本發(fā)明涉及高壓直流輸電領(lǐng)域，特別是一種無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法。
背景技術(shù)：
：高壓直流輸電(highvoltagedirectcurrent,HVDC)相較于傳統(tǒng)交流輸電在高電壓、遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，而基于電力電子技術(shù)的柔性直流輸電(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent,VSC-HVDC)以其功率控制靈活、無換相失敗等優(yōu)點(diǎn)在大電網(wǎng)互聯(lián)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功率傳輸方面已取得蓬勃發(fā)展，同時(shí)柔性直流輸電也為隨機(jī)性較強(qiáng)的太陽能、風(fēng)能等發(fā)展迅猛的新能源并網(wǎng)和消納提供了解決方案。然而，直流短路故障的隔離和切除問題仍亟待解決，具備快速開斷短路電流的高壓直流斷路器制約著柔性直流輸電網(wǎng)的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)直流斷路器的研究大多集中在斷路器本身的實(shí)現(xiàn)方案上，而對(duì)于作為直流故障電流開斷重要組成部分的故障檢測(cè)與識(shí)別相關(guān)研究則幾乎沒有。實(shí)際柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)直流斷路器快速性的要求較高，因而直流斷路器還需要與快速的故障檢測(cè)與識(shí)別方案相配合，才能得以充分發(fā)揮其快速性的優(yōu)勢(shì)。在直流故障開斷過程中，快速的故障檢測(cè)與識(shí)別方案通過對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，迅速判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及判別所發(fā)生的故障類型，并將開斷指令傳送給直流斷路器，最后直流斷路器動(dòng)作。因此，故障檢測(cè)與識(shí)別的快速性與準(zhǔn)確性對(duì)直流輸電系統(tǒng)以及直流斷路器本身都有著重要影響，針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)，研究新型的故障檢測(cè)與識(shí)別方法，對(duì)提高直流斷路器開斷能力以及提高系統(tǒng)可靠性具有重要意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法，按照如下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟S1：獲取柔性直流輸電系統(tǒng)故障產(chǎn)生的單端電壓行波信號(hào)，將該單端電壓行波信號(hào)經(jīng)小波多尺度變換，并將經(jīng)變換后獲取的模極大值幅值作為保護(hù)啟動(dòng)判斷依據(jù)；步驟S2：保護(hù)啟動(dòng)后，利用故障后[0,2T]內(nèi)的單端電壓行波的正向行波和反向行波的幅值作為故障方向判斷依據(jù)，其中，T為行波走過一個(gè)完整線路的時(shí)間；步驟S3：獲取柔性直流輸電系統(tǒng)故障產(chǎn)生的單端電流行波信號(hào)，將該單端電流行波信號(hào)經(jīng)小波多尺度變換，并將經(jīng)變換后獲取的模極大值的正負(fù)性作為直流線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判斷依據(jù)；步驟S4：若為區(qū)外故障，則防止直流線路上的高壓直流斷路器誤動(dòng)作；若為區(qū)內(nèi)故障，則計(jì)算單端電壓行波信號(hào)的小波特征熵，并將其與一預(yù)設(shè)不同類型區(qū)內(nèi)故障小波特征熵故障特征識(shí)別表進(jìn)行匹配，從而識(shí)別故障類型。在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S1中，采用小波進(jìn)行多尺度的變換，利用小波變換模極大值構(gòu)造的保護(hù)啟動(dòng)判斷依據(jù)如下：其中，Mi為尺度i下的模極大值。在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S2中，通過單端電壓行波的正向行波和反向行波的幅值構(gòu)造的故障方向判斷依據(jù)如下：其中，|u+|為正向行波幅值，|u-|為反向行波幅值。在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S3中，利用單端電流行波信號(hào)的模極大值的正負(fù)性構(gòu)造的區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判據(jù)如下：式中，Wi為尺度i下的模極大值。