CN101777759A - 一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置及保护方法，所述装置包括依次双向连接的数据采集模块、保护计算模块和外围电路模块；所述数据采集模块包括一个或多个信号调理电路，在每个信号调理电路上均连接有数模转换器；所述保护计算模块包括中央处理单元及与其连接的一个或多个高速缓存；本发明只利用线路单端的电压电流信号，不需要通讯信号，既避免了由于信道的不可靠而造成的保护误动问题，又节省了对侧信号在通讯信道上传输的时间，从而加快了保护的出口动作速度；克服了传统行波保护需要识别行波波头的困难，采用基于能量提取的保护判据，计算简单，原理可靠；由于直流线路边界的幅频特性，保护定值的整定不需要随着直流线路长度的变化而变化，即整定工作一次性到位，大大减少了保护工作者和现场运行人员的工作量。

Description

一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置及保护方法

技术领域：

本发明属于电力系统高压输电线路保护领域，涉及一种直流线路上的快速故障检测与干扰识别的线路保护方法，尤其是一种基于暂态信号的超高速直流线路保护方法。

背景技术：

到目前为止，我国已投入运行的直流输电工程中，其直流保护系统多为ABB和SIEMENS两家公司提供。综观两家的直流线路保护产品，其原理主要由以下判据构成：变化率保护判据、低电压保护判据和差动保护判据。它们虽然在一定程度上能够满足直流线路的保护工作，但都存在各自的弊端。

(1)变化率保护判据

当直流线路通过高阻接地短路时，直流电压将以较慢的速度下降，这时，基于变化率判据的保护就可能发生拒动的情况。相关资料指出，2007年8月27日葛南直流线路发生高阻接地故障时(计算过渡电阻为295ohm)，检测到的地波变化率和电压突变量都小于整定值，从而导致行波保护和电压突变量保护拒动。最终由线路低电压保护延时动作，切除故障。另外，近几年天广直流工程实际运行中，当直流线路经过高阻接地短路时，行波保护的电压变化率判据没有启动，导致行波保护拒动。

此外，由于变化率受到故障地点、故障过渡电阻等因素的影响，以变化率判据为基础的直流线路保护，其整定困难。在我国已投运的直流输电工程中所安装的直流线路保护，其定值往往在保护安装时一次整定后就不再做变化。随着电网的不断发展与建设，现有保护难于整定的问题必然导致其无法很好地适应网络参数的变化与调整。

(2)低电压保护判据

低电压保护判据依靠直流电压水平进行故障判断，缺乏可靠性，可能出现保护误动的情况。例如，当发生交流电压降低时，直流侧的电压也会成比例下降，这时，基于低电压判据的直流线路保护就有可能会误动。此外，当逆变器发生换相失败等故障时，也可能造成直流电压的降低，进而发生保护误动的情况。因此，现场往往采用降低定值的方法来躲过交流系统故障和逆变器换相失败所造成的低电压，这就造成了保护灵敏度的降低，在线路内部发生电阻接地故障时不能动作的情况。在天广直流工程中，其低电压判据的定值就设定为0.25p.u.(p.u.代表了标幺值)。

(3)差动保护判据

由于差动保护需要对端的直流线路电流，所以得依靠通讯通道，这是它不可避免的缺陷。此外，通讯通道的不可靠性，直接导致直流线路差动保护的可靠性降低。在天广直流工程的实际运行中，就曾出现错误的广州站直流线路电流信号，进而导致天生桥站三套直流差动保护动作的事故。现在，天生桥换流站的直流线路差动保护采用延时500ms出口，才避免正常运行时的误动。

另外，虽然国内外都有学者和保护生产厂家针对目前存在的问题不断提出新的直流线路保护判据，但是这些方法都相对独立、分散，有些只是对原有的传统保护判据的一些改进，缺乏一种综合的、基于同一理论体系的整套直流线路保护方案。

发明内容：

无论是理论分析还是仿真测试都表明，电力系统发生故障时，故障暂态所产生的电压、电流暂态信号中含了丰富的故障信息，对这些暂态信号进行分析，提取相应的故障特征，可实现快速、可靠的继电保护原理。本发明正是在此理论基础上，结合直流输电线路的配置和运行特点开发出来的一种识别直流线路故障的整套继电保护装置。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置，所述装置包括依次双向连接的数据采集模块1、保护计算模块2和外围电路模块3；所述数据采集模块1包括一个或多个信号调理电路，在每个信号调理电路上均连接有数模转换器；所述保护计算模块2包括中央处理单元及与其连接的一个或多个高速缓存；所述外围电路模块3包括外围控制电路、人机交互模块、出口逻辑模块和对外通讯模块。

一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置的保护方法，按照如下步骤：

(1)通过直流电压测量设备将保护装置(即：正极线路保护装置或负极线路保护装置)的两路数据采集接口(在数据采集模块1上)分别与正极直流线路和负极直流线路相连接，将保护装置的出口逻辑接口(在出口逻辑模块上)与换流阀触发角控制电路相连接，通过借助于该控制电路对换流阀的控制，保护装置便能够控制直流输电线路的启停(见附图2)。

(2)给保护装置上电，待保护装置上电并通过自检后，执行步骤(3)；

(3)按照采样率≥400kHz的条件采集直流线路正极和负极的暂态电压信号并将其转化为故障数据；待采满1ms的故障数据时，保护装置进入中断计算线程，并利用该故障数据判断是否启动判别过程；如果启动判别过程，则进入步骤(4)，否则保护复归(所谓保护复归是指各标志位的清零及缓冲区的清空)，继续执行步骤(3)；

