一种直流输电线路故障检测方法及系统

1.本发明涉及一种直流输电线路故障检测方法及系统，属于电力系统继电保护领域。


背景技术：

2.随着我国经济的迅速发展，交流输电已经不能满足我国居民的用电需求。由于我国的能源分布与用电负荷需求分布呈逆相，直流输电线路凭借其大容量、输电距离远、电网互联方便等优点，成为了未来我国电力输送发展的主要方向。直流输电线路发生故障后，由于保护误动，会造成直流系统的闭锁，从而导致直流输电系统不必要的停运。此外，直流线路大都布置在偏远山区，自然环境较为恶劣，检修极为不便，因此这就需要对直流输电线路的故障检测系统有较高的要求。因此，提高对直流输电的故障检测能力，有利于提高直流输电系统的稳定性。
3.现有的直流输电保护方法主要是以行波保护、暂态量保护、微分欠压保护、低电压保护、纵联电流差动保护为主。其中，行波保护是直流线路的主保护，其优点是快速、较为准确的确定故障线路；微分欠压保护不仅是直流线路的主保护，也是行波保护的后备保护，其优点是，相比于行波保护，保护速度慢但是灵敏度和可靠性高，但上述两种保护都存在着在高阻故障中保护会误动的技术难题尚未解决。低电压保护是行波保护和微分欠压保护的后备保护，该保护又分为线路低电压保护和极控线电压保护，其优点是行波保护和微分欠压保护未能切除的高阻故障，但是存在着无法辨别出何为区内故障，何为区外的故障的问题。纵联差动保护是直流输电线路的后备保护，其优点是能够可靠的切除高阻故障，但是存在着没有考虑电容电流，从而导致任何电压变化都可能引起保护误动的问题尚未解决。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种直流输电线路检测方法及系统，从而解决上述问题。
5.本发明的技术方案是：一种直流输电线路故障检测方法，首先实时采集直流线路单端电气量数据，再通过一系列的计算后，得出单端电气量的空间模量信号变化量的幂变换在设定时窗内的累积量，并以此构造故障检测信号，再将这些信号与设定的检测阀值进行比较，从而得出的线路故障或者是系统正常运行的结果。
6.具体步骤为：
7.step1：采集直流线路单端电气量数据，得到单端电气量的空间模量信号c
σ
。
8.step2：得到单端电气量的空间模量信号变化量δc的幂变换c
mbh
在设定时窗内n的累积量，并以此构造故障检测信号c
lj
。
9.step3：连续判断至少相邻三次的故障检测信号，判断是否都大于设定的检测阈值，若否，则返回继续采集和计算，若是，则为本线路故障，发出保护启动信号。
10.所述step1具体步骤为：
11.step1.1：实时采集直流线路单端电气量数据，单端是指直流输电线路的任意一端，即线路的第一端或者第二端；实时采集直流线路单端电气量数据是指实时采集直流输电线路正极、负极的电压量、电流量u
+
、u-、i
+
、i-。
12.step1.2：空间的模量信号c
σ
是通过单端电气量数据通过相模变换得到的，如式(1)所示：
[0013][0014]
式(1)中，u1(n)、i1(n)分别表示第n个采样点的电压、电流的数值。
[0015]
step1.3：选取空间模量信号u1、i1作为故障特征值c
σ
，如式(2)所示：
[0016]cσ
(n)＝u1(n)、c
σ
(n)＝i1(n)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]
式(2)中，c
σ
(n)表示第n个空间模量信号量。
[0018]
所述step2具体步骤为：
[0019]
step2.1：计算单端电气量的空间模量信号变化量c
σ
，如式(3)所示：
[0020]
δc(n)＝c
σ
(n+1)-c
σ
(n)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0021]
式(3)中，δc(n)表示第n个采样点的差分计算值，c
σ
(n+1)表示第n+1个空间模量信号量。
[0022]
step2.2：计算单端电气量的空间模量信号变化量的幂变换c
mbh
，如式(4)所示：
[0023]cmbh
(n)＝(δc(n))
α
ꢀꢀꢀ
(4)
[0024]
式(4)中，c
