改进巴氏距离算法下混合级联直流输电纵联阻抗保护优化.pdf

西 安 工 程 大 学 学 报J o u r n a l o f X ia n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y 第3 8卷第2期(总1 8 6期)2 0 2 4年4月V o l.3 8,N o.2(S u m.N o.1 8 6)引文格式:王书征,李沛林,杨军炜,等.改进巴氏距离算法下混合级联直流输电纵联阻抗保护优化J.西安工程大学学报,2 0 2 4,3 8(2):9-1 7.WAN G S h u z h e n g,L I P e i l i n,YAN G J u n w e i,e t a l.O p t i m i z a t i o n o f l o n g i t u d i n a l i m p e d a n c e p r o t e c t i o n f o r h y b r i d c a s c a d e d HV D C t r a n s m i s s i o n u n d e r i m p r o v e d B h a t t a c h a r y y a d i s t a n c e a l g o r i t h mJ.J o u r n a l o f X ia n P o l y t e c h-n i c U n i v e r s i t y,2 0 2 4,3 8(2):9-1 7.收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 1 修回日期:2 0 2 3-1 2-0 2 基金项目:国家自然科学基金(5 2 1 0 7 0 9 8)通信作者:王书征(1 9 8 3),男,副教授,博士,研究方向为高压直流输电系统运行控制与保护技术。E-m a i l:w s z 3 1 01 2 6.c o m改进巴氏距离算法下混合级联直流输电纵联阻抗保护优化王书征1,李沛林1,杨军炜1,张金华1,施 渊2,刘康礼3(1.南京工程学院 电力工程学院,江苏 南京 2 1 1 1 6 7;2.国网南通供电公司,江苏 南通 2 2 6 3 0 0;3.东南大学 电气工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 9 6)摘要 为提高纵联保护在L C C-MMC混合级联高压直流输电系统中的鲁棒性,提出一种基于纵联阻抗和改进巴氏距离算法的高压直流输电纵联保护方案。该方案将巴氏距离算法与纵联阻抗保护相结合,对被保护线路首末两端电气量的差异进行量化,并通过量化后的数据,进行区内外故障的判定,然后基于能量函数构建了故障选极判据,保证了保护的可靠性;在此基础上,通过分形维数构建了改进的自适应滑窗,提高了保护的速动性。最后,基于M a t l a b与P S C A D/EMT D C平台建立了“白江工程”8 0 0 k V L C C-MMC混合级联高压直流输电系统模型,并对所提改进后的保护方案进行验证。仿真结果表明所提保护方案能够快速可靠地判别区内外故障并正确完成故障选极,且有着较好的耐受过渡电阻能力。关键词 混合级联直流输电;故障特性;纵联保护;纵联阻抗;巴氏距离算法;分形理论开放科学(资源服务)标识码(O S I D)中图分类号:TM 7 7 文献标志码:AD O I:1 0.1 3 3 3 8/j.i s s n.1 6 7 4-6 4 9 x.2 0 2 4.0 2.0 0 2O p t i m i z a t i o n o f l o n g i t u d i n a l i m p e d a n c e p r o t e c t i o n f o r h y b r i d c a s c a d e d H V D C t r a n s m i s s i o n u n d e r i m p r o v e d B h a t t a c h a r y y a d i s t a n c e a l g o r i t h mWANG S h u z h e n g1,L I P e i l i n1,Y ANG J u n w e i1,ZHANG J i n h u a1,SH I Y u a n2,L I U K a n g l i3 (1.S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g,N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,N a n j i n g 2 1 1 1 6 7,C h i n a;2.S t a t e G r i d N a n t o n g P o w e r S u p p l y C o m p a n y,N a n t o n g 2 2 6 3 0 0,J i a n g s u,C h i n a;3.S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,S o u t h e a