1.本发明属于电力系统保护与控制技术领域，具体涉及一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法。
背景技术：2.基于lcc换流器的高压直流输电(line commutated converter-based high voltage direct current，lcc-hvdc)以其传输容量大、功耗低的优点在实际工程中得到了广泛的应用。但它对交流系统的依赖程度高，交流故障可能引起直流换相失败，甚至威胁电网的安全稳定。而vsc-hvdc(voltage source converter-based high voltage direct current)可以避免直流换相失败，并能向无源网络供电，实现有功功率和无功功率的独立控制，但其具有较高的经济投资和电力损耗。
3.mmc(modular multilevel converter)作为一种新型vsc换流器，由于其可扩展性强、谐波低，已成为目前研究的一个热点。混合级联直流输电是一种典型的混合多端直流输电，它综合了lcc-hvdc和mmc-hvdc的优点。其送端采用lcc换流站，受端由高压阀组lcc换流站与低压阀组mmc换流站串联组成，该拓扑结构提供了更灵活的传输方式，不仅提高了交流系统电压的稳定性，而且降低了直流换相失败的概率，同时，还可向多个负荷中心供电，促进能源消耗。
4.直流线路保护的可靠性是电力系统安全运行的前提。然而，由于混合级联多端高压直流输电系统的拓扑结构和运行方式不同于传统的lcc-hvdc和vsc-hvdc系统，线路故障特征存在较大差异。因此，传统的lcc-hvdc系统或vsc-hvdc系统的线路保护可能并不适用于混合直流输电系统，亟需研究新型直流线路保护。
5.现有直流线路保护可分为单端量保护和双端量保护。其中，行波保护为线路的主保护，其运行速度快，但对高阻接地故障的灵敏度较差。电流差动保护作为后备保护，需要将电流波形从线路的一端传输到另一端，对通信要求较高。一些学者提出了基于线路边界元件(直流滤波器和平波电抗器)的双端量保护。如基于附加电感电压比值构成纵联保护，基于直流滤波器特定频率电流分量构成纵联保护。然而在混合直流输电系统中，mmc换流站一侧无需配置直流滤波器，并且限流电感值较小，此时可能无法基于边界元件构成线路保护。
技术实现要素：6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，本发明能够克服传统高压直流输电线路保护的缺点，对直流线路故障进行分析得到故障分量网络，发现故障线路与非故障线路的高频电流呈负相关，非故障线路的高频电流呈强正相关，并且此相关性不受故障位置和过渡电阻的影响；接着，利用余弦相似度来描述电流相关性，构造保护识别判据，本发明能正确识别故障线路，并且
耐过渡电阻能力强，且算法简单，计算量小。
7.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
8.一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
9.s1、确定区内外故障识别判据
10.故障识别判据的构造如下：
[0011][0012]
其中：r
set
为整定值，r
cos12
，r
cos13
和r
cos23
分别为电流i1和i2、i1和i3以及i2和i3的相关系数，相关系数计算公式如下所示：
[0013][0014][0015][0016]
其中：i1，i2和i3分别为测点m1，m2和m3的高频电流；
[0017]
对于发生在直流线路l1、l2或l3的故障，非故障线路的高频电流呈完全正相关，其相关系数理论上为1；而故障线路和非故障线路的高频电流呈很强的负相关，其相关系数理论上为-1；当直流母线发生故障时，三条直流线路的高频电流均呈正相关，其相关系数理论上为1；
[0018]
s2、建立故障启动判据
[0019]
混合直流输电系统正常运行时，直流电压近似等于某一数值，故障发生后，直流电压发生突变，基于电压的变化来判断直流系统是否发生故障，故障启动判据如下式所示：
[0020][0021]
其中：δu
x
为测点x处的故障分量电压，x为测点m1～m6，u
set
表示阈值，u
set
＝k
set u
e0
，其中k
set
为裕度系数，设为2；u
e0
为系统正常运行时最大电压变化量，根据仿真测试，u
e0
为8kv，则u
set
＝k
set u
e0
＝2
×
8kv＝16kv；
[0022]
s3、建立故障选极判据；
[0023]
双极高压直流输电系统中，对于单极接地故障，故障极的电压变化比非故障极的电压变化明显，对于双极短路故障，两极电压变化相似不明显，利用两极的电压变化实现故
