一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法和装置

技术领域

本申请涉及电力系统保护领域，具体涉及一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法和装置。

背景技术

随着风电、光伏等新能源占比日益提高，电网规模持续扩大，我国新型电力系统安全面临严峻挑战。预计2025年，我国电源总装机达到29.5亿千瓦，其中风、光装机分别达到5.4亿、5.6亿千瓦；2030年电源总装机38亿千瓦，其中风、光装机分别为8亿、10.25亿千瓦。到2050年总装机75亿千万，风光发电装机成为电源装机增量主体，风电、太阳能装机占比超过75％，发电量超过65％。2060年总装机80亿千瓦，风电、太阳能发电装机占比近80％，发电量超过70％。高占比新能源成为新型电力系统的一个重要特性。

新能源电源故障暂态过程与新能源换流器控制策略及其参数密切相关，短路电流幅值受限、相角受控、频率偏移，且非特征谐波含量显著增大。同时新能源机组类型的不同，控制和故障穿越策略不同以及新能源机组在电网中的不同接入位置，更加重了故障特征中相角受控的特性。这会导致传统以工频量为基础的继电保护可靠性与灵敏性受到一定威胁，使得传统差动保护存在性能下降，甚至保护拒动的风险，严重影响新能源电力系统的安全运行。

目前针对现有的对于新能源场站送出线路保护的保护原理，根据利用故障信息的不同，可分为全时域信息保护和频域信息保护。

全时域信息量保护通过利用余弦相似度、斯皮尔曼以及皮尔逊相关系数等方式来表征新能源场站和电网之间的电流暂态波形的差异。然而，该类方法完全依赖线路两侧的电压和电流。当新能源场站出力较小或新能源并入弱电网时，此时电流幅值整体较小，导致保护存在动作性能下降，甚至出现拒动的风险。

关于频域信息的保护，传统利用工频量信息保护需要提取故障后电流采样值中的工频量信息，形成保护判据。但此类方法由于利用的线路故障信息均以工频量为主，易受到新能源场站短路电流幅值受限、相角受控、频率偏移等特性的影响，导致保护性能下降。暂态高频量信息保护通过利用故障后故障电压和电流在频域的分布情况来实现区内外故障的区分，但目前仅有针对个别场景及距离保护使用高频信息，对新能源场站送出线路保护不具有普适性，且距离保护通常无法实现全线速动，还需要针对主保护进行强化。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法，所述方法，包括：

构建新能源并网送出线路区内外故障后的等值电路，根据所述等值电路，确定区内外故障后差动电流的成分差异；

将所述差动电流进行频域分解，获得区内外故障后差动电流的能量分布特征；

根据所述区内外故障后差动电流的能量分布特征，构建纵联保护判据；

通过比较所述纵联保护判据的实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据所述故障类型启用相应的保护措施。

进一步的，根据所述等值电路，确定区内外故障后差动电流的成分差异，包括：

根据所述等值电路，区内故障时，线路两端的电容电流满足：

上式中：i

线路两端的短路电流为：

i

上式中：故障点故障电流为i

区外故障时，线路两端的电容电流满足：

线路两端的短路电流为：

根据区外故障时线路两端的电容电流，以及所述短路电流，可得区外故障时每相线路两端差动电流为：

进一步的，将所述差动电流进行频域分解，获得区内外故障后差动电流的能量分布特征，包括：

将所述差动电流进行频域分解，获得分布式电容暂态电流的频率，

上式中，θ

通过上式获得线路分布式电容暂态电流的最低频率集，对所述最低频率集进行分析，确定分布式电容暂态电流的最低频率集属于差动电流中的高频段能量特征。

进一步的，在根据所述区内外故障后差动电流的能量分布特征，构建纵联保护判据的步骤之前，还包括；

采用电流变化量启动元件，根据故障后电流变化量构成启动判据，具体启动判据为，

ΔI

上式中，

进一步的，根据所述区内外故障后差动电流的能量分布特征，构建纵联保护判据，包括：

定义时域信号的平方对时间的积分为电流信号的能量，如下，

E＝∫i

将差流信号的低频能量与高频能量的比值作为保护判据，

上式中，E

进一步的，通过比较所述纵联保护判据的实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据所述故障类型启用相应的保护措施，包括：

