电力系统继电保护装置直流接地安全态势识别方法.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023文章编号：10 0 7-7 57 X2023)08-0221-04电力系统继电保护装置直流接地安全态势识别方法开发应用微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期夏明圣（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院，安徽，合肥2 30 0 0 1）摘要：针对无法有效识别直流接地故障的问题，提出电力系统继电保护装置直流接地安全态势识别方法。分析直流接地的稳态特性与暂态特性，依次分析安全与非安全线路两种暂态特性；依据不同线路特点，设计基于短时能量的直流接地安全态势识别方法，对比安全与非安全线路短时能量，实现直流接地安全态势的精准识别。经实验验证，该方法能够在不同窗长情况下精准识别电压波动，能有效分析不同故障发生时的电压波动情况。关键词：电力系统；继电保护装置；直流接地；安全态势识别；时间规整算法；短时能量中图分类号：TM772Method of DC Grounding Security Situation Identificationfor Power System Relay Protection Device(East China Electric Power Test&.Research Institute,Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,China Datang Corporation,Hefei 230001,China)Abstract:DC grounding fault cannot be identified effectively,hence,a DC grounding safety situation identification method ofpower system relay protection device is proposed.The steady-state and transient characteristics of DC grounding are analyzed,and the two transient characteristics of safe and unsafe lines are analyzed in turn.According to the characteristics of differentlines,a DC grounding safety situation identification method based on short-time energy is designed to compare the short-timeenergy of safe and unsafe lines to realize the accurate identification of DC grounding safety situation.The experimental resultsshow that this method can accurately identify the voltage fluctuation under different window-lengths and effectively analyze thevoltage fluctuation under different faults.Key words:power system;relay protection device;DC grounding;security situation identification;time warping algorithm;short-time energy谐波电流的短时能量，实现直流接地故障与非故障状态的精0引言准识别。直流电源具有极性的特点。如果直流接地的绝缘电阻1电力系统继电保护装置直流接地安全态值迅速下降1-2，直至低于规定值，则直流接地过程中发生故障3-41。由于发电厂和变电站的电力系统设备数量庞大，运行环境复杂，通常需要进行直流接地，但直流接地故障率较高，给电力系统设备带来很大的隐患。因此，对直流接地安全态势识别的研究可以有效地识别接地过程中的故障。较多学者对此进行研究,高旭等5研究了基于混合式直流断路器的柔性直流架空线路单极接地故障重合闸方案；戴志辉等6 1基于MMC研究环状直流配网在不同接地方式下的故障特性，识别继电保护装置中的直流接地的电压，但依然存在较大的识别误差，因此，本文研究电力系统继电保护装置直流接地安全态势识别方法。本文通过谐波电流与线路对地电容电流组成线路两侧差流，即可同时描述安全和非安全的线路暂态特征差异。非安全线路中两侧差流计算绝对值相加后恒小于安全线路两侧差流的绝对值，以此识别出故障谐波电流。为了识别暂态故障波动，求取短时窗中每个差流信息的平方和，实现放大作者简介：夏明圣（198 8 一），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统、继电保护、直流系统、储能电源、电气控制、故障分析、科研攻关。文献标志码：AXIA Mingsheng1.1直流接地故障研究1.1.1MMC-DC稳态特性研究本文主要研究电力系统继电保护装置直流接地方式，可通过小电流接地形式描述直流接地的过程。当接地故障发生时，电流相对较小，所以，故障极母线电压U，处于零电位，当安全性极母线电压U，升高至原值的2 倍，通过直流电压控制器控制的直流母线极间电压Ude并未发生变化，此时，MMC能够安全输送功率。