基于离散小波分析与K-means聚类算法的 MMC-HVDC输电线路保护方案

随着以风电、光伏为代表的可再生能源的持续发展,柔性直流输电系统由于能够清洁高效的对其进行远距离大容量输送而得到了大力的发展。快速、准确的识别故障区域并判别故障类型,实现兼具选择性、速动性、灵敏性和可靠性的直流线路保护方案是柔性直流输电系统发展的迫切需要。理论分析表明,MMC-HVDC输电系统直流线路故障时,线路平波电抗器两侧的暂态电压存在明显差异。采用离散小波分析提取线路平波电抗器两侧的暂态电压有效值进行比较,从而对区内、区外故障进行判别。随后采用K-means聚类算法,利用不同故障类型、不同故障位置,直流线路故障发生后较短的时间窗口采集得到的单侧保护单元电压、电流数据,对其进行聚类分析,获取这些数据的质心与阈值,经过训练,确定相应的保护判据,实现故障选极。PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,该保护方案不受故障位置、过渡电阻的影响,能够快速准确地检测MMC-HVDC输电线路故障,识别出故障类型。     

高压直流输电线路边界高频电压信号衰减特性分析

高压直流输电线路两端安装的直流滤波器和平波电抗器形成了高频电压信号的线路边界,利用这种边界特性可以构成新型线路保护,但线路边界参数及配置方式的差异会对线路边界高频电压信号衰减程度造成影响。基于现有直流输电工程的直流滤波器与平波电抗器的参数及配置原则,研究了不同直流滤波器结构、不同平波电抗器配置方式以及直流滤波器与平波电抗器元器件不同参数对直流输电线路边界高频电压信号衰减特性的影响。结果表明,不同参数及配置形式的线路边界对高频电压信号均有较大衰减,可以依据高频电压信号在区内外故障时的差异构成新型直流输电线路保护。     

基于电压回升比的混合直流线路主保护新原理

由于混合直流输电系统电网换相换流器——模块化多电平换流器（line commuted converter - modular multilevel converter,LCC-MMC） 存在弱边界特性,电网换相换流器（line commuted converter,LCC）侧耐受过渡电阻能力较弱,导致现有的高压直流线路行波保护原理适应性不足。在定量分析直流线路边界特性和故障特征的基础上,针对LCC侧线模电压首行波波头的“尖峰-回落”特征,构建了基于线模首行波电压回升比的主保护新原理。通过计算保护时窗内电压跌落值和回升值之比判别故障区域,并提出了消除保护死区和识别雷击干扰的辅助判据。仿真结果表明,所提方案能在100 μs内实现故障选区,且对采样率、对侧电抗器数值、过渡电阻和雷击干扰等具有较好的鲁棒性,较现有行波保护原理具有明显的性能提升。     

基于行波固有频率的特高压直流输电线路纵联保护方法

故障后行波在故障点与线路终端间来回反射,形成的固有频率与故障距离有明确的数学关系。特高压直流(Ultra High Voltage Direct Current, UHVDC)输电线路的边界由平波电抗器和直流滤波器构成,与交流线路相比,线路故障后形成的行波固有频率更加清晰。基于此,提出了一种利用线路两端固有频率主成分特征的特高压直流输电线路纵联保护方案。根据电流变化率构造故障启动判据;用MUSIC方法对故障后的暂态电流数据进行频谱分析,利用区内外故障时线路两端固有频率特征差异构造保护判据;利用原始行波信号和解耦后行波信号提取的固有频率主成分构造选极判据,形成完整的基于行波固有频率的特高压直流输电线路纵联保护方案。在PSCAD/EMTDC中建立特高压直流输电系统模型,并在不同故障工况下对该保护方案的适应性进行仿真。大量仿真结果表明,该保护方法在不同故障工况下均能可靠、快速动作,具有较好的适应性和实用价值。     

基于边界特征的高压直流输电长线路故障判别方法

分析了高压直流输电长线路的高频信号衰减作用对目前基于线路边界保护原理的影响。研究了边界的频率特性以及平波电抗器对电流变化率的抑制作用,进而提出了由单端特征频率电流构造的直流线路故障判别方法。在所提出的直流保护方案中,使用特征谐波电流幅值构造启动判据,同时使用特征谐波电流变化量构造保护判据,算法简便且更加充分地利用了基于线路边界的暂态特征。在PSCAD/EMTDC中搭建了双极24脉动直流输电系统模型并进行了仿真分析。结果表明,该判据能准确地区分区内外故障并进行故障选极,受过渡电阻和长线路的影响很小,可以实现全线速动。     