在本發(fā)明一實(shí)施例中，在所述步驟S4中，利用小波分析，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行j層小波分解，得到各尺度上的小波分解序列為Sj(i)，其中，i＝1～N/2j，其測(cè)度：其中，SFj(i)是第i個(gè)小波分解序列的FFT譜幅值，N是原始信號(hào)長(zhǎng)度；小波特征熵為：相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供了一種無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法，檢測(cè)與識(shí)別方法采用小波多尺度分析，利用單端電壓行波信號(hào)和單端電流行波信號(hào)共同構(gòu)成保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)、故障方向判據(jù)以及區(qū)內(nèi)區(qū)外判據(jù)，原理簡(jiǎn)單，具有快速性，與采用雙端行波信號(hào)相比，無需依賴通訊，也可避免加設(shè)過多檢測(cè)裝置對(duì)線路造成影響，更適合工程實(shí)現(xiàn)；同時(shí)無需整定及設(shè)置門檻值，避免了傳統(tǒng)方法中依靠工程經(jīng)驗(yàn)人為設(shè)定整定閾值，易導(dǎo)致發(fā)生判定錯(cuò)誤，保護(hù)誤動(dòng)作，從而較其他方法具有更高的可靠性；故障方向及區(qū)內(nèi)、區(qū)外判定完成后，利用小波特征熵作為故障特征進(jìn)行故障類型的識(shí)別判據(jù)，有效防止誤判斷，并提高故障判斷的準(zhǔn)確性。附圖說明圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中柔性直流輸電工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法的流程圖。圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中單端電壓暫態(tài)波形及其6層小波變換的波形圖。圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中正向行波和反向行波波形圖。圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中單端電流行波信號(hào)及其6層小波變換的波形圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。柔性直流輸電系統(tǒng)故障后各暫態(tài)信號(hào)包含故障類型、切除等豐富的信息，其中，突變點(diǎn)通常包含著信號(hào)中最本質(zhì)的信息。小波變換可以表征信號(hào)的奇異性，信號(hào)在不同尺度上的Lipschitz指數(shù)用以表示該信號(hào)的突變特征。數(shù)學(xué)上Lipschitz指數(shù)是對(duì)函數(shù)局部特征的一種度量，其給出了信號(hào)在某一時(shí)刻處可導(dǎo)性的精確信息，Lipschitz指數(shù)越大，信號(hào)越規(guī)則，Lipschitz指數(shù)越小，信號(hào)在該時(shí)刻處越尖銳，信號(hào)的奇異性表征為正的奇異性，噪聲則為負(fù)的奇異性。信號(hào)經(jīng)小波變換的公式記為：其中，f∈L2(R)是能量有限信號(hào)，Ψ(t)為小波基函數(shù)，a是決定頻域的尺度因子，b是決定時(shí)域的平移因子。小波變換的時(shí)頻窗可調(diào)，在高頻處的時(shí)間分辨率高，因而其在突變信號(hào)處理中具有優(yōu)異的性能。采用卷積形式定義小波變換以方便數(shù)學(xué)處理：小波變換中，s很小時(shí)孤立奇異點(diǎn)取得極大值，假設(shè)小波基函數(shù)Ψ(t)為平滑函數(shù)H(t)的一階導(dǎo)數(shù)，記為：那么式(2)整理為：由式(3)可知，對(duì)應(yīng)某一尺度s，Wf(s,t)沿時(shí)間軸的極大值與f*H(s)的奇異點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，若H(s)的等效寬度足夠小，那么Wf(s,t)的模極大值點(diǎn)應(yīng)該出現(xiàn)在f(t)的模極大值點(diǎn)附近，也即信號(hào)在奇異點(diǎn)處必然存在小波變換模極大值，因此可以通過小波變換模極大值確定信號(hào)的奇異點(diǎn)。故障時(shí)刻故障點(diǎn)電壓暫態(tài)分量由于電壓突變產(chǎn)生奇異，Lipschitz指數(shù)在(0,1)之間，且噪聲、擾動(dòng)為負(fù)的奇異性，那么故障時(shí)奇異點(diǎn)處的小波變換模極大值隨著小波變換尺度的增加而增大，而噪聲、擾動(dòng)的小波變換模極大值則迅速衰減間小，因而較大尺度上的小波變換模極大值屬于有效信號(hào)的奇異點(diǎn)。據(jù)此，可將高尺度小波變換模極大值作為故障判斷依據(jù)，即：利用故障下暫態(tài)電壓行波的小波變換模極大值構(gòu)造的直流斷路器保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)如下：其中，Mi為i尺度下的模極大值，較佳的，Mi為較高尺度i下的模極大值。由上式可以看出，與傳統(tǒng)的電壓、電流變化率作為啟動(dòng)判據(jù)相比，該啟動(dòng)判據(jù)不需要設(shè)置門檻值，無需整定，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。