范围切除故障。(The application relates to the technical field of relay protection, and provides a protection method of a multi-terminal hybrid direct-current transmission line, when a direct-current transmission system breaks down, the fault current of a line terminal is collected in real time, the fault direction is judged by calculating the positive and negative of the fault current line modulus component break variable, and the protection misoperation caused by reverse fault is prevented; decomposing the fault current line-mode components by using a CEEMDAN algorithm to obtain IMF components; and further, calculating the instantaneous amplitude of the high-frequency component according to a Teager energy operator, and judging the fault position by comparing the maximum value of the instantaneous amplitude of the high-frequency component with the setting value. When the maximum value of the instantaneous amplitude of the high-frequency component is greater than the setting value, judging that the fault exists in the area, and executing protection action by a corresponding protection end; and when the maximum value of the instantaneous amplitude of the high-frequency component is less than or equal to the setting value, judging that the fault is outside the area, and keeping the protection end from acting. The method and the device can rapidly and reliably execute the protection action and ensure that the fault is removed in the minimum range.)
技术领域
本申请涉及继电保护
技术领域
，尤其涉及一种多端混合直流输电线路的保护方法。背景技术
直流输电线路的继电保护是直流输电系统中最重要的保护，是维持直流输电线路正常工作的关键。由于直流输电线路送电距离长且工作环境复杂，所以故障发生概率大。因此，直流输电线路发生故障后能否快速恢复，直接影响到整个电网的安全性和稳定性。
目前，直流输电线路的继电保护大多以行波保护和微分欠压保护作为主保护，纵联差动保护作为后备保护。
行波保护主要通过识别测量端行波波头的到达来判断线路故障是否发生，具有超高速动作性能，但是存在对采样率要求高、耐受过渡电阻能力有限、缺乏整定依据的问题，并且在多端混合直流系统中，当边界条件发生变化，还表现出选择性差的问题。
微分欠压保护主要根据测量端电压的变化率和幅值来识别线路故障，保护动作反应速度快，但也存在耐受过渡电阻能力差、整定依赖仿真试验的问题，在多端混合直流系统中也难以保证选择性，并且由于缺乏边界元件，微分欠压保护对于本线路末端和相邻线路首端的故障难以区分，存在误动的风险。
