CN105896485A - 基于新能源并网的特高压长距离直流线路的保护算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新能源并网的特高压—长距离直流线路的新型保护算法，主要包括：获取被保护直流输电线路两侧各极采样得到的电气采样值数据，即时对线路实际的运行状态进行初始判断；根据初始判断所得的状态，启动积分形式的纵向阻抗时域保护算法；当直流输电线路因故促使上述相应被检测电流的时域增量能够有效测量时，即能够启动设定的纵向阻抗算法并且根据纵向阻抗的时域积分结果确定线路是否出现了内部故障。本发明所述超、特高压直流输电线路单元式保护的新型保护算法，可以有效排除现行直流输电线路配置的电流差动保护算法所难以抵御高频谐波的干扰、消减由于超长距离线路其分布参数所带来的影响、同时明显缩短跳闸动作的整定时间。

Description

基于新能源并网的特高压长距离直流线路的保护算法

技术领域

本发明涉及电力系统特高压直流输电线路继电保护的技术领域，具体地涉及特高压直流输电线路单元式保护的配置原则。

背景技术

针对我国“十三五”及以后经济发展的环境下，能源消费和资源开发将面临更大的压力。由此可以看出，新能源并网技术是国内外电力系统广泛采用的一项替代传统发电、节能减排的有效新措施。按照新能源发电的实际情况看，风力发电占据最大的比例。但是现有新能源并网所用特高压直流输电线路的继电保护技术存在着保护配置不合理、保护原理有缺陷、保护职责不明确和保护事故常发生等技术难题。特别针对直流输电线路的电流差动保护，由于受到电力电子产生高频谐波和超长距离线路分布电容等因素的影响，在实际保护中很难在动作速度与启动门槛方面取得较好的配合，同时存在适应系统运行变化范围较窄、故障有效发现与扰动可靠过滤难协调等的技术难题。鉴于新能源并网高度供电可靠性的要求，提高输电线路的故障判别能力具有重要的经济价值和工程潜力，其中具有故障状态识别功能和运行方式适应能力的直流输电线路单元式保护的研究尤为重要。

目前，现有直流输电线路单元式保护的配置方法可分为以行波保护、微分欠压保护等构成的主保护和以电流差动保护、低电压保护等构成的后备保护，并且这些保护的主要技术来源于ABB公司和SIEMENS公司，并且由此形成直流输电线路相对完整的继电保护体系。

行波保护的最主要特点是能够有效地利用故障发生时从故障点向外传送的暂态故障行波，达到鉴别故障状态的目的。上述各著名公司在利用行波的特性时所描述的状态都有所区别，因此在动作时间、抗干扰能力和耐过渡电阻等方面也反映出微小的差异。但是行波保护的最大性能缺陷是可靠性相对较差，容易受到外界电磁干扰的影响，特别包括雷电等干扰因素的影响，往往会引起保护误动；其次，也体现出行波保护在耐过渡电阻、故障分辨灵敏度以及保护整定等方面存在着暂时无法解决的原理性缺陷；最后，它对数据的采集速率和测量精度都需附带较高的技术要求。

微分欠压保护的基本特征是根据所获得电压的微分结果以及实际幅值的变化状态确定保护的动作情况，它既成为直流输电线路的主保护，又配置为行波保护的后备保护。它的动作速度略逊于行波保护，特别针对微分欠压保护，可以在行波保护已退出、电压变化率不足以触发保护时发挥相关作用。但是耐过渡电阻的能力低、故障判别灵敏度差和缺乏必要理论支持是该保护的主要弱点。

低压保护的主要特点是对运行电压幅值状态进行检测以确定保护的动作，它的实际使用效率并不高且理论研究也相对薄弱。低压保护的形式主要包括线路和极控两种，前者的整定值相对较高，它动作后将启动线路重启程序，而后者为动作后将闭锁故障极，因此已经超出线路保护的技术范畴。它应该在行波保护、微分欠压保护未动并且电流差动保护来不及动作的情况下发挥其保护功能。但是它的主要问题在于整定缺乏理论的依据、没有方向判别的功能及动作速度仍呈现较慢等。

电流差动保护的根本特点是可以忽略直流线路的拓扑结构，确保其具有绝对的故障判别选择性。但是在该算法中没有考虑到超长距离线路分布电容以及由电力电子运行所呈现高频谐波的影响，同时缺乏交流差动保护所设制动量的平衡，因此只能通过调节动作门槛或者增加等待延时等待两种方法确保相关保护的可靠性。通过调节动作门槛可以避免相关干扰所带来的影响，但是同时也降低了故障判别的灵敏度。通过增加等待延时可以获得干扰衰减后灵敏判别故障的效果，但是保护的速度将明显降低。实际动作速度比较交流差动保护要慢许多，根据分析等待延迟时间需要达到秒的数量级。由于在直流输电的调控过程中，电力电子操控的反应速度相对更快，因此多次引发极控低压保护及最大触发角的保护动作，造成闭锁故障极，线路因此被迫停运的事故；同时，该差动保护几乎不能判别所出现的高阻故障。

除了上述诸项保护之外，还可以根据在交流系统中成熟的实践经验相应提出了的若干种其它形式的保护方案，如电流横向差动保护和线路距离保护，并且根据在直流输电线路的运行中所呈现功率倒向现象、方向元件适用性等方面的内容进行了广泛深入的研究。由于上述保护也都存在着原理局限性，因此只能作为后备保护或者某项保护的辅助功能项。

