Identification of Lightning Stroke and Fault in the Travelling Wave Protection

To resolve the impact of transient high frequency signals induced by lightning stroke on the travelling wave protection of transmission line, a novel identification algorithm is proposed. Using the characteristics of symmetric current wave-form induced by lightning stroke without causing fault and that of asymmetric current waveform generated by fault within a very short time interval, the waveform of transient current above and below time-axes are integrated respec-tively. First, through comparing the relative ratio of them with threshold value, the primary criterion identifying fault and lightning stroke is constructed;Secondly, to improve the reliability of discrimination between lightning stroke with and without causing fault, according to the difference of them, the secondary criterion is also defined. The simulation results and analysis demonstrate that the proposed integral criterions are valid and correct.

基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电纵联方向保护

在直流线路中行波保护作为主保护应用广泛,但行波保护作为单端量的保护具有误动性较高且耐过渡电阻能力较差的缺点。在分析了行波在直流输电系统中传播特性的基础上,根据区内和区外故障时暂态电流行波变化方向的不同提出了一种基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电系统纵联方向保护。若故障时两侧暂态电流行波突变方向相同,则为区内故障,否则为区外故障。通过PSCAD和MATLAB的仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离的影响,因此具有一定的实用性。

一种适用于混合双极直流输电的纵联方向保护方法

直流输电线路通常是以大电感和直流滤波器作为边界,故障行波在边界发生折射和反射时,其行波能量也会因为电感和滤波器的存在而被吸收,导致区内、外高频行波能量产生差异.当故障发生为正方向故障时,其高频前行波能量小于高频反行波能量;当故障发生为反方向故障时,其高频前行波能量大于高频反行波能量.由此特征提出了一种基于前、反行波高频能量差异的纵联方向保护,该保护采用小波包变换提取行波的高频能量,利用前行波与反行波在区内故障和区外故障时的高频能量差异判别故障.仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离和噪声的影响,具有一定的实用性.

适用于直流保护的数学形态学降噪与噪声干扰识别方法

柔性直流输电系统是调节我国能源分布不均问题的重要手段,直流保护是保证柔直系统安全的重要技术。现有工程中多采用行波保护作为主保护,然而行波保护存在易受噪声影响、故障波头不易捕捉等问题,制约了其广泛应用。针对上述问题,提出数学形态学降噪与噪声干扰识别方法,并根据直流保护采样信号特点进行参数设计,用于直流保护采样信号降噪和噪声干扰的识别。首先,确定基于自适应多尺度形态滤波的直流信号降噪方法,并设计结构元素长度和形态学滤波器类型、自适应多尺度形态滤波器的滤波器阶数和步长。其次,确定基于形态学梯度变换的噪声干扰识别方法,并设计形态学梯度变换的阈值。接着,从不同角度对形态学降噪方法与现有典型信号处理方法的滤波效果进行对比分析。最后,对形态学降噪与噪声干扰识别方法和保护的配合效果进行验证。形态学降噪与噪声干扰识别方法所需采样频率较低,运算量适中,滤波效果好,对直流保护适用性好。

基于首行波曲率半径的交直流互联电网交流输电线路单端量保护

交直流互联电网中逆变侧交流输电线路故障特征与纯交流系统具有较大的差异性,传统交流输电线路的保护方案已经不再适用于逆变侧交流输电线路.首先,基于逆变侧交流输电线路发生区内、外故障时拓扑结构的不同,分别推导了两种情况下线模故障分量电流首行波的表达式,理论上明确了交流输电线路在发生区内、外故障时首行波波形特征的差异性.其次,采用小波变换模极大值法和Levenberg-Marquardt算法提取首行波曲率半径,构造了利用首行波曲率半径进行故障区域识别的高可靠性单端量保护方案.最后,在PSCAD/EMTDC中搭建交直流互联电网模型,使用MATLAB对保护方案进行验证.仿真结果表明:所提保护方案快速有效,可靠性高,耐受过渡电阻的能力较强,具有良好的抗噪声能力.

