基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法

技术领域

本发明涉及高比例新能源交流线路故障识别领域，特别是涉及一种基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法。

背景技术

21世纪以来，全球变暖及能源短缺问题日益凸显，逐渐成为全人类需共同应对的重大而迫切的全球性挑战，新一轮能源变革也在全世界能源领域悄然兴起。加速发展以风电、光伏为典型代表的新能源电源，促进能源生产的绿色转型，是缓解气候变化与资源匮乏问题的关键所在，更是全球实现可持续发展的必由之路。

以风电、光伏为代表的新能源通过电力电子接口并网，相较于传统以同步发电机为主力电源的电力系统来说，其在发电原理、控制方式、并网设备和外部特性等方面均有较大区别，使新能源的故障特征异于传统同步发电机，具有幅值受限、相角受控等特性，进一步导致传统基于工频量的保护方案面临拒动、误动的风险，致使常规保护的灵敏性、快速性、选择性和可靠性受到全面挑战，严重影响故障的准确识别与快速隔离。

针对上述问题，现有研究主要从工频量和暂态量两方面入手构建新型保护方案。工频量方面，主要是在现有工频量保护方案的基础上，考虑新能源的故障特性，提出相应的改进方案；暂态量方面，通过充分挖掘故障暂态中包含的时域、频域暂态信息，提出不受新能源控制策略影响的保护新原理。行波保护作为暂态量保护的一种，具有高速动作性能，能够在控制系统介入前完成故障识别，可有效应用于新能源电力系统。

现有技术，如中国专利，申请号：201010149567.7，公开号：CN101923139A，公开了一种输电线路单端行波故障测距的智能方法，将输电线路故障行波前三个波头的极性和时差作为样本属性，采用BP神经网络实现故障测距。输电线路故障，当最短健全线路的长度大于故障线路全长的四分之一且次短健全线路长度大于故障线路全长的二分之一时，保护安装处检测到的前3个波头一定含有至少2个来自故障线路的行波；当上述条件不满足时,用方向行波识别行波是否来自故障线路。选取后2个波头与首波头的时间差，以及其波头极性作为样本属性，训练、测试故障测距神经网络，实现故障距离初测。以此为基础，应用故障距离与波速、传输时间的关系正确辨识第二个行波波头性质，继而求得精确的故障距离；申请号：201110175930.7，公开号：CN102253315A，公开了一种基于单端测距的故障定位方法。当输电线路出现短路时，用输电线路行波故障测距装置测量输电线路本端母线的工频电气量，通过阻抗法确定故障点范围，估算过渡电阻值；然后通过小波变换分析暂态电压/电流行波，判断故障为普通短路故障，则采用结合线路长度的单端行波法直接计算故障点位置；为特殊短路故障，则采用阻抗法与行波法结合的输电线路单端故障测距法计算故障点位置；申请号：201110398088.3，公开号：CN102520315A，公开了一种基于行波多尺度信息的输电线路故障单端定位方法，根据不同的故障类型选择不同的相作为基准相，对输电线路故障电流行波信号进行相模变换，得到用于故障定位的故障电流行波模信号；对模信号进行连续小波变换，提取各小波变换系数上第1、2个行波波头的模极大值及其对应时刻，并根据小波变换模极大值判断故障发生的区段、确定定位用的第1、2个行波波头的频率分量，得到两个不同频率分量的行波模波速度、波头到达时刻；最后结合两个行波的模波速度和到达时刻，综合计算输电线路的故障距离。该方法利用行波的多尺度信息准确地确定行波波头的频率分量、模波速度和到达时刻，从而能够准确地计算出输电线路的故障距离。申请号：202111391311.1，公开号：CN114113890A，公开了一种基于行波模量传输时差的多端融合配电网故障定位方法，通过对故障行波的线模和零模分量进行分析，通过小波变换标定零模和线模分量到达时刻获得时间差，利用深度学习拟合零模波速度与故障距离的关系曲线，确定零模行波速度，通过模量传输时间差测距原理得到故障距离。