为什么在如何之多继电保护配置的基础上，直流输电线路仍然不能消除运行事故的隐患呢？除了上述各种保护原理其自身所存在的技术缺陷外，直流输电系统的复杂性也使得任何保护方案都无法能够全面适应所面临的各种复杂运行环境，因此必然会出现这样或者那样的短缺。传统的继电保护往往缺乏严密的定性分析结论和可信的定量估测结果，因此不得不依靠基于理想模型的分析结论，通过实验仿真验证去实际调整保护的整定，没有明确的分辨界限和判别裕度，同时分析的目标过于单调，缺乏关联性和对比性，一旦其中任何一个电气信号的测量状态发生变化都会严重扭曲保护的整体性能，因此继电保护—特别在直流输电系统中—延时就成为一种不可或缺的补偿手段。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，以实现抗干扰能力强、可靠性高和安全性好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，主要包括：

步骤1，构建直流输电线路发生区内、外故障时的等效线路时域线路模型；

步骤2，描述出故障测量端测得电压和电流时域的数学表达式；

步骤3，形成保护启动和判别式；

步骤4，在步骤3中表达的各项计算项代入故障测量端测得电压和电流时域的数学表达式进行故障判别结果的定性分析。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，当分别出现区内、外故障时实际的直流输电系统按照戴维宁等效定律等效换算成故障后的双电源供电系统直流输电线路模型；

步骤1.2，把步骤1.1获到的双电源供电系统直流输电线路模型理想化为参数进行修正的集中参数线路模型，然后根据线性叠加原理获得Π等效全量、负荷分量以及故障分量线路模型；

步骤1.3，将步骤1.1获到发生故障后的双电源供电系统直流线路模型根据线性叠加原理和傅里叶级数展开算法进行换算处理后，将故障后的全量线路模型转换获得Π型等效故障分量线路模型和负荷分量线路模型。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，对步骤1.2中得到的双电源供电系统直流输电线路模型进行分解，得到双电源供电系统直流输电线路在相应分量激励后的等效故障分量和负荷分量线路模型；

步骤2.2，获得基于时域环境的直流线路各测量端电压和电流的解析表达式，具体步骤为：

步骤2.2.1，在步骤2.1中获得Π型等效故障分量线路模型和负荷分量线路模型的基础上，设定故障或者扰动中心所呈现故障分量电压的时域状态可以表达为考虑带时间衰减特性的直流分量和相关高次谐波分量。

步骤2.2.2，对于步骤2.2.1中得到故障分量电压的时域表达式，根据Π型等效故障分量线路模型，针对区内、外故障，分别可以转换线路两测量端测得各极的故障分量电压。

当遇到图1所示区外故障的情况时，直流衰减分量的电压分配系数k_m0将可以近似表示为：

$k_{m0}\≈\frac{R_m}{R_m+rD+R_n^{\′}}---\left(3\right)$

式中，R_m为m侧区外的等效电阻；r为直流输电线路的单位长度电阻；D为直流输电线路的地理长度；R′_n为n侧测量点至故障点的等效电阻。当遇到图2所示区内故障的情况时，k_m0将可以近似表示为：

$k_{m0}\≈\frac{R_m}{R_m+rd}---\left(4\right)$

式中，d为故障点至m测量端的地理距离。

同样针对图1和图2所示区内、外故障，高次谐波衰减分量的电压分配系数k_mi将可以近似得到相应的表示关系。

对于超长距离的输电线路往往需要考虑沿线均匀分布的电气特性所带来的影响，这样构成了基于分布参数的输电线路模型。将分布参数的输电线路模型进行泰勒级数展开并且按照收敛情况忽略不必要的高次项，由此可以得到修正后的集中参数输电线路模型：

$\begin{array}{c}{r}^{\′}=k_{r}r,l^{\′}=k_{x}l,c^{\′}=k_{b}c,x_1=\mathrm{\ω}l,b_1=\mathrm{\ω}c\\ k_r=1-x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{3},k_x=1-(x_1{b}_1-\frac{r_1^2{b}_1}{x_1})\frac{d^{\′2}}{6},k_b=1+x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{12}\end{array}---\left(6\right)$

式中，r,l,c分别为实测直流输电线路单位地理距离的电阻、电感和电容值；r′,l′,c′分别为得到修正后直流输电线路单位地理距离的电阻、电感和电容值；d′为所涉及超长距离输电线路的计算地理长度。

根据图1和图2所示的内容和上述推导的过程，由此可以推测出n侧的相关系数k_n0和k_nk。

步骤2.2.3，对于步骤2.2.2中得到线路两测量端测得各极的故障分量电压，由此可以分别得到线路两侧对应故障分量各电流的时域表达式。

步骤2.2.4，同理可以得到图3所示直流输电线路在正常运行情况下负荷分量电压和电流的表达关系式。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，提出一种基于新能源并网的特高压以及超长距离直流输电线路纵向阻抗的新型保护算法，其特征在于，主要包括：

步骤3.1.1，利用线路两侧各极采集得到的采样值故障分量电流数据，即时对线路的运行状态进行初始判断；

步骤3.1.2，根据步骤3.1.1进行初始判断所做出的结论，分别启动不同形式纵向阻抗的积分式时域计算方法；上述算法的前提在于：当输电线路因故促使线路两端采样值故障分量电流的时域和能够有效测量时，即能够启动纵向阻抗的积分算法并且根据纵向阻抗的积分结果确定线路是否出现内部故障。

步骤3.2，根据步骤1所述超、特高压长距离直流输电线路单元式保护的配置原则，其特征按照步骤3.1.1所述，具体内容包括：

利用线路两侧各极测量得到的采样值故障分量电流数据以及采样值全量电流数据即时根据各极实测电流实时数据的大小得到对线路运行状态的初始判断；

其中，为直流输电的正极和负极线路。

步骤3.3，根据步骤1或2所述的基于新能源并网的超、特高压直流输电线路单元式保护的配置方法，其特征按照步骤3.1.2所述，具体内容包括：

步骤3.3.1，当线路两侧采样值故障分量的时域电流和满足单元式保护基本的启动门槛时，能够由此启动采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗的保护算法；在上述计算过程中，采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗的保护算法可以确保在可靠排除相关外界干扰的前提下判别出直流线路内部所发生的各种短路故障；