当保护启动后，每套保护装置分相进行故障判断，提取故障时刻后的差动电流数据，并根据所述纵联保护判据进行计算；

若计算结果的差动电流低频段能量比高频段能量大于定值，则判断为区内故障，此时保护出口；反之则判断为区外故障，此时保护复归。

本申请同时提供一种采用能量分布的高压输电线路的保护装置，包括：

差动电流确定单元，用于构建新能源并网送出线路区内外故障后的等值电路，根据所述等值电路，确定区内外故障后差动电流的成分差异；

能量分布特征获得单元，用于将所述差动电流进行频域分解，获得区内外故障后差动电流的能量分布特征；

纵联保护判据构建单元，用于根据所述区内外故障后差动电流的能量分布特征，构建纵联保护判据；

故障类型识别单元，用于通过比较所述纵联保护判据的实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据所述故障类型启用相应的保护措施。

通过本申请提供的一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法和装置，通过理论分析与仿真验证证实了区内外故障时差动电流能量分布存在明显差异，最终提出了一种基于差动电流能量分布的纵联保护新判据，解决新能源大规模并网送出系统中现有差动保护存在性能下降，甚至保护拒动的风险，严重影响新能源电力系统的安全运行的问题。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法流程示意图；

图2是本申请实施例涉及的区内外故障线路等值电路图；

图3是本申请实施例涉及的风机并入交流系统示意图；

图4是本申请实施例涉及的保护流程图；

图5是本申请实施例涉及的区内不同类型故障保护动作情况；

图6是本申请实施例涉及的区外F2不同类型故障保护动作情况；

图7是本申请实施例涉及的耐受过渡电阻保护动作情况；

图8是本申请实施例涉及的系统下所提保护与传统保护对比图；

图9是本申请实施例涉及的一种采用能量分布的高压输电线路的保护结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，图1为本发明的方法流程图，本发明提供一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S101，构建新能源并网送出线路区内外故障后的等值电路，根据所述等值电路，确定区内外故障后差动电流的成分差异。

新能源场站送出线路故障分为区内故障和区外故障，以单相线路为例进行分析，区内故障时线路的等值电路如图2所示，区内故障时，线路两端的电容电流满足：

式中：i

i

式中：故障点的故障电流为i

可以得到区内故障时，故障相线路的差动电流主要包含两部分：一是由电源和换流器产生的故障电流i

区外故障时，线路两端的电容电流满足：

两端系统提供的短路电流为：

i

联立式(4)、(5)可得区外故障时的线路差动电流满足：

通过对比式(6)和式(3)，得知新能源场站送出线路区内、区外故障时，故障相差动电流的主要成分存在明显区别，在区外故障时，由于故障相电流为穿越性，其线路差动电流只包含分布式电容电流；区内故障时，线路差动电流还包含线路短路电流。

步骤S102，将所述差动电流进行频域分解，获得区内外故障后差动电流的能量分布特征。将差动电流进行频域分解，获得高频分布式电容暂态电流的频率，确定区内外故障后差动电流的能量分布特征。在故障时刻，线路两端电压变化使得线路分布式电容充放电，分布式电容充放电引起了高频分布式电容暂态电流的产生，高频分布式电容暂态电流的频率可表示：

式中，θ

通过上式获得线路分布式电容暂态电流的最低频率集，对所述最低频率集进行分析，明确了差动电流中存在分布式电容暂态电流的最低频率集，即确定分布式电容暂态电流的最低频率集属于差动电流中的高频段能量特征。

以线路长度为60km为例，由式(7)可以得到线路分布式电容暂态电流的最低频率集中在1.2kHz以上的频段。对于新能源场站送出线路，由于其区外故障时故障相差动电流仅含分布式电容暂态电流，而区内故障时故障相差动电流含故障电流及分布式电容电流，而分布式电容电流分布在1.2kHz以上频段，因此在区内外故障时故障相差动电流的低频段(1.2kHz以下)含量存在差异，而高频段(1.2kHz以上)成分基本一致。通过观察差动电流高低频段电流的分布情况，可以判别处区内、外故障。

步骤S103，根据所述区内外故障后差动电流的能量分布特征，构建纵联保护判据。

利用区内外故障时差动电流低频段能量与高频段能量比值不同，构建纵联保护新判据。首先采用采用电流变化量启动元件，根据故障后电流变化量构成启动判据，具体启动判据为，

ΔI

式(8)中

当启动判据满足，保护启动并展宽7秒。

然后，定义时域信号的平方对时间的积分为该信号的能量，如下式(9)所示

E＝∫i

本方法通过差流信号的低频能量与高频能量的比值作为保护判据：

式中：E

当信号的低频能量比高频能量大于整定值时，可判定为区内故障；否则判定为区外故障。

考虑所提保护具有速动性的同时兼顾可靠性，同时具有一定抗干扰能力，因此数据窗长设为故障后一个固定时间a毫秒，a可以根据保护动作的需求及实际装置的采样频率进行选取。另外，频段的提取可通过小波变换重构的方法进行计算，或直接利用低/高同滤波器进行提取。

