CN106463950B - 直流电网保护方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种直流电网保护方法及系统。该方法包括如下步骤：故障检测步骤(501)：获取直流线路的故障分量行波电流值Δi和故障分量行波电压值Δu，其中前向方向被定义为从保护装置向直流线路延伸；故障判断步骤(502)：如果在故障发生时间的Δi和Δu满足如下判据，执行故障方向判断步骤，该判据包括：Δi和Δu的乘积小于与预设阈值关联且大于0的前向数值；且Δi或Δu的绝对值满足由预设阈值确定的灵敏度要求；故障方向判断步骤(503)：判断该故障为前向故障。本发明能克服现有技术存在的问题并将纵联保护应用于直流系统，特别是高压直流系统。
Description
技术领域
本申请涉及一种直流电网保护方法及其系统。
背景技术
现有的高压直流输电系统中，通常来说，基于本地测量的行波波前的保护用作主保护，而传统电流差动保护用作后备保护。然而，它们的缺点是，主保护对高阻抗故障敏感度差且可能会在LCC直流电网引起误操作，而后备保护的操作速度太慢。
在现有的双终端高压直流输电系统中，传输线路的主保护主要基于方向行波波前的变化率和振幅。这样的保护装置具有明显优势，即其仅使用本地测量且对于金属故障具有非常快的运算速度。
然而，这样的保护装置有一个缺点，即对于高阻抗故障的敏感度非常低(差)。通常来说，因为波前的振幅严重依赖于故障阻抗，>200欧姆的故障阻抗可能导致操作故障。因此，高阻抗故障需要后备电流差动保护以非常低的操作速度(例如>0.5秒)进行清除。显然这是不合理的。
进一步的，这样的保护装置基于高压直流输电系统中的平滑电抗器的物理特性，其可能会减慢电流的变化。在某些类型的直流电网系统(例如某些类型的串联MTDC系统)中，由外部故障所引起的行波将不会经过平滑电抗器，如上所述的高压直流输电保护装置将会无法操作或者误跳闸。在最坏的情况下，如果外部直流故障发生在更高电压等级的线路上，其行波波前会比内部故障更大。这会给现有的基于行波的高压直流输电保护装置带来巨大的麻烦。
图1为显示LCC直流电网中内部和外部直流故障的行波波前的示意图。
如图1所示，内部故障和外部故障的行波波前的变化率在起始时几乎相同。而在相同时刻，由于外部传输线的电压等级更高，外部故障的行波波前甚至会比内部故障的行波波前更大。
传统的行波保护设备，如图2所示，当在特定时间内具有足够振幅，则开始对三个不同点进行测量。第一测量计算波前之前与10个采样(0.2毫秒)之后之间的波动差值。第二和第三测量计算波前之前与25和35个采样(0.5和0.7毫秒)之后之间的波动差值。如果所有三个测量值均大于阈值，则检测到线路故障。
考虑在图1的外部故障的波前甚至比内部故障的波前更大，且内部和外部故障的变化率相同，现有的高压直流输电主保护装置在这种情况下在LCC直流电网中会误操作。换一种说法，现有的高压直流输电行波保护装置不能直接用于LCC直流电网。
在现有的高压直流输电系统中，通常地，传输线的后备保护为线路电流差动保护。这类保护装置采用传统的电流差动算法。其在主保护(行波保护)不能工作时(例如，高阻抗故障)运行。
电流差动保护的一种传统判据如下所示，
|IDL-IDL_FOS|>max(120A,0.1×IDL+IDL_FOS|/2)
其中，IDL为本地端电流，IDL_FOS为远程端电流。
电流差动保护的另一种传统判据如下所示，
||IDL|-|IDL_FOS||>90A
通常来说，电流差动保护只要设定恰当其敏感度非常好。然而，其操作速度则相当慢。其操作速度通常为几百毫秒或者甚至为几秒。主要原因是故障瞬态和充电电流对保护算法的影响非常大。因此，需要长延时来保证可靠性。
主保护和后备保护均可能受高阻抗故障的影响。
1)对行波保护的影响
现有的行波判据为：
|WCOMM|＝|ZCOMICOM-UCOM|>350kV
|WPOLE|＝|ZDIFIDIF-UDIF|>210kV
其中，ZCOM为共模波阻抗，ZDIF为差模波阻抗，WPOLE为极波，且WCOMM为地波。
ICOM为共模电流，UCOM为共模电压，IDIF为差模电流，UDIF为差模电压。
保护装置通过地波的变化率检测波前。
|dWCOMM/dt|>396kV/ms
当线路通过大阻抗接地时，直流电压以小变化率下降，导致现有的基于行波的保护装置误操作。
如果行波保护装置误操作，控制和保护系统将延迟以消除故障。
2)对电压变化率及低电压保护的影响
电压变化率的判据为：
DUT＝dUdl/dt<-396kV/ms&Udl<200kV，其中，Udl为线路电压且DUT为相应的变化率。
当线路通过大阻抗接地时，电压变化率保护装置由于小直流电压下降而导致误操作。
3)对电流差动保护装置的影响
电流差动保护装置的传统判据如下所示，
|IDL-IDL_FOS|>max(ISET,k×|IDL+IDL_FOS|/2)
其中，ISET为固定的电流设置值，其通常设定为120A，k为比率系数，其通常设定为0.1。