步骤3.3.2，作为后备保护，需要使用一个定时限或者反时限的采样值全量电流差动积分计算式，当它达到相关保护的启动门槛时，能够启动定时限或者反时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗。

步骤3.4，根据权利步骤3.3所述的基于新能源并网的超、特高压直流输电线路单元式保护的配置方法，其特征在于，按照步骤3.3.1所述，具体内容包括：

当线路两侧采样值故障分量的电流和满足时，可以成为式(11)保护的启动单元，即能够启动定时限的采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗

式中，f(r′D)为线路串联电阻及其相关的计算值；rD为得到修正后线路全长串联电阻。

步骤3.5，根据权利步骤3.4所述的基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的时效运行特点，其补充特征在于，按照步骤3.3.2所述，具体还包括：

采样值全量积分/累计和式纵向阻抗能够由启动单元启动，也能够不需要启动，自动地连续长期实时监测线路的运行状态：

式中，K_Load≈2～3为负荷分量影响的加权可靠因子。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，根据步骤2.2.2所述的根据直流输电线路两端测量得到故障分量电压的时域表达结果以及步骤2.2.3所述的根据相同位置得到故障分量电流的时域表达结果，结合步骤3.4所设定的定时限的采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗保护算法的特点，可以得到在区外故障时保护启动单元式(10)的结果为：

式中，为直流衰减分量的累积和数据项；为正弦衰减分量的累积和数据项；为余弦衰减分量的累积和数据项。

根据式(14)所显示的内容可以看出，当寻找合适时间段T′的条件下，利用积分/累计和低通滤波的效果可以大幅降低直流线路高频谐波对启动门槛设置的影响，降低谐波信号的干扰性。上述结果代入式(11)可以获得故障分量积分/累计和式纵向阻抗的计算结果为：

式中，为线路两端包含衰减成分的直流分量电压数据计算项，同时它还可以表示为得到修正后直流输电线路全长电阻的直流压降；I_m0为m测量端测量得到直流电流的稳态值；为线路两端包含衰减分量的交流电压数据计算项，通过积分计算可以得到有效减免。

根据式(15)估算的结果可以看出，当遇到区外故障时，由于本发明所提出的积分/累计和式纵向阻抗天然形成低通滤波的效应，可以有效消减在电压和电流测量数据中所包含相关高频谐波的干扰，同时根据实际系统运行的状态以及具体参数配置的情况，构建了在线路两端电压差中所得直流分量的数值相对于分母结果绝对占优的特点，确保了纵向阻抗的可靠性。

步骤4.2，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3以及步骤3.4所述的内容，同样可以得到在区内故障时保护启动单元式(10)的结果为：

式中，为故障电流的直流分量电流累积和数据项。

根据式(16)所显示的内容可以看出，在相同的条件下，利用积分/累计和低通滤波的效果可以明显提升故障电流对启动门槛设置的触发，提高状态判别的灵敏度。上述结果代入式(11)可以获得故障分量积分/累计和式纵向阻抗的计算结果为：

根据式(17)估算的结果可以看出，当遇到区内故障时，由于在阻抗计算的分母项中故障电流直流分量的积分项I₀A₆占据了绝对大数的位置，而在线路两端电压差中所示得直流分量的数值相对于分母结果绝对占优的特点，确保了纵向阻抗的可靠性。

步骤4.3，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3以及步骤2.2.4所述的内容，结合步骤3.5所设定的定时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗保护算法的特点，可以分别针对区外故障时获得它的计算结果为：

根据式(18)估算出的结果可以看出，当遇到区外故障时，所增加负荷分量在直流线路串联电阻上的压降将明显提升全量纵向阻抗的幅值，同时由于线路两侧电力电子设备的限流作用，限制了直流系统短路容量的增大，稳定了负荷分量在式(18)的影响并且确保式(18)保护判别的可靠性。

步骤4.4，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3、步骤2.2.4以及步骤3.5所述的内容，同样可以得到在区内故障时采样值全量积分/累计和式纵向阻抗的结果为：

根据式(19)估算出的结果可以看出，当遇到区内故障时，由于负荷分量的影响将抬高保护判据的动作门槛，降低保护判别的灵敏度。但是在直流系统中由于电力电子的控制作用限制了直流潮流的调控范围同时针对直流线路继电保护的整定要求，可以通过一个相对稳定的加权可靠因子K_Load确保对故障的可靠判别。

步骤4.5，通过上述步骤4.1到步骤4.4所示的内容可以看出，由于故障分量的积分/累计和式纵向阻抗所采用电压差的数据项能够完全覆盖由各种相关的干扰因素所带来不平衡电流其数值因衰减而涉及最大的变化范围，确保所构建保护的可靠性；同时通过积分/累积和的计算方法能够有效消减高频谐波的干扰，基本遏制了超长距离直流线路分布电容的影响，可以成为未来直流输电线路单元式快速主保护强有力的竞争者。而全量的积分/累计和式纵向阻抗能够弥补故障分量稳定作用时间短的缺陷，同时其具有特有的计算方式可以有效化解并且降低系统运行方式以及负荷状态变化所带来的各种不利影响，将有效提高故障判别的灵敏度，可以成为未来直流输电线路单元式后备保护理想的备选。