(4)通过雷电干扰识别过程判断故障数据是否表明直流线路遭受了雷电干扰；如果判断为雷电干扰，则保护复归，转步骤(3)；如果判断结果表明线路上不存在雷电干扰，则转步骤(5)；

(5)利用故障数据判断线路上是否发生直流线路故障；如果不是直流线路故障，则保护复归，转步骤(3)；如果是直流线路故障，则转步骤(6)；

(6)利用故障数据判断直流线路故障是否发生在保护装置所安装的那一极直流线路上；如果是，则转步骤(7)；如果不是发生在保护装置所安装的那一极上，则保护复归，转步骤(3)；

(7)得到故障信息，保护装置进行相应动作。

所述步骤(3)是指提取当前一个中断周期内数据采集模块1存放在循环缓存区中的本极电压离散数据，减去缓存区内保存的20ms以前的对应数据，得到当前数据的故障分量；随即对数据进行二次抽样(即先对原始数据样本进行间距为2的抽样，在抽样结果中再进行一次间距为2的抽样)，找出满足式(1)

u(k)＜0.98，1≤k≤100                (1)

的点，用满足条件(1)的数据点之前的3个数据点之和与其之后个数据点之和相减，即：

${\▿}_k=(u_{k+3}+u_{k+2}+u_{k+1})-(u_{k-1}+u_{k-2}+u_{k-3})---\left(2\right)$

得到保护启动的工作电压若该电压大于启动门槛值(一个预先设定好的常数)，则当前采样数据点u(k)所在的时刻即为启动时刻，保护进入步骤(4)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

所述步骤(4)是指保护启动后，利用检测到的故障时刻前1ms和故障时刻后1ms的两极电压信号数据窗，计算电压信号的1模故障分量ΔU_m1(所谓1模故障分量，是指通过一种特殊的矩阵运算方法，将原始电压数据转换成一种能够表达线路故障状态的数据形式，其目的是为了消除直流正极线路和直流负极线路的电磁耦合关系)的能量值E_bw_M1，若满足条件E_bw_M1＜2，则判断为非故障性雷击，将雷电干扰标志位置“1”，中断返回重新进入数据采集线程，否则进入步骤(5)。

所述步骤(5)是从缓存区中提取故障后2ms内的本极(指所安装保护装置需要保护的那一极)电压故障分量数据u₁(k)，利用高频傅氏算法(一种改进的傅氏算法，参见文献《一种完全滤除衰减直流分量的短数据窗改进全波傅氏算法》，继电器，2005，33(17)：14-16，44)分别计算电压故障分量中10kHz，20kHz以及30kHz这3条谱线的能量，并计算这3条谱线能量的均方和E_{h_aver}，若满足式(3)，

E_{h_aver}＞1.5×10^-7           (3)

则进入步骤(e)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

所述步骤(6)是从缓存区中提取故障后2ms内另一极(参考极)电压的故障分量数据u₂(k)，用db3小波(英国数学家Daubechies构造的一种小波基函数，在图像压缩、故障检测方面有着广泛的应用)对u₂(k)进行4尺度分解(尺度分解是法国工程师、小波应用专家Mallat提出的一种函数空间剖分的方法，目的是在不丢失信息的前提下放大所采集信号的细节部分，所谓4尺度分解是指将原始数据占据的频带空间逐级划分4次得到的新数据，4尺度分解后得到的数据长度为原始数据长度的1/16)，并求取第4尺度下的逼近系数a_j＝4(k)(逼近系数是将原始数据与尺度函数进行卷积后得到的一组特殊的数值，小波基一旦选定，尺度函数就是已知的)的绝对值进行平方和∑_k|a_j＝4(k)|²，同理求得本极电压的故障分量数据u₁(k)对应的值∑_k|a′_j＝4(k)|²，若比值λ满足

λ＝∑_k|a′_j＝4(k)|²/∑_k|a_j＝4(k)|²＞1

则进入步骤(7)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

所述步骤(7)是指：

(a)给出换流阀触发角控制电路的动作信号，并准备保护装置的复归；进入步骤(b)；

(b)外围控制电路根据计算结果在保护装置的前端显示面板上点亮相应的故障指示灯，同时保存故障计算结果并将结果以数据报文的形式上传站内主机，随即进入步骤(c)；

(c)保护复归，重新开始数据采集，并等待下一次中断的到来。

本发明的有益效果是：

1)只利用线路单端的电压信号，不需要通讯信号，既避免了由于信道的不可靠而造成的保护误动问题，又节省了对侧信号在通讯信道上传输的时间，从而加快了保护的出口动作速度。

2)克服了传统行波保护需要识别行波波头的困难，采用基于能量提取的保护判据，计算简单，原理可靠。

3)由于直流线路边界的幅频特性，保护定值的整定不需要随着直流线路长度的变化而变化，即整定工作一次性到位，大大减少了保护工作者和现场运行人员的工作量。

附图说明：

图1为本发明的保护装置硬件结构示意图，其中1为数据采集模块；2为保护计算模块；3为外围电路模块；

图2为本发明的保护装置应用示意图；

图3为循环缓存的工作原理示意图；

图4为同杆并架的双极直流线路间的耦合系数和频率的关系图；

图5为故障极识别判据的实验结果图；

图6为保护启动数据窗扩充方法的示意图；

图7为保护装置硬件平台的详细结构示意图，其中1为数据采集模块；2为保护计算模块；3为外围电路模块；

图8为本发明的保护方法流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见附图1，一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置，所述装置包括依次双向连接的数据采集模块1、保护计算模块2和外围电路模块3；所述数据采集模块1包括一个或多个信号调理电路，在每个信号调理电路上均连接有数模转换器；所述保护计算模块2包括中央处理单元及与其连接的一个或多个高速缓存；所述外围电路模块3包括外围控制电路、人机交互模块、出口逻辑模块和对外通讯模块。

