薛士敏,李翔宇,陳文杰,張君婷,張皓明,陰文湘

(天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院,天津市 300072)

0 引 言

基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流輸電技術(shù)在電能質(zhì)量、功率控制、供電可靠性等方面具有明顯優(yōu)勢,成為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,同時也為高電壓等級、大容量的柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ),具有廣泛的應(yīng)用前景[1-8]。然而,如果直流線路發(fā)生故障,由于柔性直流輸電系統(tǒng)的弱阻尼、低慣性的特性,故障電流上升速度快,幅值大,所以通常要求保護在極短時間內(nèi)識別故障,以免引起不必要的停運及擴大停電范圍[9-10]。因此,研究能夠快速識別故障的線路保護對于柔性直流系統(tǒng)來說十分必要。

柔性直流系統(tǒng)線路保護可分為單端量保護和雙端量保護。單端量保護依據(jù)選取的故障信息類型,可分為頻域單端量保護和時域單端量保護。頻域單端量保護通過提取電氣量的頻域特征進(jìn)行故障識別,一般存在原理復(fù)雜、計算量大、保護整定值難以選擇等問題[11-14]。時域單端量保護具有方法簡單、動作速度快的優(yōu)點,可滿足柔性直流系統(tǒng)對保護速動性的嚴(yán)苛要求[15],具有較好的應(yīng)用前景。

時域單端量保護主要通過檢測電壓、電流突變量等數(shù)值特征或故障行波的波形特征來構(gòu)成故障識別判據(jù)[16-23],現(xiàn)有直流工程以行波保護和微分欠壓保護作為主保護,存在耐過渡電阻能力較差的問題,無法滿足柔性直流系統(tǒng)對保護靈敏性的要求[24-25]。針對直流線路行波保護靈敏性較差的問題,文獻(xiàn)[20-23]分別提取表征故障首行波波頭陡度的波形特征,由于過渡電阻對波形的變化影響較小,所以具有較好的耐受過渡電阻能力,但雷擊干擾下,可能發(fā)生誤動。文獻(xiàn)[26]利用故障電壓幅值判據(jù)與極值時間判據(jù)相配合構(gòu)造行波保護方法,但整定值裕度較低,部分故障情況下可能誤動。文獻(xiàn)[27]構(gòu)造了不同采樣周期下的時域暫態(tài)電壓比判據(jù),文獻(xiàn)[28]基于電壓反射行波二階差分構(gòu)造保護方案,兩者都削弱了高阻對保護的影響,但時間窗均超過了3 ms[29]。文獻(xiàn)[30]綜合低壓判據(jù)、電壓變化率判據(jù)和方向性過流判據(jù)識別故障,但仍然存在耐過渡電阻能力差的問題。文獻(xiàn)[31]提出一種基于電流量的幅值及變化率的保護原理,可靠性好,但耐受過渡電阻的能力較差,且不能實現(xiàn)故障的選極。總之,單端量保護的綜合性能還尚未完全達(dá)到柔性直流系統(tǒng)的要求。

相較于單端量保護,雙端量保護具有可靠性高、耐過渡電阻能力較強等優(yōu)點[32-38],但受限于通信傳輸速率與通信距離,只能在有限的傳輸距離內(nèi)滿足速動性要求,所以通常作為后備保護使用。其中,方向縱聯(lián)保護僅需傳遞具有方向標(biāo)識的邏輯量,通信壓力較小且通信方式相對靈活[24]。