mbh
(n)表示第n个采样点的差分计算值的幂变换值，α为指数运算的数值，其值取决于实际线路情况。
[0025]
step2.3：根据不同的采样周期的以及积分时窗进行乘法计算得到了设定采样次数n，如式(5)所示：
[0026][0027]
式(5)中，f为采样频率，为采样周期，t为积分时窗,n是采样次数；相同积分时间内，采样频率越大，采样次数越多，获得的波形效果越好，在条件允许的情况下，设定的时窗越大，抗干扰性越好。
[0028]
step2.4：在设定的时窗内对空间模量变化量的幂变换进行积分变化而得到累积量，并以此构造故障检测信号，如式(6)所示：
[0029][0030]
式(6)中，c
lj
(k)表示第k个故障检测信号。
[0031]
所述step3具体步骤为：
[0032]
step3.1：在接收到来自数值计算模块发出的检测信号之后，检测系统选取连续的三次检测信号c
lj
(k)、c
lj
(k+1)、c
lj
(k+2)。
[0033]
其中，c
lj
(k)表示第k个检测信号，c
lj
(k+1)表示第k+1个检测信号，c
lj
(k+2)表示第 k+2个检测信号。
[0034]
step3.2：将系统选取的三个检测信号与设定的检测阀值进行比较，看两值相减是否为0，如式(7)所示：
[0035][0036]
式(7)中，c
ed
表示线路额定的检测阈值，其值根据实际线路情况设置。
[0037]
step3.3：若发出的信号为“否”，则返回继续step1继续采集和计算单端电气量，若发出的信号为“是”，则为本线路故障，发出保护启动信号。
[0038]
一种直流线路故障检测系统，包括：
[0039]
数据采集模块，用于实时采集直流线路单端电气量数据，计算单端电气量的空间模量信号，即计算采集到直流线路的正、负极的电压、电流值。
[0040]
数值计算模块，用于计算单端电气量的空间模量信号变化量的幂变换在设定时窗内的累积量，构造故障检测信号。
[0041]
故障检测模块，连续收集相邻三次的故障检测信号，判断是否都大于设定的检测阈值。若否，则返回继续采集和计算，若是，则为本线路故障，发出保护启动信号。
[0042]
数据预处理模块，用于分析并对收集到的直流输电线路的电气量进行处理，减少系统的计算量，节约时间。
[0043]
所述数据采集模块包括：
[0044]
直流线路电流采集单元，用于采集来自直流线路上的电流信号。
[0045]
直流线路电压采集单元，用于采集来自直流线路上的电压信号。
[0046]
信号输出单元，用于将数据采集模块的采集到的数据发给下一模块单元。
[0047]
所述数值计算模块包括：
[0048]
信号接收单元，用于接收来自数据采集模块发出的信号。
[0049]
模量变化计算单元，用于将采集到的直流线路上的数据进行空间模量变换，从而得到零模量和一模量。
[0050]
差分计算单元，用于对模量变换得到的数据进行差分计算。
[0051]
幂变换计算单元，用于将差分计算后的数据进行幂变换。
[0052]
积分计算单元，用于将幂变换的数据进行积分运算。
[0053]
信号输出单元，用于将数值计算模块处理后的数据发给故障检测模块。
[0054]
所述故障检测模块包括：
[0055]
信号接收单元，用于接收来自数值计算模块发出的信号。
[0056]
逻辑比较单元，用于将数值计算模块发来的数据与设定的检测阀值进行比较，进而判断线路是否发生故障，将并把是/否信号传给下一个单元。
[0057]
执行输出单元，用于执行来自逻辑比较单元的信号。若接收到“是”信号，则发出保护信号。若接收到“否”信号，则返回到数据采集模块，继续采集实时信号。
[0058]
本发明公开了一种直流输电线路保护方法及系统，通过设置数据预处理模块以及收集并计算出实时电气变化量，提高了该检测技术的快速性；通过对电压电流的模量的进行差分变化、幂变换以及积分变换，增大了故障量与非故障量之间的差异，从而提高了该检测技术的灵敏性；连续三次将检测信号与保护的阈值进行比较，提高了该检测技术的可靠
性。相比于传统的基于故障暂态量的检测方法，该技术通过相模变换、差分变换、积分变换，放大了暂态故障分量。该技术所提方法快速、可靠检测到线路故障，兼顾灵敏性、可靠性和速动性。