障极的选择，如下式所述：
[0024][0025]
其中：δu
x
为测点x处正极故障分量电压，x为测点m1，m2和m3，δu
x'
为测点x'处负极故障分量电压，x'可以是测点m4，m5和m6；
[0026]
故障选极判据构造如下式所述：
[0027][0028]
其中q
set1
和q
set2
为阈值，对于双极直流输电工程，同杆共架的直流线路耦合系数通常小于0.5，故障极与非故障极之间的故障分量电压幅值比超过2；
[0029]
故对于正极接地故障，q》2，故q
set1
可设置在1～2范围内；
[0030]
对于负极接地故障，q《0.5，故q
set2
可设置在0.5～1范围内；
[0031]qset1
和q
set2
分别设置为1.5和0.6；
[0032]
s4、确定保护方案；
[0033]
利用直流电压变化量构成保护启动判据，判断故障是否出现，利用余弦相似度计算高频电流的相关系数进行区内外故障的识别，利用两极的电压变化来选择故障极，构成整体的保护方案。
[0034]
而且，考虑到高频信号较弱，衰减速度快，对采样率要求较高，所述高频电流采用1～4khz来构造故障识别判据。
[0035]
而且，所述高频电流采用切比雪夫滤波器提取，数据窗口设为2ms。
[0036]
而且，所述区内外故障识别判据中的整定值r
set
设置为0。
[0037]
本发明的优点和有益效果为：
[0038]
1、本发明的保护方法计算量小，只需计算直流线路故障电流的相关系数即可，能够准确地识别直流线路故障，识别效率高，并保证对多端直流输电线路的及时保护，保证使用安全。
[0039]
2、本发明的保护方法对高阻接地故障灵敏度高、可靠性强，适用范围广泛。
[0040]
3、本发明的保护方法不需要线路两端数据的实时同步，对通信传输要求较低。
附图说明
[0041]
图1是混合级联多端直流输电系统的拓扑结构图；
[0042]
图2是直流线路l1故障时故障分量电路图；
[0043]
图3是直流母线故障时故障分量电路图；
[0044]
图4是本发明的流程图；
[0045]
图5是直流线路l1末端金属性接地故障仿真实验图；
[0046]
图6是直流线路l2中点发生rf＝300ω接地故障仿真实验图；
[0047]
图7是直流母线金属性接地故障仿真实验图。
具体实施方式
[0048]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0049]
本发明提供一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，混合级联多端直流输电线路系统的典型拓扑结构如图1所示，其送端采用lcc换流站，受端由高压阀lcc换流站与低压阀mmc换流站串联组成。由于用地限制，在混合直流系统的受端，lcc换流站与mmc换流站分站建设，两者通过直流线路连接，如图1所示。具体来说，在混合直流系统的受端，在发达区域的边缘配置一个lcc换流站，将部分直流功率转换为交流功率。然后通过架空线路或直流电缆将lcc换流站连接到三个mmc换流站，将剩余电力深入传输到发达地区的各个角落。采用三个mmc换流站并联的方式可以分散传输功率，降低对mmc传输能力的要求。这种拓扑结构的优点如下：受端mmc换流站连接不同的交流系统，实现向多个负荷中心供电。此外，该拓扑充分利用了直流走廊利用率高、传输功率大的优点。如图1所示，送端lcc站与受端lcc站通过直流线路l0连接。受端高压阀lcc和低压阀mmc由三条直流线路l1～l3连接。为提高混合直流输电系统的灵活性和可靠性，当直流线路l1～l3的任何一条线路发生故障时，直流系统的其他非故障线路应正常投入。因此，应该在直流线路l1～l3两端配置直流断路器。限流电抗器可以抑制故障电流的上升，配合直流断路器切断故障线路，因此建议在直流线路两端配置限流电抗器。l
dc
表示限流电抗器，cb代表直流断路器。m1～m6为测点。f0～f5表示故障点。f0直流线路l0故障。f1～f3表示直流线路l1～l3故障。f4、f5分别为正极、负极直流母线故障。
[0050]
混合直流输电系统线路故障可分为单极接地故障和双极短路故障。由于双极短路故障的故障特征与单极接地故障相似，此外，由于正极和负极的对称性，本发明以正极故障为例进行详细的故障分析。当直流线路l0发生单极接地故障时(图1中的f0)，送端放电电路和放电机理与传统lcc-hvdc相似。由于晶闸管的单向导电性，受端低压阀组mmc子模块中存储的能量无法通过高压阀组lcc向故障点馈入电流。常规线路保护适用于直流线路l0，直流线路l0无需配置直流断路器。
[0051]