若进行直流接地时，满足稳态特性安全评价指标的非安全电流故障会出现较小情况，为捕捉故障波动，需对暂态特性进行分析，才能保障线路电压电流的精准状态识别。1.1.2MMC-DC暂态特性研究当直流接地故障出现时，换流器中的电流会制造出直流电压谐波，导致直流接地过程中出现谐波电流，且暂态完成221势识别方法Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023后依然会有较小的谐波电容在故障点附近流转。当直流接地出现单极故障时，R为非安全点接地电阻，Rg为交流侧接地电阻。因此：Inul=Z o:式(1)中，故障电流由Iault描述，i端流动至接地电阻的放电电流由Io_描述，其通过谐波电容电流Iex以及对地电容电流I构成。谐波电容电流Icx与对地电容电流Icz存在关联，Ic易受到电压波动影响，最终导致故障识别效果变差。当电力系统继电保护装置母线上发生接地故障时，该线路中的其他位置同时也会存在相似性暂态故障。因此依据MMC-DC的暂态特性，需选取一种暂态分析方法对安全与非安全线路进行分析。1.2安全与非安全线路暂态差流对比分析电力系统继电保护装置直流接地过程中不存在对地回路，因此，通过谐波电流与线路对地电容电流组成线路两侧差流，即可同时描述安全和非安全的线路暂态特征差异。1.2.1非安全线路两侧暂态差流分析图1描述了非安全线路L2正极电流流转过程。其中，L2正极障碍点两端线路接地电容电流依次由试2-1、试2-2 描述，而线路L2正极两侧所测电流由试2-1、t2-2描述。图1线路L2正极电流分布通过图1描述线路L2直流接地电容电流流向，当暂态电压为u0时，即在这两种电压形式下，能够获取线路L暂态差流绝对值itr-L2|的值，如式（2)：i-L2=i（t2-1+t2-2)=lif-t2|i-|试2 1式（2)中，试2=试2-1十试2-2，由于各线正负极对地电容电流组成接地状态下的非安全线路，且将其相加后等于非安全电流绝对值，i则为接地点暂态非安全电流，通过式（3)对i绝对值进行计算：i|=|+|+1ia1|+ia21+|ia3将式（2)与式（3)相结合，得到式（4)：|-2|+|+【+|丨（4)1.2.2安全线路两侧暂态差流分析图2 描述了安全线路L1正极电流流转的过程。其中，线路L正极对地电容电流由试I表示，线路L正极两侧所测电流依次由试-1、试-2 表示。开发应用(1)同时，当线路暂态电压处于u0时，都可以获取安全线路LI正极两侧暂态差流绝对值|itf-Li|，如式（5)：ir-L1 =|试,1|1.2.3安全与非安全线路两侧差流对比分析依据式（4)与式（5)的对比，能够得出式（6)：itr-12/ir-L1/根据式（6)可知，非安全线路中的计算绝对值相加后，要小于安全线路两侧差流的绝对值。所以，非安全线路的最终计算结果要恒定小于安全线路的计算值，因此，通过该形式能够识别出安全线路。暂态波动异常会持续发生波动，因此，选取短时能量分析方法，分析故障发生时的状态，并降低安全态势识别时受到暂态的影响。itL.2-21.4基于短时能量的直流接地安全态势识别方法为使非安全线路与安全线路暂态特性能够得到有效区iL.2-2分，使暂态发生时抑制暂态差流波动，选取能够实现线路两侧差流计算的短时能量，进行直流接地的安全态势识别。一通过平方和计算短窗时间范围内的每个时间点的线路两侧差流，即为短时能量的计算过程。当计算得到短窗时间范围内整体差流转变值，即为线路两侧差流的短时能量，通过这种形式的计算，能够更好展现暂态发生时差流的平均变化过程，减轻安全态势识别时电流暂态波动的影响。（1）非安全线路两侧差流的短时能量i记.2-1依据短时能量的计算式结合式（4），能够得到非安全线路L正极两侧差流的短时能量Etff-L2，如式（7)：Etf-L2=m=-M+12(+a+|+m=n-M+1(2)liaal)w(n-m)2(li2+i1|2+i22+|2+|i1)(nm)（2）安全性线路两侧差流短时能量依据短时能量的计算式结合式（5），能够得到安全线路LI正极两侧差流的短时能量Etif-LI，如式（8)：(3)Etir-Ll=Z.(ir-u)w(n-m)=m=nM+12(/t/)0(n-m)m=n-M+1（3）两者短时能量对比分析通过对比式(7)与式(8)，能够获知Eatr-L2minEtr-Ll，并且暂态发生时，每条线路接地电容电流并不等于0,因此：Edif-L2 Edlr-LI(9)222微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期.1-2诗L.1北Hi记.1-1图2 LI正极电流分布m=n-M+1(5)(6)(7)(8)Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023由于线路长度与直流接地电容电流存在关联，因此，为使检测线路长度1的时间缩短，通过去均值化形式调整线路差流的短时能量，如式（10）：Eaiflekl式（10)中，线路差流的计算结果由Eaif_L表示，经去均值后由Eaiffl表示，线路长度系数由ki表示，且ki=l/100。深入分析线路两侧差流处理时短时能量分析方法的作用。该方法在计算时通过加法的形式计算短窗w中的差流数值平方，以保障短窗范围内的线路差流发生改变时能够通过时间点t线路差流的短时能量表示，并能够反映出暂态发生时差流变化情况，改善识别过程中暂态的影响。同时，安全线路L正极两侧差流ilf-LI要小于非安全线路L2的正极两侧差流if-L2。求取短时窗中每个差流信息的平方和，实现放大非安全性线路的短时能量，即放大不同线路特征的区别，实现更精准的安全态势识别。2实例分析通过实例分析形式验证本文方法的安全态势识别效果，并选取文献5基于混合式直流断路器的柔性直流架空线路单极接地故障重合闸方法与文献6 基于MMC的环状直流配网在不同接地方式下的故障特性分析方法作为对比方法。