所述数据采集模块1由两片独立的高精度数模转换器和相应的信号调理电路组成。其中信号调理电路主要是将直流电流测量装置传送过来的低值电压信号转换到数据采集卡能够承受的电压范围内，以及对数字电压信号进行硬件带通滤波(50Hz~2MHz)，而数模转换器主要完成以下功能：

(1)设置采样速率，将采样速率(Sample rate)转换成采样时间基准(Sample timebase)和采样时间间隔(Sample interval)，其中采样速率＝1/(采样时间基准*采样时间间隔)；

(2)设置数据采集模式，包括循环双缓存和循环多缓存数据采集两种工作模式(循环缓存的原理见附图3)。为了高效利用存储空间，本发明中样机采用循环多缓存模式，保护装置将采集到的数据先暂存在采集卡的FIFO(First in first out)缓存中，然后再通过DMA(Direct Memory Access)方式，直接将采集的数据送到保护装置存储空间的两块循环缓存中，而不需要中央处理单元的参与。

(3)设置数据采集通道；包括通道数、通道号以及通道增益；

(4)设置事件中断触发方式，有计时和计数两种方式。本发明中样机采用计数触发方式，即当采集卡采集到预定点数(一个中断周期)时中断触发一个事件；

所述保护计算模块2由两块高速缓存和中央处理单元构成。设置高速缓存的目的一方面是为了存储一定时间长度的电压数据，方便求取电压故障分量；另一方面这样做也加快了中央处理单元读取数据的速度，也即提高了保护的运算速度。

中央处理单元主要完成以下既定功能：

(1)定时读取存放在高速缓存中的有效数据，计算判断是否有线路异常发生；

(2)计算判断线路异常为雷电干扰还是线路故障；

(3)若线路异常表示有故障发生，计算判断故障是否发生在保护装置所需要保护的线路上；

(4)若故障发生在该保护装置所需保护的线路范围内，且直流线路为双极运行方式，则计算判断故障到底发生在线路哪一极(正极或负极线路)上；

(5)若故障发生在该保护装置所需保护的线路范围内所需保护的那一极线路(正极或负极线路)上，由向外围电路模块3中的出口逻辑给出换流阀触发角控制电路的动作信号。

外围电路模块3又可以分为一个外围控制器和3个子模块。

外围控制器作为外围电路模块3的控制核心，接受汇总中央处理单元传递的指令，并将保护计算线程中被置位的标志位“翻译”成各子模块能够识别的指令，起到减轻中央处理单元工作时的计算负荷以及控制独立的作用。

子模块分别为人机交互模块、通讯模块和出口逻辑模块。

人机交互模块的功能主要有：

(1)接受外界输入，包括设置保护定值、保护当前工作模式(调试或正常运行)等；

(2)显示当前直流线路运行方式，如：单极运行或双极运行；

(3)显示当前数据采样率、机内工作温度、工作时间；

(4)显示并记录故障发生时刻、位置(线路区内还是区外)；若线路为双极运行方式，还需要显示故障的是哪一极线路(正极或负极)；

(5)显示并记录线路发生的异常，如雷电干扰、线路高频噪声干扰；通讯模块的功能有：

(1)与上位机(PC或者站内主机)通讯；

(2)上传数据报文。

出口逻辑模块的功能则有：

(1)接受保护计算模块2的控制指令，并给出直流输电线路故障紧急停运的控制信号；

(2)给出直流输电线路瞬时性故障后自动再启动控制信号；

一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置的保护方法，按照如下步骤：

(1)通过直流电压测量设备将保护装置的两路数据采集接口(在数据采集模块1上)分别与正极直流线路和负极直流线路相连接，将保护装置的出口逻辑接口(在出口逻辑模块上)与换流阀触发角控制电路相连接，通过借助于该控制电路对换流阀的控制，保护装置便能够控制直流输电线路的启停(见附图2)。

(2)给保护装置上电，待保护装置上电并通过自检后，执行步骤(3)；

(3)按照采样率≥400kHz的条件采集直流线路正极和负极的暂态电压信号并将其转化为故障数据；待采满1ms的故障数据时，保护装置进入中断计算线程，并利用该故障数据判断是否启动判别过程；如果启动判别过程，则进入步骤(4)，否则保护复归(所谓保护复归是指各标志位的清零及缓冲区的清空)，继续执行步骤(3)；

(4)通过雷电干扰识别过程判断故障数据是否表明直流线路遭受了雷电干扰；如果判断为雷电干扰，则保护复归，转步骤(3)；如果判断结果表明线路上不存在雷电干扰，则转步骤(5)；

(5)利用故障数据判断线路上是否发生直流线路故障；如果不是直流线路故障，则保护复归，转步骤(3)；如果是直流线路故障，则转步骤(6)；

(6)利用故障数据判断直流线路故障是否发生在保护装置所安装的那一极直流线路上；如果是，则转步骤(7)；如果不是发生在保护装置所安装的那一极上，则保护复归，转步骤(3)；