当直流线路l1、l2或l3发生单极接地故障时(图1中的f1、f2或f3)，故障放电机理分析类似。这里以直流线路l1发生故障为例进行说明。f1故障后，不仅mmc1子模块电容向故障点放电，高压阀组lcc以及另外两个并联的换流阀mmc2和mmc3也会向故障点注入故障电流，此时故障电流的上升速度远大于传统的lcc-hvdc或vsc-hvdc。此外，对于发生在直流线路l1、l2或l3的故障，因为线路的一侧是lcc换流器，另一侧是mmc换流器，故障分析更为复杂，与传统的lcc-hvdc以及vsc-hvdc相比，线路故障特征存在较大差异。传统的lcc-hvdc或vsc-hvdc线路保护可能不适用于直流线路l1、l2和l3。因此，本发明主要对直流线路l1、l2和l3的线路保护进行研究。
[0052]
直流线路故障特征分析：
[0053]
为躲过故障后直流控制系统的影响(控制系统响应通常需要10ms)，本发明使用的电流和电压都为故障发生后2ms之内的，此时叠加定理是适用的。以直流线路l1故障(图1中的f1)为例进行说明，此时相应的故障分量电路，如图2所示。
[0054]
图2中，和分别表示测点m1、m2和m3的电流。为流经lcc的电流。表示直流母线电压。为故障点电压。rf为过渡电阻。z
dc
为限流电抗器等效阻抗，z
dc
＝j2π
fl
dc
，f表示频率。z
p1
为直流线路l1从故障点到测点m1的等效阻抗，z
p2
为直流线路l1剩余部分的等效阻抗。z
line2
、z
line3
分别为直流线路l2、l3的等效阻抗。z
lcc
为lcc侧的等效阻抗。z
mmc1
、z
mmc2
和z
mmc3
分别为mmc1、mmc2和mmc3的等效阻抗。在故障分析过程中，mmc换流器可以等效于rlc串联阻抗。
[0055]
图2中，直流线路l1发生故障后，非故障线路m2、m3处测得的电流分别如式(1)和式(2)所示。
[0056][0057][0058]
式中，z
eq2
、z
eq3
分别为支路l2、l3的等效阻抗，如式(3)、(4)所示。
[0059]zeq2
＝3z
dc
+z
line2
+z
mmc2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0060]zeq3
＝3z
dc
+z
line3
+z
mmc3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0061]
故障线路m1处测得的电流可表示为式(5)。
[0062][0063]
式中，z
eq
为z
eq2
、z
eq3
和z
lcc
的并联阻抗，如(6)所示。
[0064]zeq
＝z
eq2
//z
eq3
//z
lcc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0065]
当直流线路发生故障时，故障电流迅速上升，为避免过流对mmc设备造成损坏，要求保护能够在很短的时间内(一般在3ms内)检测到故障。因此，在故障暂态分析及相关保护研究中，只需考虑mmc闭锁前的阶段，此阶段以子模块电容放电为主。在这一阶段，mmc换流器可等效为rlc串联阻抗，如图2所示。以mmc2为例进行说明，其等效阻抗z
mmc2
可表示为式(7)。
[0066]zmmc2
＝jωl
mmc2
+r
mmc2
+1/jωc
mmc2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0067]
式中，l
mmc2
、r
mmc2
和c
mmc2
分别为mmc2的等效电感、电阻和电容，如式(8)所示，ω为角频率。
[0068][0069]
式中，l
arm
为桥臂电感，r
arm
是桥臂电阻，c
sub
是子模块电容，n为每个相单元投入运行的子模块数。
[0070]
参考现有mmc-hvdc输电工程，桥臂电感l
arm
一般为100～300mh，故mmc的等效电感l
mmc
一般为66.67～200mh；桥臂电阻r
arm
一般为0.3ω，故mmc的等效电阻r
mmc
一般为0.2ω；子模块数n通常为100～300，子模块电容c
sub
的值一般为10～20mf，因此，mmc的等效电容c
mmc
一般为0.1～0.6mf。结合式(7)可以推出，当频率f满足式(9)时，mmc的电感阻抗大于电容阻抗，即ωl
mmc
》1/ωc
mmc
。而mmc的等效电阻一般较小，因此可以得到，在高频时，mmc可以等效为电感l
mmc
。
[0071][0072]
当频率大于1khz时，lcc侧等效阻抗z
lcc
可视为电感l
lcc
，直流线路在高频时也可以等效为电感。
[0073]