s t U n i v e r s i t y,N a n j i n g 2 1 0 0 9 6,C h i n a)A b s t r a c t T o e n h a n c e t h e r o b u s t n e s s o f l o n g i t u d i n a l p r o t e c t i o n i n L C C-MMC h y b r i d c a s c a d e d HV D C t r a n s m i s s i o n s y s t e m s,a l o n g i t u d i n a l p r o t e c t i o n s c h e m e o f HV D C t r a n s m i s s i o n b a s e d o n l o n g i t u d i n a l i m p e d a n c e a n d i m p r o v e d B h a t t a c h a r y y a d i s t a n c e a l g o r i t h m w a s p r o p o s e d.T h e d i f f e r-e n c e o f t h e e l e c t r i c c a p a c i t y a t t h e f i r s t a n d l a s t e n d s o f t h e p r o t e c t e d l i n e w a s q u a n t i f i e d b y c o m-b i n i n g t h e B h a t t a c h a r y y a d i s t a n c e a l g o r i t h m w i t h l o n g i t u d i n a l i m p e d a n c e p r o t e c t i o n i n t h i s s c h e m e,a n d t h e f a u l t s i n s i d e a n d o u t s i d e t h e a r e a w e r e d e t e r m i n e d t h r o u g h t h e q u a n t i f i e d d a t a.T h e n,t h e f a u l t p o l e s e l e c t i o n c r i t e r i o n w a s c o n s t r u c t e d b a s e d o n t h e e n e r g y f u n c t i o n t o e n s u r e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e p r o t e c t i o n.F u r t h e r m o r e,a n i m p r o v e d a d a p t i v e s l i d i n g w i n d o w w a s c o n s t r u c t e d b y f r a c t a l d i m e n s i o n,w h i c h i m p r o v e d t h e r a p i d i t y o f p r o t e c t i o n.F i n a l l y,t h e 8 0 0 k V L C C-MMC h y b r i d c a s c a d e d HV D C t r a n s m i s s i o n s y s t e m m o d e l o f“B a i j i a n g P r o j e c t”w a s e s t a b l i s h e d o n M a t-l a b a n d P S C A D/EMT D C p l a t f o r m s,a n d t h e i m p r o v e d p r o t e c t i o n s c h e m e w a s v e r i f i e d.S i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d p r o t e c t i o n s c h e m e c a n i d e n t i f y f a u l t s i n s i d e a n d o u t s i d e t h e r e g i o n q u i c k l y a n d r e l i a b l y,c o r r e c t l y s e l e c t f a u l t p o l e s a n d h a s a b e t t e r r e s i s t a n c e t o t r a n s i t i o n r e s i s t-a n c e.K e y w o r d s h y b r i d c a s c a d e d D C t r a n s m i s s i o n;f a u l t c h a r a c t e r i s t i c;l o n g i t u d i n a l p r o t e c t i o n;l o n g i-t u d i n a l i m p e d a n c e;B h a t t a c h a r y y a d i s t a n c e a l g o r i t h m;f r a c t a l t h e o r y0 引 言 针对于传统直流输电技术存在的整流侧换相失败等问题,混合直流输电技术整流侧采用L C C,逆变侧采用L C C-MMC方案解决了传统直流的换相失败和谐波大等问题。