步骤4.6，上述两种形式的纵向阻抗计算方法可以构成完整的直流输电线路单元式保护系统，适应于各种运行环境和不同类型故障的判别。针对二十一世纪国家能源发展的战略目标、“十三五”国民经济以及能源的发展规划对新型能源并网未来发展的实际要求，结合我国实际的能源布局，未来需要将新能源所产生的电能经过超长距离特高压直流输送的方式分配到超大型的负荷中心，同时需要兼顾考虑到新能源实际的运行特点和存在的各种风险，因此必须加强相关输电调度控制以及继电保护的技术水平和适应能力，才能确保新能源并网的安全性和可靠性，建立电能市场环境的完好性和充分性，构成人类社会发展的经济性和环保性。

由于本发明所提出的积分/累计和式纵向阻抗算法具备上述步骤4.1和步骤4.2所陈述的性能特点，可以消减在超长距离的直流输电线路上分布电容、高频谐波以及衰减特性的影响，由此确保了直流输电线路在各种外界干扰的环境下，包括被保护区外发生故障时所配置纵向阻抗保护结果的可靠性。与此同时，基于考虑电源侧的系统运行方式以及区内故障位置变化对纵向阻抗的影响，可以用式(17)估算的结果来反映：当电源侧为无穷大系统同时故障发生在n端出口处时，所得纵向阻抗可以呈现为：

同时，当电源侧为极弱系统同时故障发生在m端出口处时，所得纵向阻抗可以呈现为：

本发明的有益效果是，与传统的直流线路电流差动保护比较具有以下优点：

1)通过积分/累计和式的计算方法，当遇到区外故障时，由于线路两端电压差的直流分量足够遏制了差动电流的不平衡扰动，确保了相关保护的可靠性；当遇到区内故障时，由于线路两端电压差的残余分量足以衬托出差动状态的小故障电流，构建了相关保护的灵敏性。

2)这种纵向阻抗的特定算法具有明显的低通滤波特性，不仅能够有效消除直流系统高频谐波干扰，而且可以明显降低超长距离输电线路分布电容的影响，提高了保护的实际使用效果。

3)纵向阻抗在各种运行方式以及不同线路状态下保持了相对稳定的动作门槛状态，具备较好的适应能力和判别裕度，在现行的直流输电线路中能够保持较高的保护性能，同时可以减免故障类型、故障位置和故障电阻的影响。

4)本发明特别适用于新能源并网的直流输电线路保护，同样完全适用于传统发电的直流线路保护。

附图说明

附图用来提供对本发明进一步的解释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施部分一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中当遇到区外故障时采样值故障分量的直流线路等效模型；

图2为本发明中当遇到区内故障时采样值故障分量的直流线路等效模型；

图3为本发明中当遇到区内、外故障时采样值负荷分量的直流线路等效模型；

图4为本发明中当遇到区外故障时采样值全量的直流线路等效模型；

图5为本发明中当遇到区内故障时采样值全量的直流线路等效模型。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施部分进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施部分仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施部分，如图1至图5所示，提供了一种可以适用于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置新算法，该具体算法涉及将采取故障分量以及全量的纵向阻抗算法运用于各种运行环境下故障性质判别的保护方法，可以避免现有直流输电线路单元式继电保护因为各种干扰因素而降低保护的性能甚至威胁保护的可靠性，进一步提高直流输电线路继电保护适应不同运行方式的能力，提高故障识别判据的灵敏度和可靠性。

本发明的技术方案，是根据新能源并网与传统发电在运行方式与状态判别的差异，通过测量线路两端电流的初始状态，定性判别事态对系统影响程度的初步结论，启动所设的纵向阻抗算法并且根据纵向阻抗算法的实际计算结果，确定线路实时运行状态有别于常态的保护算法。本发明技术方案的主要步骤为：首先，当直流线路所涉及的电气状态因故发生变化并且通过快速采集线路两侧各极的时域采样值故障分量电流和全量电流，即时根据各极实测电流差动计算量与动作门槛的比较划分线路的状态；其次，在上述定性分析结论的基础上，采取既定的纵向阻抗算法，分项计算出纵向阻抗的结果，并且根据所得结果判别状态的实际性质。当计算阻抗满足判别条件时，灵敏判为内部故障，即可发出跳闸命令；否则，可靠排除为内部故障，由此可以确保所管辖的被保护输电线路仍可以保持原有稳定运行的状态。

本发明的技术方案，具体包括以下步骤：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，当分别发生区内、外故障时实际的运行系统按照戴维宁等效原理等效转换成故障后的双电源供电系统直流输电线路模型；

步骤1.2，把步骤1.1获到的双电源供电系统直流输电线路模型理想化为包含修正系数的集中参数线路模型，然后根据线性叠加原理获得Π等效全量、负荷分量以及故障分量线路模型；

步骤1.3，将步骤1.1获到故障后的双电源供电系统直流线路模型根据线性叠加原理和傅里叶级数展开算法进行变换处理后，将故障后的全量线路模型转换获得Π型等效故障分量线路模型和负荷分量线路模型。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，对步骤1.2中得到的双电源供电系统直流输电线路模型进行分解，得到双电源供电系统直流输电线路在相应分量激励后的等效故障分量和负荷分量线路模型；

步骤2.2，获得基于时域环境的直流线路各测量端电压和电流的解析表达式，具体步骤为：

步骤2.2.1，在步骤2.1中获得Π型等效故障分量线路模型和负荷分量线路模型的基础上，设定故障或者扰动中心所呈现故障分量电压和故障电流的时域表达：

式中，U₀为故障点直流电压的稳态值；k_u0为故障点直流电压衰减值与稳定值的比值；τ₀为故障点直流电压幅值的衰减时间常数；k∈Κ为测量电压所遇到相关k整次高阶谐波的集合；U_k为k次谐波电压的有效稳态幅值；k_uk为k次谐波电压衰减幅值与稳态幅值的比值；τ_k为k次谐波电压幅值的衰减时间常数；为k次谐波电压的初始相位；I₀为故障直流电流的稳态值；k_i0为故障直流电流衰减值与稳定值的比值；I_k为k次谐波故障电流的有效稳态幅值；k_ik为k次谐波故障电流衰减幅值与稳态幅值的比值；为k次谐波故障电流的初始相位。