申请号：201810545632.4，公开号：CN108767819A，公开了一种考虑行波波速特性的输电线路行波保护方法，该方法在线路发生故障后，在电网中各个母线节点处采集暂态电流行波信号，计算得到各母线节点处零模行波和线模行波的首波波头到达的模量时间差；将模量时间差最小的母线节点作为关键母线节点；根据关键母线节点确认故障区域，计算故障区域中每条线路的平均模量穿越时间差，将平均模量穿越时间差最小的线路确认为故障线路，并对故障线路执行线路保护动作。申请号：202210596379.1，公开号：CN114937978A，公开了一种基于前四个电压行波极性差异高比例新能源线路保护方法，该方法首先推导了波阻抗不连续点的折反射系数的表达式并得到了其取值范围，然后根据不同位置发生故障时行波的折反射过程推导出保护安装处线模电压行波的表达式，利用折反射系数的取值范围可以得出不同位置故障时前四个电压行波的极性特征，并得出结论：区外故障时前四个电压行波极性相同，区内故障时，前四个电压行波极性不同，并以此为依据进行故障识别。

然而，上述现有技术大多根据行波波头的相关特性进行故障测距，不能准确地区分区内外故障，且现有的基于零模线模时间差的单端量行波保护在区内末端故障存在死区。同时，上述现有技术没有考虑近端故障和末端故障时，采样率对行波波头捕捉情况的影响，容错能力低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有单端量保护在区内末端故障存在死区的问题，同时，考虑到采样率对近端故障和末端故障时行波波头准确捕获的影响，提供了一种新能源送出线路保护方法，其技术方案如下：

基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法，其特征为：首先推导波阻抗不连续点电压行波折反射系数的表达式及取值范围；其次，根据电压行波折反射过程推导出首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置的关系；然后，考虑采样率对首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置关系的影响；最后，依照判据：首个反极性波到达前存在两个及以上同极性波时，为区内前50％故障或区外前50％故障；存在一个同极性波时，为区内后50％故障或区外后50％故障，并进一步利用零模与线模到达保护安装处的时间差进行区内外故障判别。

优选为：所述基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法包括如下步骤：

步骤(1)：推导故障点及母线处折反射系数的表达式；

步骤(2)：根据电压行波的折反射过程，推导出保护安装处检测到首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置的关系；

步骤(3)：针对近端故障和末端故障，考虑在采样率的影响下可能存在行波波头难以准确捕获情况，分析其对首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置关系的影响；

步骤(4)：根据首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量判别线路故障区段；

步骤(5)：根据零模线模到达保护安装处的时间差判别区内外故障。

本发明还公开一种新能源交流送出线路的保护系统，包括新能源交流送出线路的保护模块，其特征为：所述新能源交流送出线路的保护模块中设置上述的基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法。

本发明还公开一种新能源场站，包括保护系统，其特征为：所述保护系统为上述的新能源交流送出线路的保护系统。

有益效果

本发明基于电压行波极性和数量差异构造单端量保护方法，解决了现有基于零模线模时间差的单端量保护在区内末端故障存在死区的问题；同时，该方法在近端故障和末端故障时，考虑了采样率对保护方法的影响，分析得出存在行波未能准确捕获的情况下该保护方法仍能正确动作，具有一定的容错能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为母线M、N处电压行波线模故障分量的彼得逊等效电路图；

图2为母线P、O处电压行波线模故障分量的彼得逊等效电路图；

图3为故障点处电压行波线模故障分量的彼得逊等效电路图；

图4为区内(0,1/2)处发生故障时线模行波的折反射过程图；

图5为区内(1/2,1)处发生故障时线模行波的折反射过程图；

图6为区外(0,1/2)处发生故障时线模行波的折反射过程图；

图7为区外(1/2,1)处发生故障时线模行波的折反射过程图；

图8为区内(0,1/3)处发生故障时线模行波的折反射过程图；

图9为区内(2/3,1)处发生故障时线模行波的折反射过程图；

其中：图4-图9中，到达线路MN保护安装处R

图10为本发明基于电压行波极性和数量差异的新能源线路保护电路示意图，为典型的新能源交流输电系统拓扑结构。P、M、N、O分别表示各端母线；假设各母线上存在n条出线，且n≥2；线路MN、线路LM和线路NO的长度分别为200km、100km和60km；R1、R2、R3分别为线路MN、线路PM和线路NO配置的保护，本文的研究对象为线路MN上配置的保护R