針對傳統(tǒng)單端量保護在柔性直流系統(tǒng)中的不足,本文提出一種基于修正電壓的新型暫態(tài)量保護原理。首先分析故障后柔性直流系統(tǒng)的暫態(tài)過程,通過解析區(qū)內(nèi)、外故障下直流線路的暫態(tài)特征,提出一種電壓修正算法,基于修正電壓的積聚量有效區(qū)分了區(qū)內(nèi)與正向區(qū)外故障,并利用新的方向元件構(gòu)成縱聯(lián)方向后備保護,解決了單端量保護在高阻故障下靈敏度較低的問題。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建四端柔性直流系統(tǒng)模型并仿真驗證所提保護方案的性能。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為四端柔性直流系統(tǒng)示意圖,其中,MMC子模塊采用半橋子模塊,直流線路的接線方式為對稱雙極結(jié)構(gòu)。圖中:L12—L43表示各線路的限流電抗器,P12—P43表示各線路兩端的繼電保護裝置,Pm為母線側(cè)的保護裝置,f1—f10表示不同的故障位置,其中,f1、f2、f3分別位于直流輸電線路首端、中點、末端,f8、f9、f10分別位于輸電線路距離P143 km、30 km、150 km處,f4、f5分別位于MMC4側(cè)、MMC1側(cè)母線處,f6、f7分別位于Line34、Line12中點。

圖1 四端柔性直流輸電系統(tǒng)

2 故障行波特征分析

由于柔性直流線路中極分量存在耦合,故常采用解耦后的模量進(jìn)行暫態(tài)分析,且與0模波相比,1模行波色散程度小,穩(wěn)定程度更高,因此本文采用1模行波作為分析對象。常用的解耦公式為:

(1)

式中:Fp、Fn分別是正負(fù)極電氣量;F1、F0分別表示1模分量、0模分量。

2.1 區(qū)內(nèi)故障分析

線路Line41區(qū)內(nèi)發(fā)生正極接地故障時,根據(jù)疊加定理,故障后的網(wǎng)絡(luò)可視為正常網(wǎng)絡(luò)與故障分量網(wǎng)絡(luò)的疊加。因為系統(tǒng)的故障特性主要由行波故障分量決定,而故障行波只存在于故障分量網(wǎng)絡(luò)中,所以僅對故障分量網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,如圖2所示,圖中Cm、Lm為MMC等效電容和電感,在未經(jīng)特殊說明的情況下該圖及后續(xù)提到的所有電壓和電流均默認(rèn)為故障分量。ΔUdc為故障前線路對地電壓,于是故障點1模初始行波表達(dá)式如式(2)所示[39]。

(2)

圖2 區(qū)內(nèi)故障故障分量網(wǎng)絡(luò)等值電路

式中:ZC1、ZC0表示故障線路特征阻抗的1、0模分量;Rg為故障點的過渡電阻。

初始行波抵達(dá)MMC時將發(fā)生折反射,以P14為例,在背側(cè)線路反射波回到MMC1前,初始行波在P14處的1模彼得遜法等效電路,如圖3所示。圖中所有阻抗和暫態(tài)量均為其1模分量,其中,Δu′f為初始行波抵達(dá)MMC1邊界的入射波,其滿足Δu′f=AlΔUf,Al、ΔUf、i14、i12、im、Z41、Z12和L41、L12分別表示線路的衰減系數(shù)、故障點處的暫態(tài)激勵、P14處測量的故障電流、折射到線路Line12和MMC1上的電流、線路Line41和Line12的特征阻抗和限流電感。

圖3 區(qū)內(nèi)故障時初始行波的1模彼得遜等值電路

根據(jù)圖3列寫復(fù)頻域方程組為:

(3)

式中:ΔU′f、I14、I12、Im分別為圖3中Δu′f、i14、i12、im的復(fù)頻域表達(dá)形式;Z∑m=sLm+1/(sCm)。

得到復(fù)頻域的通解為:

(4)

進(jìn)一步求得各電壓的1模分量為:

(5)

解得P14處電壓和電流的1模分量為:

(6)

式中:Z∑1=sL12+Z12;Z∑4=sL41+Z41。

2.2 正向區(qū)外故障分析

當(dāng)圖1中MMC4母線f4處發(fā)生經(jīng)過渡電阻Rg的正極接地故障時,初始行波在P14的1模彼得遜等效電路圖如圖4所示。

圖4 區(qū)外故障時初始行波的1模彼得遜等值電路

Δu′f的復(fù)頻域形式如式(7)所示[40]:

(7)

式中:A41(s)為線路對初始行波的衰減系數(shù)。

線路Line41發(fā)生正向區(qū)外和區(qū)內(nèi)短路故障時,P14處的1模彼得遜等值電路基本相同,只有入射波ΔU′f不同,故將式(7)中的入射波ΔU′f代入到式(6)中,即可得到正向區(qū)外故障下的電壓u14和電流i14的復(fù)頻域表達(dá)式。在上述各表達(dá)式中代入相關(guān)參數(shù),再利用拉普拉斯反變換,即可得到時域表達(dá)式。

圖5為區(qū)內(nèi)末端f3處和MMC4母線f4處分別發(fā)生正極接地短路故障時,P14處故障電壓、電流1模分量的理論計算波形、仿真波形。可見故障初期,仿真波形與理論計算波形變化趨勢基本保持一致。由圖5可知,由于區(qū)外故障時線路兩側(cè)邊界電感對電壓行波產(chǎn)生明顯的阻礙作用,極大限制了電壓的峰值,同時也減少了電壓的變化率,所以區(qū)內(nèi)故障下的電壓幅值和變化率明顯大于區(qū)外故障下的;而在故障初期的1.2 ms內(nèi),區(qū)內(nèi)、外故障下的電流幅值和變化率相差不大[10]?？傊?在故障發(fā)生后的短時間內(nèi),邊界電感對故障電壓影響程度相比于對故障電流的影響程度更大,因此利用電壓信號可以更加靈敏地反映故障特征。對圖5中的電壓、電流1模分量的變化量進(jìn)行積分,在1.2 ms內(nèi),區(qū)內(nèi)故障的電壓變化量積分值比區(qū)外故障下的多87.03%;區(qū)內(nèi)故障的電流變化量積分值比區(qū)外故障下的多42.73%。該結(jié)果與上述理論分析基本一致,進(jìn)一步證實了在邊界電抗器裝在線路兩側(cè)的柔性直流系統(tǒng)中,更適合利用電壓判別區(qū)內(nèi)、外故障。

圖5 區(qū)內(nèi)、外故障下電壓、電流的波形圖

3 故障識別方法及判據(jù)

3.1 電壓修正算法

圖6為區(qū)內(nèi)末端f3處和MMC4母線f4處分別發(fā)生正極接地短路故障時,P14處故障電壓1模分量的仿真波形。其中,a為初始行波抵達(dá)P14處電壓開始變化的起點,b、b′和c、c′點分別為區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障下的電壓的第一個極值點和二次行波返回導(dǎo)致電壓再次突變的起點。分析可得,區(qū)內(nèi)故障時,電壓在a—b段急劇下降,并在t1時刻降到極值點;區(qū)外故障時,由于邊界電抗器的阻礙作用,電壓在a—b′段的下降較慢,在t2時刻達(dá)到極值點。初始行波運動到MMC1后對限流電抗器和換流器充電,所以從極值點到t3這段時間內(nèi)電壓呈對數(shù)規(guī)律回升[9],且區(qū)內(nèi)故障的電壓變化率大于區(qū)外故障。所以在故障初期的t1—t3內(nèi),較難從電壓幅值的角度區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障,而t3后反射波的到來使得區(qū)內(nèi)、外故障下的故障電壓變化趨勢發(fā)生改變,更難從電壓幅值的角度進(jìn)行區(qū)分,其實質(zhì)是由于電壓增減變化的雙重性和時間上的不確定性造成的。因此,如果假設(shè)電壓只朝一個方向變化,就可以增大區(qū)內(nèi)、外故障下的電壓差異,從而使故障識別和定位變得更容易。