在式(1)中故障分量电压u_F′(t)可以设定为自由量，则故障电流i_F(t)的相关各量可以通过故障分量电压u_F′(t)的对应各量定性分析结果为：

$\begin{array}{c}{I}_0\≈f(U_0,R_m,d,D,R_n,R_n^{\′})\\ I_k\≈f(U_k,k,R_m,d,D,R_n,R_n^{\′},r^{\′},l^{\′},c^{\′},L_m,L_n)\end{array}---(1-1)$

式中，f()为依据故障点故障分量电压u_F′(t)计算出故障电流i_F(t)的时域函数，函数的形式将随故障状态而变化，其中的参数将随后续的公式给予说明。

步骤2.2.2，对于步骤2.2.1中得到故障分量电压的时域表达式，根据Π型等效故障分量线路模型，针对区内、外故障，分别转换线路两测量端测得各极的故障分量电压为：

式中，m,n分别为直流输电线路两侧的测量端；k_m为故障点故障分量电压的时域表达折算至m测量端的综合比例系数；k_n为折算至n测量端的综合比例系数；k_m0为在m测量端对应故障点直流衰减分量的电压分配系数；k_mk为在m测量端对应故障点高次谐波衰减分量的电压分配系数；k_n0为在n测量端对应故障点直流衰减分量的电压分配系数；k_nk为在n测量端对应故障点高次谐波衰减分量的电压分配系数；分别为直流输电线路的正、负极；分别为两端测量点实时获得线路各电极电压的采样值故障分量。

当遇到图1所示区外故障的情况时，在m测量端上测得故障分量电压的直流分量以及直流衰减分量的电压分配系数k_m0将可以近似表示为：

$k_{m0}\≈\frac{R_m}{R_m+rD+R_n^{\′}}---(3-2)$

式中，R_m为m侧区外的等效电阻；r为直流输电线路的单位长度电阻；D为直流输电线路的地理长度；R_n′为n侧测量点至故障点的等效电阻。当遇到图2所示区内故障的情况时，和k_m0将可以近似表示为：

$k_{m0}\≈\frac{R_m}{R_m+rd}---(4-2)$

式中，d为故障点至m测量端的地理距离。

同样针对图1和图2所示区内、外故障，高次谐波衰减分量的直流分量以及电压分配系数k_mi将可以近似表示为：

式中， ${Z_{mk}}^{\′}=\frac{(R_m+{\mathrm{jk\ωL}}_m)\frac{2}{{\mathrm{jk\ωc}}^{\′}D}}{R_m+{\mathrm{jk\ωL}}_m+\frac{2}{{\mathrm{jk\ωc}}^{\′}D}};{Z_{nk}}^{\′}=\frac{({Z_{mi}}^{\′}+r^{\′}D+{\mathrm{jk\ωl}}^{\′}D)\frac{2}{{\mathrm{jk\ωc}}^{\′}D}}{({Z_{mi}}^{\′}+r^{\′}D+{\mathrm{jk\ωl}}^{\′}D)+\frac{2}{{\mathrm{jk\ωc}}^{\′}D}};$ ω为直流输电线路外侧交流系统的工频角频率；L_m为；r′,l′,c′分别为包含了对超长距离线路参数修正后直流输电线路单位地理距离的电阻、电感和电容；L_n′为n侧测量点至故障点的等效电感；L_m为m侧区外的等效电感；R_n为n侧区外的等效电阻；L_n为n侧区外的等效电感。

对于超长距离的输电线路往往需要考虑沿线均匀分布的电气特性所带来的影响，这样构成了基于分布参数的输电线路模型。将分布参数的输电线路模型进行泰勒级数展开并且按照收敛情况忽略不必要的高次项，分别在忽略和考虑线路电导的条件下由此可以得到修正后的集中参数输电线路模型：

$\begin{array}{c}{r}^{\′}=k_{r}r,l^{\′}=k_{x}l,c^{\′}=k_{b}c,x_1=\mathrm{\ω}l,b_1=\mathrm{\ω}c,g=0\\ k_r=1-x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{3},k_x=1-\left(x_1{b}_1-\frac{r_1^2{b}_1}{x_1}\right)\frac{d^{\′2}}{6},k_b=1+x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{12}\end{array}---(6-1)$

g≠0

$\begin{array}{c}{k}_r=1-x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{3}-g_1(\frac{x_1^2}{r_1}-r_1)\frac{d^{\′2}}{6},k_x=1-(x_1{b}_1-\frac{r_1^2{b}_1}{x_1})\frac{d^{\′2}}{6}+g_1{r}_1\frac{d^{\′2}}{3}\\ k_b=1+x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{12}-g_1(2r_1+g_1\frac{x_1}{b_1})\frac{d^{\′2}}{12},k_g=1+x_1{b}_1\frac{d^{\′2}}{12}+r_1(\frac{b_1^2}{g_1}-g_1)\frac{d^{\′2}}{12}\end{array}---(6-2)$

式中，r,l,c,g分别为实测直流输电线路单位地理距离的电阻、电感、电容值和电导；r′,l′,c′,g′分别为得到修正后直流输电线路单位地理距离的电阻、电感、电容值和电导；d′为所涉及超长距离输电线路的计算地理长度。

根据图1和图2所示的内容和上述推导的过程，由此可以推测出n侧的故障分量电压直流分量和以及相关系数k_n0和k_nk可以表示为：

式中， ${Z_{nk}}^{\′\′}=\frac{(R_n+{\mathrm{jk\ωL}}_n)\frac{2}{{\mathrm{jk\ωc}}^{\′}D}}{R_n+{\mathrm{jk\ωL}}_n+\frac{2}{{\mathrm{jk\ωc}}^{\′}D}}.$