[0059]
本发明的有益效果是：
[0060]
1、本发明使用故障分析分量作为判断依据，与纵联差动保护的发明相比，保护速度更快。
[0061]
2、本发明有数据预处理部分以及在检测部分连续三次进行诊断，提高了该发明的可靠性。
[0062]
3、本发明通过对故障分量进行差分、幂变换以及积分变换，增大了故障量与非故障量之间的差异性，从而提高了该发明的灵敏度。
[0063]
4、本发明相对于现有的保护方法，通过构造差分变化、幂变换和积分变换，大大提高了故障信号的识别程度，从而降低了因弱故障而导致保护拒动的可能性，进而提高了系统的可靠程度。
[0064]
5、本发明相对于现有的保护方法，可灵活配置于各种情景下的直流输电线路，可用于标定不同采样率下的不同类型故障。
附图说明
[0065]
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，下面将对实施例或现有技术描述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，在没有实施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。
[0066]
图1是本发明实施例中直流输电线路故障检测方法流程图；
[0067]
图2是本发明实施例1中步骤s1的具体流程图；
[0068]
图3是本发明实施例1中步骤s2的具体流程图
[0069]
图4是本发明实施例1中步骤s3的具体流程图；
[0070]
图5是本发明实施例1中发生远端高阻单极接地情况下的采样数据图；
[0071]
图6是本发明实施例1中故障检测结果图；
[0072]
图7是本发明实施例2中故障检测结果图。
具体实施方式
[0073]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0074]
本发明的目的是提供一种直流输电线路故障检测方法及系统，是为了解决目前直流线路发生高阻故障、远距离故障时无法快速、可靠。准确的动作问题。本发明先在pscad/emtdc 搭建电压等级为800kv，线路长度为1500km直流输电线路模型，在模型中设置不同的采样频率下的正常运行和非正常运行，非正常运行包括单极故障、高阻故障、远距离故障等多种情况。
[0075]
实施例1：如图1所示，一种直流输电线路故在远距离高阻情况下单极接地故障检测方法，具体步骤为：
[0076]
step1：实时采集直流线路单端电气量数据，得到单端电气量的空间模量信号，如图2所示，具体包括步骤：
[0077]
step1.1：实时采集直流线路单端电气量数据，单端是指直流输电线路的任意一端，即线路的第一端或者第二端。实时采集直流线路单端电气量数据是指实时采集直流输电线路正极、负极的电压量、电流量u
+
、u-；
[0078]
step1.2：将采集到的电压、电流量通过直流线路相模变换计算得到空间模量信号u0、u1、，如公式(1)所示：
[0079][0080]
式(1)中，u0(n)、u1(n)分别表示第n个采样点的零模、一模的电压数值。
[0081]
step1.3：选取空间模量信号u1作为故障特征值c
σ
，如公式(2)所示：
[0082]cσ
(n)＝u1(n)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
式(2)中，c
σ
(n)表示第n个空间模量信号量。
[0084]
step2：得到单端电气量的空间模量信号变化量的幂变换在设定时窗内的累积量，构造故障检测信号，如图3所示，具体包括步骤：
[0085]
step2.1：将得到的空间模量信号c
σ
通过差分变换计算得到空间模量变化量δc，如公式 (3)所示：
[0086]
δc(n)＝c
σ
(n+1)-c
σ
(n)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0087]
式(3)中，δc(n)表示第n个采样点的差分计算值，c
σ
(n+1)表示第n+1个空间模量信号量。
[0088]