在 Awesome Public Datasets(https:/ ms时，识别电压波动速度较快，但依然存在短时间变化，当窗长处于8 ms时，电压波动情况较为稳定，当窗长处于14ms时，在时间为3.3s时电压即发生变化，并且能够获知，当窗长处于8 ms时，电压波动最小，处于稳态，更能体现出本文识别电压安全态势的精开发应用准性。分析不同故障情况下，本文方法识别电压波动情况，分析结果如图4所示。EaffL(10)-2ms窗长一.-8 ms窗长.14ms窗长1.13.13.223.33.43.5时间/s微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期750一保护误动瞬时性故障一永久性故障600450F300F150F03.0图4不同故障情况下电压识别效果当继电保护装置发生不同故障时，线路断开后电压差信号会同时发生变化。根据图4可知，保护误动状态下发生非安全事件时，电压始终在6 0 0 kV范围内波动，当发生永久性故障时，电压在3.1s以后从6 0 0 kV逐渐下降至150 kV（正常电压的1/4），发生瞬时故障时，电压从6 0 0 kV最终下降至280kV左右（正常电压的1/2 以下），说明应用本文方法后，能够有效识别故障发生时的直流接地是否安全，并判断出故障类型。实验设定电阻固定，可以通过暂态故障电流波动求出电压的故障波动，应用不同方法后的直流接地电压安全态势识别效果如图5所示。根据图5可知，当随着时间发生变化后，电压也逐渐出现下降，实际波动效果在初始阶段电压为450 kV，当达到6 s时，电压出现缓慢下降至150 kV，当达到8 s时电压逐渐稳定，始终保持在150 kV左右，而文献6 方法识别的电压波动效果在2 s时即发生下降，且在6 8 s之间出现较强波动，而文献5方法识别后的电压与文献6 方法较为接近，但都与实际波动存在明显差异，本文方法识别的电压波动情况与实际波动十分接近，并未出现较大差异，因此，本文方法能够有效识别电压波动效果。600r450A/300F150F3.60-1500图5不同方法电压识别效果设定不同过渡电阻/2，分析不同故障距离下，本文方法的故障测距效果，分析结果如表1所示。.223一3.13.23.33.43.5时间/s实际波动一本文方法文献5方法文献6 方法2468时间/s3.61012Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023故障实际距离/km101520根据表1可知，当处于不同故障距离情况下，本文方法进行安全态势识别时并未受到过渡电阻的影响，因此能够精准定位故障距离，而相对误差均保持在0.0 0 3km以下，因此本文识别故障效果相对精准。3总结本文研究电力系统继电保护装置直流接地安全态势识别方法，通过分析MMC-DC稳态特性与暂态特性，了解影响直流接地安全态势的因子，通过故障与非故障继电保护装置暂态差流对比，分析故障与非故障线路的区别特征,研究基于短时能量的直流接地安全态势识别方法，通过短时能量的计算与动态时间规整算法相结合，实现安全与非安全线路的33333338333333333333333338333333333333333333338（上接第2 0 4页）小，这表明本文提出的图像去雨方法相较于其他2 种方法去雨性能最优。876543210图10 多分辨率网络架构的收敛曲线3总结本文提出了一种基于多分辨率网络结构的图像去雨深度学习框架。通过结合图像的高频雨滴模糊特征图和雨滴信息特征图，减少特征信息数值的映射范围，简易网络的训练过程，去除背景干扰；构建多分辨率网络结构，增强网络的表达能力，改善图像去雨效果。同时，构建模型回报函数，采用强化学习评价模型去雨效果，选取性能较优的去雨模型，改善了图像的去雨视觉质量。1马婧婧，黄煜峰，陈翔.多尺度沙漏结构的单幅图像去雨算法研究J.小型微型计算机系统，2 0 2 1，42（3）：开发应用表1不同方法故障测距误差有效识别。在未来阶段内，可继续加深研究，实现电力系统继电保过渡电阻/定位距离/km2010.0016010.00110010.0032015.0016014.99810014.9992019.9986019.99710020.003一空-频域联合去雨方法-联结残差网络去雨方法-本文去雨方法200040006000800010000选代次数参考文献微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期相对误差/护装置的多线路安全态势识别。km0.0010.0010.0030.0010.0020.0010.002.0.0030.003参考文献1宋国兵，王婷，张保会，等.利用电力电子装置的探测式故障识别技术分析与展望J.电力系统自动化，2020,44(20):173-183.2 庄祎，李小鹏，滕予非，等.一种高压直流输电系统接地极线路保护新方法J.电力自动化设备，2 0 19，39(9):74-79.3杨天琦，王琦，叶志浩.基于迁移支持向量机的舰船综合电力系统继电保护方法研究J.电力系统保护与控制,2 0 2 0,48(2 3)：12 4-132.4吴本祥，张晓锋，徐国顺，等.船舶交直流混合电力系统接地方式对直流共模电压影响研究J.海军工程大学学报，2 0 19,31（3）：10 2-10 6.5高旭，马迎新，崔汉青，等.基于混合式直流断路器的柔性直流架空线路单极接地故障重合闸方案J.电力系统及其自动化学报，2 0 2 0，32（11）：12 3-131.6 戴志辉，黄敏，苏怀波.基于MMC的环状直流配网在不同接地方式下的故障特性分析J.电力系统保护与控制,2 0 19,47(1):7-16.（收稿日期：2 0 2 1-11-0 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