Single-ended Protection for AC Line Independent of Power Source Characteristics

ZHANG Chenhao; YAN Jifei; LYU Yichao; SONG Guobing; ZHENG Yuping; WU Tonghua

doi:10.7500/AEPS20230208004

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Single-ended Protection for AC Line Independent of Power Source Characteristics

Special Topic on Key Technologies of Relay Protection in New Power System | 更新时间：2025-06-16

- Single-ended Protection for AC Line Independent of Power Source Characteristics
- Automation of Electric Power Systems Vol. 47, Issue 22, Pages: 33-43(2023)
- 作者机构：
  
  1.西安交通大学电气工程学院，陕西省西安市 710049
  2.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52207136);State Grid Corporation of China(5108-202240278A-2-0-XG)
- DOI：10.7500/AEPS20230208004
  CLC：
- Received：08 February 2023，
  
  Revised：2023-06-29，
  
  Published Online：27 October 2023，
  
  Published：25 November 2023
- 稿件说明：
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张晨浩,闫吉飞,吕艺超等.不依赖电源特性的交流线路单端量保护[J].电力系统自动化,2023,47(22):33-43.

ZHANG Chenhao,YAN Jifei,LYU Yichao,et al.Single-ended Protection for AC Line Independent of Power Source Characteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(22):33-43.
张晨浩,闫吉飞,吕艺超等.不依赖电源特性的交流线路单端量保护[J].电力系统自动化,2023,47(22):33-43. DOI： 10.7500/AEPS20230208004.

ZHANG Chenhao,YAN Jifei,LYU Yichao,et al.Single-ended Protection for AC Line Independent of Power Source Characteristics[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(22):33-43. DOI： 10.7500/AEPS20230208004.

摘要

现有交流线路保护仍基于同步机电源特性，随着新能源占比不断提升、电力电子化特征更加明显，其适应边界将逐渐减小，有必要研究不依赖电源特性的继电保护新原理。文中提出了利用行波波前故障信息实现高性能保护的原理。首先，推导了交流线路故障行波波前解析表达式，指出行波波前表达式包含工频正弦项和直流衰减项。直流衰减项的指数系数仅受故障距离影响，而两代数项的幅值系数与故障严重程度有关，由此实现了行波波前故障距离、故障严重程度信息的表征与解耦。进一步

提出了基于多点消去的波前指数系数提取算法，实现了波前故障距离信息的有效提取。在此基础上，提出了交流输电线路单端量波前保护新原理，分析了串联/并联/组合型线路边界对波前指数系数的影响。仿真验证结果表明，保护能够快速、可靠、灵敏地识别交流输电线路故障，不受故障类型和过渡电阻的影响，适用于不同的新能源及电力电子装备接入场景，且运算量小，受噪声影响小。

Abstract

The existing AC line protection methods are still based on the characteristics of synchronous generator. As the proportion of renewable energy continues to increase and the characteristics of power electronics become more obvious

its adaptation boundary will gradually decrease. It is necessary to study new principles of relay protection that are independent of power source characteristics. The principle of using traveling wavefront fault information to achieve high-performance protection is proposed. Firstly

an analytical expression for the traveling wavefront of AC line faults is derived

indicating that the traveling wavefront expression includes the power frequency sine term and the DC attenuation term. The exponential coefficient of the DC attenuation term is only affected by the fault distance

while the amplitude coefficients of the two algebraic terms are related to the severity of the fault. Thereby the representation and decoupling of fault distance and fault severity information are realized. A wavefront exponential coefficient extraction algorithm based on the multi-point elimination is further proposed

achieving effective extraction of wavefront fault distance information. On this basis

a new principle of single-ended wavefront protection for AC transmission lines is proposed

and the influence of series/parallel/combination line boundaries on the wavefront exponential coefficient is analyzed. The simulation results show that the protection can quickly

reliably

and sensitively identify AC transmission line faults

without being affected by fault types and transition resistors. It is suitable for different scenarios of renewable energy and power electronic equipment integration

and has low computational complexity and is less affected by noise.

关键词

Keywords

references

姜海洋，杜尔顺，朱桂萍，等 . 面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 19 ）： 194 - 207 .

JIANG Haiyang ， DU Ershun ， ZHU Guiping ， et al . Review and prospect of seasonal energy storage for power system with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 19 ）： 194 - 207 .

李军徽，张嘉辉，李翠萍，等 . 参与调峰的储能系统配置方案及经济性分析［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 19 ）： 4148 - 4160 .

LI Junhui ， ZHANG Jiahui ， LI Cuiping ， et al . Configuration scheme and economic analysis of energy storage system participating in grid peak shaving ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 19 ）： 4148 - 4160 .

花赟玥，吴琛，黄伟，等 . 考虑风电低电压穿越过程的频率最低点量化及其提升方法［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 1 ）： 126 - 134 .