纵联差动保护利用测量端线路两端的电流量构成保护，但由于长距离输电线路对地电容效应，当故障发生后，电压迅速下降会引起线路电容产生较大的暂态电流，严重影响此方法的可靠性，甚至在一定程度上增加了保护误动的概率。实际应用中，纵联差动保护通常采用一段较长的延时，以此更好地避开故障暂态阶段，但也因此削弱了速动性。另外，纵联差动保护要求线路两端数据采集时刻精准同步，但是多端混合直流系统线路故障后，电流迅速增加，微小的同步误差就会引起较大的差流误差，进而导致可靠性降低。
综上所述，特高压多端混合直流输电作为当今高压直流输电系统发展的趋势，其运行方式多变，在输电线路发生故障后，继电保护装置如何能迅速且可靠地执行保护动作，保证最小范围切除故障，是目前特高压多端混合直流输电系统需要进一步研究的方向。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本申请旨在提供一种多端混合直流输电线路的保护方法，能迅速且可靠地执行保护动作，保证最小范围切除故障。
为了实现上述目的，本申请提供一种多端混合直流输电线路的保护方法，具体包括：
获取输电线路中第一保护端和第二保护端的故障电流行波数据。
根据第一保护端的故障电流行波数据和第二保护端的故障电流行波数据，计算得到故障电流线模分量变化量的正负。
根据所述故障电流线模分量变化量的正负，判断故障方向。
若故障方向为T区两侧，则对故障电流线模分量进行分解，获得固有模态函数分量。
根据所述固有模态函数分量，获得高频分量。
利用Teager能量算子，计算所述高频分量的瞬时幅值。
将所述瞬时幅值的最大值与预设的整定值进行比较，若所述瞬时幅值的最大值大于所述整定值，则判定故障为线路区内故障，且第一保护端或者第二保护端执行保护动作。
进一步的，若故障方向为T区两侧，则利用自适应噪声的完整集合经验模态分解(CEEMDAN)算法对故障电流线模分量进行分解。
进一步的，根据所述故障电流线模分量变化量的正负，采用以下公式判断故障方向：
其中，x取1或2，K1表示第一保护端的故障电流线模分量变化量在1毫秒时间窗内的积分，K2表示第二保护端的故障电流线模分量变化量在1毫秒时间窗内的积分，△i1.1表示第一保护端的故障电流线模分量变化量，△i1.2表示第二保护端的故障电流线模分量变化量，t0为故障初始时刻，△t为采样间隔，n△t表示1毫秒时间数据窗长度。
进一步的，判断故障方向的判据为：
若K1>0且K2<0，则判定故障为T区左侧故障。
若K1<0且K2>0，则判定故障为T区右侧故障。
若K1<0且K2<0，则判定故障为T区内故障。
进一步的，当判定故障为T区左侧故障时，由第一保护端判断故障为T区左侧区内故障或者T区左侧区外故障，具体判断方法为：
若第一保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值大于第一保护端的整定值，则判定故障为T区左侧区内故障。
若第一保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于第一保护端的整定值，则判定故障为T区左侧区外故障。
进一步的，当判定故障为T区左侧区内故障时，第一保护端执行保护动作；当判定故障为T区左侧区外故障时，第一保护端不动作。
进一步的，当判定故障为T区右侧故障时，由第二保护端判断故障为T区右侧区内故障或T区右侧区外故障，具体判断方法为：
若第二保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值大于第二保护端的整定值，则判定故障为T区右侧区内故障。
若第二保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于第二保护端的整定值，则判定故障为T区右侧区外故障。
进一步的，当判定故障为T区右侧区内故障时，第二保护端执行保护动作；当判定故障为T区右侧区外故障时，第二保护端不动作。
进一步的，采用以下公式计算所述第一保护端的整定值和所述第二保护端的整定值：
Tset1＝Krel×Tmax_out1
Tset2＝Krel×Tmax_out3
式中，Tset1为第一保护端的整定值；Tset2为第二保护端的整定值；Krel为可靠系数；Tmax_out1为T区左侧区外故障时，第一保护端计算高频分量Teager能量算子的瞬时能量最大值；Tmax_out3为T区右侧区外故障时，第二保护端计算高频分量Teager能量算子的瞬时能量最大值。
进一步的，所述可靠系数设置为1.1。