進(jìn)一步的，系統(tǒng)判定為故障后，啟動(dòng)故障方向判據(jù)和區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判據(jù)。線路上發(fā)生任意故障時(shí)，相當(dāng)于在故障點(diǎn)附加一個(gè)電壓源，所產(chǎn)生的行波從故障點(diǎn)沿線路兩側(cè)傳播。距離故障點(diǎn)l處，暫態(tài)電壓Δu和暫態(tài)電流Δi分別為：式中：是行波傳播速度，是波阻抗，L是單位長(zhǎng)度線路電感，C是單位長(zhǎng)度電路電容，u+是沿l正方向傳播的正向行波，u_是沿l反方向傳播的反向行波。由式(5)和(6)可得：u+＝(Δu+ZcΔi)/2(7)u_＝(Δu-ZcΔi)/2(8)進(jìn)一步的，由于輸電線路參數(shù)分布均勻僅在故障點(diǎn)和母線處存在不連續(xù)的波阻抗點(diǎn)，行波會(huì)產(chǎn)生折反射。發(fā)生正向故障時(shí)，反向行波必然存在且幅值不小于正向行波，而反向故障時(shí)，不存在反向行波。即存在如下故障方向判據(jù)：若正向行波幅值大于反向行波幅值則判定為正向故障，若正向行波幅值大于反向行波幅值則判定為反向故障，可記為：其中，|u+|為正向行波幅值，|u_|為反向行波幅值。該判據(jù)同樣也不需要設(shè)置整定閾值。進(jìn)一步的，為了防止區(qū)內(nèi)保護(hù)如直流斷路器等誤動(dòng)作，需要進(jìn)行區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障判定。目前，使用比較廣泛的判斷方法是極性比較法，該方法通過將輸電線路兩端產(chǎn)生的電壓或者電流行波的極性作比較，若極性相同，則為區(qū)內(nèi)故障，若相反，則為區(qū)外故障。該方法的準(zhǔn)確性依賴于通信通道，其方向元件也會(huì)受到母線結(jié)構(gòu)的影響，總體來說可靠性不夠高。針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)，采用單端電流行波信號(hào)多尺度變換后的模極大值Wi來判別區(qū)內(nèi)、外故障。正常運(yùn)行時(shí)，其模極大值接近為0。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電流行波信號(hào)會(huì)在故障點(diǎn)處產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象并向線路兩端傳播，模極大值會(huì)出現(xiàn)明顯突變，故障發(fā)生位置不同，模極大值也有著不同的正負(fù)性。若其高尺度小波變化下的模極大值為負(fù)，則為區(qū)外故障；若其模極大值為正，則為區(qū)內(nèi)故障，即：綜合上述保護(hù)啟動(dòng)、故障方向以及區(qū)內(nèi)、外故障三條判據(jù)，均無需傳統(tǒng)故障判定方法諸如電壓和電流的幅值、變化率判據(jù)等所必須的整定相應(yīng)的閾值，大大優(yōu)化了判據(jù)的準(zhǔn)確性，提高了故障判斷的可靠性。采用單端電壓行波信號(hào)和單端電流行波信號(hào)對(duì)故障方向和區(qū)內(nèi)、區(qū)外完成判定后，若為區(qū)內(nèi)故障，則可以繼續(xù)利用行波信號(hào)中所包含的豐富的故障信息與預(yù)先提取的故障特征匹配識(shí)別，對(duì)故障類型、位置進(jìn)行區(qū)分，結(jié)合故障方向信息以使系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)行相應(yīng)的選擇，從而最優(yōu)化動(dòng)作。其中，用于匹配的預(yù)設(shè)不同類型區(qū)內(nèi)故障小波特征熵故障特征識(shí)別表，通過預(yù)先提取的故障特征基于多尺度小波分析，以小波特征熵為故障特征參數(shù)得到。進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，該用于匹配的預(yù)設(shè)不同類型區(qū)內(nèi)故障小波特征熵故障特征識(shí)別表共有：1、正常2、單極接地3、雙極短路三種不同的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)先根據(jù)每種不同運(yùn)行狀態(tài)的仿真，對(duì)所得數(shù)據(jù)根據(jù)公式(10)和公式(11)進(jìn)行小波特征熵的求取得到，H1～H6即為不同尺度的小波特征熵值。不同故障，同一高尺度時(shí)的特征熵值呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，以H6為例，故障越嚴(yán)重(雙極短路)其值越小，正常運(yùn)行時(shí)其值最大，如下表1所示。表中僅列了三個(gè)故障，還可以根據(jù)具體情況擴(kuò)大為諸多不同類型的故障，同樣適用。其原理見公式(11)之后的理論分析。該表為事先計(jì)算好的表，系統(tǒng)運(yùn)行中若出現(xiàn)某種故障，可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)行小波分析，與表中特征熵值進(jìn)行匹配，從而識(shí)別出所發(fā)生的故障類型。