高淑萍，宋曉辰，宋國兵

基于VMD能量熵的混合雙端直流輸電線路縱聯(lián)保護(hù)方案

高淑萍1，宋曉辰1，宋國兵2

(1.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

為提高混合雙端高壓直流輸電線路故障快速清除能力，確保輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行，提出了一種基于變分模態(tài)分解(Variational Mode Decomposition, VMD)能量熵的混合雙端直流輸電線路縱聯(lián)保護(hù)方法。根據(jù)高壓直流輸電線路邊界元件兩側(cè)的電壓能量不同，同時(shí)考慮故障類型以及過渡電阻的影響，構(gòu)造了電壓故障分量的能量熵保護(hù)方案。將故障時(shí)測量點(diǎn)采集的電壓故障分量進(jìn)行VMD分解，得到若干固有模態(tài)分量并計(jì)算能量熵。根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障時(shí)電壓故障分量的能量熵大小不同構(gòu)造區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)，由正負(fù)極電壓故障分量的能量熵之比構(gòu)造故障極判據(jù)。通過PSCAD/EMTDC建模仿真，并利用Matlab結(jié)合保護(hù)判據(jù)對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該保護(hù)方法快速性好、可靠性高、耐過渡電阻能力強(qiáng)。

混合雙端直流輸電系統(tǒng)；繼電保護(hù)；故障；變分模態(tài)分解；能量熵

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)由于其傳輸容量大且損耗小的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大容量輸電[1-3]。電網(wǎng)換相型換流器高壓直流輸電系統(tǒng)(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current, LCC HVDC)存在逆變站易發(fā)生換相失敗、無功功率消耗大等缺點(diǎn)。模塊化多電平換流器高壓直流輸電系統(tǒng)(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current, MMC HVDC)不存在換相失敗問題，且有功功率和無功功率能獨(dú)立控制。結(jié)合LCC和MMC兩者優(yōu)點(diǎn)，整流站采用LCC、逆變站采用MMC的混合型高壓直流輸電成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[4]。然而基于半橋子模塊(Half Bridge Sub-module, HBSM)的MMC無法像LCC那樣單純依靠換流器控制策略來完成直流側(cè)故障穿越?；谌珮蜃幽K(Full Bridge Sub-module, FBSM)的MMC雖可以通過調(diào)制運(yùn)行實(shí)現(xiàn)直流故障穿越，提高直流電壓利用率，但與同容量和同電壓等級(jí)的半橋MMC相比，全橋MMC使用的電力電子器件較多，不僅增加了投資的成本，而且引入更多的運(yùn)行損耗。因此，將兩種子模塊混合使用，形成混合MMC，可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和故障穿越能力，使LCC-MMC混合高壓直流輸電結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)距離輸電場合有更好的工程應(yīng)用前景[5-7]。

由于直流輸電系統(tǒng)輸電線路較長，發(fā)生故障的幾率較高。故障發(fā)生后，如何快速穩(wěn)定可靠地識(shí)別故障并使繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，成為直流輸電亟待解決的問題。近些年來，針對高壓直流輸電線路保護(hù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究：文獻(xiàn)[8]提出了一種采用補(bǔ)償電流的高壓直流輸電線路保護(hù)方法，通過基于分布參數(shù)模型的HVDC輸電線路區(qū)內(nèi)外故障時(shí)不平衡電流不同，確定保護(hù)整定判據(jù)。文獻(xiàn)[9-10]利用邊界元件對高頻信號(hào)的阻滯性，分析單端暫態(tài)電氣量信號(hào)，通過邊界元件阻抗幅頻特性，構(gòu)建區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)。文獻(xiàn)[11]提出一種基于小波多頻帶能量的HVDC線路單端暫態(tài)電流保護(hù)方案。利用低頻帶能量、高頻帶和低頻帶能量比來區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障、故障性雷擊和非故障性雷擊，利用正極和負(fù)極的能量比確定故障極。文獻(xiàn)[12]根據(jù)平波電抗器兩側(cè)有功功率故障分量暫態(tài)能量的不同，利用小波包對有功功率故障分量分解，整定保護(hù)判據(jù)，即可區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障和故障極。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)的混合直流線路縱聯(lián)保護(hù)方法，通過EMD提取故障信號(hào)殘余函數(shù)，計(jì)算殘余函數(shù)的Spearman相關(guān)系數(shù)，識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障。文獻(xiàn)[14]利用改進(jìn)局部均值分解方法提取故障分量，根據(jù)線路區(qū)內(nèi)外故障時(shí)故障電壓分量瞬時(shí)能量差值的不同特征，提出一種基于改進(jìn)LMD分解的直流線路暫態(tài)保護(hù)方法。