step2.2：将得到的空间相量变化量进行指数运算得到的空间模量变化量的幂变换，如公式(4)所示：
[0089]cmbh
(n)＝(δc(n))
α
ꢀꢀꢀ
(4)
[0090]
式(4)中，c
mbh
(n)表示第n个采样点的差分计算值的幂变换值，α为指数运算的数值，取值为3。
[0091]
step2.3：根据不同应用场景而设置不同的采样频率以及积分时窗，将二者进行乘积变化得到设定时窗n，如公式(5)所示：
[0092][0093]
式(5)中，f为采样频率，取值为20khz，为采样周期，取值为5
×
10-5
,t为积分时窗,取值为4ms；n是采样次数。
[0094]
step2.4：在设定的时窗内对空间模量变化量的幂变换进行积分变化而得到累积量，并以此构造故障检测信号，如公式(6)所示：
[0095]
[0096]
式(6)中，c
lj
(k)表示第k个故障检测信号。
[0097]
step3：连续判断至少相邻三次的故障检测信号，判断是否都大于设定的检测阈值，若否，则返回继续采集和计算单端电气量，若是，则为本线路故障，发出保护启动信号。如图4所示，具体步骤包括：
[0098]
step3.1：在接收到来自数值计算模块发出的检测信号之后，检测系统选取相邻的三次检测信号c
lj
(k)、c
lj
(k+1)、c
lj
(k+2)。
[0099]
其中，c
lj
(k)表示第k个检测信号，c
lj
(k+1)表示第k+1个检测信号，c
lj
(k+2)表示第 k+2个检测信号。
[0100]
step3.2：判断系统选取的三个检测信号是否大于设定的检测阈值，并发出“是”“否”信号。
[0101]
将系统选取的三个检测信号与设定的检测阀值进行比较，如公式(7)所示：
[0102][0103]
其中，设定的检测阈值ced是根据实际线路在稳定运行状态下的采集到数据进行整定,取值为0.4021。
[0104]
step3.3：若发出的信号为“否”，则返回继续step1继续采集和计算单端电气量，若发出的信号为“是”，则为本线路故障，发出保护启动信号。
[0105]
直流线路故障检测结果如图5、图6所示，将检测结果的信号发送至发生故障线路上执行输出的支流断路器，切除故障线路。
[0106]
一种直流线路故障检测系统，包括：
[0107]
数据采集模块，用于实时采集直流线路单端电气量数据，计算单端电气量的空间模量信号，即计算采集到直流线路的正、负极的电压、电流值。
[0108]
数值计算模块，用于计算单端电气量的空间模量信号变化量的幂变换在设定时窗内的累积量，构造故障检测信号。
[0109]
故障检测模块，连续收集相邻三次的故障检测信号，判断是否都大于设定的检测阈值，若否，则返回继续采集和计算，若是，则为本线路故障，发出保护启动信号。
[0110]
数据预处理模块，用于分析并对收集到的直流输电线路的电气量进行处理，减少系统的计算量，节约时间。
[0111]
所述数据采集模块包括：
[0112]
直流线路电流采集单元，用于采集来自直流线路上的电流信号。
[0113]
直流线路电压采集单元，用于采集来自直流线路上的电压信号。
[0114]
信号输出单元，用于将数据采集模块的采集到的数据发给下一模块单元。
[0115]
所述数值计算模块包括：
[0116]
信号接收单元，用于接收来自数据采集模块发出的信号。
[0117]
模量变化计算单元，用于将采集到的直流线路上的数据进行空间模量变换，从而得到零模量和一模量。
[0118]
差分计算单元，用于对模量变换得到的数据进行差分计算。
[0119]
幂变换计算单元，用于将差分计算后的数据进行幂变换。
[0120]
积分计算单元，用于将幂变换的数据进行积分运算。
[0121]
信号输出单元，用于将数值计算模块处理后的数据发给故障检测模块。
[0122]
所述故障检测模块包括：
[0123]
信号接收单元，用于接收来自数值计算模块发出的信号。
[0124]
逻辑比较单元，用于将数值计算模块发来的数据与设定的检测阀值进行比较，进而判断线路是否发生故障，将并把是/否信号传给下一个单元。
[0125]
执行输出单元，用于执行来自逻辑比较单元的信号，若接收到“是”信号，则发出保护信号。若接收到“否”信号，则返回到数据采集模块，继续采集实时信号。
