基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法

劉世巖 馮旭陽 崔童飛 李 澤 王心蕊

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院)

0 引言

特高壓直流電網(wǎng)已經(jīng)被廣泛的應用, 但是其經(jīng)常發(fā)生故障問題, 所以需要對其進行控制保護。但目前的特高壓直流控制保護方法通常只能進行大致的特高壓直流控制保護, 既耗費了資源又沒有良好的控制保護效果。而傳統(tǒng)的特高壓直流控制保護方法針對特高壓直流控制保護, 不能對其具有良好的控制保護效果?；赑WM 的特高壓直流控制保護方法對特高壓直流控制保護采用了故障定位, 但是并沒有提高控制保護的效果。為了可以有效提高對特高壓直流控制保護的效果, 提出了基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法。

1 確定行波時頻原始特征

特高壓直流輸電線路在故障時會因為電線的正負極之間的耦合發(fā)生故障, 在發(fā)生故障之前需要先確定行波時頻的原始特征, 用來分辨其是否為故障狀態(tài)。根據(jù)特高壓直流初始狀態(tài)來計算線模電壓初始的行波幅值[1], 再對線模電壓的單、雙極接地初始的行波幅值進行計算, 測量線模電壓的反行波進行對行波時頻原始電壓幅值的計算, 公式如下所示:

式中,U1為線模電壓的反行波值,U1(x) 為在x處的線模電壓的反行波值,e-γ1x為電壓的傳輸函數(shù),Uc為行波時頻原始電壓幅值,γ1為電壓的線模傳播系數(shù),r為線路單位長度的電阻,l線路單位長度的電感,g為線路單位長度的電導,c為線路單位長度的電容, 其中線路單位長度的四個數(shù)值都與頻率有關。

2 提取特高壓直流故障特征

通過上述的行波時頻的原始特征來提取特高壓直流故障特征。先采集電壓離散信號, 根據(jù)局部時頻分析方法對電壓電線進行離散信號的采集, 對采集到的離散信號進行變換, 得到一個離散信號矩陣, 其中矩陣的行為頻率序號[2], 矩陣的列為離散時間點, 根據(jù)矩陣中的各個元素可以得到模時頻矩陣, 用D來表示, 根據(jù)D矩陣可以得到特定時刻的采集信號能量譜密度, 公式如下所示:

式中,E(i,j) 為在第i個頻率時的第j個采樣時刻的采集信號能量譜密度,D(i,j) 為在第i個頻率時的第j個采樣時刻的D矩陣元素, 然后對其進行平方。

根據(jù)在第i個頻率時段的第j個采樣時刻的采集信號能量譜密度得到特高壓直流故障特征頻率, 公式如下所示:

式中,fi為特高壓直流故障特征頻率,fs為采樣的直流頻率,N為在特定時刻的采集信號能量譜密度矩陣中的第N個數(shù)值。

3 基于行波能譜矩陣相似度構(gòu)造控制保護特征矩陣

結(jié)合上述提取的特高壓直流故障特征, 基于行波能譜矩陣相似度構(gòu)造控制保護特征矩陣?；谛胁茏V矩陣相似度對特定時刻的采集信號能量譜密度矩陣進行去中心處理[3], 得到協(xié)方差矩陣的特定值矩陣和特定向量矩陣, 保護特征主要矩陣公式如下所示:

式中,P為保護特征主要矩陣,μ為協(xié)方差矩陣的特定向量矩陣。提取保護特征主要矩陣的前兩列可以作為特高壓直流故障特征的矩陣, 記為C。

因為特高壓電流的故障類型可以分為正、負極接地短路和雙極均短路, 所以可以根據(jù)計算故障時的第一個時間點的直流電壓反行波, 根據(jù)第一個時間點的直流電壓反行波計算出故障發(fā)生在正、負極接地短路和雙極均短路的各能譜矩陣, 三個故障點的能譜矩陣分別為正極能譜矩陣C1, 負極能譜矩陣C2, 雙極能譜矩陣C3。根據(jù)故障點的三種類型構(gòu)造整體特高壓電流控制保護特征矩陣。為了得到各故障點的故障信息樣本, 在線路上設置正極、負極、雙極接地故障,分別在控制保護裝置的20km 處、30km 處、100km 處設置, 經(jīng)過分析得到各故障信息的具體情況, 根據(jù)分析得到在特高壓電流控制保護特征矩陣中, 雙極短路在矩陣中有20 種故障樣本, 正、負極接地短路在特高壓電流控制保護特征矩陣中分別有40 種故障樣本[4]。將所有故障樣本輸入到數(shù)據(jù)庫當中, 可以在特高壓電流發(fā)生故障時, 針對其故障特點有效進行控制保護。