结合以上分析可以得出，在高频时，非故障线路的电流满足式(10)。
[0074][0075]
式中，l
eq2
和l
eq3
分别为z
eq2
和z
eq3
的等效电感，l
line2
和l
line3
分别为z
line2
和z
line3
的等效电感，k
23
为和电流比。
[0076]
由式(10)可知，对于发生在直流线路l1的故障，非故障线路l2、l3的高频电流呈完全正相关。
[0077]
而故障线路和非故障线路的电流满足式(11)和(12)。
[0078][0079][0080]
式中，l
eq
为z
eq
的等效电感。k
12
和k
13
分别表示和和的电流比。
[0081]
可以得出，对于发生在直流线路l1的故障，故障线路与非故障线路的高频电流呈较强的负相关，即和和分别为负相关。
[0082]
对于直流线路l2或l3的故障分析与直流线路l1的故障分析类似，故不在此赘述。
[0083]
综上所述，可以得出，对于发生在直流线路l1、l2或l3上的故障，非故障线路的高频电流呈正相关，而故障线路与非故障线路的高频电流呈负相关。由此，可以利用电流的相关系数来确定故障线路。
[0084]
直流母线故障特征分析：
[0085]
当直流线路l1～l3的母线发生故障时，如图1中的f4故障，对于直流线路l1、l2以及l3来说，此故障为区外故障。但是，如果安装在线路上的直流断路器不迅速断开，较大的故障电流将冲击mmc阀，可能威胁其安全运行。因此，母线故障也应快速被识别，并跳开直流线路l1～l3在lcc侧配置的直流断路器。
[0086]
直流母线故障后的故障分量电路如图3所示，图中z
line1
为线路l1的等效阻抗。如图3所示，直流母线发生故障后，m1、m2和m3测量的电流分别为式(13)、(14)和(15)所示。
[0087][0088][0089][0090]
式中，z
eq1
为l1支路的等效阻抗，如式(16)所示。
[0091]zeq1
＝3z
dc
+z
line1
+z
mmc1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0092]
结合上述分析可以得到，在高频时，直流线路l1、l2和l3的电流满足式(17)、(18)和(19)。
[0093][0094][0095][0096]
式中，l
eq1
为z
eq1
的等效电感，l
line1
是z
line1
的等效电感。
[0097]
由此可以得出，直流母线发生故障时，流经三条并联直流线路l1、l2和l3的高频电流呈完全正相关。即和和和分别是正相关的。
[0098]
综上所述可得到，对于发生在直流线路l1、l2或l3的故障，非故障线路的高频电流呈完全正相关，故障线路和非故障线路的高频电流呈较强的负相关。对于直流母线故障，流过三条并联直流线路的高频电流均呈正相关。由此，可利用电流的相关系数实现故障的识别。
[0099]
一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法的具体保护方案为：
[0100]
s1、确定区内外故障识别判据
[0101]
根据前面的分析可以得到采用的频率应大于1khz，并且考虑到高频信号较弱，衰减速度快，对采样率要求较高，因此选用的频率不宜过高。本发明采用1～4khz高频电流来构造故障识别判据。采用切比雪夫滤波器提取高频电流。为避免控制系统故障后的调节影响，将数据窗口设为2ms。
[0102]
采用余弦相似度来描述故障电流波形的相似度，此方法不受信号幅值变化的影响。余弦相关系数表示为式(20)。
[0103][0104]
式中，r
cos
为余弦相关系数，取值范围为-1～1。信号x和y分别表示为：x＝{x1,x2,
…
,xn}，y＝{y1,y2,
…
,yn}。当两个信号完全正相关时，相关系数r
cos
＝1；当完全负相关时，r
cos
＝-1。
[0105]
对于测点m1～m3的电流，可以用式(21)、(22)和(23)来描述它们的相关性。
[0106]
[0107][0108][0109]
式中，i1，i2和i3分别为测点m1，m2和m3的高频电流。r
cos12
，r
cos13
和r
cos23
分别为电流i1和i2、i1和i3以及i2和i3的相关系数。
[0110]
根据上面推论，对于发生在直流线路l1、l2或l3的故障，非故障线路的高频电流呈完全正相关，其相关系数理论上为1；而故障线路和非故障线路的高频电流呈很强的负相关，其相关系数理论上为-1。当直流母线发生故障时，三条直流线路的高频电流均呈正相关，其相关系数理论上为1。
[0111]
据此，构造故障识别判据如式(24)所示。
[0112][0113]
式中，r
set