为了在大阻抗故障条件下确保操作，设置值ISET和k通常会设定为一个小的值。因此，延迟时间必须设定足够长以避免电容充电电流引起的误操作。
如果快速保护装置(行波保护装置)误操作时，后备保护装置将延迟工作。且延迟时间会非常长以保证电力系统的稳定操作。
纵联保护可以是一个好的候选
基于方向比较的纵联保护可以是高压直流/直流电网保护的一个好的候选，其具有很多独特的优点，例如：
1.快速操作。虽然纵联保护需要在终端间通信，其比电流差动保护具有更快的速度，因为其基于初始行波波前且不会受高压直流输电控制或瞬态充电电流的影响。大体上，其总的操作速度包括通信延迟可以<15毫秒且算法花费时间可以<1毫秒。
2.通信带宽要求低。纵联保护仅在终端间传输方向信息。其不需要远程终端的测量。带宽要求远低于电流差动保护。
3.通信信道对称性要求低。通信信道对称性对于电流差动保护非常重要。且非对称信道甚至可能导致误操作。但对于纵联保护，因为其不需要严格的数据对称，因此信道对称性不成问题。
4.可以在不同类型的直流线路系统中使用。纵联保护可以使用在双终端高压直流输电系统和包括LCC直流电网的多终端直流电网系统中，且其与平滑电抗器或直流滤波器无关。
纵联方向保护的工作原理
对于线路纵联方向保护，故障方向由两端根据初始行波判断，在通过光纤交换方向信息后，纵联方向保护会决定操作与否。
纵联方向保护的工作原理如图3a、图3b、图3c和图4所示。
图3a示出发生内部故障的情形，继电器A和继电器B将判断前向故障，继电器A将向继电器B发送许可信号，且继电器B会向继电器A发出许可信号。如图4所示，当本地继电器判断前向故障且接收到来自远程端的许可信号时，纵联方向保护装置将操作。
图3b示出在继电器A后方发生外部故障的情形，在这种情况下，继电器A将判断反向故障，而继电器B判断前向故障，双方继电器将不操作。图3c示出在继电器B后方发生外部故障的情形，在这种情况下，继电器A将判断前向故障，而继电器B判断反向故障，双方继电器也将不操作。
纵联保护存在的问题：
公式(1)和公式(2)示出基于行波的存在的方向元素：
前向故障：Δu'·Δi'<0 (1)
反向故障：Δu'·Δi'>0 (2)
在此，Δu'和Δi'为初始行波的电压和电流。上述算法简单清楚。通常在理论上能在直流系统中工作。当公式(1)满足时，判断为前向方向故障，当公式(2)满足时，判断为反向方向故障。
然而，不幸的是，上述算法存在一个非常明显的缺点，即其会在全反射边界失效。对于全反射边界，电压可能为零(Δu'＝0)或者电流为零(Δi'＝0)。因此，Δu'·Δi'≈0。换句话说，不能可靠地检测电压波的极性或者电流波的极性。从而，Δu·Δi＝0。根据上述算法，保护装置不能检测到故障方向。结果是，理论上其甚至对于内部故障也会失效。
需要指出，在直流系统中接近全反射边界的情况是可能的。例如，当终端安装有大的电抗器或者电容，对于高频初始行波波前，接近全反射边界的情况将会在开始时在终端边界发生。
上述算法的另一个重要的缺点是，所提及的算法对于测量错误敏感。如果在某些事件中Δu'或Δi'接近于零。考虑到测量错误，Δu'或者Δi'可能是随机的正值或者负值。基于Δu'*Δi'的故障方向可能会错误。而保护装置可能会误操作或者失效。
因此，虽然上述算法理论上通常是正确的，但其在实际上并不那么可靠和可行。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种直流电网保护方法，包括如下步骤：
故障检测步骤：获取直流线路的故障分量行波电流值和故障分量行波电压值，在故障发生时间的所述故障分量行波电流值为Δi，且在故障发生时间的所述故障分量行波电压值为Δu，其中前向方向被定义为从保护装置向所述直流线路延伸；
故障判断步骤：如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障方向判断步骤，所述判据包括：
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的乘积小于一个与预设阈值关联且大于0的前向数值；且
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi的绝对值或在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的绝对值满足由所述预设阈值确定的灵敏度要求；
故障方向判断步骤：判断所述故障为前向故障。
优选地，所述前向数值为其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，所述前向数值为其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，所述灵敏度要求包括：|Δi|>iset或者|Δu|>ZC·iset，其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，所述故障判断步骤包括：