±800kV特高压直流输电线路单端电气量暂态保护

高压直流(high voltage direct current,HVDC)输电线路两端的平波电抗器和直流滤波器构成现实的边界元件,对暂态电压高频分量呈带阻传变特性,来自直流线路区外的高频电压信号通过平波电抗器和直流滤波器后被衰减,其能量显著减小,不同频带的高频电压信号小波能量可应用小波变换求得。利用区内、外故障时于保护安装处获得的暂态电压小波能量的显著差异来构造直流输电线路区内、外故障判据;利用故障暂态电压小波变换模极大值,构造启动判据;利用正极和负极暂态电压分别与+800和-800kV的相关系数,构造雷击干扰识别判据;利用两极线极波,构造故障选极判据。给出了特高压直流(ultra high voltage direct current,UHVDC)输电线路单端电气量暂态保护方案。对该保护进行了大量仿真分析,计及了雷击干扰、边界上避雷器动作、不同过渡电阻、换相失败故障等因素的影响。仿真结果表明,该保护具有绝对选择性,能可靠有效地保护直流线路全长。     

基于初始电压行波频域衰减速率的MMC-HVDC线路保护方案

针对目前基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)电网的线路保护中存在的问题,提出了一种基于初始电压行波(IVTW)频域内衰减速率的MMC-HVDC线路单端量保护方案。首先,构建四端MMC-HVDC电网的等效模型,分别计算直流线路区内外故障下IVTW的频域表达式。由于输电线路两端限流电抗器的边界作用,区内外故障下IVTW随频率增大而衰减的速率具有不同的特点。以不同尺度的平稳小波变换(SWT)提取IVTW在不同频带下的细节系数,并用不同尺度下的小波变换模极大值(WTMM)的绝对值分别表征其在相应频带中的幅值,根据IVTW频域内等效衰减速率的平方构造了识别线路区内外故障的判据。最后,各种故障情况下的仿真结果验证了所提保护方案的有效性。     

利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路双端电压暂态保护原理

平波电抗器、直流滤波器、PLC滤波器构成特高压直流输电线路现实边界。分析特高压直流输电线路以及边界的频率特性,研究特高压直流输电线路以及边界对故障暂态电压信号高频量的衰减作用,得到当故障发生点与保护安装点的距离大于 时,线路对频率为 高频量的衰减作用将大于边界的衰减作用的结论。证明特高压直流输电系统整流侧和逆变侧关于直流输电线路中点对称,提出利用保护元件区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路双端电压暂态保护原理和动作判据,该原理能实现特高压直流输电线路全线保护。建立云广特高压直流输电系统实际参数仿真模型,对所提出的特高压直流输电线路双端电压暂态保护原理进行仿真验证。     

直流输电线路极波变化率保护的拓展方法研究

针对ABB直流输电线路行波保护耐受过渡电阻能力低,灵敏度不高的问题,该文提出改善上述问题的方法。ABB行波保护中极波变化率可视为二维矢量与相邻极波数据点的内积,该文构造多维矢量或多维矩阵,并拓展每次计算中极波数据点数量,采用矢量和矩阵计算得到极波广义变化率,并将该极波广义变化率作为保护动作的判据。通过PSCAD/EMTDC仿真,验证了所提行波保护改进方法对LCC-HVDC线路和MMC-HVDC线路接地故障的有效性。当接地电阻为100?时,文章方法较原方法灵敏度分别提升约28和19倍。算例表明,所提行波保护改进方法对行波保护区内接地故障具有较高的灵敏度和耐受过渡电阻能力,并且适用于LCC-HVDC输电线路和MMC-HVDC输电线路。     

白鹤滩-江苏特高压混合直流输电线路行波保护适应性分析

为探究现有直流输电线路行波保护对白鹤滩-江苏特高压混合直流输电系统(简称：白江混合系统)的适应性,根据白江混合系统直流线路故障附加网络推导直流线路区内外故障时线路两端故障行波的边界传播特性。分析发现,直流线路正向区外故障后边界传播特性与传统直流系统存在差异。进一步分析行波保护判据的变化情况,表明行波保护判据主要受整流侧反射系数和逆变侧折射系数的影响。将白江混合系统与传统直流输电系统进行对比,发现当直流输电线路正向区外发生短路故障后,白江混合系统电压变化量、电压变化率、极波变化量和极波变化率比传统直流系统变化更大,导致行波保护误动风险增大。最后,基于PSCAD搭建白江混合系统仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性。