图11(a)、(b)分别为线路MN上距保护R140km处发生单相接地故障时，保护R1处检测到的反向线模电压行波和其小波变换模极大值。

图12(a)、(b)分别为线路MN上距保护R1170km处发生单相接地故障时，保护R1处检测到的反向线模电压行波和其小波变换模极大值。

图13(a)、(b)分别为线路MN上距保护R140km处发生单相接地故障时，保护R1处检测到的反向线模及零模电压行波和其小波变换模极大值。

图14(a)、(b)分别为线路NO上距保护R1215km处发生单相接地故障时，保护R1处检测到的反向线模及零模电压行波和其小波变换模极大值。

图15为本发明基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的具体的结构和方法实施方式做出详细说明。以下公开详细的示范实施例仅仅是出于描述示范实施例的目的，然而，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而能够覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法，其特征为：首先推导波阻抗不连续点电压行波折反射系数的表达式及取值范围；其次，根据电压行波折反射过程推导出首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置的关系；然后，考虑采样率对首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置关系的影响；最后，依照判据：首个反极性波到达前存在两个及以上同极性波时，为区内前50％故障或区外前50％故障；存在一个同极性波时，为区内后50％故障或区外后50％故障，并进一步利用零模与线模到达保护安装处的时间差进行区内外故障判别。

下面我们进一步阐述本发明新能源送出线路保护方法：

基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法，包括以下步骤:

步骤(1)：推导故障点及各母线处折反射系数的表达式

线路发生故障时，相当于在故障点叠加了一个故障附加电压源，该电压源与故障前的电压幅值相等、极性相反，从故障附加电压源发出的行波向线路两端传输，在母线与故障点等波阻抗不连续点将会发生折反射。根据图1所示的行波在母线M、N处的彼得逊等效电路可知，母线处的折射系数和反射系数的表达式及其取值范围为：

式中：

根据图2所示的行波在母线P、O处的彼得逊等效电路可知，母线处的折射系数和反射系数的表达式及其取值范围为：

式中：

通过图3所示的线模行波在故障点处的彼得逊等效电路可知，接地故障时，故障点的折射系数与反射系数的表示式及其取值范围为

式中：Z

由步骤(1)中母线处和故障点处电压行波折射系数和反射系数的表达式取值范围可知，母线处和故障点处行波的反射系数小于0、折射系数大于0。

步骤(2)：根据电压行波的折反射过程，推导出保护安装处检测到首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置的关系：

本发明研究对象为新能源交流线路，三相线路之间存在电磁耦合，可采用凯伦贝尔变换进行解耦，其变换矩阵为

通过上述凯伦贝尔变换公式，可将三相耦合的相分量变换成模分量，实现解耦。模分量包括零模分量和线模分量，线模分量又包括α模分量和β模分量。

为得到行波波头的极性，可采用小波变换模极大值提取行波波头的极性。

不同位置发生故障时，行波的传播路径将有较大差别，到达保护安装处的行波的幅值、极性、能量、时间差等都不同，因此在分析前四个线模电压行波的表达式及其极性时，将按照不同故障位置进行分类叙述。

本发明研究新能源交流线路，其中P、M、N、O分别表示各端母线，f表示故障点，本发明研究对象为线路MN。根据保护安装处检测到的第二个行波与故障点初始行波的极性关系，将故障区段分为(0,1/2)和(1/2,1)两部分分别进行讨论。

(1)区内(0,1/2)区段发生故障时，保护安装处检测到的第二个行波为故障点反射波，其与初始行波同极性，如图4所示。图4中，保护安装处检测到的第三个行波为对端母线反射波，其与初始行波反极性。因此，(0,1/2)区段发生故障时，保护安装处检测到首个反极性波到达前存在两个同极性波。

(2)区内(1/2,1)区段发生故障时，保护安装处检测到的第二个行波为对端母线反射波，其与初始行波反极性，如图5所示。因此，(0,1/2)区段发生故障时，保护安装处检测到首个反极性波到达前存在1个同极性波。

(3)区外(0,1/2)区段发生故障时，保护安装处检测到的第二个行波为故障点反射波，其与初始行波同极性，如图6所示。图6中，保护安装处检测到的第三个行波为下级故障线路对端母线反射波，其与初始行波反极性。因此，(0,1/2)区段发生故障时，保护安装处检测到首个反极性波到达前存在两个同极性波。

(4)区外(1/2,1)区段发生故障时，保护安装处检测到的第二个行波为下级故障线路对端母线反射波，其与初始行波反极性，如图7所示。因此，(0,1/2)区段发生故障时，保护安装处检测到首个反极性波到达前存在1个同极性波。

步骤(3)：针对近端故障和末端故障，考虑在采样率的影响下可能存在行波波头难以准确捕获情况，分析其对首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置关系的影响：

近端故障和末端故障时，由于采样率的影响，可能存在行波波头难以准确捕获的情况，考虑相对理想的情况，认为近端和末端故障时有一个行波未能准确捕获。故障位置不同，导致行波的折反射过程不同，进一步使行波的捕获情况不同，以区内近端故障和末端故障为例，分析近端(0,1/3)区段故障和末端(2/3,1)区段故障时行波的捕获情况。