由于我国能源分布及需求分布不平衡的情况,西部大量电能需要通过“西电东送”进行消纳,其中白鹤滩-江苏8 0 0 k V 特高压混合直流输电工程已成功投运,为“双碳”目标和“十四五”规划作出重要贡献。白鹤滩-江苏8 0 0 k V 特高压混合直流输电工程采用混合级联三端直流输电系统,相较于传统的双端混合直流输电系统,逆变侧采用L C C-MMC级联组成1-4。因此,由于系统结构的变化,系统故障时所表现的故障特性也会随之发生变化,这将使保护在新系统中的适应性面临挑战,出现性能劣化问题。文献5 提出的保护方案借助于电流突变量,是单端保护,能够快速准确判别区内外故障,但是其选择阈值的理论依据较少;文献6 基于改进了多段线路差动保护,但由于其基于线路两端电气量进行研究,使该方法需测量较多组数据;文献7 提出了一种新的差动保护方法,该法基于故障元件的差动电流极性特征进行判定,但由于该方法受谐波因素影响较大,直流滤波器放电及交流侧故障特征谐波的影响会致使故障分量的扰动,有着误动的风险;文献8 对高压直流输电线路纵联保护进行了改进,根据直流输电线路中电流变化率及滤波器特征来判别故障位置;文献9 基于H a u s d o r f f算法提出了一种自适应差动保护方案,该方法无需整定计算,对大部分情况有着自适应能力;文献1 0 改进了发变组大差保护判据,该方案在线路两端电流相位差为9 0 时,借助于H a u s d o r f f算法改进保护判据,该方法简单便捷,且有一定普适性。针对现有的研究情况,本文首先分析不同故障下的电气量特征,在此基础上通过巴氏距离算法对纵联阻抗保护方法进行改进,将被保护线路首末两端的电气量差异进行量化,然后构建了新的故障选极判据,完成故障的判定,并引入与突变量成反比的自适 应 滑 窗,提 高 保 护 的 速 动 性。最 后 通 过P S C A D/EMT D C 仿真验证了理论分析的正确性及保护方案的有效性。1 L C C-MMC混合级联型直流输电系统 白鹤滩-江苏特高压混合级联直流输电系统工程所使用的是8 0 0 k V混合三端直流输电系统,整流侧采用1 2脉冲换流器的L C C整流站,逆变侧由L C C及MMC级联而成。系统拓扑图如图1所示。01 西安工程大学学报 第3 8卷图 1 白鹤滩-江苏特高压混合级联直流系统工程拓扑结构F i g.1 B a i h e t a n-J i a n g s u UHV h y b r i d c a s c a d e d D C s y s t e m e n g i n e e r i n gt o p o l o g y s t r u c t u r e2 直流线路故障保护分析2.1 纵联阻抗在输电线路中,通过纵联阻抗构建输电线路纵联保护,借助于纵联阻抗可以判别区内外故障1 1-1 4。以纵联阻抗幅值作为区内外故障的判据,全线路长度的总纵联阻抗值作为阈值,所测纵联阻抗幅值大于该阈值即为区外故障,小于该阈值即为区内故障。纵联阻抗定义如下:Z=U/I(1)式中:U为该极线路整流侧和逆变侧电压故障分量差值;I为该极线路整流侧和逆变侧电流故障分量差值。2.2 故障特性分析L C C-MMC混合级联直流输电系统故障设置如图2所示。图 2 L C C-MMC混合级联型直流输电系统故障设置F i g.2 F a u l t s e t t i n g o f L C C-MMC h y b r i d c a s c a d e d HV D C s y s t e m图2中,Pz为整流侧保护安装处,Pn为逆变侧保护,故 障f1、f6、f7、f8为 线 路 区 外 故 障,故 障f2、f3、f4、f5为线路区内故障。2.2.1直流区内故障L C C-MMC 混合级联型直流输电系统发生区内故障时,等值电路如图3所示。(a)f2位置(b)f3位置(c)f4位置(d)f5位置图 3 直流区内故障等值电路F i g.3 F a u l t e q u i v a l e n t c i r c u i t i n s i d e D C r e g i o n图3中,ZP Z为正极故障点到整流侧保护处线路等效阻抗,ZP N为正极故障点到逆变侧保护处线路等效阻抗,ZP ZW为正极整流侧保护外等效阻抗,ZP NW为正极逆变侧保护外等效阻抗,ZN Z为负极故障点到整流侧保护处线路等效阻抗,ZNN为负极故障点到逆变侧保护处线路等效阻抗,ZN ZW为负极整流侧保护外等效阻抗,ZNNW为负极逆变侧保护外等效阻抗,Uf为故障点的故障附加电源,规定母线11第2期 王书征,等:改进巴氏距离算法下混合级联直流输电纵联阻抗保护优化指向线路方向为电流正方向。