步骤2.2.3，对于步骤2.2.2中得到线路两测量端测得各极的故障分量电压，

由此可以分别转换为线路两侧对应故障分量各电流的时域表达式：

式中，分别为两端测量点实时获得线路各电极电流的采样值故障分量；分别为两端测量点补偿了电容电流后各电极电流的采样值故障分量；分别为线路两侧电容电流的采样值故障分量。

步骤2.2.4，同理可以得到图3所示直流输电线路在正常运行情况下负荷分量电压和电流的表达关系式为：

式中，E_m0,E_n0分别为线路两侧等效的直流电动势值；分别为线路两端测量得到的负荷分量电流采样值；I_m0,I_m0分别为线路两端实际的负荷分量直流电流值；分别线路两端测量得到的负荷分量电压采样值；U_m0,U_m0分别为线路两端实际的负荷分量直流电压值。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，提出一种基于新能源并网的特高压以及超长距离直流输电线路纵向阻抗的新型保护算法，其特征在于，主要包括：

步骤3.1.1，利用线路两侧各极采集得到的采样值故障分量电流数据，即时对线路的运行状态进行初始判断；

步骤3.1.2，根据步骤3.1.1进行初始判断所做出的结论，分别启动不同形式纵向阻抗的积分式时域计算方法；上述算法的前提在于：当输电线路因故促使线路两端采样值故障分量电流的时域和能够有效测量时，即能够启动纵向阻抗的积分算法并且根据纵向阻抗的积分结果确定线路是否出现内部故障。

步骤3.2，根据步骤1所述超、特高压长距离直流输电线路单元式保护的配置原则，其特征按照步骤3.1.1所述，具体内容包括：

利用线路两侧各极测量得到的采样值故障分量电流数据以及采样值全量电流数据即时根据各极实测电流实时数据的大小得到对线路运行状态的初始判断；

其中，为直流输电的正极和负极线路。

步骤3.3，根据步骤1或2所述的基于新能源并网的超、特高压直流输电线路单元式保护的配置方法，其特征按照步骤3.1.2所述，具体内容包括：

步骤3.3.1，当线路两侧采样值故障分量的时域电流和满足单元式保护基本的启动门槛时，能够由此启动采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗的保护算法；在上述计算过程中，采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗的保护算法可以确保在可靠排除相关外界干扰的前提下判别出直流线路内部所发生的各种短路故障；

步骤3.3.2，作为后备保护，需要使用一个定时限或者反时限的采样值全量电流差动积分计算式，当它达到相关保护的启动门槛时，能够启动定时限或者反时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗。

步骤3.4，根据权利步骤3.3所述的基于新能源并网的超、特高压直流输电线路单元式保护的配置方法，其特征在于，按照步骤3.3.1所述，具体内容包括：

当线路两侧采样值故障分量的电流和满足：

式中，I′_set＝0.1A为线路电流互感器二次侧测量所得采样值在指定的积分时间段内达到稳定测量的最低动作门槛阀值；T′为采样值故障分量电流差动积分/累计和所设置的时间段，可以根据不同的保护需求进行相应的配置；m′为在设置时间T′内所对应采样的数据点数；K₁为不小于1的整数，为状态判别的可靠系数。

式(10)可以成为式(11)保护的启动单元，即能够启动定时限的采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗

式中，f(r′D)为线路串联电阻及其相关的计算值；rD为得到修正后线路全长串联电阻。

步骤3.5，根据权利步骤3.4所述的基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的时效运行特点，其补充特征在于，按照步骤3.3.2所述，具体还包括：

增加一个定时限或者反时限的采样值全量电流差动积分计算式：

式中，I″_set为采样值全量电流差动积分计算的最小整定值；n′为不小于1的整数；T＝20mS为交流系统工频周期，同样能够成为式(13)保护的启动单元，即能够启动定时限或者反时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗

该种阻抗算法能够由启动单元启动，也能够不需要启动，自动地连续长期实时监测线路的运行状态：

式中，K_Load≈2～3为负荷分量影响的加权可靠因子。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，根据步骤2.2.2所述的根据直流输电线路两端测量得到故障分量电压的时域表达结果以及步骤2.2.3所述的根据相同位置得到故障分量电流的时域表达结果，结合步骤3.4所设定的定时限的采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗保护算法的特点，可以得到在区外故障时保护启动单元式(10)的结果为：

式中，为直流衰减分量的累积和数据项；为正弦衰减分量的累积和数据项；为余弦衰减分量的累积和数据项。

根据式(14)所显示的内容可以看出，当寻找合适时间段T′的条件下，利用积分/累计和低通滤波的效果可以大幅降低直流线路高频谐波对启动门槛设置的影响：

$A_1=\underset{t=0}{\overset{T^{\′}}{\Σ}}{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_0}}=1+e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}}+e^{-\frac{2}{{\mathrm{\τ}}_0}}+...+e^{-\frac{T^{\′}}{{\mathrm{\τ}}_0}}=\frac{1-e^{-\frac{T^{\′}+1}{{\mathrm{\τ}}_0}}}{1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}}}$

式中，l为在20mS内所设置的采样数据点数；[]为取整计算；f′()为周期性积分/累计和式的滤波函数。

由式(14-1)可以看出，函数f′()具有明显的滤波效应，通过周期性的相斥和抵消由此可以明显降低相关谐波信号的干扰。上述结果代入式(11)可以获得故障分量积分/累计和式纵向阻抗的计算结果为：

式中，)为线路两端包含衰减成分的直流分量电压数据计算项，同时它还可以表示为得到修正后直流输电线路全长电阻的直流压降；I_m0为m测量端测量得到直流电流的稳态值；为线路两端包含衰减分量的交流电压数据计算项，通过积分计算可以得到有效减免。