圖6 區(qū)內(nèi)、外故障時電壓故障分量的仿真波形圖

為實現(xiàn)上述假設(shè)(本方案假設(shè)電壓只朝負(fù)方向變化),對采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,當(dāng)電壓變化率為負(fù)時,電壓遵從原變化趨勢,不進(jìn)行修正;當(dāng)電壓變化率為正時,先將電壓變化量取反,然后加在前一時刻電壓值上,從而得到當(dāng)前時刻的修正電壓值。具體的處理算法如式(8)所示。

(8)

式中:Δu(i)=u(i+1)-u(i);u(i)為采集的原始電壓數(shù)據(jù);uxz(i)為修正電壓。

圖7為區(qū)內(nèi)末端f3處和MMC4出口f4處發(fā)生故障時P14處的修正電壓波形圖。圖8為Line41上的不同位置發(fā)生正極接地故障的修正電壓波形圖。區(qū)內(nèi)其他位置與MMC4母線f4處的故障的修正電壓具有更大的差距。修正電壓綜合利用了故障后的電壓幅值和電壓變化率特征,使得區(qū)內(nèi)、外故障間的差異更明顯,因此,利用修正電壓的幅值可以更靈敏準(zhǔn)確地區(qū)分故障。

圖7 區(qū)內(nèi)、外故障時修正電壓的波形對比圖

圖8 區(qū)內(nèi)不同故障位置與區(qū)外修正電壓波形圖

3.2 啟動判據(jù)及故障選極判據(jù)

正常運行時,直流電壓基本不變;故障后,電壓波動劇烈。所以,可以以電壓幅值和電壓變化率的組合判據(jù)作為保護的啟動判據(jù),如式(9)所示,判據(jù)經(jīng)或門輸出,既保證可靠啟動,又避免頻繁的故障檢測。

(9)

式中:up、un分別表示正、負(fù)極電壓故障分量;K1set與K2set為整定閾值。選取K1set=500 kV/ms,K2set=30 kV。當(dāng)連續(xù)三個采樣點均滿足啟動判據(jù),保護才啟動。

本保護采用正、負(fù)極故障電壓累加值之比來實現(xiàn)故障選極,定義比例系數(shù)K3如下:

(10)

式中:K3set為大于1的常數(shù),按照躲過區(qū)內(nèi)末端發(fā)生接地故障時的K3最小值進(jìn)行整定,并留有一定的裕度,最終根據(jù)仿真取得較為可靠的大小,選取K3set=2。

3.3 故障識別判據(jù)

由3.1節(jié)的分析可知,利用修正電壓可以較靈敏地對故障進(jìn)行區(qū)分,且通過積分可以進(jìn)一步擴大故障間的特征差距,有利于準(zhǔn)確識別故障。定義故障識別判據(jù),如式(11)所示。

(11)

式中:W1是數(shù)據(jù)窗長T內(nèi)修正電壓uxz絕對值的累加和;N1為T內(nèi)的采樣點數(shù)。為防止保護誤動,本判據(jù)連續(xù)動作5次,保護才動作。當(dāng)W1大于等于整定閾值W1set,表明發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

在線路上發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,初始行波穿過MMC邊界,進(jìn)入背側(cè)線路的折射波經(jīng)過背側(cè)線路另一側(cè)的MMC反射回到保護安裝處后,在一定程度上削弱了修正電壓的故障特征。為了保證保護的高靈敏度,判據(jù)的數(shù)據(jù)窗應(yīng)躲過初始行波在本側(cè)線路對端產(chǎn)生的反射波或在背側(cè)線路產(chǎn)生反射波到達(dá)保護安裝處的最短時間,因此數(shù)據(jù)窗口T應(yīng)滿足以下條件:

T≤min{2l/v,2lijxl/v}

(12)

式中:l為故障線路長度;lijxl為保護Pij相鄰線路的長度;v為線模波速度,一般取2.95×108m/s。以Line41為例進(jìn)行說明,在綜合考慮保護的可靠性和速動性的前提下,最終選取數(shù)據(jù)窗長T=0.5 ms。

3.4 方向判據(jù)