VMD算法是2014年Dragomiretskiy等人提出的一種新型信號(hào)分解方法，早期VMD算法用于機(jī)械故障診斷[15-16]，近年來在電力系統(tǒng)中，該分解方法已在變壓器故障診斷[17-18]和高壓直流輸電線路故障測距[19-21]中應(yīng)用，但在高壓直流輸電線路保護(hù)中應(yīng)用較少。文獻(xiàn)[22]利用VMD良好頻帶劃分能力，將信號(hào)劃分為不同頻率的模態(tài)分量，可以將其應(yīng)用到諧波信號(hào)的檢測當(dāng)中。該算法具有良好的噪聲魯棒性和較高的檢測精度，可同時(shí)適用于穩(wěn)態(tài)諧波與暫態(tài)諧波的檢測。

本文提出一種基于VMD能量熵的縱聯(lián)保護(hù)方法，利用VMD分解故障電壓信號(hào)，根據(jù)直流線路區(qū)內(nèi)外故障時(shí)電壓故障分量的VMD能量熵不同，區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，根據(jù)直流線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)正負(fù)極電壓故障分量的能量熵之比不同區(qū)分故障極。本文搭建±500 kV混合雙端直流輸電系統(tǒng)的模型，通過大量仿真試驗(yàn)驗(yàn)證本保護(hù)方法的正確性。

1 混合雙端直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文搭建了直流電壓等級(jí)為±500 kV混合雙端直流輸電系統(tǒng)模型，整流側(cè)采用LCC型換流器，逆變側(cè)采用MMC型換流器，每個(gè)換流器由50%全橋子模塊和50%半橋子模塊混合級(jí)聯(lián)而成，如圖1(b)所示。其中整流側(cè)的換流器采用定直流電流控制，逆變側(cè)的換流器采用定直流電壓和定無功功率控制。

2 直流輸電線路故障特性分析

2.1 邊界保護(hù)

在本次搭建的直流線路中，平波電抗器可以作為天然物理邊界，將混合雙端線路保護(hù)分成區(qū)內(nèi)和區(qū)外兩個(gè)部分，邊界元件對暫態(tài)電壓信號(hào)的變化有衰減作用。平波電抗器主要參數(shù)為電感值，電感值取值越大，對高頻分量抑制效果越好，但太大會(huì)引起過電壓，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)性能也將變差[23]。在本文采用的模型中，經(jīng)大量仿真實(shí)驗(yàn)，電感值最小取值為100 mH，當(dāng)電感值小于100 mH時(shí)，雖然邊界可以區(qū)分，但直流電流紋波難以抑制。本文中電感值取300 mH。當(dāng)平波電抗器取300 mH時(shí)，可抑制直流紋波，且邊界效應(yīng)明顯。

2.2 區(qū)內(nèi)故障特性分析

圖2 區(qū)內(nèi)故障網(wǎng)絡(luò)附加圖

圖3 區(qū)外故障網(wǎng)絡(luò)附加圖

2.3 區(qū)外故障特性分析

由此可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，由于有邊界元件的存在，保護(hù)測量安裝處得到的電壓故障分量變化較小，電壓故障分量的暫態(tài)能量較小。

