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HVDC输电线路区内外故障快速识别是实现故障保护的前提,以电压变化率du/dt为核心判据的直流线路行波保护受过渡电阻影响较大,往往不能有效判别区内高阻接地故障与区外故障[1-2]。文献[3]提出采用理论计算电压和实测电压的相关性来区分输电线路区内外故障,该方法可以实现输电线路区内外故障的快速诊断,但所需时间相对较长。由于区内外故障空间位置不同,因此信号传至保护安装处所经历的元件不同。在平波电抗器、直流滤波器等元件的作用下,直流电流信号中不同的频率成份的衰减程度差别较大。文献[4-5]对直流电流的暂态特性进行了研究,分别提出了多分辨奇异谱熵和支持向量机以及多重分形谱方法来判别区内外故障。上述方法可以准确实现区内外故障的判别,但相对复杂。本文在上述研究的基础上,采用频带能量比法实现区内外故障的快速判别。该方法采用总体经验模态分解法(EEMD)对HVDC系统故障时的直流电流信号进行分解,将信号分解为几个固有模态分量(IMF)之和,计算各模态能量,通过对比分析,找出特征区别,考虑一定的裕度,定义能量比判据指标,实现区内外故障快速识别。该方法仅需要直流电流信号,计算方法简单,能够满足选择性和快速性等要求。通过在PSCAD平台下对大量的故障进行模拟仿真,验证了该方法的可行性和鲁棒性。
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以四机两区域交直流并联系统为仿真算例,系统结构如图 11所示。
区域1和区域2各有两个等值电势源,稳态运行时,交流线路单回传输功率${P_{{\rm{ac}}1}} = {P_{{\rm{ac}}2}} = 103\;{\rm{MW}}$,直流传输有功功率为 ${P_{{\rm{dcref}}}} = 198\;{\rm{MW}}$ ,负荷 ${P_{{\rm{L}}1}} = 302\;{\rm{MW}}$ ,负荷 ${P_{{\rm{L}}2}} = 556\;{\rm{MW}}$ 。控制方式为整流侧定电流控制,逆变侧定电压控制。
为验证本文方法的有效性,分别对系统正常运行和多种故障类型情况进行仿真分析。正常运行情况下,分别对系统结构、电源数量对结果的影响进行仿真分析。故障情况下,分别对故障位置、故障过渡电阻和量测噪声对结果的影响进行仿真分析。
仿真分析1,正常运行情况仿真,仿真结果如表 1所示。
电网结构 系统容量 k0 Ns1 Nv1 0.80 Nv2 0.70 Ns2 Nv1 0.83 Nv2 0.54 1) 系统结构描述,图 11所示电网结构(Ns1),切除一条交流输电线路(Ns1);
2) 电源数量,4个电势源运行(Nv1),两个电势源运行(Nv2)。
仿真分析2,过渡电阻对算法的影响仿真,仿真结果如表 2所示。
故障位置 过渡电阻 k0 k1 k2 Dp1 r1 0.002 2 0.257 4 0.288 6 r2 0.001 5 0.158 5 0.331 0 Dp2 r1 0.005 4 0.604 0 r2 0.001 6 0.654 8 Dp3 r1 0.002 9 0.521 8 r2 0.000 3 0.525 7 Dp4 r1 0.001 7 0.701 5 r2 0.004 0 0.382 2 Dp5 r1 0.000 9 0.070 4 0.826 9 r2 0.001 6 0.230 5 0.479 5 1) 故障位置位于对侧区外(Dp1),对侧区内(Dp2),中间位置(Dp3),本侧区内(Dp4),本侧区外(Dp5);
2) 故障过渡电阻设定为两种类型,金属性接地故障,电阻0.005 Ω(r1),高阻接地故障,过渡电阻50 Ω(r2)。
仿真分析3,量测噪声对算法的影响仿真。
为进一步验证算法的鲁棒性,本文在理想测量信号基础上分别叠加信噪比30 dB(SNR1)和60 dB(SNR2)的随机噪声,形成含量测噪声的电气量信号。根据上述算法,得到仿真结果如表 3所示。
故障位置 信噪比 k0 k1 k2 Dp1 SNR1 0.004 7 0.269 0 0.298 3 SNR2 0.005 9 0.178 8 0.320 8 Dp2 SNR1 0.002 4 0.672 1 SNR2 0.002 1 0.603 9 Dp3 SNR1 0.007 4 0.547 6 SNR2 0.001 5 0.507 5 Dp4 SNR1 0.003 6 0.681 2 SNR2 0.004 0 0.393 1 Dp5 SNR1 0.004 2 0.069 5 0.762 3 SNR2 0.003 0 0.263 5 0.576 1 由表 1~表 3的仿真结果得出,本文算法受过渡电阻和量测噪声的影响较小,从而证明该算法能够满足选择性的要求,且鲁棒性较好。