Traveling Wave Based Single-Phase-to-Ground Protection Method for Power Distribution System

Correct detection and identification of single-phase to-ground faults not effectively grounded in distribution systems is a major challenge for protection engineers.This paper proposes a novel traveling wave based protection method to solve this problem.The proposed method compares the polarities of current and voltage traveling waves measured immediately after the fault inception to determine the fault direction.Nuisance tripping is avoided by using the power frequency voltages detected on the busbar to inhibit operation.The power frequency voltages ensure that the system does not mal-operate due to noise and also provide discrimination for phase-to-phase and three-phase faults.The wavelet transform and modulus maxima theories are used to extract the polarity of traveling waves measured at the relaying point.The simulation studies demonstrate correct operation of protection,which is independent of fault distance,fault inception angle,fault path resistance,and the method used for neutral grounding.

基于初始电流行波相位的多端混合直流线路单端保护方案

为了解决LCC-MMC型多端混合直流系统线路保护存在的问题,提出一种基于初始电流行波相位的多端混合直流线路单端保护方案。首先基于多端混合直流输电线路发生不同位置和类型的故障工况,推导直流线路入射电压行波的解析式并计算其高频段相位。其次结合线路边界行波折反射原理和测量波阻抗特性,提出利用初始电压行波相位的区内外识别判据,并根据雷击和短路故障的入射行波低频相位特性构建雷击干扰判据。在PSCAD/EMTDC中搭建昆柳龙多端混合直流系统模型进行验证,证明所提方案仅利用单端量信息即可满足故障判断和选线要求,满足速度性的同时具备一定的抗过渡电阻能力(500Ω)。

基于行波电流极性差异的交直流混联系统纵联方向保护方法

交直流混联系统中逆变站的换相失败使交流线路发生频率偏移,导致工频量纵联方向保护的可靠性受到影响。提出了一种基于行波电流极性差异的交直流混联系统纵联方向保护方法,利用线路区内、外故障时,传播到两端保护的电流故障初始行波波头之间极性差异构成纵联保护。该方法仅利用电流初始行波极性差异进行方向判别,消除了电容式电压互感器无法准确传输宽频带电压信息导致保护的低可靠性问题,且利用高频电流进行计算,避免了交直流混联系统频率偏移的影响。仿真结果显示,基于行波电流极性差异的纵联方向保护方法能够准确、快速地识别单相故障和多相故障,适用于交直流混联系统。

Fault area estimation using traveling wave for wide area protection

As the increasing number of Phasor Measurement Units(PMUs) are deployed, wide area protection in power systems has been gaining interest. In particular, fault detection, fault classification and fault area estimation are essential to reduce the damage of faults, and even prevent catastrophic cascades of failures. In this paper, we present a scheme for fault area estimation using PMUs and traveling wave theory. The purpose of this paper is to formulate a scheme for fault area estimation by calculating the approximate fault location based on traveling wave theory.This research has targeted at reliable operation of wide transmission system through the estimation of fault area.To verify the suggested scheme, the various simulations are performed in practical Korean power transmission system.The simulation results show that the proposed scheme has a good performance with high accuracy for estimating fault area.

A new principle of traveling wave differential protection on series-capacitor-compensated transmission lines

Traveling wave differential protection has the ability,in theory,to entirely eliminate the effects of distributed capacitive current,but it cannot be applied on series-capacitor-compensated lines directly.In this paper,unbalanced output of conventional forward and reverse traveling wave differential currents under normal operating conditions and external faults was analyzed.A new type of traveling wave differential current was defined by combining forward and reverse traveling wave differential currents.Expressions of the defined differential current when internal and external faults occur were deduced.On this basis,a new principle of traveling wave module differential protection on series-capacitor-compensated lines was proposed,and characteristics of module differential current under different faults were analyzed.The priniciple is immune to line distributed capacity,series capacitor positions,and presence or absence of MOV breakovers.The validity of this scheme was verified by PSACD simulations.