由图3(a)进行分析,式(2)为线路两侧的电压故障分量差值1 5-1 7:UP=IP ZZP Z-IP NZP N(2)线路两端的电压故障分量如式(3)所示:UP r=-UfZZWZP ZW+ZP ZWUP i=-UfZP NWZP NW+ZP N(3)电流故障分量的相量和表示式为IP=-UfZP ZW+ZP Z+ZP N+ZP NW(ZP ZW+ZP Z)(ZP N+ZP NW)(4)正极区内故障时的纵联阻抗幅值表示为|Z1|=UPIP=ZP ZWZP N-ZP NW+ZP ZZP ZW+ZP Z+ZP NW+ZP N|ZP Z+ZP N|(7)式中:|ZP Z+ZN|为线路总阻抗2.3 巴氏距离算法在统计学中,巴氏距离算法常用于计算2个离散或连续的概率分布函数的相似度2 0-2 1。当给定2个离散概率分布函数f1(x)和f2(x)的数组时,两者的巴氏距离DB表示为DBf1(x),f2(x)=-l n(CB(f1(x),f2(x)CB=(f1(x),f2(x)=XYf1(x)f2(x)(8)式中:CB为巴氏系数,表示f1(x)和f2(x)的相似程度,CB0,1;Y为f1(x)和f2(x)的离散随机变量。纵联阻抗保护容易受精度问题干扰,在系统中会受到各种扰动及测量精度等的限制。而巴氏距离算法基于统计学,大幅降低了异常数据和噪声对整体保护的影响,因此,本文借助巴氏距离算法改进保护方案。2.4 分形维数自适应窗口改进由于纵联阻抗对于两侧信号同步性要求高,因21 西安工程大学学报 第3 8卷此,选择滑动数据窗进行多组数据分析判定,通过数据窗内判据量累加,设定阈值Ps e t,以是否达到Ps e t作为判据是否成功的条件。由于采用滑动数据窗口会使算法有一定延迟,降低保护的速动性,且窗口过大或过小会使判据可靠性降低,测量精度降低等。因此,引入分形维数,进行窗口的自适应改进2 2。分形理 论 可 表 征 信 号 的 无 序 程 度 和 复 杂 程度2 3,因此可表征信号的突变速度,当信号发生的突变越大,其分形维数越大,越小则表明信号越平稳2 4-2 6。本文使用半方差法,如式(9)所示:r(t)=12nnj=1z(t)-z(t+t)2(9)式中:j为测量时间序号列;t为采点步长。分形维数值可表示为D=(4-p)/2(1 0)式中:P为t与r(t)在双对数曲线中的斜率。当测量窗口内分形维数增量变大,可知该窗口内信号发生变化变大,即信号突变率变大,D上升。所以,可通过D值大小来检测信号的突变程度大小。以D值为判断依据,设计改进窗长函数:W(t+1)=1,W(t)1W(t)-RD(t)-D,12 (1 1)式中:1和2为常数,且21,其根据实际情况所需测量信号长度和波动情况进行取值;D为D(t)的稳态均值。激活函数R可表示为R(X)=x,x0p x,x0(1 2)通过改进后的窗函数,可以保证滑窗随着信号的突变程度变化,实时地改变窗口长度,以提高算法速度,提高保护速动性。3 改进巴氏距离算法的纵向阻抗保护判据3.1 启动判据本文以电压突变率作为保护的启动判据,当发生故障时,直流输电线路电压会发生跌落,因此可以单位时间内电压变化率(Ls)作为保护启动判据:Ls=|dUP/dt|Ls e t(1 3)当线路发生故障时,电压会发生突变,此时电压变化率Ls会激增,设置识别故障阈值Ls e t。当启动判据满足时,保护启动并识别故障区域进行下一步保护动作。3.2 故障识别判据根据上述原理,通过滑窗对送端进行数据采集,得到窗口内电气量区间,并将其n等分,得到当前窗口内电流位于各个区间的概率,得到f1(x),并以此区间作为参考,得到受端电气量的f2(x)。设定改进纵向阻抗保护判据,如式(1 4):P=UI=(Ua-Ub)CB(Ia,Ib)(1 4)式中:Ua、Ia为直流线路整流侧保护安装处采样点电压与电流;Ub、Ib为直流线路逆变侧保护安装处采样点电压与电流。综上,当PPs e t时,判定为区内故障,当PHs e t时,则为正极故障;当H2Hs e t时,则为负极故障;当H1及H2均小于Hs e t,且QzQs e t,QfQs e t时为双极故障。该保护的具体实现步骤为:当所测电气量满足启动判据时,自适应窗口中先将所需电压电流故障分量通过巴氏距离算法处理,再计算纵向阻抗值,进而完成识别区内、外故障,实现对混合级联三端直流输电的保护。4 仿真验证4.1 仿真系统介绍采用P S C A D/EMT D C软件平台建立如图2所31第2期 王书征,等:改进巴氏距离算法下混合级联直流输电纵联阻抗保护优化示的混合级联三端直流输电系统,数据采样频率为1 0 k H z,采样点的个数为1 8 0 0 0。设置故障发生时刻为1.5 s,持续时间0.3 s。故障设置位置如图2为 f1f8:f1为送端L C C交流侧三相短路接地;f2为直流线路正极接地故障;f3为直流线路负极接地故障;f4为直流线路双极接地故障;f5为直流线路双极跨接故障;f6为受端L C C-MMC阀组连接线接地故障;f7为受端L C C交流侧三相短路接地;f8为受端MC C交流侧三相短路接地。