(7)得到故障信息，保护装置进行相应动作。

所述步骤(3)是指提取当前一个中断周期内数据采集模块1存放在循环缓存区中的本极电压离散数据，减去缓存区内保存的20ms以前的对应数据，得到当前数据的故障分量；随即对数据进行二次抽样(即先对原始数据样本进行间距为2的抽样，在抽样结果中再进行一次间距为2的抽样)，找出满足式(1)

u(k)＜0.98，1≤k≤100    (1)

的点，用满足条件(1)的数据点之前的3个数据点之和与其之后的3个数据点之和相即：

${\▿}_k=(u_{k+3}+u_{k+2}+u_{k+1})-(u_{k-1}+u_{k-2}+u_{k-3})---\left(2\right)$

得到保护启动的工作电压

若该电压大于启动门槛值(一个预先设定好的常数)，则当前采样数据点u(k)所在的时刻即为启动时刻，保护进入步骤(4)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

所述步骤(4)是指保护启动后，利用检测到的故障时刻前1ms和故障时刻后1ms的两极电压信号数据窗，计算电压信号的1模故障分量ΔU_m1(所谓1模故障分量，是指通过一种特殊的矩阵运算方法，将原始电压数据转换成一种能够表达线路故障状态的数据形式，其目的是为了消除直流正极线路和直流负极线路的电磁耦合关系)的能量值E_bw_M1，若满足条件E_bw_M1＜2，则判断为非故障性雷击，将雷电干扰标志位置“1”，中断返回重新进入数据采集线程，否则进入步骤(5)。

所述步骤(5)是从缓存区中提取故障后2ms内的本极(指所安装保护装置需要保护的那一极)电压故障分量数据u₁(k)，利用高频傅氏算法(一种改进的傅氏算法，参见文献《一种完全滤除衰减直流分量的短数据窗改进全波傅氏算法》，继电器，2005，33(17)：14-16，44)分别计算电压故障分量中10kHz，20kHz以及30kHz这3条谱线的能量，并计算这3条谱线能量的均方和E_{h_aver}，若满足式(3)，

E_{h_aver}＞1.5×10^-7          (3)

则进入步骤(e)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

所述步骤(6)是从缓存区中提取故障后2ms内另一极电压的故障分量数据u₂(k)，用db3小波(英国数学家Daubechies构造的一种小波基函数，在图像压缩、故障检测方面有着广泛的应用)对u₂(k)进行4尺度分解(尺度分解是法国工程师、小波应用专家Mallat提出的一种函数空间剖分的方法，目的是在不丢失信息的前提下放大所采集信号的细节部分，所谓4尺度分解是指将原始数据占据的频带空间逐级划分4次得到的新数据，4尺度分解后得到的数据长度为原始数据长度的1/16)，并求取第4尺度下的逼近系数a_j＝4(k)(逼近系数是将原始数据与尺度函数进行卷积后得到的一组特殊的数值，小波基一旦选定，尺度函数就是已知的)的绝对值进行平方和∑_k|a_j＝4(k)|²，同理求得本极电压的故障分量数据u₁(k)对应的值∑_k|a′_j＝4(k)|²，若比值λ满足

λ＝∑_k|a′_j＝4(k)|²/∑_k|a_j＝4(k)|²＞1

则进入步骤(7)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

所述步骤(7)是指：

(a)给出换流阀触发角控制电路的动作信号，并准备保护装置的复归；进入步骤(b)；

(b)外围控制电路根据计算结果在保护装置的前端显示面板上点亮相应的故障指示灯，同时保存故障计算结果并将结果以数据报文的形式上传站内主机，随即进入步骤(c)；

(c)保护复归，重新开始数据采集，并等待下一次中断的到来。

上述保护步骤中各个判别过程的工作原理和具体实施方式如下：

线路异常识别与保护启动

设置保护启动工作电压的目的是在直流输电线路发生故障时能够在尽量短的时间内(一股为几个采样间隔时间，采样率为100kHz)检测出线路的异常状态。对于故障线路而言，故障出现之前线路的运行电压电流都稳定在其额定值附近，而发生故障后线路电压量在几个采样周期内会立即出现一个降落，而电流则有明显地上升(电压下降与电流上升的具体数值与过渡电阻的大小有关)。根据该特点，可以在线路发生异常时快速启动保护装置。

为了提高故障启动的准确性和可靠性，降低由电压纹波引起的误启动的概率，本发明参照了数字图像处理中的梯度算法，使用当前点的后三个数据之和减去当前点的前三个数据之和，假设当前时刻得到的实时电压数据为u_s，计算电压梯度为：

${\▿}_k=(u_{k+3}+u_{k+2}+u_{k+1})-(u_{k-1}+u_{k-2}+u_{k-3})$

上式中，u_s+1，u_s+2，u_s+3为接下来的三个采样间隔内的电压数据，u_s-1，u_s-2，u_s-3则为当前采样时刻之前的三个采样间隔内的电压数据，从而保护的启动判据为：

Δ_set为一个预先设定好的常数，不同的电压等级下其值不同(样机中采用的标幺值为0.025)。若判据被满足，保护进入雷电干扰识别步骤。

这种改进的梯度算法不仅计算简单方便，充分利用了暂态量保护高速的采样数据，具有一定的平滑消噪作用，适合于利用单端暂态量信息的超高速保护启动的需要，特别是对于高阻接地故障具有较高的灵敏度。

雷电干扰识别

雷电干扰的识别就是要找出雷击线路或杆塔未造成短路故障时的暂态特征。仿真结果表明，非故障性雷击时波尾相对平缓，幅值在正常运行值附近波动；而故障性雷击和接地短路时，波尾则有明显的下降趋势。据此，提出了“波尾能量判据”。具体算法流程如下：