3 相關(guān)理論和算法

3.1 變分模態(tài)分解

變分模態(tài)分解(VMD)是一種自適應(yīng)、完全非遞歸的模態(tài)變分和信號(hào)處理的方法[24]，其利用循環(huán)迭代求取約束變分問題的最優(yōu)解，根據(jù)實(shí)際情況確定模態(tài)分解個(gè)數(shù)。隨后在搜索和求解過程中自適應(yīng)匹配每種模態(tài)的最佳中心頻率和有限帶寬，進(jìn)而把原始信號(hào)分解為一系列不同頻率的固有模態(tài)分量，實(shí)現(xiàn)固有模態(tài)分量的有效分離、信號(hào)的頻域劃分，進(jìn)而得到給定信號(hào)的有效分解成分，最終獲得變分問題的最優(yōu)解。

該算法利用維納濾波構(gòu)造了原始信號(hào)()的變分問題，將原始信號(hào)分解成個(gè)本征模態(tài)IMF分量，保證分解序列為具有中心頻率和有限帶寬的IMF分量。構(gòu)造的約束性變分表達(dá)式為

式中，為噪聲容限參數(shù)。

變分模態(tài)分解具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

3.2 算法參數(shù)設(shè)置

3.3 VMD能量熵

信息熵是對系統(tǒng)不確定性的度量化，即信號(hào)輸出的信息越多，則不確定性越大，得到的熵值越大。反之，信號(hào)輸出的信息越少，則不確定性越小，得到的熵值越小。將信息熵運(yùn)用在直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)故障電壓分量變化越大時(shí)，得到的暫態(tài)能量越多，其能量熵值越大，當(dāng)故障電壓分量變化越小時(shí)，得到的暫態(tài)能量越少，其能量熵值越小。

由于邊界元件的抑制作用，當(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)測量安裝處電壓故障分量的暫態(tài)能量較大，當(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)測量安裝處電壓故障分量的暫態(tài)能量較小，其VMD能量熵值不同，所以可利用計(jì)算VMD能量熵的辦法來識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障狀態(tài)。

4 基于VMD能量熵的保護(hù)方法

4.1 保護(hù)啟動(dòng)

直流線路故障時(shí)，提取保護(hù)安裝處的電壓故障分量幅值，構(gòu)造出保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)。

4.2 保護(hù)判據(jù)

4.2.1區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)

當(dāng)直流輸電線路確定發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)首先判斷故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。通過2.3節(jié)分析可知，直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)測量點(diǎn)得到的電壓故障分量的暫態(tài)能量較大，VMD能量熵值較大，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)測量點(diǎn)得到的電壓故障分量的暫態(tài)能量較小，VMD能量熵值較小。由此，構(gòu)造區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)。

4.2.2故障極識(shí)別判據(jù)

當(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，需進(jìn)一步識(shí)別故障是發(fā)生在正極、負(fù)極或者雙極線路，即需要判別故障極。當(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)正極故障時(shí)，正極保護(hù)測量安裝處的電壓故障分量的能量熵遠(yuǎn)大于負(fù)極保護(hù)測量安裝處，當(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)負(fù)極故障時(shí)，負(fù)極保護(hù)測量安裝處的電壓故障分量的能量熵遠(yuǎn)大于正極保護(hù)測量安裝處，當(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)雙極故障時(shí)，正極保護(hù)測量安裝處的電壓故障分量的能量熵與負(fù)極保護(hù)測量安裝處的大小相近。

最終，構(gòu)造的保護(hù)判據(jù)如下。

4.3 保護(hù)流程

圖4為保護(hù)方法流程圖，先判斷是否發(fā)生故障，當(dāng)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行VMD分解，求取能量熵，對比正負(fù)極能量熵大小，從而判別區(qū)內(nèi)外故障，以及故障選極。

圖4 保護(hù)方法流程圖

5 仿真驗(yàn)證與分析

本文搭建的混合雙端直流模型輸電線路長度為800 km，仿真時(shí)長2 s，在1 s時(shí)設(shè)置故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s，故障采樣窗口設(shè)為3 ms，采樣頻率設(shè)為10 kHz。