步骤S104，通过比较所述纵联保护判据的实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据所述故障类型启用相应的保护措施。

通过比较判据实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据故障类型启用相应的保护措施。具体流程为：当保护启动后，每套保护装置分相进行故障判断，提取故障时刻后a毫秒的差动电流数据，并根据所提保护判据进行计算。如果满足公式(10)的保护判据，即差动电流低频段能量比高频段能量大于定值，则保护判别为区内故障，此时保护出口；反之则判断为区外故障，即保护复归。

值得注意的是，若单相满足判据，则判定相别为故障相，继电保护装置发出故障相跳闸命令，非故障相仍继续运行。若两相或三相满足判据，则判定相别为故障相，继电保护装置发出三相全部跳闸命令。

具体应用的最佳实施例如下：

在PSCAD/EMTDC中建立图3所示的额定电压220kV的直驱风机并入交流系统仿真模型。其中，采样频率为5kHz，系统容量为200MVA。

为验证所提保护的性能，需要对不同故障场景进行测试。将故障位置设在如图3所示的区内F1、F3、F4，区外F2处，故障类型分别为A相接地、BC两相短路、BC两相短路接地、ABC三相短路。

在该模型中，负荷电流I

图5(a)、(b)、(c)给出了在区内F1、F3、F4处故障后保护动作情况，图6给出了在区外F2处故障后保护动作情况。采取在保护元件启动后2ms开始计算。

由图5，图6可以看出，所提出的保护原理在不同场景下(不同故障类型、不同故障位置)均具有良好的动作性能：区内故障时，故障相的EL/EH值在15ms之内均大于保护判据整定值，保护可靠动作；区外故障时，故障相与非故障相均未越过定值，保护可靠不动作，验证了所提保护的有效性。

为验证所提保护对过渡电阻的适应性，以F1处发生区内故障为例，分别对过渡电阻25Ω、50Ω、75Ω、100Ω的A相接地故障及BC相间故障进行分析。图7(a)、(b)分别给出了经过渡电阻时单相接地故障及两相相间故障下，所提保护的动作情况。

从图7可以看出，随着过渡电阻的增加，保护速动性及灵敏性没有明显变化，该保护仍能快速可靠动作。由于所提区内故障判据是基于区内外故障时差动电流能量分布不同的机理，而当存在过渡电阻情况时仅会影响电流的幅值大小，不会影响差动电流中的能量分布情况，即不会影响比值的大小，因此所提保护具有一定的耐受过渡电阻能力。

为了测试所提保护的优越性，考虑极端情况下短路容量比为1:1.3(风机侧:系统侧)，即将新能源并入一个弱系统，从而与传统差动保护进行动作性能对比。当送出线路发生BC两相相间故障时，传统差动保护故障相C出现了拒动(比率制动系数为0.8)，如图8所示，而所提保护仍可正确动作。主要由于所提保护原理是利用区内外故障时差动电流能量分布频段不同，其不受短路电流幅值相角变化的影响，不受线路两端电源特性影响。该结果验证了所提保护的优越性。

基于同一发明构思，本申请同时提供一种采用能量分布的高压输电线路的保护装置900，如图9所示，包括：

差动电流确定单元910，用于构建新能源并网送出线路区内外故障后的等值电路，根据所述等值电路，确定区内外故障后差动电流的成分差异；

能量分布特征获得单元920，用于将所述差动电流进行频域分解，获得区内外故障后差动电流的能量分布特征；

纵联保护判据构建单元930，用于根据所述区内外故障后差动电流的能量分布特征，构建纵联保护判据；

故障类型识别单元940，用于通过比较所述纵联保护判据的实际运算值与整定值之间的大小关系来识别故障类型，进而根据所述故障类型启用相应的保护措施。

本发明提供一种采用能量分布的高压输电线路的保护方法和装置，通过理论分析与仿真验证证实了区内外故障时差动电流能量分布存在明显差异，最终提出了一种基于差动电流能量分布的纵联保护新判据。所提保护判据具有如下特点：

1)速动性强，保护的出口时间在15ms以内；

2)可靠性强，保护利用区内外故障后差动电流的能量分布不同构成保护，不受电源特性的影响，且在大于30dB的噪声下均可正确动作；与传统差动保护相比，在新能源接入弱电网下仍然可靠动作。

3)过渡电阻耐受能力强，在高阻故障下，各电压等级相电流为1000A的过渡电阻下保护仍可正确动作。

解决新能源大规模并网送出系统中现有差动保护存在性能下降，甚至保护拒动的风险，严重影响新能源电力系统的安全运行的问题。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。