为整定值，设为0。
[0114]
s2、建立故障启动判据
[0115]
混合直流输电系统正常运行时，直流电压近似等于某一数值。故障发生后，直流电压发生突变。因此，可以基于电压的变化来判断直流系统是否发生故障，构造保护启动判据如式(25)。
[0116][0117]
式中，δu
x
为测点x处的故障分量电压，x为测点m1～m6。u
set
表示阈值，u
set
＝k
set u
e0
，其中k
set
为裕度系数，设为2。u
e0
为系统正常运行时最大电压变化量，根据仿真测试，u
e0
为8kv。因此，u
set
＝k
set u
e0
＝2
×
8kv＝16kv。
[0118]
s3、建立故障选极判据
[0119]
双极高压直流输电系统中，对于单极接地故障，故障极的电压变化比非故障极的电压变化明显。对于双极短路故障，两极电压变化相似。因此，可利用两极的电压变化来实现故障极的选择，如式(26)所述。
[0120][0121]
式中，δu
x
为测点x处正极故障分量电压，x为测点m1，m2和m3。δu
x'
为测点x'处负极故障分量电压，x'可以是测点m4，m5和m6。
[0122]
故障选极判据构造如式(27)。
[0123][0124]
式中，q
set1
和q
set2
为阈值。对于双极直流工程，同杆共架的直流线路耦合系数通常小于0.5。因此，故障极与非故障极之间的故障分量电压幅值比超过2。故对于正极接地故障，q》2，故q
set1
可设置在1～2范围内。对于负极接地故障，q《0.5，故q
set2
可设置在0.5～1范围内。本发明中q
set1
和q
set2
分别设置为1.5和0.6。
[0125]
s4、确定保护方案
[0126]
保护方案流程图如图4所示。利用直流电压变化量构成保护启动判据，判断故障是否出现。利用余弦相似度计算高频电流的相关系数进行区内外故障的识别。利用两极的电压变化来选择故障极，构成整体的保护方案。
[0127]
仿真验证
[0128]
在pscad中搭建拓扑如图1所示的混合级联多端直流输电系统仿真模型。送端采用lcc换流器，受端由lcc换流站与mmc换流站串联组成。额定直流电压和传输功率分别为800kv和8gw。直流线路l0长度为2000km，直流线路l1～l3的长度均为200km。直流线路均采用频率相关模型。采样频率为10khz，故障发生在2s。
[0129]
直流线路故障仿真结果
[0130]
图5给出了直流线路l1末端发生金属性接地故障(图1中的f1)的仿真结果。如图5a所示，测点m1～m3的电压故障分量δu
m1
，δu
m2
和δu
m3
在故障后显著突变，其幅值均大于阈值u
set
(u
set
设为16kv)，安装在直流线路l1～l3上的保护启动元件能可靠动作。如图5b～5c所示，高频电流i1和i2，i1和i3均负相关，利用故障后2ms的数据，计算得到相关系数r
cos12
＝-1.00、r
cos13
＝-1.00，均小于阈值(r
set
＝0)。如图5d所示，高频电流i2与i3正相关。此外，由于三条并联支路的拓扑对称性，i2与i3的波形几乎相同，计算得到它们的相关系数r
cos23
＝1.00，大于阈值r
set
，判为发生在直流线路l1上的故障。由图5e可以看出，δu
m1
的幅值大于δu
m4
，计算得到故障选极函数q＝9.01，大于阈值q
set1
。因此，最终判定为发生在直流线路l1的正极接地故障。
[0131]
图6为在直流线路l2中点发生过渡电阻rf＝300ω接地故障(图1中的f2)仿真。如图6a所示，故障后δu
m1
，δu
m2
和δu
m3
的幅值发生显著变化，安装在直流线路l1～l3上的启动元件可靠动作。如图6b～6d所示，高频电流i1与i2、i2与i3完全负相关，而i1与i3正相关，验证了前面推论，即故障线路与非故障线路的高频电流呈强负相关，而非故障线路的高频电流则呈强正相关。计算得到相关系数r
cos12
＝-1.00,r
cos13
＝1.00,r
cos23
＝-1.00，判为发生在直流线路l2上的故障。从图6e可以看出，δu
m2
的幅值大于δu
m5
，计算得到q＝7.13，大于q
set1
，由此判定为发生在直流线路l2的正极接地故障。
[0132]
直流母线故障仿真结果
[0133]
图7为正极直流母线发生故障的仿真(图1中f4)，如图7a所示，故障发生后δu
m1
,δu
m2
和δu
m3
的幅值发生显著变化，安装在直流线路l1～l3上的启动元件可靠动作。如图7b所示，高频电流i1与i2、i1与i3、i2与i3均完全正相关。此外，由于三条并联支路的拓扑对称性，i1、i2和i3的波形几乎相同。计算得到相关系数r
cos12
＝1.00,r