本申请提供一种多端混合直流输电线路的保护方法，当直流输电系统发生故障时，实时采集线路端故障电流，通过计算故障电流线模分量突变量的正负来判断故障方向，防止反向故障引起的保护误动作；然后，利用CEEMDAN算法对故障电流线模分量进行分解，获得各IMF分量；进而，根据Teager能量算子计算高频分量的瞬时幅值，并通过比较高频分量瞬时幅值的最大值与整定值的大小，判断故障位置。当高频分量瞬时幅值的最大值大于整定值时，判定故障为线路区内故障，相应保护端执行保护动作；当高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于整定值时，判定故障为线路区外故障，保护端不动作。本申请能够准确识别故障位置的方向，有效防止反向故障时保护端的误动作，避免模态混叠效应。综上，本申请能迅速且可靠地执行保护动作，保证最小范围切除故障。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种多端混合直流输电线路的保护方法流程示意图；
图2为本申请实施例提供的特高压多端混合直流输电拓扑示意图；
图3为本申请实施例提供的特高压多端混合直流故障位置示意图；
图中：1-交流系统，2-交流滤波器，3-换流变压器，4-平波电抗器，5-LCC换流阀，6-直流滤波器，7-MMC换流阀，8-直流线路，9-第一保护端，10-第二保护端。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解本申请实施例的技术方案，以下首先对本申请所涉及到的一些概念进行说明。
参见图1，为本申请实施例提供的一种多端混合直流输电线路的保护方法流程示意图。本申请实施例提供一种多端混合直流输电线路的保护方法，具体包括：
步骤S1：获取输电线路中第一保护端和第二保护端的故障电流行波数据。
步骤S2：根据第一保护端的故障电流行波数据和第二保护端的故障电流行波数据，计算得到故障电流线模分量变化量的正负。
本申请实施例中，计算故障电流线模分量变化量正负的具体方法为：
步骤S21：读取测量端测量的正、负极线路的电流；
步骤S22：对测量的电流进行解耦，采用电流线模分量进行故障方向判别，防止因电磁耦合影响非故障线路保护装置的误动。解耦的计算方法具体为：
式中，i0、i1分别为解耦后故障电流的零模分量和线模分量，ip、in分别为线路正极和负极的额定电流。
步骤S23：用故障时的线模电流i1减去正常运行状态运行时的线模电流i1_N，可得故障电流变化△i。计算公式为：
△i＝i1-i1_N
步骤S3：根据所述故障电流线模分量变化量的正负，判断故障方向。具体的，故障方向包括T区内和T区两侧，当判别出故障位于T区内时，该故障属于线路区外故障，第一保护端和第二保护端均不执行任何保护动作。
更具体的，本申请实施例中，T区即为线路出线端与连接串中两个断路器之间的两部分。
进一步的，根据所述故障电流线模分量变化量的正负，采用以下公式判断故障方向：
其中，x取1或2，K1表示第一保护端的故障电流线模分量变化量在1毫秒时间窗内的积分，K2表示第二保护端的故障电流线模分量变化量在1毫秒时间窗内的积分，△i1.1表示第一保护端的故障电流线模分量变化量，△i1.2表示第二保护端的故障电流线模分量变化量，t0为故障初始时刻，△t为采样间隔，n△t表示1毫秒时间数据窗长度。
步骤S4：若故障方向为T区两侧，则对故障电流线模分量进行分解，获得固有模态函数分量。
进一步的，若故障方向为T区两侧，则利用自适应噪声的完整集合经验模态分解(Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise，CEEMDAN)算法对故障电流线模分量进行分解。
具体的，CEEMDAN算法分解出的固有模态函数(Int Rinsic Mode Function，IMF)序列是多通带滤波的结果，每个分离出来的IMF序列都应该是稳态的。因此，本申请实施例优选CEEMDAN算法来进行故障电流线模分量的分解。
进一步的，判断故障方向的判据为：
若K1>0且K2<0，则判定故障为T区左侧故障。
若K1<0且K2>0，则判定故障为T区右侧故障。
若K1<0且K2<0，则判定故障为T区内故障。
具体的，若故障方向为T区两侧，则还需进一步判断故障位于T区左侧还是T区右侧，进而缩小寻找故障位置的搜索范围，加快识别故障的速度。
步骤S5：根据固有模态函数分量，获得高频分量。