适应波达时刻不确定性及较低采样率的新能源送出线路就地暂态量主保护判据

不对称接地故障占所有线路故障的90%以上,接地距离保护在应对此类故障方面发挥了不可替代的作用。随着新能源高比例渗透,各种传统单端工频量保护性能显著下降已成为共识。基于故障分量线模和零模波速差的保护判据理论上仅需利用到故障初始行波到达时刻信息,是一种原理简单可靠的单端量快速保护判据,已经在直流电网中成功实践。但在尝试将这类保护应用于交流电网时发现,受波头前陡较缓而难以精确定位波到时刻、依赖高采样率等诸多不利因素影响,存在过大的模糊判别区,除了特长线路外,对绝大部分线路几乎没有应用可行性。波到时刻的精准辨识是一个复杂的非线性问题,利用人工智能的方法进行辨识是一条可行的解决思路,对此,该文提出一种新的单端暂态量主保护判据。首先,分析波达时刻与波形关系,并指出这种关系能够采用机器学习来映射;其次,引入高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR),在对初始行波数据进行预处理得到样本集后,输入GPR预测模型进行训练;然后,依据模型评估指标得到最优训练模型以输出高可信性的线-零模波达时差,据此实现了基于行波模量传输时间差的保护判据;最后,在利用PSCAD仿真验证所提保护判据有效性和普适性的基础上,进一步利用现场实测数据对判据进行测试,验证其实用性。该文工作为新能源交流系统下单端暂态量保护的性能提升提供新的解决思路。

基于电压行波极性特征的新能源送出线路保护方案

新能源经交流线路送出时,由于其弱馈性和受控特性,传统的工频量保护难以适用,而行波保护能够在新能源控制系统介入导致故障特性发生较大变化之前完成故障识别,是目前解决新能源送出线路工频量保护问题的有效途径之一。然而现有的单端行波保护方案无法准确识别区内近端故障和区内末端故障,因此文中分析了区内和区外故障情况下行波的折反射过程,并利用电压行波零模分量与线模分量到达保护安装处的时间差对故障位置进行初判;针对基于时间差难以准确识别的区内近端故障和区内末端故障,进一步挖掘电压行波的极性特征,利用首个反极性的电压行波和故障初始电压行波到达保护安装处的时间差与故障位置的关系来识别区内近端故障,利用前2个电压行波的极性关系来识别区内末端故障。仿真结果表明,该方案能够快速识别区内外故障,并且具有较好的耐过渡电阻能力。

基于行波相位特征的海上风电柔直电缆故障保护方法的研究

电缆线路对行波的色散和衰弱性质会导致常规的行波法在电缆线路上的应用受到限制。文中提出一种适用于电缆线路的保护方案,该方案通过提取线路极线量进行相模变换,进而得到线模和地模行波分量构建整体保护方案。利用复小波Morlet获取故障模量中的相位信息,之后通过区内外故障的相位差异可以有效识别故障。基于PSCAD和Matlab仿真验证了该方法的有效性。与传统行波保护方案比较,该保护方案具有更强的耐受过阻能力。

柔性直流架空线路差模波特征优化方法

随着柔性直流输电系统向高电压、大容量方向发展,采用架空线路成为工程选择的必然趋势。本文基于工程化应用场景,结合行波模型和计算量,运用离散小波变换和多分辨率解析方法分别对差模行波、直流电流、直流电压等电气量进行处理,得到其特征值,在远端区内故障和远端区外故障时对比三者的差异。针对差模行波特征值,对远端区内经过渡电阻的故障工况进行测试。结果表明,本文所述计算方法具有较好的选择性和灵敏性,且计算量小,能够满足实际工程需求。

高可靠性真空微波功率模块保护电路

文中设计一种高可靠性高压电源保护电路,适配于真空微波功率模块。首先利用PSpice仿真软件进行电路仿真,简化电路设计,优化电路参数;然后与行波管构成一个测试系统,并设计一个电路板进行实际测试,利用示波器等仪器来验证保护电路的有效性。针对长时间高强度的工作状态,电路设计包含母线电流过流保护电路、螺旋线电流过流保护电路、断电保护电路。在模块工作出现异常时,可以及时有效地关闭模块,防止元器件受到损害。仿真结果表明,所设计保护电路提高了微波功率模块的可靠性,降低了研制成本,延长了使用寿命。

基于双端初始电流行波时频矩阵相似度的柔性直流输电线路保护原理

针对目前柔性直流(voltage source converter-based high voltage DC,VSC-HVDC)电网的线路保护中存在的问题,提出一种基于双端初始电流行波(Initial current traveling wave,ICTW)时频矩阵相似度的柔性直流输电线路保护原理。首先,对柔性直流电网在线路区内外故障下两端保护所在处ICTW的故障特性进行分析,总结出在特定时间窗内,区内故障下两端ICTW的频域相似度远高于区外故障。在此基础上,利用S变换对双端ICTW进行时频分析,建立时频矩阵,并对其做奇异值分解(singular value decomposition,SVD)。然后根据特征矩阵构造双端ICTW的相似度计算公式,以该相似度的大小判别线路区内外故障。另外,根据线路两端ICTW的高低频能量比识别雷击干扰。最后,各种故障情况下的仿真结果表明,该保护原理不依赖线路边界元件,可以保护不同长度线路的全长,具有更高的耐过渡电阻和抗噪声能力,并且能够满足柔性直流电网主保护的速动性要求。