cos13
＝1.00,r
cos23
＝1.00，均大于阈值r
set
，判为直流母线故障。
[0134]
本发明所提出的方法原理简单，计算量小，只需计算直流线路故障电流的相关系数即可，与行波保护相比，该方法对高阻接地故障具有较高的灵敏度。电流相关性不受故障电阻的影响，采用余弦相关系数来衡量电流的相关性，进一步减小了过渡电阻对该方法的影响。
[0135]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
技术特征：1.一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：s1、确定区内外故障识别判据故障识别判据的构造如下：其中：r
set
为整定值，r
cos12
，r
cos13
和r
cos23
分别为电流i1和i2、i1和i3以及i2和i3的相关系数，相关系数计算公式如下所示：数，相关系数计算公式如下所示：数，相关系数计算公式如下所示：其中：i1，i2和i3分别为测点m1，m2和m3的高频电流；对于发生在直流线路l1、l2或l3的故障，非故障线路的高频电流呈完全正相关，其相关系数理论上为1；而故障线路和非故障线路的高频电流呈很强的负相关，其相关系数理论上为-1；当直流母线发生故障时，三条直流线路的高频电流均呈正相关，其相关系数理论上为1；s2、建立故障启动判据混合直流输电系统正常运行时，直流电压近似等于某一数值，故障发生后，直流电压发生突变，基于电压的变化来判断直流系统是否发生故障，故障启动判据如下式所示：其中：δu
x
为测点x处的故障分量电压，x为测点m1～m6，u
set
表示阈值，u
set
＝k
set
u
e0
，其中k
set
为裕度系数，设为2；u
e0
为系统正常运行时最大电压变化量，根据仿真测试，u
e0
为8kv，则u
set
＝k
set
u
e0
＝2
×
8kv＝16kv；s3、建立故障选极判据；双极高压直流输电系统中，对于单极接地故障，故障极的电压变化比非故障极的电压变化明显，对于双极短路故障，两极电压变化相似不明显，利用两极的电压变化实现故障极的选择，如下式所述：
其中：δu
x
为测点x处正极故障分量电压，x为测点m1，m2和m3，δu
x'
为测点x'处负极故障分量电压，x'可以是测点m4，m5和m6；故障选极判据构造如下式所述：其中q
set1
和q
set2
为阈值，对于双极直流输电工程，同杆共架的直流线路耦合系数通常小于0.5，故障极与非故障极之间的故障分量电压幅值比超过2；故对于正极接地故障，q>2，故q
set1
可设置在1～2范围内；对于负极接地故障，q<0.5，故q
set2
可设置在0.5～1范围内；q
set1
和q
set2
分别设置为1.5和0.6；s4、确定保护方案；利用直流电压变化量构成保护启动判据，判断故障是否出现，利用余弦相似度计算高频电流的相关系数进行区内外故障的识别，利用两极的电压变化来选择故障极，构成整体的保护方案。2.根据权利要求1所述基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，其特征在于：考虑到高频信号较弱，衰减速度快，对采样率要求较高，所述高频电流采用1～4khz来构造故障识别判据。3.根据权利要求1所述基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，其特征在于：所述高频电流采用切比雪夫滤波器提取，数据窗口设为2ms。4.根据权利要求1所述基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，其特征在于：所述区内外故障识别判据中的整定值r
set
设置为0。
技术总结本发明涉及一种基于电流相关系数的混合级联多端直流输电线路保护方法，包括S1、确定区内外故障识别判据，利用高频电流的相关系数来构造识别判据，进行区内外故障的识别；S2、确定保护启动判据；S3、确定故障选极判据；S4、确定保护方案。本发明利用直流电压变化量构成保护启动判据，判断故障是否出现；利用余弦相似度计算高频电流的相关系数进行区内外故障的识别；利用两极的电压变化来选择故障极，构成整体的保护方法。本发明原理简单，计算量小，只需计算直流线路故障电流的相关系数即可，能够准确识别直流线路故障，该方法对高阻接地故障具有较高的灵敏度，且不需要线路两端数据的实时同步传输。时同步传输。时同步传输。
技术研发人员：李永丽 刘宁宁 陈晓龙 刘佳硕 祝雨晨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.08.25
技术公布日：2022/12/1