具体的，从CEEMDAN算法的分解原理及过程可以得出，越早分离出来的固有模态函数(IMF)分量频率越高，第一个分离出来的IMF序列包含了原信号中的最高频率成分，即高频分量。因此，故障电路的线模分量信号经过CEEMDAN分解算法就会分解出瞬时频率由高到低的IMF分量，只需获取第一个IMF分量就是高频分量。
步骤S6：利用Teager能量算子，计算高频分量的瞬时幅值。
本申请实施例中，利用Teager能量算子，计算高频分量瞬时幅值的具体方法如下：
Ψ[i(n)]＝[i(n)]2-i(n-1)i(n+1)
式中，i(n-1)、i(n)、i(n+1)分别为第n-1、n、n+1采样点的采样电流线模分量。
步骤S7：将瞬时幅值的最大值与预设的整定值进行比较，若瞬时幅值的最大值大于预设的整定值，则判定故障为线路区内故障，且第一保护端或者第二保护端执行保护动作；若瞬时幅值的最大值小于所述整定值，则判定故障为线路区外故障，第一保护端和第二保护端均不动作。
更进一步的，当判定故障为T区左侧故障时，由第一保护端判断故障为T区左侧区内故障或者T区左侧区外故障，具体判断方法为：
若第一保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值大于第一保护端的整定值，则判定故障为T区左侧区内故障。
若第一保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于第一保护端的整定值，则判定故障为T区左侧区外故障。
本申请实施例中，T区左侧区内外故障的判断方法具体表示为：
式中，T1为第一保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值；Tset1为第一保护端的整定值。
更进一步的，当判定故障为T区左侧区内故障时，第一保护端执行保护动作；当判定故障为T区左侧区外故障时，第一保护端不动作。具体的，第一保护端执行相应保护动作指保护元件发出动作指令，使该线路的断路器跳开。
进一步的，当判定故障为T区右侧故障时，由第二保护端判断故障为T区右侧区内故障或T区右侧区外故障，具体判断方法为：
若第二保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值大于第二保护端的整定值，则判定故障为T区右侧区内故障。
若第二保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于第二保护端的整定值，则判定故障为T区右侧区外故障。
本申请实施例中，T区右侧区内外故障的判断方法具体表示为：
式中，T2为第二保护端计算高频分量瞬时幅值的最大值；Tset2为第二保护端的整定值。
更进一步的，当判定故障为T区右侧区内故障时，第二保护端执行保护动作；当判定故障为T区右侧区外故障时，第二保护端不动作。具体的，第二保护端执行相应保护动作指保护元件发出动作指令，使该线路的断路器跳开。
进一步的，采用以下公式计算所述第一保护端的整定值和所述第二保护端的整定值：
Tset1＝Krel×Tmax_out1
Tset2＝Krel×Tmax_out3
式中，Krel为可靠系数；Tmax_out1为T区左侧区外故障时，第一保护端计算高频分量Teager能量算子的瞬时能量最大值；Tmax_out3为T区右侧区外故障时，第二保护端计算高频分量Teager能量算子的瞬时能量最大值。
更进一步的，所述可靠系数设置为1.1。具体的，可靠系数的设置可以根据具体情况具体设定，本申请实施例的可靠系数设置为1.1是经过反复实验获得的最优设置，但并非固定设置。
综上所述，当第一保护端计算的K1>0、第二保护端计算的K2<0时，则判断T区左侧发生故障，第二保护端闭锁，第一保护端解锁，由第一保护端判断T区左侧故障；当第一保护端计算的K1<0、第二保护端计算的K2>0时，则判断T区右侧发生故障，第一保护端闭锁，第二保护端解锁，由第二保护端判断T区右侧故障；当第一保护端计算的K1<0、第二保护端计算的K2<0时，则判断T区内发生故障，第一保护端和第二保护端均闭锁，第一保护端和第二保护端不动作。
与现有技术相比，本申请实施例具有以下特点：
1)本申请实施例采用故障方向判据，通过计算T区两侧故障电流线模分量在1毫秒的积分值，根据该值的正负来判断故障方向，该方法能够准确识别故障位置的方向，能够有效防止本侧区外故障时保护端的误动作。
2)本申请实施例利用自适应噪声的完全集合经验模态分解(CEEMDAN)的分解方法，利用CEEMDAN的局部自适应分解，将故障电流信号完全分解为若干阶IMF分量，避免模态混叠效应。
