基于波形相似度特征的多端柔直电网故障自适应重合闸方案_黎钊.pdf

第 49 卷 第 3 期：1326-1339 高电压技术 Vol.49,No.3:1326-1339 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20211836 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 基于波形相似度特征的多端柔直电网故障自适应重合闸方案 黎 钊，郑宇超，林湘宁，童 宁，魏繁荣，肖澍昱（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）摘 要：针对多端柔性直流电网工程中架空线路重合闸原理缺乏选择性、容易重合于永久性故障而造成二次冲击的问题，当前已有一系列基于单端量的重合闸原理，但是此类重合闸原理存在全线耐受过渡电阻能力不足甚至在区内两端存在死区的问题。此外，有些保护方案在注入判别信号时还存在需要增设附加装置或辅助控制方式的缺点。为此，尝试通过双端量通信的方式解决上述问题。首先，分析了瞬时性故障与永久性故障下的对侧线模行波的故障特点；随后，结合不同故障性质的特点得出了对侧线模电流推演值与测量值间波形相似度的差异性，并提出一种基于 Hausdorff 距离算法的相似度差异性量化方法；得益于双端量判别方式对注入信号形态的要求较单端方式大为降低，提出了一种无需增设附加装置或辅助控制的直流断路器(DCCB)注入信号生成方式；最后，形成了一种基于波形相似度特征匹配的自适应重合闸方案。仿真结果表明所提重合闸判据有效保护范围可覆盖线路全长、有较高耐受过渡电阻能力、并具有良好的适用性。关键词：架空线路；多端柔性直流电网；波形相似度；注入信号生成；自适应重合闸 Adaptive Reclosing Scheme for VSC-MTDC Line Based on the Transient Current Waveform Similarity Matching LI Zhao,ZHENG Yuchao,LIN Xiangning,TONG Ning,WEI Fanrong,XIAO Shuyu(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract：In view of the problem that overhead line reclosing principle is lacking in selectivity and easy to recolse on permanent faults in multi-terminal flexible DC(MTDC),many experts have proposed a series of single-terminal reclosing principles.However,the resistive coverage for each side of a protection element is not always identical,even there are dead zones at both ends of the zone.Besides,some reclosing schemes need additional devices or auxiliary control meth-ods when injecting discriminant signals.Therefore,this paper tries to solve the above problems by means communication.Firstly,the fault characteristics of temporary fault and permanent fault are analyzed.And the waveform similarity differ-ence between the deduced value and the measured value of linear mode current is obtained by comparing and analyzing the characteristics of different fault properties.Then,the waveform similarity characteristics are analyzed by the Hausdorff distance algorithm and a signal injection time sequence of DC circuit breakers(DCCB)without additional de-vices or auxiliary controls are proposed.Finally,an adaptive reclosing scheme based on the transient current waveform similarity matching is proposed.A large number of simulation results show that the protective reach of reclosing criterion proposed in this paper can cover the entire transmission line,with high sensitivity and well applicability.Key words：overhead line;multi terminal flexible DC;waveform similarity;signal injection;adaptive reclosing 0 引言1 随着输电距离、输电容量的进一步提升，架空 基金资助项目：国家电网有限公司科技项目(电网相继故障阻断与灾后自持自愈理论与方法)(5100-202199545A-0-5-ZN)。