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
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1、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
2、 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
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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、 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
15、 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
16、 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
17、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
18、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
19、 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 g
20、t 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
21、 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
22、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
23、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
24、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
25、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
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