3)本申请实施例利用Teager能量算子提取IMF分量中高频分量的瞬时幅值，利用Teager能量算子绘制高频分量的能量谱图，通过整定值与高频分量瞬时幅值的最大值比较，可快速识别区内外故障。
本申请实施例提供的一种特高压多端混合直流输电线路的保护方法，其具体实现步骤如下：
步骤S21：特高压多端混合直流输电系统发生故障后，第一保护端和第二保护端采集故障后1毫秒内故障电流数据。
步骤S22：将检测的电流进行相模变化，通过计算线模电流突变量在1毫秒内积分，根据积分值的正负进行故障方向判断。
步骤S23：当判断故障位于T区左侧时，执行步骤S24，当判断故障位于T区右侧时，执行步骤S25，当判断故障位于T区内时，执行步骤S26。
步骤S24：当判断为T区左侧故障后，由第一保护端来判断T区左侧区内外故障，将故障电流线模分量进行CEEMDAN分解，得到各IMF分量，然后，利用Teager能量算子计算高频分量的瞬时幅值，根据高频分量的瞬时幅值最大值来判断T区左侧区内外故障。当高频分量瞬时幅值的最大值大于整定值时，判断为左侧区内故障，第一保护端动作；当高频分量瞬时幅值的最大值小于整定值时，判断为左侧区外故障，第一保护端不动作。
步骤S25：当判断故障位于T区右侧时，由第二保护端来判断T区右侧故障，将故障电流线模分量进行CEEMDAN分解，得到各IMF分量，然后利用Teager能量算子计算高频分量的瞬时幅值和频率，根据高频分量的瞬时幅值最大值来判断T区右侧区内外故障。当高频分量瞬时幅值的最大值大于整定值时，判断为右侧区内故障，第二保护端动作；当高频分量瞬时幅值的最大值小于整定值时，判断为右侧区外故障，第二保护端不动作。
步骤S26：当判别为T区发生故障时，T区故障属于线路区外故障，第一保护端和第二保护端均不动作。
以下将通过具体实施例，对本申请实施例所提供的一种多端混合直流输电线路的保护方法进行详细阐述。
参见图2和图3，为本申请实施例提供的特高压多端混合直流输电拓扑示意图和特高压多端混合直流故障位置示意图。本申请具体实施例中，过渡电阻设置在0～500Ω之间取值，由图上可知，通过采用本申请实施例所述保护方法，对正极线路和负极线路的不同故障位置和不同过渡电阻下进行测试，通过对T区左侧故障区外故障(fout1)、T区左侧区内故障(finI1、finI2、finI3)、T区右侧区内故障(finII1、finII2、finII3)、T区右侧区外故障(fout3)、T区内故障(fout2)进行仿真测试，获得仿真结果如下表1和表2所示。其中，表1为正极仿真结果，表2为负极仿真结果，Tset1＝1.82*103，Tset2＝9.83*103。从表1和表2可以看出，第一保护端和第二保护端均能正确动作。
表1保护动作结果(正极故障)
表2保护动作结果(负极故障)
本申请提供一种多端混合直流输电线路的保护方法，具体包括：
获取输电线路中第一保护端和第二保护端的故障电流行波数据；
根据第一保护端的故障电流行波数据和第二保护端的故障电流行波数据，计算得到故障电流线模分量变化量的正负；
根据所述故障电流线模分量变化量的正负，判断故障方向；
若故障方向为T区两侧，则对故障电流线模分量进行分解，获得固有模态函数分量；
根据所述固有模态函数分量，获得高频分量；
利用Teager能量算子，计算所述高频分量的瞬时幅值；
将所述瞬时幅值的最大值与预设的整定值进行比较，若所述瞬时幅值的最大值大于所述整定值，则判定故障为线路区内故障，且第一保护端或者第二保护端执行保护动作。
由上述技术方案可知，本申请提供一种多端混合直流输电线路的保护方法，当直流输电系统发生故障时，实时采集线路端故障电流，通过计算故障电流线模分量突变量的正负来判断故障方向，防止反向故障引起的保护误动作；然后，利用CEEMDAN算法对故障电流线模分量进行分解，获得各IMF分量；进而，根据Teager能量算子计算高频分量的瞬时幅值，并通过比较高频分量瞬时幅值的最大值与整定值的大小，判断故障位置。当高频分量瞬时幅值的最大值大于整定值时，判定故障为线路区内故障，相应保护端执行保护动作；当高频分量瞬时幅值的最大值小于或等于整定值时，判定故障为线路区外故障，保护端不动作。本申请能够准确识别故障位置的方向，有效防止区外故障时保护端的误动作，避免模态混叠效应。综上，本申请能迅速且可靠地执行保护动作，保证最小范围切除故障。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。