Project supported by Science and Technology Project of SGCC(Theory and Method of Power Grid Sequential Failure Blocking and Self-sustaining and Self-healing after Disaster)(5100-202199545A-0-5-ZN).线路已代替直流电缆成为现今柔性直流输电的主要输电形式，如已经投运的张北500 kV 柔直电网工程全部使用架空线路输电1。运行经验表明，架空线上发生的故障多为单极(单相)、瞬时性故障，经故障去游离后重合成功率可达 60%90%，且电压等级越高，重合成功率更高2。现今柔性直流系统中常用重合闸策略为：在线黎 钊，郑宇超，林湘宁，等：基于波形相似度特征的多端柔直电网故障自适应重合闸方案 1327 路两侧断路器断开并等待故障去游离(约 200 ms)完成后，则解锁换流站并重合直流断路器(DC circuit breakers，DCCB)，若直流电压重新建立则表明为瞬时性故障，否则为永久性故障3。该重合闸方法存在无法区分故障性质而盲目重合的问题，若重合于永久故障则会对系统造成二次冲击、绝缘破坏甚至导致电力电子器件损伤4。因此，若能在主动识别出瞬时性故障后再进行重合闸，而在永久性故障下闭锁直流断路器，将极大提高多端柔直电网(multi-terminal flexible DC，MTDC)的运行水平，并且对提升电力系统稳定性及故障后电网自持、自愈有重要意义5。而如何在执行重合闸操作前实现故障性质的准确判别，目前仍是柔直电网重合闸技术面临的重要挑战。针对上述问题，国内外专家学者提出了多种基于单端量信息的重合闸方案，按照重合闸方案实现方式的不同大致可分为两类；第 1 类重合闸方案通过增加设备或辅助回路实现。文献6-7提出了适用于重合闸策略的直流断路器改进拓扑结构，但上述拓扑结构较为复杂特殊难以在直流电网中推广。文献8提出了一种将换流站运行于不控整流方式的故障性质辨识的重启方案，但该方法重启时间过长，不适用于多端系统。文献9提出了一种多模式、多阀段的直流断路器拓扑结构，然而该方案仅适用于按该文献改造后的直流断路器。文献10可通过直流断路器注入脉冲信号检测故障性质，但该方法需增加如耗能电阻、晶闸管等附加装置，断路器拓扑更复杂并会增加工程成本。另外一类重合闸方案通过换流器主动注入特征信号的方式实现。文献11提出了一种利用 MMC主动注入特征信号的重合闸方案，该方法可灵活转化注入模式，但不适用于半桥型 MMC。文献12提出一种特征信号注入方法来识别故障性质，但该注入方法仅针对耦合型直流断路器才能实现通路，对于现今普遍装设混合式直流断路器直流电网，其注入信号通路将被阻断而难以适用。文献13提出了一种基于半桥子模块型 MMC 换流器的新型注入法原理，本质上仍然基于反射波的极性特征，在故障点靠近测量点时的有效性需进一步验证。上述两类基于单端量的重合闸方案极大地推进了柔直电网重合闸方案的发展，然而这些方案仍存在以下问题：1)对于改进设备结构或增加辅助控制方式的自适应重合闸方案而言，其受限于换流器或直流断路器的拓扑结构，甚至还需增设附加控制，重合闸方案具有局限性；2)对于主动注入信号的单端量重合闸方案而言，故障性质判别的特征量(如特定频率分量、注入波头特征等受故障位置影响明显，这使得上述重合闸方案在全线的抗过渡电阻能力不一致，倘若线路发生近端故障或末端高阻故障此类方案重合于永久性故障的风险将显著提升。上述问题是单端量重合闸方案存在的天然缺陷，并且由于此类重合闸方案对换流站主动注入信号的特征分量有明确的要求(频率分量、波头特征等)，这使得信号注入的要求略显苛刻。经验表明，借助线路两侧保护的通信形成类比纵联保护的重合闸方案将可从理论上消弭故障位置对故障性质判别造成的影响，确保有效保护范围可覆盖线路全长。不同于多端柔直电网对主保护速动性的苛刻要求，故障后的去游离时间一般为数百毫秒3,8,11,14，有充裕的时间用以实现故障性质的判别，因此对速动性要求相对较低，线路通信延时不再成为关键制约因素，基于双端量重合闸方案的优势也逐渐凸显。综上，基于上述思想，本文提出一种利用通信的基于线模电流波形相似度特征的自适应重合闸方案。首先分析了在不同故障性质下线模网络中对侧保护线模电流的差异性；进一步，对比分析了基于贝瑞隆模型的计算得到的对侧保护线模电流推演值与真实值的波形相似度特征；在此基础上，本文利用 Hausdorff 距离算法量化分析波形相似度特征后提出了基于波形相似度重合闸判据，并进一步提出了一种与该重合闸判据配合且无需增设附加装置或辅助控制方式的注入信号生成方式，最终实现了基于 双 端 通 信 的 自 适 应 重 合 闸 方 案。在PSCAD/EMTDC 平台上搭建了四端柔直电网模型对本文重合闸方案进行仿真验证，结果表明该重合闸方案能可靠识别全长范围内的故障性质，无需增设附加装置及控制回路，具有较高的适用性。1 故障性质判别原理 在线路永久性、瞬时性故障下，由于故障性质不同，两类故障下的线路网络拓扑存在显著差别。因而，不同故障性质下造成对侧线模电流行波将产生显著差异。本章在理论分析了在永久性、瞬时性故障下的对侧线模电流行波的差异性后，介绍了在线路健全假设下的对侧线模电流推演方法，进一步1328 高电压技术 2023,49(3)通过分析不同故障性质造成的对侧电流推演值与测量值的差异性阐明了本文所提自适应重合闸判据的故障性质判别原理。1.1 瞬时性/永久性故障下的线模电流行波差别 1.1.1 永久性故