為了防止基于電壓的單端量保護出現(xiàn)在反向區(qū)外的近端發(fā)生故障時可能會誤動的情況,提出一種新的方向元件,以準(zhǔn)確識別反向區(qū)外故障。圖9為線路Line41中點f2處發(fā)生金屬性短路故障時,保護P14、保護P12、母線保護Pm處的1模故障電壓u14、u12、um的故障初期理論波形。在行波到達(dá)MMC1邊界后,由于限流電抗器L14的分壓,保護P14處的電壓u14的幅值大于母線側(cè)電壓um的幅值;而當(dāng)折射波進(jìn)入相鄰線路Line12后,限流電抗器L12將吸收部分能量,大大降低了P12處的電壓u12的幅值和陡度,于是數(shù)毫秒內(nèi)非故障線路Line12上P12處的電壓幅值小于母線處um的電壓幅值。

圖9 Line41上f2處故障u14、um及u12的計算波形圖

圖10為線路Line41的中點發(fā)生正極接地故障保護P12、P14及母線保護Pm安裝處的故障電壓和修正電壓波形對比圖。

圖10 Line41上f2處故障P12、P14及Pm處的故障電壓、修正電壓波形圖

由圖10可知,該故障對于P14是正向故障,線路側(cè)修正電壓uxz14大于母線側(cè)修正電壓uxzm;該故障對于P12是反向故障,母線側(cè)修正電壓uxzm大于線路側(cè)修正電壓uxz12。根據(jù)正、反向故障下方向特征這一質(zhì)的差別,定義一種新的方向元件:

(13)

式中:uxzx(i)、uxzm(i)分別為限流電抗器的線路側(cè)、母線側(cè)修正電壓;K4>1為正向故障,K4<1為反向故障。

故障選擇判據(jù)的整定閾值要盡可能躲開區(qū)外故障,由于方向元件的作用,保護只需準(zhǔn)確區(qū)分區(qū)內(nèi)與正向區(qū)外故障即可。因此大大降低了單端量保護的整定難度,并相對提高了故障識別元件的靈敏度。

3.5 雷擊閉鎖判據(jù)

雷擊輸電線路的概率比較高,為避免保護在雷擊干擾下誤動,必須設(shè)計雷擊閉鎖判據(jù)。自然界中的雷電流多為負(fù)極性脈沖波,利用如式(14)所示的1.2/50 μs負(fù)極性雙指數(shù)雷電流模型模擬雷電干擾[41]。其標(biāo)準(zhǔn)雷電波一般如圖11所示,其中,T1=1.2 μs為(視在)波前時間,T2=50 μs為(視在)半峰值時間。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)雷電流的波形圖

i(t)=ΛI(xiàn)0(e-αt-e-βt)

(14)

式中:I0為雷電流幅值;Λ、α與β為雷電流波的形狀參數(shù)。

雷擊干擾下,電壓故障分量迅速衰減,通常在極短時間內(nèi)(100 μs)就已經(jīng)衰減得很小,所以在較長時間窗長T3內(nèi)電壓故障分量的平均值很小(此窗長仍取0.5 ms);而短路下故障電壓的波動較大,衰減較慢,所以在T3內(nèi)的平均值較大。據(jù)此,在一定時窗內(nèi),定義故障電壓1模分量的衰減系數(shù)K5,如式(15)所示。

(15)

式中:u1(i)為保護安裝處故障電壓1模分量;N2為防雷判據(jù)時間窗長T3內(nèi)的采樣點數(shù)。

設(shè)計雷擊閉鎖判據(jù)為:

(16)

式中:K5set為雷擊閉鎖判據(jù)的整定閾值,應(yīng)躲過常見雷擊干擾下的最小K5,通過大量仿真,最終選取K5set=0.55。當(dāng)K5大于等于整定閾值時,表明發(fā)生雷擊干擾,閉鎖保護。

3.6 后備保護原理

利用3.4節(jié)的方向元件提出一種縱聯(lián)方向后備保護,以可靠識別區(qū)內(nèi)高阻故障。由前文可知,當(dāng)K4大于1時,表明正方向發(fā)生故障,定義方向信息H為:

(17)

式中:W′1set為后備保護的整定閾值,應(yīng)躲過正常運行情況下線路上可能出現(xiàn)的最大W1,通過大量仿真并留有一定的裕度,最終選擇W′1set=2 000 kV。

假設(shè)線路兩端的測量點分別為m和k,下式為后備保護的故障選擇判據(jù)。

(18)

式中:Hm、Hk分別表示m、k點的方向信息。

考慮到通信需要時間,且故障位置的變化會影響故障行波傳播到線路兩端的時間,所以后備保護的動作時限tact為:

tact=lc/vs+ll/vw+tDW+tx

(19)

式中:lc、ll分別為通信信道長度和傳輸線路長度;vw、vs分別為1模行波和信號的傳播速度;tDW、tx分別為保護所需數(shù)據(jù)窗和光電轉(zhuǎn)換、測量延時等所需時間總和。

以最長線路l23(211.3 km)為例計算后備保護動作時間,假設(shè)通信信道長度為1.5倍線路長度,tx設(shè)為0.1 ms,vw取295 km/ms,vs取200 km/ms[42],故障行波傳到對端用時約0.72 ms,信號傳輸用時約1.58 ms,tDW為0.5 ms,共用時2.9 ms,仍小于3 ms。

3.7 保護流程

根據(jù)3.2—3.6節(jié)的分析,可繪制保護流程圖,如圖12所示。保護啟動后,利用濾波算法處理故障信號,并進(jìn)行極模變換。然后,判斷是否發(fā)生雷擊,若未發(fā)生雷擊,則根據(jù)式(13)判斷故障可能發(fā)生的方向,若判定為正方向故障,接著利用式(11)計算故障識別判據(jù),若判定為區(qū)內(nèi)故障,則利用式(10)進(jìn)行故障選極;否則,認(rèn)定為區(qū)外故障,主保護不動作,并等待后備保護的判別結(jié)果,若判斷故障發(fā)生于區(qū)內(nèi)時,接著進(jìn)行故障選極。最后,根據(jù)選極判據(jù)結(jié)果選擇正確的故障極,實現(xiàn)保護正確出口,切除故障。

圖12 保護流程圖

4 仿真驗證

為驗證本文所提出新型保護原理的可行性,在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建四端雙極對稱柔性直流系統(tǒng)模型,其系統(tǒng)拓?fù)浼熬€路長度如圖1所示,表1為直流系統(tǒng)的主要參數(shù),其中換流器的子模塊拓?fù)錇榘霕蚴浇Y(jié)構(gòu)。以線路Line41上的保護P14為例,研究不同位置發(fā)生故障時本保護原理的動作性能,故障位置如圖1所示。本方案的采樣頻率為100 kHz,本方案W1set應(yīng)躲過正向區(qū)外故障時的最大W1max,通過仿真得到正向區(qū)外短路故障時出現(xiàn)的W1max=0.965×104kV,并保留一定的裕度,最終設(shè)置整定閾值W1set=1.150×104kV。

表1 各MMC的主要參數(shù)

4.1 區(qū)內(nèi)故障驗證

表2為在線路Line41的不同位置發(fā)生經(jīng)不同過渡電阻的正極接地短路故障的仿真結(jié)果,故障時刻均為0.8 s。由表2可得,區(qū)內(nèi)金屬性短路故障時的W1均遠(yuǎn)大于W1set,說明了本保護可以正確識別區(qū)內(nèi)故障。區(qū)內(nèi)故障時,主保護判據(jù)在距MMC1 3 km以上的線路能夠耐受300 Ω的過渡電阻。方向元件在不同位置發(fā)生經(jīng)600 Ω過渡電阻正極接地短路故障時均能正確動作,因此基于其構(gòu)成的后備保護可以準(zhǔn)確地識別區(qū)內(nèi)故障。