1.保护一旦起动，便记录起动时刻t；

2.选取[t+0.9ms，t+1.0ms]时段作为故障信号的数据窗，记录窗内的正负极电压时域波形，采用正交变换矩阵S求取其电压1模分量U_m1(所谓1模故障分量，是指通过一种特殊的矩阵运算方法，将原始电压数据转换成一种能够表达线路故障状态的数据形式，其目的是为了消除直流正极线路和直流负极线路的电磁耦合关系)；

$S=S^{\′}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}-1& 1\\ 1& 1\end{array}\right]$

3.求取U_m1的故障分量ΔU_m1，并计算ΔU_m1的能量值E_bw_M1，其中

$E\_\mathrm{bw}\_M1=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{U}_{m1}^2\left(k\right)$

式中，ΔU_m1表示故障信号的数据窗内各个电压1模故障分量的具体数值，N为数据窗内对应的采样点数。

4.若满足E_bw_M1＜Δ_L(Δ_L为一个预先设定好的常数，样机中采用的标幺值为2)。则判定为非故障性雷击；否则，进入故障位置的计算判别过程。

故障位置识别

由于直流输电线路的两端均加装有平波电抗器及直流滤波器，它们就构成了直流输电线路高频暂态量的固有“边界”。单端比较暂态电压的高频分量在线路内、外部故障时的分布特征，就可以构成识别直流线路故障位置(线路区内故障还是区外故障)的工作原理。

本发明中通过提取故障暂态信号中的高频分量(10kHz~50kHz)的能量来构成保护判据。

一股地，故障暂态信号可以用式(1)表达：

式中：U_O为衰减直流分量的初始值，τ为衰减时间常数，U_n和

分别为n次谐波的幅值和初相角，ω为基频分量的角频率，M为谐波的最高次数。

为了克服衰减直流分量对高频能量提取的影响，本发明采用高频傅氏算法(一种改进的傅氏算法，参见文献《一种完全滤除衰减直流分量的短数据窗改进全波傅氏算法》，继电器，2005，33(17)：14-16，44)计算各次谐波的幅值及相位，如式(2)所示：

式(2)中的a_n，b_n由式(3)、(4)、(5)、(6)联立求得，各公式中出现的u(k)表示由保护装置数据采集模块1采集到的离散电压数据。

$\left\{\begin{array}{c}{a}_n=a_n^{\′}-{\mathrm{\Δa}}_n\\ b_n=b_n^{\′}-{\mathrm{\Δb}}_n\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{a}_n^{\′}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)\cos (\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\·k)\\ b_n^{\′}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)\sin (\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\·k)\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δa}}_n=\frac{2}{N}\·\frac{A\·(1-B\·\cos \frac{2\mathrm{\πn}}{N})}{1-2B\·\cos \frac{2\mathrm{\πn}}{N}+B^2}\\ {\mathrm{\Δb}}_n=\frac{2}{N}\·\frac{A\·B\·\sin \frac{2\mathrm{\πn}}{N}}{1-2B\·\cos \frac{2\mathrm{\πn}}{N}+B^2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}B=\frac{\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}u(2k+2)}{\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(2k\right)}\\ A=(1-B)\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(k\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

保护装置采用的故障数据窗长为2ms，即信号基频为f₀＝500Hz

借助各次谐波的幅值提取公式(2)~(6)，提取到10kHz以上的高频信号能量。为了提高保护判据的抗干扰性和可靠性，引入“平均能量和”的概念，其数学定义如式(7)所示。

$E_{h\_\mathrm{aver}}=\sqrt{E_L^2+E_M^2+E_H^2}---\left(7\right)$

式(7)中，E_{h_aver}为暂态信号高频分量的平均能量和，E_L对应频率为10kHz的谱线能量，E_M对应频率为20kHz的谱线能量，E_H对应频率为30kHz的谱线能量。

于是，故障位置判别过程中所使用的故障暂态信号高频分量用其对应的平均能量和E_{h_aver}来表征，进而得到线路区内发生故障时满足判据：

E_{h_aver}＞Δ_b       (8)

Δ_b为一个预先设定好的常数(样机中采用的标幺值为1.5e-7)。当式(8)被满足时，则确定为直流线路故障，进入故障极判别步骤。

故障极判别

由于同杆并架的双极直流线路间电磁耦合的作用，当直流线路一极上由故障引起的暂态信号沿线传播时会在另一极线路上感应出较强的暂态信号，从而会干扰线路故障极的判别。

忽略了线路的损耗，导线中波的运动可以近似看成是平面电磁波的传播。则对于同杆并架的双极直流线路来说，彼此间的耦合系数就能用式(9)来表示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_1=z_s\mathrm{\Δ}{i}_1+z_m\mathrm{\Δ}{i}_2\\ {\mathrm{\Δu}}_2=z_m{\mathrm{\Δi}}_1+z_s{\mathrm{\Δi}}_2\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，Δu₁，Δu₂是线路上任意点的故障电压分量，Δi₁，Δi₂是线路上任意点的故障电流分量，z_s，z_m是线路的自波阻抗和互波阻抗，可以由式(10)加以表示：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_s=R_i+j[\mathrm{\ω}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{2(h_i+\stackrel{\‾}{p})}{r_i}+X_i]\\ z_m=\mathrm{j\ω}\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{\sqrt{{(h_i+h_k+2\stackrel{\‾}{p})}^2+x_{\mathrm{ik}}^2}}{d_{\mathrm{ik}}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