根据式(15)所显示的内容可以看出，同样选择时间段T′的条件下，利用积分/累计和低通滤波的效果可以大幅提升直流线路直流分量在阻抗计算分子项的影响：

根据式(15)和式(15-1)估算的结果可以看出，当遇到区外故障时，由于本发明所提出的积分/累计和式纵向阻抗天然形成低通滤波的效应，可以有效消减在电压和电流测量数据中所包含相关高频谐波的干扰，能够可靠提纯并且加强在上述数据中所蕴藏直流分量的作用，同时根据实际系统运行的状态以及具体参数配置的情况，构建了在线路两端电压差中所得直流分量的数值相对于分母结果绝对占优的特点，确保了纵向阻抗的可靠性。

步骤4.2，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3以及步骤3.4所述的内容，同样可以得到在区内故障时保护启动单元式(10)的结果为：

式中，为故障电流的直流分量电流累积和数据项，可以表示为： $A_6=\underset{t=0}{\overset{T^{\′}}{\Σ}}(1+k_0{e}^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_0}})\≈\[\frac{T^{\′}}{T}l\]+1+e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}}+e^{-\frac{2}{{\mathrm{\τ}}_0}}+...+e^{-\frac{T^{\′}}{{\mathrm{\τ}}_0}}\≈\[\frac{T^{\′}}{T}l\]+\frac{1-e^{-\frac{T^{\′}+1}{{\mathrm{\τ}}_0}}}{1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0}}}---(16-1)$

根据式(16)和式(16-1)所显示的内容可以看出，在相同的条件下，利用积分/累计和低通滤波的效果可以明显提升故障电流对启动门槛设置的可靠触发，提高状态判别的灵敏度。上述结果代入式(11)可以获得故障分量积分/累计和式纵向阻抗的计算结果为：

根据式(17)估算的结果可以看出，当遇到区内故障时，由于在阻抗计算的分母项中故障电流直流分量的积分项I₀A₆占据了绝对大数的位置，而在线路两端电压差中所示得直流分量的数值相对于分母结果绝对占优的特点，确保了纵向阻抗的可靠性。

步骤4.3，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3以及步骤2.2.4所述的内容，结合步骤3.5所设定的定时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗保护算法的特点，可以分别针对区外故障时获得它的计算结果为：

根据式(18)估算出的结果可以看出，当遇到区外故障时，所增加负荷分量在直流线路串联电阻上的压降将明显提升全量纵向阻抗的幅值，同时由于线路两侧电力电子设备的限流作用，限制了直流系统短路容量的增大，稳定了负荷分量在式(18)的影响并且确保式(18)保护判别的可靠性。

步骤4.4，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3、步骤2.2.4以及步骤3.5所述的内容，同样可以得到在区内故障时采样值全量积分/累计和式纵向阻抗的结果为：

根据式(19)估算出的结果可以看出，当遇到区内故障时，由于负荷分量的影响将抬高保护判据的动作门槛，降低保护判别的灵敏度。但是在直流系统中由于电力电子的控制作用限制了直流潮流的调控范围同时针对直流线路继电保护的整定要求，可以通过一个相对稳定的加权可靠因子K_Load确保对故障的可靠判别。

步骤4.5，通过上述步骤4.1到步骤4.4所示的内容可以看出，由于故障分量的积分/累计和式纵向阻抗所采用电压差的数据项能够完全覆盖由各种相关的干扰因素所带来不平衡电流其数值因衰减而涉及最大的变化范围，确保所构建保护的可靠性；同时通过积分/累积和的计算方法能够有效消减高频谐波的干扰，基本遏制了超长距离直流线路分布电容的影响，可以成为未来直流输电线路单元式快速主保护强有力的竞争者。而全量的积分/累计和式纵向阻抗能够弥补故障分量稳定作用时间短的缺陷，同时其具有特有的计算方式可以有效化解并且降低系统运行方式以及负荷状态变化所带来的各种不利影响，将有效提高故障判别的灵敏度，可以成为未来直流输电线路单元式后备保护理想的备选。

步骤4.6，上述两种形式的纵向阻抗计算方法可以构成完整的直流输电线路单元式保护系统，适应于各种运行环境和不同类型故障的判别。针对二十一世纪国家能源发展的战略目标、“十三五”国民经济以及能源的发展规划对新型能源并网未来发展的实际要求，结合我国实际的能源布局，未来需要将新能源所产生的电能经过超长距离特高压直流输送的方式分配到超大型的负荷中心，同时需要兼顾考虑到新能源实际的运行特点和存在的各种风险，因此必须加强相关输电调度控制以及继电保护的技术水平和适应能力，才能确保新能源并网的安全性和可靠性，建立电能市场环境的完好性和充分性，构成人类社会发展的经济性和环保性。

由于本发明所提出的积分/累计和式纵向阻抗算法具备上述步骤4.1和步骤4.2所陈述的性能特点，可以消减在超长距离的直流输电线路上分布电容、高频谐波以及衰减特性的影响，由此确保了直流输电线路在各种外界干扰的环境下，包括被保护区外发生故障时所配置纵向阻抗保护结果的可靠性。与此同时，基于考虑电源侧的系统运行方式以及区内故障位置变化对纵向阻抗的影响，可以用式(17)估算的结果来反映：当电源侧为无穷大系统同时故障发生在n端出口处时，所得纵向阻抗可以呈现为：