基于故障行波差异性的柔性直流输电线路纵联保护

柔性直流输电对解决大规模新能源的消纳问题具有重要意义,其中行波保护是保障系统安全的关键。然而采用行波幅值比较判据区内外故障的保护对故障前、反行波幅值关系分析并不严谨,行波反射关系式仅在复频域下成立,若将此关系推广到时域中可能影响保护的动作性能,给系统安全埋下隐患。针对这一问题,该文首先从理论上分析行波幅值比较式方向纵联保护的不足,并从区内故障验证出保护失效的边界。为具体揭示故障前、反行波的差异性,该文定量分析电压反行波与电流行波在一定时间内的极性,进而提出一种采用多点均值的电压行波方向识别判据并构成纵联保护。大量仿真结果表明,所提保护能够快速、可靠地识别线路区内外故障,具有较强的耐受过渡电阻能力与抗干扰能力。

基于反步自适应准谐振控制的双馈风机次同步振荡抑制策略

随着电力系统容量和规模的不断扩大,常采取串补电容的方式提升输电线路的输电能力,但这加剧了电力系统中出现次同步振荡(SSO)的风险。SSO的产生会影响双馈感应发电机(DFIG)转子侧变流器(RSC)的控制,进而引起定子电流的振荡发散,严重时将会导致风机解列脱网。因此,为解决SSO对RSC控制产生扰动的问题,该文提出了基于自适应准谐振控制的RSC反步次同步振荡抑制策略。首先对SSO在RSC控制系统中的传播路径及其频率变化对控制的影响等内容展开研究;然后通过反步控制器与自适应准谐振控制器的协同控制,对DFIG定子中宽频带SSO电流进行抑制,避免发电系统输出受到SSO的影响;最后通过搭建仿真模型与实验平台,验证所提理论与控制策略的有效性。该文分别对在10 Hz、20 Hz、30 Hz及频率变化时SSO影响下的DFIG定子振荡电流抑制效果进行验证。实验结果表明,所提策略对DFIG系统中宽频带SSO具有良好的抑制效果。

基于模量行波差异的柔性直流输电线路单端量保护方法

在柔性直流输电中,基于波形特征的行波保护在近端或对近端故障时易受后续行波影响,保护范围存在死区;且发生区外非金属性故障时故障处电压并非阶跃波,若以故障处电压为阶跃波开展原理研究,则也会影响保护的动作性能。针对以上问题,首先解析发生区内、外故障时故障处电压波形差异的原因,然后分析线模与零模电流之间的差异性,进一步得到反映区内、外故障的模量行波差异通项。为避免区外非金属性故障的影响,在此基础上利用不对称故障下行波的折反射特征,提出模量行波差异与折反射特征相配合的单端量保护方法。PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,所提保护方法能有效解决近端故障下保护拒动的问题且具有较强的耐受过渡电阻能力和抗噪声干扰能力,此外还避免了区外非金属故障的影响。

基于首行波主频分量的柔性直流输电线路单端量行波保护

基于传统柔性直流输电线路行波保护存在耐过渡电阻能力不足,保护整定缺乏依据的问题。该文首先分析区内、外故障保护安装处首行波频率分量的衰减特征,揭示区内故障首行波频率分量衰减规律,区内、外故障首行波频率分量衰减差异性。然后,深入分析保护安装处故障首行波解析式,增强高频分量在能量计算中的影响,构造出能够反映故障位置和线路边界衰减特性的首行波主频分量。首行波主频分量解析式表明主频分量随故障距离增加而减小,区内、外故障首行波主频分量存在显著差异。在此基础上,提出一种基于首行波主频分量衰减特征的单端量行波保护方法,该方法充分利用了首行波全频段信息,原理上不受过渡电阻的影响且主频分量解析式也为保护阈值整定提供了理论依据。仿真结果表明所提保护方案能够快速准确识别区内、外故障,首行波主频分量能有效反映故障位置,整定简单易行,耐过渡电阻能力较强,在不同网络拓扑结构下具有较强的适应性。