4.2 故障仿真4.2.1 区内故障仿真在f2、f3、f4、f5位置设置区内故障进行仿真验证,仿真结果如图5所示。(a)f2位置(b)f3位置(c)f4位置(d)f5位置图 5 区内故障仿真图F i g.5 F a u l t s i m u l a t i o n d i a g r a m i n s i d e t h e r e g i o n图5(a)是故障位置f2处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区内故障,且H1Hs e t,判定故障为正极故障;图5(b)为故障位置f3处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区内故障,且H1Hs e t,判定故障为负极故障;图5(c)为故障位置f4处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区内故障,且H1Hs e t,H2Q1 s e t,Q2Q2 s e t判定故障为双极故障;图5(d)为故障位置f5处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区内故障,且H1Hs e t,H2Q1 s e t,Q2Q2 s e t判定故障为双极故障。从图5的仿真结果可以看出,该保护新方案可有效判别区内故障,并可靠识别故障类型,对故障进行选极,有着良好可靠性。以故障点5处为例,对比可知,改进后保护动作速度提高了约7 m s,能在6 m s内可靠动作,使其符合了现代直流保护的速动性要求。4.2.2 区外故障仿真在f1、f6、f7、f8位置设置区外故障,仿真结果如图6所示。图6(a)是故障位置f1处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区外故障;图6(b)是故障位置f6处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区外故障;图6(c)是故障位置f7处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区外故障;图6(d)是故障位置f8处仿真结果,由仿真结果可知,PPs e t判定为区内故障,选极判据:H1Hs e t,判定故障为正极故障。故障位置f4时故障判据:PPs e t判定为区内故障,选极判据:H1Hs e t,H2Q1 s e t,Q2Q2 s e t判定故障为双极故障。经验证,改进后的保护方案有着较好的耐受过渡电阻能力,能够耐受5 0 0 的过渡电阻。5 结 论针对8 0 0 k V白鹤滩-江苏特高压混合级联直流输电系统工程进行分析,借助巴氏距离算法及分形理论改进纵联阻抗保护,并提出了新的故障选极方案,结论如下。1)改进后新保护方案能够可靠判定区内外故障,提高了保护的可靠性。且通过分形理论改进自适应滑窗后,新保护方案能够快速识别故障,进行保护动作,提高了保护速动性。2)发生区内故障时,故障极暂态电压电流变化量乘积远大于非故障相,借助此方法构建选极新判据并通过仿真验证可以有效可靠地进行故障选极。3)经仿真验证可知,所提保护新方案能够快速51第2期 王书征,等:改进巴氏距离算法下混合级联直流输电纵联阻抗保护优化可靠地区分区内外故障,能够正确完成故障选极,且有着较好的耐受过渡电阻能力。参考文献(R e f e r e n c e s)1 牟大林,林圣,李小鹏,等.白鹤滩-江苏特高压混合直流输电线路行波保护适应性分析J.电力系统保护与控制,2 0 2 2,5 0(2 1):8 8-9 8.MU D L,L I N S,L I X P,e t a l.A d a p t a b i l i t y a n a l y s i s o f t r a v e l i n g w a v e p r o t e c t i o n f o r t h e B a i h e t a n-J i a n g s u s e r i-a l h y b r i d L C C-MMC UHV D C t r a n s m i s s i o n l i n eJ.P o w e r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d C o n t r o l,2 0 2 2,5 0(2 1):8 8-9 8.(i n C h i n e s e)2 董芷函,王国腾,徐政,等.白鹤滩-江苏特高压混合级联直流系统运行特性分析方法J.电力自动化设备,2 0 2 2,4 2(6):1 1 8-1 2 5.D ONG Z H,WAN G G T,X U Z,e t a l.O p e r a t i o n c h a r-a c t e r i s t i c a n a l y s i s m e t h o d o f B a i h e t a n-J i a n g s u h y b r i d c a s c a d e d 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