HUA Yunyue ， WU Chen ， HUANG Wei ， et al . Quantification and enhancement method for frequency nadir considering low voltage ride-through process of wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 1 ）： 126 - 134 .

孔祥平，张哲，尹项根，等 . 含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究［J］. 中国电机工程学报， 2013 ， 33 （ 34 ）： 65 - 74 .

KONG Xiangping ， ZHANG Zhe ， YIN Xianggen ， et al . Study on fault current characteristics and fault analysis method of power grid with inverter interfaced distributed generation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 34 ）： 65 - 74 .

李彦宾，贾科，毕天姝，等 . 电流差动保护在逆变型新能源场站送出线路中的适应性分析［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 12 ）： 100 - 105 .

LI Yanbin ， JIA Ke ， BI Tianshu ， et al . Adaptability analysis of current differential protection of outgoing transmission line emanating from inverter-interfaced renewable energy power plants ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 12 ）： 100 - 105 .

王晨清，宋国兵，汤海雁，等 . 距离保护在风电接入系统中的适应性分析［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 22 ）： 10 - 15 .

WANG Chenqing ， SONG Guobing ， TANG Haiyan ， et al . Adaptability analysis of distance protection in power system integration with wind farms ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 22 ）： 10 - 15 .

王晨清，宋国兵，刘凯，等 . 突变量保护对风电接入系统的适应性分析［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 31 ）： 5485 - 5492 .

WANG Chenqing ， SONG Guobing ， LIU Kai ， et al . Adaptability analysis of fault component protection of power systems with wind farms ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 31 ）： 5485 - 5492 .

王晨清，宋国兵，汤海雁，等 . 选相及方向元件在风电接入系统中的适应性分析［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 1 ）： 89 - 95 .

WANG Chenqing ， SONG Guobing ， TANG Haiyan ， et al . Adaptability analysis of phase selectors and directional relays in power systems integrated with wind farms ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 1 ）： 89 - 95 .

毕天姝，李彦宾，贾科，等 . 基于暂态电流波形相关性的新能源场站送出线路纵联保护［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 7 ）： 2012 - 2019 .

BI Tianshu ， LI Yanbin ， JIA Ke ， et al . Transient current waveform similarity based pilot protection for transmission lines connected to renewable energy power plants ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 7 ）： 2012 - 2019 .

FANG Y ， JIA K ， YANG Z ， et al . Impact of inverter-interfaced renewable energy generators on distance protection and an improved scheme ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 9 ）： 7078 - 7088 .

HOOSHYAR A ， IRAVANI R . A new directional element for microgrid protection ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 6 ）： 6862 - 6876 .

贾科，顾晨杰，毕天姝，等 . 大型光伏电站汇集系统的故障特性及其线路保护［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 9 ）： 189 - 198 .

JIA Ke ， GU Chenjie ， BI Tianshu ， et al . Fault characteristics and line protection within the collection system of a large-scale photovoltaic power plant ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 9 ）： 189 - 198 .

侯俊杰，宋国兵，徐瑞东，等 . 交直流混合电网故障耦合特性分析与继电保护研究［J］. 电力系统保护与控制， 2021 ， 49 （ 14 ）： 176 - 187 .

HOU Junjie ， SONG Guobing ， XU Ruidong ， et al . Fault coupling characteristic analysis and relay protection research on an AC/DC hybrid power grid ［J］. Power System Protection and Control ， 2021 ， 49 （ 14 ）： 176 - 187 .

高淑萍，宋晓辰，宋国兵 . 基于VMD能量熵的混合双端直流输电线路纵联保护方案［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 14 ）： 123 - 132 .

GAO Shuping ， SONG Xiaochen ， SONG Guobing . Longitudinal protection scheme of hybrid double-terminal DC transmission lines based on VMD energy entropy ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 14 ）： 123 - 132 .

宋国兵，常娜娜，侯俊杰，等 . 基于系统电压分布曲线拟合的后备保护方案［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 16 ）： 95 - 104 .

SONG Guobing ， CHANG Nana ， HOU Junjie ， et al . Backup protection scheme based on system voltage distribution using curve fitting ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 16 ）： 95 - 104 .

DONG X Z ， GE Y Z ， HE J L . Surge impedance relay ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2005 ， 20 （ 2 ）： 1247 - 1256 .

董杏丽，葛耀中，董新洲，等 . 基于小波变换的行波幅值比较式方向保护［J］. 电力系统自动化， 2000 ， 24 （ 17 ）： 11 - 15 .

DONG Xingli ， GE Yaozhong ， DONG Xinzhou ， et al . Directional protective relaying based on amplitude comparison of travelling wave by using wavelet transform ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2000 ， 24 （ 17 ）： 11 - 15 .

董杏丽，葛耀中，董新洲 . 基于小波变换的比率式行波方向继电器的研究［J］. 西安交通大学学报， 2002 ， 36 （ 8 ）： 771 - 775 .