表2 區(qū)內(nèi)不同故障位置下各保護判據(jù)的動作結(jié)果

短路故障發(fā)生在保護安裝處的近端時,行波的折反射幾乎不發(fā)生在故障點與線路邊界之間,導(dǎo)致保護安裝處的電壓變化率偏低,進(jìn)而大大降低了主保護判據(jù)的靈敏度,主保護甚至存在拒動的情況,在高阻接地故障的場景下主保護拒動的情況尤為嚴(yán)重。雖然主保護在近端高阻故障下拒動,但后備保護不受故障位置和過渡電阻的影響,均能正確動作,所以在雙重保護的共同作用下,本方案仍能準(zhǔn)確、可靠地識別故障。

表3為在直流輸電線路Line41的不同位置發(fā)生正極、負(fù)極和極間故障的選極判據(jù)的動作結(jié)果。從表中可以看出:正極故障時,K3遠(yuǎn)大于2;負(fù)極故障時,K3遠(yuǎn)小于0.5;極間短路故障時,K3接近于1,證明了本方案選極判據(jù)的正確性。

表3 不同故障類型下選極判據(jù)的動作結(jié)果

4.2 區(qū)外故障驗證

表4為不同位置的區(qū)外金屬性短路故障下各保護判據(jù)的動作結(jié)果。由表可得,反向區(qū)外故障時,K4<1,保護元件不動作;正向區(qū)外故障時,K4>1,但W1小于整定閾值,判別為正向區(qū)外故障,保護元件不動作,本方案可以準(zhǔn)確區(qū)分區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。

表4 不同區(qū)外故障下各保護判據(jù)的動作結(jié)果

4.3 雷擊干擾驗證

表5為在線路Line41上不同位置施加雷擊干擾與短路故障時保護P14閉鎖情況。

表5 雷擊干擾與短路故障下防雷判據(jù)的判別結(jié)果

表6為在線路Line41中點施加雷電流為10 kA的不同雷電波的雷擊干擾下的雷擊判據(jù)的結(jié)果。由表5、表6可得,故障時,K5均小于0.55;而雷擊干擾時,K5均大于0.55,故本文所提雷擊閉鎖判據(jù)能夠準(zhǔn)確識別雷擊干擾和短路,本保護方案不會因雷擊干擾而誤動作。

表6 不同雷擊電流波形下的防雷判據(jù)的判別結(jié)果

4.4 噪聲干擾驗證

小波濾波等算法具有較高的精度,能較好地剔除干擾信號。利用濾波算法對故障信號進(jìn)行濾波,得到純粹的故障波形再進(jìn)行故障識別,可以減小噪聲干擾對本保護方案的影響。本方案采用小波算法進(jìn)行濾波,圖13為電壓信號濾波前后的對比圖。由圖可得,濾波后的電壓波形與原始波形高度一致,大大降低了噪聲干擾引起保護誤動的可能性。

圖13 電壓信號濾波前后的效果對比圖

表7為將信噪比為20 dB的高斯白噪聲添加在不同位置短路故障下的電壓信號中,經(jīng)小波濾波算法濾波后,本保護方案各種判據(jù)的動作結(jié)果。由表可知,在較大的噪聲干擾下,本方案仍能正確識別故障,具有較好的魯棒性。

表7 噪聲干擾下保護判據(jù)的動作結(jié)果

5 結(jié) 論

本文分析了區(qū)內(nèi)末端與正向區(qū)外故障的特征差異,設(shè)計了電壓修正算法,提出了一種基于修正電壓的新型暫態(tài)量保護原理作為主保護,并基于線路兩端的方向信息形成后備保護,形成了一套完整的主、后備保護方案。本保護方案具有一定的抗干擾能力和耐受過渡電阻的能力,且不依賴于成本較高且誤差較大的行波波頭捕捉。此外,由于本方案僅對電壓信號進(jìn)行簡單運算,計算量小,因此大大降低了對數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理的硬件要求,符合工程實際應(yīng)用的要求。