R_i、X_i是线路的直流电阻和等值电抗(Ω/km)；ω是信号的角频率；μ₀是真空磁导率；h_i、h_k是线路i、k的对地平均高度；x_ik是线路i、k间的水平距离；d_ik是线路i、k间距离；r_i是线路i的等值半径；ρ表示复数深度

ρ是大地电阻率(Ω*m)。

假设线路1发生接地故障，故障暂态行波将由故障点沿线路1向两端传播，由于线路2上电流的变化量Δi₁＜＜Δi₂，故有：

${\mathrm{\Δu}}_2=\frac{z_m}{z_s}{\mathrm{\Δu}}_1=k_{c12}{\mathrm{\Δu}}_1---\left(11\right)$

式(11)中，k₁₂称为线路1对线路2的耦合系数。显然，k₁₂是频率相关函数。耦合系数随频率变化的关系(根据直流工程具体的参数得出)如附图4所示。

附图4表明，同杆并架的双极直流线路间的耦合系数在频带[10^-1，10⁵]Hz范围内先增大后减小，但总体上满足k_c12＜0.5＜1。即健全极线路上检测到的暂态信号强度始终要弱于故障极上信号的强度。尤其在信号低频带时，这种差异就更明显。由此，通过比较线路两极的故障信息能够识别故障极。

对于两极线路整流侧各检测到的故障电压信号，分别提取并计算其电压故障分量的低频段谱能量。如果E_{L_N}和E_{L_P}分别表示保护装置所需保护的那一极线路和另一极线路故障信号低频段的谱能量，则有：

E_{L_N}＝∑_k|a_{jL_N}(k)|²            (12)

E_{L_P}＝∑_k|a_{jL_P}(k)|²            (13)

a_{jL_N(k)}和a_{jL_P(k)}分别是小波变换在频段(0~10³Hz)上的逼近系数(逼近系数是将原始数据与尺度函数进行卷积后得到的一组特殊的数值，小波基一旦选定，尺度函数就是已知的)。

于是故障极判别判据可以表示成：

λ＝E_{L_N}/E_{L_P}＞1                  (14)

式(14)成立时，判断为保护装置所需保护极直流线路故障，否则判断为另一极线路故障。至此，保护四个判别步骤全部完成，保护给出换流阀触发角控制电路的动作信号，并准备保护装置的复归(包括各标志位的清零及缓冲区的清空)。

发明效果

电力系统数字仿真测试与动态模拟实验的结果都表明，该发明提出的直流线路上的整套继电保护装置不仅耐受过渡电阻能力强，而且保护定值不需要随着线路长度的变化而重新整定，仅需单端的故障信息就能快速、可靠地识别全线故障。概括地说，该发明所设计的保护装置具有以下特点：

1.快速准确地区分线路区内外故障

为了验证本发明提出的单端暂态量保护的性能，实验测试中考虑了不同故障位置，故障类型，过渡电阻的故障情形。直流线路故障设置在线路的始末端5km以及线路上每间隔100km处，过渡电阻包括0ohm、100ohm和500ohm；直流线路区外的故障考虑了①换流器直流侧出口短路②换流器交流侧相间短路③换流器交流侧相对地短路④换流器直流侧对地短路⑤换流变压器交流侧故障(Ag、BC、BCg、ABCg及过渡电阻50ohm、100ohm、500ohm)。

表1列出的实验数据显示，线路区内故障时高频能量值要比线路区外故障的情形大2~3个数量级，保护检测到的区内外故障特征具有非常明显的差别。保护平均动作时间为2.3ms，远远小于目前使用中的直流线路保护的动作时间。

表1不同故障情况下保护装置故障位置识别结果

2.可靠判别直流线路故障极

附图5给出的实验结果表明，当保护装置所在极线路发生接地故障时，能量比值都大于1；而当另一极线路发生接地故障时，能量比值都小于1。当发生直流线路故障时，保护装置能够准确地识别故障极。

3.准确识别非故障性雷击

表2给出了线路不同位置遭受不同雷击情形下的波尾能量值，通过与线路接地短路故障情形作比较不难发现，非故障性雷击时波尾能量值很小，大约在10^-5-10^-2数量级；而故障性雷击和接地短路故障时，波尾能量值稳定在10^-1-10⁰数量级范围。由此，通过设定门槛值0.5便能准确的识别非故障性雷击情形(表中E_bw_M1表示电压信号的1模故障分量ΔU_m1的能量值)。

表2雷电干扰识别的仿真结果

4.保护定值无需随着线路长度而改变

表3列出的实验数据表明了故障位置识别判据在线路长度不同时的判别结果。结果表明：判据所设置的定值不受线路长度的变化而改变，具有较强的适应性。大大简化了保护工作者为设定保护定值而需要做的工作。

表3线路长度变化时故障位置识别判据定值设定

线路长度	线路区内故障时高频能量最小值	线路区外故障时高频能量最大值	定值设定为
				500km	2.6937e-006	2.7040e-008	1.5e-007
1043km	2.5722e-006	1.1111e-008	1.5e-007
				2000km	1.0240e-006	1.3708e-008	1.5e-007

具体实施方式

附图7说明了保护装置硬件平台的一种可能的构成方式，这也是本发明样机所采用的方式。首先，数据采集模块1中的信号调理电路采用集成式的直流电压信号隔离转换模块(阿尔泰A11H11)，具有带通滤波和隔离保护的作用，其输入电压范围为：0~100V，输出电压范围为0~5V或0~10V(可选)，数模转换器采用高速24位A/D转换器(CS5381)；其次，保护计算模块2中的高速缓存由两块FPGA(Altera Cyclone II)设计实现，中央处理单元则由两块32位DSP处理器(TMS320 F2812)构成。最后，外围电路模块3中由一块基于V2 ColdFire架构的32位微处理器担任外围控制器的工作，与站内主机的通讯采用双以太网或RS232/485总线全双工的工作方式。