5.1 區(qū)內(nèi)外故障仿真

5.1.1金屬性接地故障

當(dāng)過渡電阻為0.01 Ω時(shí)，在不同故障類型和不同故障位置下，測量點(diǎn)得到的能量熵值如表1所示。

表1 區(qū)內(nèi)外金屬性短路故障識(shí)別結(jié)果

5.1.2高阻接地故障

過渡電阻為100 Ω、300 Ω、500 Ω時(shí)，在不同故障類型和不同故障位置下，測量點(diǎn)得到的能量熵值如表2所示。

5.2 故障選極

表2 區(qū)內(nèi)高阻接地故障識(shí)別結(jié)果

表3 故障極識(shí)別結(jié)果

5.3 故障仿真驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)5.1節(jié)與5.2節(jié)可以得到故障后保護(hù)動(dòng)作情況。由表4可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)正極故障時(shí)，僅正極的保護(hù)元件動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)負(fù)極故障時(shí)，僅負(fù)極的保護(hù)元件動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)雙極故障時(shí)，兩極的保護(hù)元件均動(dòng)作；而發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)元件不動(dòng)作。

表4 故障仿真動(dòng)作情況

6 結(jié)論

本文利用混合雙端直流輸電系統(tǒng)的邊界特性，構(gòu)造了一種基于VMD能量熵的直流線路縱聯(lián)保護(hù)方法。通過PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建混合雙端直流輸電模型，通過模擬不同工況下的故障，提取電壓信號(hào)，進(jìn)行VMD分解，得到能量熵。利用能量熵區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障和故障極。經(jīng)分析可得結(jié)論如下。

1) 在發(fā)生故障時(shí)，由于邊界元件的存在，線路暫態(tài)電壓驟變，且故障線路提取的電壓故障分量變化量明顯大于非故障線路，此特性可用于構(gòu)造保護(hù)方法。

2) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時(shí)，所提取的電壓故障分量的能量熵不同，可準(zhǔn)確判定區(qū)內(nèi)外故障，并利用同一側(cè)換流站正負(fù)極能量熵之比進(jìn)行故障極識(shí)別。

3) 此方法可準(zhǔn)確保護(hù)直流線路全長。

4) 此方法可在過渡電阻為500 Ω時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別故障，具有較高耐高阻能力，可在3 ms內(nèi)快速識(shí)別故障并可靠動(dòng)作。

綜上可知，本文所提的縱聯(lián)保護(hù)方法易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，具有較高精度，可準(zhǔn)確識(shí)別故障。

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Longitudinal protection scheme of hybrid double-terminal DC transmission lines based on VMD energy entropy

GAO Shuping1, SONG Xiaochen1, SONG Guobing2

(1. College of Electrical and Control Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China;2. School of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

To improve the quick fault clearing ability of hybrid dual-terminal HVDC transmission lines and ensure the safe operation of the transmission system, a hybrid dual-terminal HVDC transmission line longitudinal protection method based on variational mode decomposition energy entropy is proposed. Given the different voltage energy on both sides of HVDC boundary elements, and considering the fault types and the influence of transition resistance, a protection scheme of energy entropy of the voltage fault component is constructed.The voltage fault components are collected at measurement points when faults are decomposed by VMD to obtain some inherent modal components and calculate the energy entropy. The fault criteria are constructed according to the values of energy entropy of the voltage fault components in and out of the zone, and a fault pole criterion is constructed according to the ratio of the energy entropy of the components in and out of the zone. The method is verified usingPSCAD/EMTDC modeling and simulation, Matlab and protection criteria. The results show that the protection method is fast, and has high reliability and strong resistance to transition resistance.

hybrid double-ended DC transmission system; relay protection; fault; variational mode decomposition; energy entropy

10.19783/j.cnki.pspc.211115

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(51777166)；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目資助(U1766209)；中國國家留學(xué)基金項(xiàng)目資助

This work is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 51777166).

2021-08-17；

2021-12-13

高淑萍(1970—)，女，通信作者，博士，副教授，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娋€路保護(hù)與故障定位、新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、直流配電網(wǎng)的保護(hù)等；E-mail: gao.sp2003@163.com

宋曉辰(1997—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娋€路保護(hù)與故障定位。E-mail: 1622176893@qq.com

(編輯 許 威)