如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障方向判断步骤，所述判据包括：
其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，进一步包括故障消除步骤：
如果判断为前向故障则触发保护操作。
便利地，所述预设阈值iset大于所述线路上的电流噪声。
优选地：
所述保护装置包括本地终端保护装置和远程终端保护装置，由本地终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从本地终端保护装置向直流线路延伸，由远程终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从远程终端保护装置向直流线路延伸；
所述故障方向判断步骤进一步包括：
所述本地终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述远程终端保护装置发送本地检测前向故障信息，且当接收到所述远程终端保护装置发送的远程检测前向故障信息时，判断为内部故障；
所述远程终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述本地终端保护装置发送远程检测前向故障信息，且当接收到所述本地终端保护装置发送的本地检测前向故障信息时，判断为内部故障。
优选地，进一步包括故障消除步骤：
如果判断为内部故障，则触发本地终端保护装置的保护操作；
如果判断为内部故障，则触发远程终端保护装置的保护操作。
本发明的另一方面提供一种计算机程序，包括在计算机上运行时，适合执行前述任一项目的所有步骤的计算机代码。
本发明的再一方面提供前述的计算机程序，所述计算机程序收录在计算机可读媒介上。
本发明的另一方面提供一种直流电网保护系统，包括如下模块：
故障检测模块：获取直流线路的故障分量行波电流值和故障分量行波电压值，在故障发生时间的所述故障分量行波电流值为Δi，且在故障发生时间的所述故障分量行波电压值为Δu，其中前向方向被定义为从保护装置向所述直流线路延伸；
故障判断模块：如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障方向判断模块，所述判据包括：
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的乘积小于一个与预设阈值关联且大于0的前向数值；且
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi的绝对值，或在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的绝对值，满足由所述预设阈值确定的灵敏度要求；
故障方向判断模块：判断所述故障为前向故障。
优选地，所述前向数值为其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，所述前向数值为其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，所述灵敏度要求包括：|Δi|>iset或者|Δu|>ZC·iset，其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，所述故障判断模块包括：
如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障方向判断模块，所述判据包括：
其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
优选地，进一步包括：
故障消除模块：如果判断为前向故障则触发保护操作。
便利地，所述预设阈值iset大于所述线路上的电流噪声。
优选地：
所述保护装置包括本地终端保护装置和远程终端保护装置，由本地终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从本地终端保护装置向直流线路延伸，由远程终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从远程终端保护装置向直流线路延伸；
所述故障方向判断模块进一步包括：
所述本地终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述远程终端保护装置发送本地检测前向故障信息，且当接收到所述远程终端保护装置发送的远程检测前向故障信息时，判断为内部故障；
所述远程终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述本地终端保护装置发送远程检测前向故障信息，且当接收到所述本地终端保护装置发送的本地检测前向故障信息时，判断为内部故障。
优选地，进一步包括，故障消除模块：
如果判断为内部故障，则在本地终端保护装置触发保护操作；
如果判断为内部故障，则在远程终端保护装置触发保护操作。