在本實(shí)施例中，小波特征熵的定義以及故障特征的求取過程如下：首先假設(shè)待分析的信號(hào)為f(t)，對(duì)其進(jìn)行j層小波分解，得到各尺度上的小波分解序列為Sj(i)，其中i＝1～N/2j，將對(duì)信號(hào)f(t)的多尺度小波分解看作對(duì)信號(hào)的劃分，定義劃分的測(cè)度：式中，SFj(i)是第i個(gè)小波分解序列的FFT譜幅值，N是原始信號(hào)長(zhǎng)度。小波特征熵根據(jù)信息熵的基本理論定義為：其中，小波特征熵反映了原始信號(hào)在經(jīng)小波多尺度分解后在各尺度上的能量分布不確定度。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，信號(hào)表現(xiàn)出較好的脈動(dòng)特性，能量分布相對(duì)均勻，而系統(tǒng)發(fā)生故障后，破壞了能量的均勻分布，小波特征熵隨之減小，根據(jù)故障不同，小波特征熵減小也會(huì)表現(xiàn)出不同的變化特征，因而，可以利用小波特征熵作為故障特征參數(shù)進(jìn)行故障識(shí)別。在本實(shí)施例中，提供一柔性直流輸電工程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，換流站均采用雙極連接方式，兩側(cè)換流站之間由兩回直流輸電線和一回金屬回流線形成回路，金屬回線在一個(gè)換流站接地。換流站額定電壓為±320KV，額定輸電容量為1000MW，送端換流站1采用定功率控制，受端換流站2采用定電流控制。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建如圖1所示的雙極柔性直流輸電系統(tǒng)模型。無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法的流程如圖2所示，在直流輸電線L1靠近換流站1側(cè)設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣頻率為100kHz。仿真直流輸電線L1中點(diǎn)處發(fā)生接地故障，故障時(shí)單端電壓暫態(tài)波形及其6層小波變換圖如圖3所示。由圖3可以看出，前3層的小波變換受到噪聲較大程度的干擾，隨著尺度的增加，噪聲迅速減弱，后3層幾乎不受噪聲干擾，故障時(shí)電壓行波小波變換高尺度下的模極大值分別為：|W4|＝0.4；|W5|＝0.45；|W6|＝1.1。此時(shí)，即隨著小波變換尺度增加，在同一奇異點(diǎn)處的小波變換模極大值增大，判定系統(tǒng)發(fā)生故障而非噪聲影響，系統(tǒng)保護(hù)啟動(dòng)。根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)，正向行波和反向行波波形如圖4所示，從圖中可以看出，|u+|≤|u_|，故障方向判定為正方向，即直流輸電線L1中點(diǎn)處發(fā)生接地對(duì)于直流輸電線L1來說是正方向故障。單端電流行波信號(hào)及其6層小波變換的波形圖如圖5所示，顯然W6＝2.2＞0，故障判定為區(qū)內(nèi)故障。為了判斷故障類型，對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行、單極接地以及雙極短路等工況和典型位置故障情況進(jìn)行仿真，因該柔性直流輸電系統(tǒng)換流站之間電氣距離較近，取線路中點(diǎn)處為典型故障位置，通過對(duì)各工況下單端電壓行波信號(hào)進(jìn)行多尺度的小波分解并按式(10)和式(11)計(jì)算小波特征熵，提取故障特征，最終得到故障特征識(shí)別表，如下表1所示。表1故障特征識(shí)別表小波特征熵H1H2H3H4H5H6正常9.3995×10-50.00370.03040.23360.32580.3662單極接地7.712×10-83.7×10-60.00780.34910.28480.3104雙極短路4.994×10-64.3494×10-50.00050.02290.11090.0359從表1可以看出，在較高尺度的小波特征熵H5和H6的值隨著故障嚴(yán)重程度的不同均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明將單端電壓行波信號(hào)多尺度小波分解后的高尺度的小波特征熵值可以作為區(qū)分系統(tǒng)故障類型的判斷指標(biāo)是可行的。將采集的故障行波信號(hào)與一預(yù)設(shè)特征識(shí)別表匹配查詢后，結(jié)合故障方向信息，使保護(hù)最優(yōu)化動(dòng)作。在實(shí)施例中，通過在某雙極柔性直流輸電工程的仿真模型中施加單極接地故障進(jìn)行仿真，并采用無需整定閾值的柔性直流輸電架空線路故障快速判斷方法對(duì)所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，結(jié)果表明該方法有效易行，能顯著縮短檢測(cè)延時(shí)，同時(shí)提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可以滿足實(shí)際柔性直流輸電工程中對(duì)故障檢測(cè)與識(shí)別快速性的要求。以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3