4 設置特高壓直流控制保護啟動閾值

根據(jù)構(gòu)造的控制保護特征矩陣設置特高壓直流控制保護的啟動閾值?？刂票Ｗo在啟動時可能會因為電路的電壓波動而產(chǎn)生頻繁地誤動, 產(chǎn)生誤判, 在線路沒有故障的時候就啟動了控制保護, 產(chǎn)生不必要的消耗, 因此需要設定固定的閾值, 來根據(jù)閾值進行對電路的判斷, 選擇是否開啟控制保護機制。在線路保持在正常運行時, 線路能量熵變化量一般是穩(wěn)定在1 以下, 當線路發(fā)生故障時, 線路能量熵變化量一般會在此時超過1[5]。將第一個發(fā)生故障的位置時刻作為故障發(fā)生時刻得到此時的能量熵變化量波動值, 此時控制保護裝置開啟。能量熵變化量波動值公式如下所示:

式中, ΔW(m) 為在m時刻的能量熵變化量。因此設置當ΔW(m) ＞Δs時, 控制保護裝置啟動, Δs為控制保護裝置的啟動閾值, 將其取值為2[6]。能量熵變化量波動值與特高壓直流的信號波動大小有關, 與其幅度無關。所以采用能量熵變化量波動值與所設置的控制保護裝置的啟動閾值進行比較, 根據(jù)比較結(jié)果決定是否啟動控制保護裝置。這樣可以保證方法的準確度, 不會產(chǎn)生誤判, 可以使控制保護裝置精準可靠地進行。

5 實現(xiàn)控制保護

根據(jù)設置的特高壓直流控制保護啟動閾值進一步進行故障位置的識別, 以便于控制保護裝置啟動時,可以精準地定位到故障位置, 進行針對性的保護。當電路的正極位置發(fā)生故障時, 電路的負極電壓會在額定電壓的周圍進行波動, 會產(chǎn)生地模電壓, 并且產(chǎn)生的地模電壓的大小為負; 當電路的負極位置發(fā)生故障時, 其產(chǎn)生的地模電壓的大小則為正; 當電路的雙極位置發(fā)生故障時, 電路的正極電壓和負極電壓都會發(fā)生變化, 且其變化趨勢是相同的。并且此時的地模電壓為0[7]。因此通過故障時的地模電壓融入到控制保護特征矩陣的數(shù)據(jù)庫中, 進行對故障的準確識別。計算故障時的地模電壓在采樣時刻中的地模電壓總和,公式如下所示:

式中,A為故障時的地模電壓在采樣時刻中的地模電壓總和,k為常數(shù),u為故障時的地模電壓。當A≤-As時, 則代表故障點為正極接地短路, 當A≥As時則代表故障點為負極接地短路, 當-As＜A＜As,則代表故障點為雙極短路。As為數(shù)據(jù)庫中結(jié)合矩陣樣本選定的故障位置閾值, 設置為10。至此基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法完成。

6 實驗對比分析

為了證明基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法的控制保護效果好, 引入傳統(tǒng)的特高壓直流控制保護方法和基于PWM 的特高壓直流控制保護方法進行對比。

6.1 實驗準備

在實驗開始之前, 為了防止不必要因素產(chǎn)生的誤差, 將電路相關參數(shù)進行設置, 如表1 所示。

表1 參數(shù)設置表

并且添加30dB 噪聲進行實驗[8], 確保方法的可靠性, 可以不受外界的影響。選取同種類型的5 個電路進行實驗, 將三種方法分別對五個電路進行控制保護, 防止因電路不同而產(chǎn)生的的誤差。將控制保護情況進行等級的劃分, 以便于實驗結(jié)果的對比, 控制保護情況等級劃分表如表2 所示。

表2 控制保護情況等級劃分表

根據(jù)劃分的等級作為標準, 對三種方法進行5 個電路的控制保護情況進行等級的判斷。

6.2 實驗對比

將基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法與傳統(tǒng)的特高壓直流控制保護方法和基于PWM 的特高壓直流控制保護方法同時對5 個電路進行對特高壓直流控制保護, 將三種方法對電路的控制保護情況結(jié)果進行對比。實驗對比結(jié)果如表3 所示。

表3 實驗結(jié)果對比表

由表3 可知, 基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法對五個電路的控制保護等級均為一級,電路幾乎沒有損壞; 基于PWM 的特高壓直流控制保護方法對五個電路的控制保護等級為一級和二級, 電路有小部分的損壞, 控制保護效果也沒有很好; 而傳統(tǒng)的特高壓直流控制保護方法對五個電路的控制保護等級甚至出現(xiàn)了三級, 電路已經(jīng)出現(xiàn)了不能使用的情況, 其對特高壓直流控制保護的效果很差。所以證明了基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法在保證其可行性的同時還有效提高了其對特高壓直流的控制保護的效果。

7 結(jié)束語

為滿足社會的發(fā)展, 特高壓直流電網(wǎng)已經(jīng)被廣泛的應用, 但是對特高壓直流控制保護并沒有達到精準控制保護。為此提出了基于行波能譜矩陣相似度的特高壓直流控制保護方法, 通過確定行波時頻原始特征, 提取特高壓直流故障特征, 基于行波能譜矩陣相似度構(gòu)造控制保護特征矩陣, 設置特高壓直流控制保護啟動閾值, 最后實現(xiàn)對特高壓直流控制保護。并且通過實驗證明了本文的方法比實驗參照組的兩種方法的控制保護效果好很多, 本文方法有效提高了對特高壓直流的控制保護效果。