本发明通过条件一：故障分量行波电流值Δi和故障分量行波电压值Δu的乘积小于一个大于零且与预设阈值关联的前向数值，确定故障分量行波电流值的方向，并在满足条件二：故障分量行波电流值Δi的绝对值，或者故障分量行波电压值Δu的绝对值，满足由预设阈值确定的灵敏度要求时，触发保护操作。由于故障分量行波电压值在全反射情形下是叠加的，因此，本发明能够克服现有技术的问题，且将纵联保护应用在直流系统，特别是在高压直流输电系统中。
附图说明
图1示出LCC直流电网中内部和外部直流故障的行波波前的图表；
图2示出传统的行波保护装置的测量示意图；
图3a示意性地图解内部故障发生时的情形；
图3b示意性地图解在继电器A的后方发生外部故障时的情形；
图3c示意性地图解在继电器B的后方发生外部故障时的情形；
图4示意性地图解现有技术的纵联保护逻辑；
图5示出根据本发明的直流电网保护方法的工作流程图；
图6示意性地图解线路上的行波；
图7示意性地图解反向故障发生的情形；
图8示意性地图解前向故障发生的情形；
图9示意性地图解全反射的情形；
图10示出直流电网保护系统的结构示意图；
图11示意性地图解现有技术基于行波的保护；
图12示意性地图解当外部故障发生时线路上的分布电容；
图13示意性地图解当内部故障发生时线路上的分布电容；
图14示出仿真模型；
图15a示出当内部故障发生时，在本地终端的故障分量行波电压值、故障分量行波电流值及两者乘积的仿真结果；
图15b示出当内部故障发生时，在远程终端的故障分量行波电压值、故障分量行波电流值及两者乘积的仿真结果；
图16a示出当外部故障发生时，在本地终端的故障分量行波电压值、故障分量行波电流值及两者乘积的仿真结果；
图16b示出当外部故障发生时，在远程终端的故障分量行波电压值、故障分量行波电流值及两者乘积的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
图5示出根据本发明的直流电网保护方法的工作流程图，包括如下步骤：
步骤501：获取直流线路的故障分量行波电流值和故障分量行波电压值，在故障发生时间的所述故障分量行波电流值为Δi，且在故障发生时间的所述故障分量行波电压值为Δu，其中前向方向被定义为从保护装置向所述直流线路延伸；
步骤502：如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障方向判断步骤，所述判据包括：
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的乘积小于一个与预设阈值关联且大于0的前向数值；且
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi的绝对值，或在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的绝对值，满足由所述预设阈值确定的灵敏度要求；
步骤503：判断所述故障为前向故障。
在步骤501中，保护装置通过现有的各种方式检测到故障发生。然而，该故障是前向故障还是反向故障，保护装置在步骤501中未能确定。当检测到故障时，输电线路可被分为无故障网络和故障分量网络，因此故障分量行波电流值和故障分量行波电压值为故障分量网络中的行波电流/电压值。将输电线路分为无故障网络和故障分量网络可以采用现有的各种方式实现。
图6示意性地图解线路上的行波。线路上的任意位置的电压和电流值根据电工学原理可以由公式(3)表达：
其中x为线路上的点A与任意给定点的距离，xA＝0；
t表示时刻；
为前向行波电压，其中下标1表示前向行波，v为行波速度；
为反向行波电压，其中下标2表示反向行波；
为前向行波电流；
为反向行波电流；
ZC为波阻抗。
在线路的起始点，如图6中点A所表示的保护装置的位置，xA＝0。
替换公式(3)中的x＝0，可以得到：
其中，u(t)为在A点t时刻的行波电压值，而i(t)为在A点t时刻的行波电流值。在故障分量网络中采用相同的方法，能得到在A点t时刻的故障分量行波电流值Δi(t)和在A点t时刻的故障分量行波电压值Δu(t)，其中点A为保护装置的位置。Δu和Δi分别表示故障在故障发生时刻t被检测到时的故障分量行波电压值和故障分量行波电流值。
在步骤502中，在故障发生时刻的故障分量行波电流值Δi和在故障发生时刻的故障分量行波电压值Δu满足如下判据：
判据一：在故障发生时刻的故障分量行波电流值Δi和故障分量行波电压值Δu的乘积小于一个大于0且与预设阈值关联的前向数值；且
判据二：在故障发生时刻的故障分量行波电流值Δi的绝对值或故障发生时刻的故障分量行波电压值Δu的绝对值满足由预设阈值确定的灵敏度要求。
判据一用于判断在故障发生时刻的故障分量行波电流值Δi是前向还是反向。由于在故障发生时刻的故障分量行波电流值Δi以从设备流向保护装置为前向，因此电流从设备流向保护装置时Δi>0，而从保护装置流向设备时Δi<0。判据一包括了乘积在0至前向数值之间的情形。因为前向数值与预设阈值关联，预设阈值又决定判据二中的灵敏度要求，因此乘积在0至前向数值之间的情形可以通过设定适当的灵敏度要求而排除。