在保护工作过程中，模数转换器A/D进行高速数据采集，FPGA实现对高速A/D采集数据的存储和控制调度，中央处理单元DSP处理器通过查询方式访问前端采集通道，对采集的数据进行高速处理，这种方法大大提高了中央处理单元的处理能力，同时由于中央处理单元不直接与模数转换芯片接口，所以ADC芯片的升级或者替代都不会影响原来的数据采集，而且采用了时分复用方式读取转换完成的数据，因此这个系统数据采集速率可以达到所采用的ADC芯片输出的最高速率，既能充分发挥DSP算法处理功能强大、速度快的优势，又可以利用FPGA设计灵活、通用性强等特点。

本发明所述及的保护装置的具体工作流程如下(见附图8)：

(a)保护装置(即：正极线路保护装置或负极线路保护装置)上电后，FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)作为整个数据采集模块1中采样控制及数据暂存的核心单元，对ADC(Analog to Digital Converter：模拟/数字转换器)实施控制，并暂时保存ADC通过二阶硬件带通滤波(50~2MHz)后所采进的直流线路两极的暂态电压信号。为了能够不失真地采集到雷电波的信息，采样率控制在≥400kHz。由于使用循环缓冲区作为采样数据的暂放空间，其大小至少能够保存3个工频周期即60ms的双极电压电流数据(例如：保护采用24为ADC数据采集卡，此时每块缓冲区大小至少为60×400×3＝72000Bytes)；另外，为了保证缓冲区中的数据不会溢出，不会丢数据，MPU(Micro Processor Unit：微处理器单元)读取数据的速度要不慢于采集设备往缓存区中放数据的速度，附图2给出了循环缓存的工作原理；

(b)提取当前一个中断周期(1ms)内数据采集模块1存放在循环缓存区中的本极(保护装置所需保护的那一极)电压离散数据u(k)(400点/ms)，减去缓存区内保存的20ms以前的对应数据，得到当前数据的故障分量；随即对数据进行二次抽样(即先对原始数据样本进行间距为2的抽样，在抽样结果中再进行一次间距为2的抽样，得到等效于100kHz的采样数据，即100点/ms)，找出满足式(1)

u(k)＜0.98，1≤k≤100    (1)

的点，用满足条件的数据点之前的3个数据点之和与其之后的3个数据点之和相减，即：

${\▿}_k=(u_{k+3}+u_{k+2}+u_{k+1})-(u_{k-1}+u_{k-2}+u_{k-3})---\left(2\right)$

得到保护的启动工作电压

若该电压大于启动门槛值(本样机采用归一化的启动门槛值为0.025)，则当前数据点u(k)所在的时刻即为启动时刻，保护进入步骤(c)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程；

(注：由于故障或干扰可能发生在上次中断周期数据窗内的末端又或本次中断周期数据窗内的始端，从而使得计算电压梯度

需要用到上一次中断数据窗内数据点，为了解决这个问题，需要扩充启动数据窗，具体方法见附图6，图中“x”表示上次中断周期数据窗内的数据，“b”表示本次中断周期数据窗内的数据，虚线围成的框表示用于保护启动的数据窗)；

(c)保护启动后，利用检测到的故障时刻前1ms和故障时刻后1ms的两极电压信号数据窗，计算电压信号的1模故障分量ΔU_m1(所谓1模故障分量，是指通过一种特殊的矩阵运算方法，将原始电压数据转换成一种能够表达线路故障状态的数据形式，其目的是为了消除直流正极线路和直流负极线路的电磁耦合关系)的能量值E_bw_M1，若满足条件E_bw_M1＜2，则判断为非故障性雷击，保护雷电干扰标志位置“1”，中断返回重新进入数据采集线程，否则进入步骤(d)；

(d)从缓存区中提取故障后2ms内的本极(保护装置所需保护的那一极)电压故障分量数据u₁(k)，利用前文提及的高频傅氏算法分别计算电压故障分量中10kHz，20kHz以及30kHz这3条谱线的能量，并计算这3条谱线能量的均方和E_{h_aver}，若满足式(3)，

E_{h_aver}＞1.5×10^-7             (3)

则进入步骤(e)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程；

(e)从缓存区中提取故障后2ms内另一极电压的故障分量数据u₂(k)，用db3小波(英国数学家Daubechies构造的一种小波基函数，在图像压缩、故障检测方面有着广泛的应用)对u₂(k)进行4尺度分解(尺度分解是法国工程师、小波应用专家Mallat提出的一种函数空间剖分的方法，目的是在不丢失信息的前提下放大所采集信号的细节部分，所谓4尺度分解是指将原始数据占据的频带空间逐级划分4次得到的新数据，4尺度分解后得到的数据长度为原始数据长度的1/16)，并求取第4尺度下的逼近系数a_j＝4(k)(逼近系数是将原始数据与尺度函数进行卷积后得到的一组特殊的数值，小波基一旦选定，尺度函数就是已知的)的绝对值进行平方和∑_k|a_j＝4(k)|²，同理求得本极电压的故障分量数据u₁(k)对应的值∑_k|a′_j＝4(k)|²，若比值λ满足