DONG Xingli ， GE Yaozhong ， DONG Xinzhou . Study of ratio directional relay based on travelling waves and wavelet transform ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University ， 2002 ， 36 （ 8 ）： 771 - 775 .

CHEN W ， MALIK O P ， YIN X G ， et al . Study of wavelet-based ultra high speed directional transmission line protection ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2003 ， 18 （ 4 ）： 1134 - 1139 .

DONG X Z ， LUO S X ， SHI S X ， et al . Implementation and application of practical traveling-wave-based directional protection in UHV transmission lines ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2016 ， 31 （ 1 ）： 294 - 302 .

BIN S . A new traveling wave differential relay for series compensated EHV transmission line ［C］// Eighth IEE International Conference on Developments in Power System Protection ， April 5-8 ， 2004 ， Amsterdam， Netherlands .

TANG L X ， DONG X Z ， LUO S X ， et al . A new differential protection of transmission line based on equivalent travelling wave ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1359 - 1369 .

DA SILVA FRANÇA R L ， DA SILVA JÚNIOR F C ， HONORATO T R ， et al . Traveling wave-based transmission line earth fault distance protection ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2020 ， 36 （ 2 ）： 544 - 553 .

白嘉，徐玉琴，尚国伟 . 基于多分辨形态梯度的行波距离保护方案［J］. 高电压技术， 2006 ， 32 （ 10 ）： 121 - 123 .

BAI Jia ， XU Yuqin ， SHANG Guowei . New scheme of traveling wave distance protection based on multi-resolution morphological gradient ［J］. High Voltage Engineering ， 2006 ， 32 （ 10 ）： 121 - 123 .

林圣，武骁，何正友，等 . 基于行波固有频率的电网故障定位方法［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 1 ）： 270 - 275 .

LIN Sheng ， WU Xiao ， HE Zhengyou ， et al . A power system fault location method based on natural frequencies of traveling waves ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 1 ）： 270 - 275 .

哈恒旭，张保会，吕志来 . 利用暂态电流的输电线路单端量保护新原理探讨［J］. 中国电机工程学报， 2000 ， 20 （ 11 ）： 56 - 61 .

HA Hengxu ， ZHANG Baohui ， LYU Zhilai . A novel principle of non-unit protection based on transient components for EHV transmission lines ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2000 ， 20 （ 11 ）： 56 - 61 .

YANG S Z ， XIANG W ， WEN J Y . An improved DC fault protection scheme independent of boundary components for MMC based HVDC grids ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 2520 - 2531 .

SONG G B ， CHANG Z X ， ZHANG C H ， et al . A high speed single-ended fault-detection method for DC distribution line—part Ⅱ： protection scheme ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 1257 - 1266 .

邓丰，李欣然，曾祥君，等 . 基于波形唯一和时-频特征匹配的单端行波保护和故障定位方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1475 - 1487 .

DENG Feng ， LI Xinran ， ZENG Xiangjun ， et al . Research on single-end traveling wave based protection and fault location method based on waveform uniqueness and feature matching in the time and frequency domain ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 5 ）： 1475 - 1487 .

陈淼，贾科，姚昆鹏，等 . 基于故障前行波极值时间的柔性直流线路单端量保护方法［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 10 ）： 3742 - 3758 .

CHEN Miao ， JIA Ke ， YAO Kunpeng ， et al . Single-ended protection method of flexible DC line based on extremum time of fault forward traveling wave ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 10 ）： 3742 - 3758 .

段建东，张保会，周艺 . 利用电流行波进行超高压输电线路故障类型识别的研究［J］. 中国电机工程学报， 2005 ， 25 （ 7 ）： 58 - 63 .

DUAN Jiandong ， ZHANG Baohui ， ZHOU Yi . Study of fault-type identification using current traveling-waves in extra-high-voltage transmission lines ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2005 ， 25 （ 7 ）： 58 - 63 .

ZHANG C H ， SONG G B ， WANG T ， et al . Single-ended traveling wave fault location method in DC transmission line based on wave front information ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2019 ， 34 （ 5 ）： 2028 - 2038 .

段建东，张保会，郝治国，等 . 超高压线路暂态保护中雷电干扰与短路故障的识别［J］. 电力系统自动化， 2004 ， 28 （ 18 ）： 30 - 35 .

DUAN Jiandong ， ZHANG Baohui ， HAO Zhiguo ， et al . Identification of lightning and fault in EHV transmission line transient-based protection ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2004 ， 28 （ 18 ）： 30 - 35 .

ZHANG C H ， SONG G B ， YIN L S ， et al . Application research on pilot protection method for multi-terminal hybrid line-commutated converter/modular multilever converter-based high voltage DC system ［J］. IET Generation ， Transmission & Distribution， 2021 ， 15 （ 1 ）： 71 - 85 .

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