同时，当电源侧为极弱系统同时故障发生在m端出口处时，所得纵向阻抗可以呈现为：

通过上述分析可以看出，由于本发明所提出积分/累计和式的纵向阻抗算法可以有效消除超长距离直流输电线路分布电容的影响，合理遏制电力电子操控所带来高频谐波的干扰。同时能够完全适应系统不同运行方式对保护整定的限制，达到基本满足新能源并网对继电保护所提出各项相关技术的要求，由上述内容已经具备克服传统直流输电线路继电保护尚存的顽疾。提高新能源并网运行的可靠性和经济性，促进国家“十三五”所确定节能减排、可持续发展和绿色产业战略目标的实现。

Claims (5)

1.一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，其特征在于，主要包括：

步骤1，构建直流输电线路发生区内、外故障时的等效线路时域线路模型；

步骤2，描述出故障测量端测得电压和电流时域的数学表达式；

步骤3，形成保护启动和判别式；

步骤4，在步骤3中表达的各项计算项代入故障测量端测得电压和电流时域的数学表达式进行故障判别结果的定性分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，其特征在于，步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1，当分别出现区内、外故障时实际的直流输电系统按照戴维宁等效定律等效换算成故障后的双电源供电系统直流输电线路模型；

步骤1.2，把步骤1.1获到的双电源供电系统直流输电线路模型理想化为参数进行修正的集中参数线路模型，然后根据线性叠加原理获得Π等效全量、负荷分量以及故障分量线路模型；

步骤1.3，将步骤1.1获到发生故障后的双电源供电系统直流线路模型根据线性叠加原理和傅里叶级数展开算法进行换算处理后，将故障后的全量线路模型转换获得Π型等效故障分量线路模型和负荷分量线路模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1，对步骤1.2中得到的双电源供电系统直流输电线路模型进行分解，得到双电源供电系统直流输电线路在相应分量激励后的等效故障分量和负荷分量线路模型；

步骤2.2，获得基于时域环境的直流线路各测量端电压和电流的解析表达式，具体步骤为：

步骤2.2.1，在步骤2.1中获得Π型等效故障分量线路模型和负荷分量线路模型的基础上，设定故障或者扰动中心所呈现故障分量电压的时域状态表达为考虑带时间衰减特性的直流分量和相关高次谐波分量。

步骤2.2.2，对于步骤2.2.1中得到故障分量电压的时域表达式，根据Π型等效故障分量线路模型，针对区内、外故障，分别转换线路两测量端测得各极的故障分量电压。

步骤2.2.3，对于步骤2.2.2中得到线路两测量端测得各极的故障分量电压，由此分别得到线路两侧对应故障分量各电流的时域表达式。

步骤2.2.4，同理得到图3所示直流输电线路在正常运行情况下负荷分量电压和电流的表达关系式。

4.根据权利要求1所述的一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1.1，利用线路两侧各极采集得到的采样值故障分量电流数据，即时对线路的运行状态进行初始判断；

步骤3.1.2，根据步骤3.1.1进行初始判断所做出的结论，分别启动不同形式纵向阻抗的积分式时域计算方法；

步骤3.2，利用线路两侧各极测量得到的采样值故障分量电流数据以及采样值全量电流数据，即时根据各极实测电流实时数据的大小得到对线路运行状态的初始判断；

步骤3.3.1，当线路两侧采样值故障分量的时域电流和满足单元式保护基本的启动门槛时，由此启动采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗的保护算法。

步骤3.3.2，作为后备保护，使用一个定时限或者反时限的采样值全量电流差动积分计算式，当它达到相关保护的启动门槛时，启动定时限或者反时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗。

步骤3.4，当线路两侧采样值故障分量的电流和满足时，成为式(11)保护的启动单元，即能够启动定时限的采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗

式中，f(r′D)为线路串联电阻及其相关的计算值；rD为得到修正后线路全长串联电阻。

采样值全量积分/累计和式纵向阻抗能够由启动单元启动，能够不需要启动，自动地连续长期实时监测线路的运行状态：

式中，K_Load≈2～3为负荷分量影响的加权可靠因子。

5.根据权利要求1所述的一种基于新能源并网的特高压直流输电线路单元式保护的配置算法，其特征在于，步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1，根据步骤2.2.2所述的根据直流输电线路两端测量得到故障分量电压的时域表达结果以及步骤2.2.3所述的根据相同位置得到故障分量电流的时域表达结果，结合步骤3.4所设定的定时限的采样值故障分量积分/累计和式纵向阻抗保护算法的特点，得到在区外故障时保护启动单元式(10)的结果为：

式中，为直流衰减分量的累积和数据项；为正弦衰减分量的累积和数据项；为余弦衰减分量的累积和数据项。

上述结果代入式(11)获得故障分量积分/累计和式纵向阻抗的计算结果为：

式中，为线路两端包含衰减成分的直流分量电压数据计算项；I_m0为m测量端测量得到直流电流的稳态值；为线路两端包含衰减分量的交流电压数据计算项。

步骤4.2，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3以及步骤3.4所述的内容，得到在区内故障时保护启动单元式(10)的结果为：

式中，为故障电流的直流分量电流累积和数据项。

将上述结果代入式(11)获得故障分量积分/累计和式纵向阻抗的计算结果为：

步骤4.3，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3以及步骤2.2.4所述的内容，结合定时限的采样值全量积分/累计和式纵向阻抗保护算法的特点，分别针对区外故障时获得它的计算结果为：

步骤4.4，根据步骤2.2.2、步骤2.2.3、步骤2.2.4以及步骤3.5所述的内容，得到在区内故障时采样值全量积分/累计和式纵向阻抗的结果为：

与此同时，基于考虑电源侧的系统运行方式以及区内故障位置变化对纵向阻抗的影响，用式(17)估算的结果来反映：当电源侧为无穷大系统同时故障发生在n端出口处时，所得纵向阻抗呈现为：

同时，当电源侧为极弱系统同时故障发生在m端出口处时，所得纵向阻抗呈现为：