λ＝∑_k|a′_j＝4(k)|²/∑_k|a_j＝4(k)|²＞1

则进入步骤(f)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程；

(f)保护给出换流阀触发角控制电路的动作信号，并准备保护装置的复归；至此，保护四个判别步骤全部完成。计入步骤(g)；

(g)外围控制电路根据计算结果在保护装置的显示面板上点亮相应的故障指示灯，同时保存故障计算结果并将结果以数据报文的形式上传站内主机，随即进入步骤(h)；

(h)保护复归(包括各标志位的清零及缓冲区的清空)，重新开始数据采集，并等待下一次中断的到来。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种基于单端暂态信号的超高速直流线路整套保护装置，其特征在于：所述装置包括依次双向连接的数据采集模块、保护计算模块和外围电路模块；所述数据采集模块包括一个或多个信号调理电路，在每个信号调理电路上均连接有数模转换器；所述保护计算模块包括中央处理单元及与其连接的一个或多个高速缓存；所述外围电路模块包括外围控制电路、人机交互模块、出口逻辑模块和对外通讯模块。

2.基于权利要求1所述超高速直流线路整套保护装置的保护方法，其特征在于，按照如下步骤：

(1)通过直流电压测量设备将保护装置的两路数据采集接口分别与正极直流线路和负极直流线路相连接，将保护装置的出口逻辑接口与换流阀触发角控制电路相连接，通过借助于该控制电路对换流阀的控制，保护装置便能够控制直流输电线路的启停；

(2)给保护装置上电，待保护装置上电并通过自检后，执行步骤(3)；

(3)按照采样率≥400kHz的条件采集直流线路正极和负极的暂态电压信号并将其转化为故障数据；待采满1ms的故障数据时，保护装置进入中断计算线程，并利用该故障数据判断是否启动判别过程；如果启动判别过程，则进入步骤(4)，否则保护复归，继续执行步骤(3)；

(4)通过雷电干扰识别过程判断故障数据是否表明直流线路遭受了雷电干扰；如果判断为雷电干扰，则保护复归，转步骤(3)；如果判断结果表明线路上不存在雷电干扰，则转步骤(5)；

(5)利用故障数据判断线路上是否发生直流线路故障；如果不是直流线路故障，则保护复归，转步骤(3)；如果是直流线路故障，则转步骤(6)；

(6)利用故障数据判断直流线路故障是否发生在保护装置所安装的那一极直流线路上；如果是，则转步骤(7)；如果不是发生在保护装置所安装的那一极上，则保护复归，转步骤(3)；

(7)得到故障信息，保护装置进行相应动作。

3.如权利要求2所述超高速直流线路整套保护装置的保护方法，其特征在于，所述步骤(3)是指提取当前一个中断周期内数据采集模块存放在循环缓存区中的本极电压离散数据，减去缓存区内保存的20ms以前的对应数据，得到当前数据的故障分量；随即对数据进行二次抽样，找出满足式(1)

u(k)＜0.98，1≤k≤100    (1)

的点，用满足条件(1)的数据点之前的3个数据点之和与其之后的3个数据点之和相减，即：

${\▿}_k=(u_{k+3}+u_{k+2}+u_{k+1})-(u_{k-1}+u_{k-2}+u_{k-3})---\left(2\right)$

得到保护启动的工作电压

，若该电压大于启动门槛值，则当前本极电压采样数据点u(k)所在的时刻即为启动时刻，保护进入步骤(4)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

4.如权利要求2所述超高速直流线路整套保护装置的保护方法，其特征在于，所述步骤(4)是指保护启动后，利用检测到的故障时刻前1ms和故障时刻后1ms的两极电压信号数据窗，计算电压信号的1模故障分量ΔU_m1的能量值E_bw_M1，若满足条件E_bw_M1＜2，则判断为非故障性雷击，将雷电干扰标志位置“1”，中断返回重新进入数据采集线程，否则进入步骤(5)。

5.如权利要求2所述超高速直流线路整套保护装置的保护方法，其特征在于，所述步骤(5)是从缓存区中提取故障后2ms内的本极电压故障分量数据u₁(k)，利用高频傅氏算法分别计算电压故障分量中10kHz，20kHz以及30kHz这3条谱线的能量，并计算这3条谱线能量的均方和E_{h_aver}，若满足式(3)，

E_{h_aver}＞1.5×10^-7    (3)

则进入步骤(e)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

6.如权利要求2所述超高速直流线路整套保护装置的保护方法，其特征在于，所述步骤(6)是从缓存区中提取故障后2ms内另一极电压的故障分量数据u₂(k)，用db3小波对u₂(k)进行4尺度分解，并求取第4尺度下的逼近系数a_j＝4(k)的绝对值进行平方和∑_k|a_j＝4(k)|²，同理求得本极电压的故障分量数据u₁(k)对应的值∑_k|a′_j＝4(k)|²，若比值λ满足

λ＝∑_k|a′_j＝4(k)|²/∑_k|a_j＝4(k)|²＞1

则进入步骤(7)，否则保护复归，中断返回重新进入数据采集线程。

7.如权利要求2所述超高速直流线路整套保护装置的保护方法，其特征在于，所述步骤(7)是指：

(a)给出换流阀触发角控制电路的动作信号，并准备保护装置的复归；进入步骤(b)；

(b)外围控制电路根据计算结果在保护装置的前端显示面板上点亮相应的故障指示灯，同时保存故障计算结果并将结果以数据报文的形式上传站内主机，随即进入步骤(c)；

(c)保护复归，重新开始数据采集，并等待下一次中断的到来。

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