(1)区内(0,1/3)区段故障时，行波的传播过程如图8所示。前三个行波均是来自于故障点，且与初始行波同极性。若不存在漏波的情况，则首个反极性波到达前存在三个同极性波；若考虑存在一个漏波，则有三种情况，分别为：第一个行波、第二个行波准确捕获，第三个行波未准确捕获；第一个行波、第三个行波准确捕获，第二个行波未准确捕获；第二个行波、第三个行波准确捕获，第一个行波未准确捕获。因此，首个反极性波到达前可捕获两个同极性波。

根据(1)中的分析和行波的传播过程可知，近端故障时，故障点越靠近保护安装处，初始行波将在故障点与母线处发生多次折反射，其在首个反极性波到达前检测到同极性波的数量越多。在不考虑漏波的情况下，可检测到三个及以上同极性波；考虑存在一个漏波时，可检测到两个及以上同极性波。

(2)区内(2/3,1)区段故障时，行波的传播过程如图9所示。第一个行波可以准确捕获，第二个行波和第三个行波可能出现漏波的情况。考虑存在一个漏波，则有两种情况，分别为：第一个行波、第二个行波准确捕获，第三个行波未准确捕获；第一个行波、第三个行波准确捕获，第二个行波未准确捕获。因此，首个反极性波到达前可捕获一个同极性波。

根据(2)中的分析和行波的传播过程可知，末端故障时，故障点越靠近保护安装处，其在首个反极性波到达前检测到同极性波的数量不变，始终为一个同极性波。

同理，区外(0,1/3)区段和(2/3,1)区段故障并考虑存在漏波的情况与区内分析一致，即区外(0,1/3)区段故障，首个反极性波到达前可捕获两个及以上同极性波；区外(2/3,1)区段故障，首个反极性波到达前可捕获一个同极性波。

综上，由步骤(2)中(1)—(4)和步骤(3)中(1)—(2)的分析可知，区内前50％故障或区外前50％故障时，首个反极性波到达保护安装处前存在两个及以上同极性波；区内后50％故障或区外后50％故障时，首个反极性波到达保护安装处前存在一个同极性波。

步骤(4)：根据首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量判别线路故障区段

根据步骤(3)中首个反极性波到达保护安装处前同极性波的捕获情况以及数量差异可知，区内前50％故障或区外前50％故障时，首个反极性波到达保护安装处前存在两个及以上同极性波；区内后50％故障或区外后50％故障时，首个反极性波到达保护安装处前存在一个同极性波。因此，可根据首个反极性波到达保护安装处前捕获到的同极性波的数量差异来判别故障区段。

步骤(5)：根据零模线模到达保护安装处的时间差判别区内外故障

根据步骤(4)中分析可知，可根据首个反极性波到达保护安装处前捕获到的同极性波的数量差异来判别故障区段，但判别不出区内外故障。现有基于零模线模时间差的单端量保护方案可有效识别区内外故障，但近端故障和末端故障存在死区，主要是因为近端故障时，初始行波可能未准确捕获；末端故障时，由于欠范围整定，导致其与下级线路首端故障无法区分。

针对上述问题，首先利用步骤(4)中的故障区段判据判别前50％故障和后50％故障。若为前50％故障，则可能是区内前50％故障或区外前50％故障，因此进一步利用零模线模时间差判据判别区内外故障；若为后50％故障，则可能是区内后50％故障或区外后50％故障，因此进一步利用零模线模时间差判据判别区内外故障。

在图10典型的新能源交流输电系统拓扑结构中，以线路MN上配置的保护R

图12为线路MN上距保护R

图13为线路MN上距保护R

本发明提供了一种基于电压行波波头极性和数量差异的新能源线路保护方法，该方法根据电压行波折反射过程推导出首个反极性电压行波到达前同极性电压行波的数量与故障位置的关系。在此基础上，考虑采样率导致近端或末端故障存在行波难以准确捕获的情况，可得出：首个反极性波到达前存在两个及以上同极性波时，为区内前50％故障或区外前50％故障；存在一个同极性波时，为区内后50％故障或区外后50％故障。最后，利用零模与线模到达保护安装处的时间差进行区内外故障判别。本方法基于电压行波极性和数量差异构造单端量保护方法，解决了现有基于零模线模时间差的单端量保护在区内末端故障存在死区的问题，并考虑了采样率对所提保护方法的影响。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。