[0126]
实施例2：一种直流输电线路在远距离高阻故障下极间短路故障检测方法，具体步骤为：
[0127]
step1：实时采集直流线路单端电气量数据，得到单端电气量的空间模量信号，具体包括步骤：
[0128]
step1.1：实时采集直流线路单端电气量数据，单端是指直流输电线路的任意一端，即线路的第一端或者第二端；实时采集直流线路单端电气量数据是指实时采集直流输电线路正极、负极的电压量、电流量u
+
、u-；
[0129]
step1.2：将采集到的电压、电流量通过直流线路相模变换计算得到空间模量信号u
+
、u-、，如公式(1)所示：
[0130][0131]
式(1)中，u0(n)、u1(n)分别表示第n个采样点的零模、一模电压的数值。
[0132]
step1.3：选取空间模量信号u1作为故障特征值c
σ
，如按公式(2)所示：
[0133]cσ
(n)＝u1(n)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0134]
式(2)中，c
σ
(n)表示第n个空间模量信号量。
[0135]
step2：得到单端电气量的空间模量信号变化量的幂变换在设定时窗内的累积量，构造故障检测信号，具体步骤包括：
[0136]
step2.1：将得到的空间模量信号c
σ
通过差分变换计算得到空间模量变化量δc，如公式 (3)所示：
[0137]
δc(n)＝c
σ
(n+1)-c
σ
(n)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0138]
式(3)中，δc(n)表示第n个采样点的差分计算值，c
σ
(n+1)表示第n+1个空间模量信号量。
[0139]
step2.2：将得到的空间相量变化量进行指数化放大得到的空间模量变化量的幂变换，如公式(4)所示:
[0140]cmbh
(n)＝(δc(n))
α
ꢀꢀꢀ
(4)
[0141]
式(4)中，c
mbh
(n)表示第n个采样点的差分计算值的幂变换值，α为指数运算的数值，取值为2。
[0142]
step2.3：根据不同的采样周期的以及积分时窗进行乘法计算得到了设定采样次数n，如公式(5)所示:
[0143][0144]
式(5)中，f为采样频率，取值为1mhz，为采样周期，取值为10-6
,t为积分时窗, 取值为5ms；n是采样次数。
[0145]
step2.4：在设定的时窗内对空间模量变化量的幂变换进行积分变化而得到的累积量，并以此作为故障检测信号，如公式(6)所示：
[0146][0147]
式(6)中，c
lj
(k)表示第k个故障检测信号。
[0148]
step3：连续判断相邻三次的故障检测信号，判断其是否均大于设定的检测阈值，若否，则返回继续采集和计算，若是，则为本线路故障，发出保护启动信号，具体步骤包括：
[0149]
step3.1：在接收到来自数值计算模块发出的检测信号之后，检测系统选取连续的三次检测信号c
lj
(k)、c
lj
(k+1)、c
lj
(k+2)。
[0150]clj
(k)表示第k个检测信号，c
lj
(k+1)表示第k+1个检测信号，c
lj
(k+2)表示第k+2 个检测信号。
[0151]
step3.2：将系统选取的三个检测信号与设定的检测阀值进行比较，如公式(7)所示：
[0152][0153]
式(7)中，设定的检测阈值ced是根据实际线路在稳定运行状态下的采集到数据进行整定，取值为0.0056。
[0154]
step3.3：直流线路故障检测结果如图7所示，将检测结果的信号发送至发生故障线路上执行输出的支流断路器，切除故障线路。
[0155]
本发明使用故障分析分量作为判断依据，与纵联差动保护的发明相比，该发明的保护速度更快；本发明有数据预处理部分以及在检测部分连续三次进行诊断，提高了该发明的可靠性；本发明通过对故障分量进行差分变化、幂变换以及积分变换，增大了故障量与非故障量的的差异，从而提高了该发明的灵敏度。
[0156]
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。