判据二用于确定灵敏度要求。当Δi或Δu满足灵敏度要求，则触发步骤503。参考在图9中示意性地图解的全反射情形。当反射发生，根据行波反射原理，Δu的量级会增加或者甚至翻倍。这会帮助加快前向故障检测。且能够将纵联保护装置应用在直流系统，特别是高压直流输电系统中。
在其中一个实施例中，所述前向数值为其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
在该实施例中，判据一具体化为
在其中一个实施例中，所述前向数值为其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
在该实施例中，条件一具体化为k为可靠性因子，其典型数值为0.5。在判据一中引入k作为可靠性因子能减少前向数值从而有效地检测前向故障。
在其中一个实施例中，所述灵敏度要求包括：|Δi|>iset或者|Δu|>ZC·iset，其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
在其中一个实施例中，步骤502包括：
如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障排除步骤，所述判据包括：
其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
图7示意性地图解反向故障发生的情形，其中保护装置为继电器71。
根据定义，如图7所示，反向故障为发生在点A后方的故障72。如果设计适当，继电器保护装置在反向故障下不应该操作。
如图7所示，当反向故障发生，继电器71仅感知到在故障发生的最开始时刻的前向行波电压Δu1(t)和前向行波电流Δi1(t)。且Δi1(t)＝Δu1(t)/ZC。在图7中，前向方向被定义为从继电器71向直流线路73延伸。
因此有：
Δu·Δi＝Δi1×ZC×Δi1＝ZC×Δi1 2 (6)
如果Δi1>iset，则与公式(5)所示的第一判据相比，可以得到，因为如公式(5)所示的第三判据所定义，参数k永远小于1，因此前向故障判断的判据并不满足。因此保护继电器不会因为反向故障而误操作。
如果Δi1<iset，从公式(5)可知因为第二判据|Δi|>iset，保护继电器同样不会操作。进一步的，对于反向故障，Δu＝Δu1＝Δi1×ZC，明显地，如果Δi1<iset，则Δu小于ZC·iset，公式(5)所描述的判据|Δu|>ZC·iset也不能被满足。
综上所述，具有设定的判据的保护继电器71在反向故障发生时不会误操作。
图8示意性地图解前向故障发生的情形，其中保护装置为继电器81。
根据定义，如图8所示，前向故障为发生在点A前方的故障82。如果设计适当，保护继电器81在前向故障下应该操作。在图8中，前向方向被定义为从继电器81向直流线路83延伸。因此有，
Δu·Δi＝-Δi2×ZC×Δi2＝-ZC×Δi2 2 (7)
从公式(7)中可以得到当前向故障发生，Δu·Δi永远是负数，因为在公式(5)中的第三判据所定义，参数k永远为正数，因此Δu·Δi远小于
然而，需要指出的是，如图9所示，当行波到达换流站或者故障点时，由于折射及反射，线路上总是具有多级行波。
故障92的位置越接近换流站93，反射波越快到达并被反射。因此，对于接近的前向故障，继电器91有可能会在前向故障判断前感知到多级行波，包括反向行波和前向行波。
尽管如此，由于折射所带来的能量损耗，前向行波的和的量级永远会小于反向行波的和，因此Δu·Δi的符号也不会改变。就是说，对于前向故障，公式(5)的第一判据无论如何都会满足。对于反向故障，由于传输线的较长长度，保护装置的操作会在反向行波到达前完成，因此不会提及这种现象。
因此，只要公式(5)的第二判据被满足，保护继电器81会判断前向故障，例如|Δi|>iset或者|Δu|>ZC·iset。
需要指出的是，即使|Δi|>iset不被满足，|Δu|>ZC·iset仍有可能满足。原因是当发生反射，根据行波反射原理，Δu的量级会增大或者甚至会翻倍。这会帮助加快保护继电器判断前向故障，即使电流故障分量的量级并未达到阈值。
综上所述，当反向故障发生，Δu·Δi的值大于一个正的阈值且当前向故障发生时，Δu·Δi的值为负值，永远小于零。Δu·Δi的值在反向故障和前向故障之间存在一个巨大的缺口。因此，设置系数k的设定非常容易，设定k＝0.5对于大多数情形都是可以的，其与直流换流站的特征无关。
当反向故障发生，Δu·Δi的值大于一个正的阈值。由于k小于1，小于因此即使|Δi|>iset(公式5的第二判据被满足)，仍然有即，公式(5)的第一判据将不会被满足。当前向故障发生，Δu·Δi的值永远为负。由于k大于0，永远为负。因此公式(5)的第一判据永远满足。其根据第二判据触发前向故障判断。
在其中一个实施例中，进一步包括故障消除步骤：如果判断为前向故障则触发保护操作。
在其中一个实施例中，所述预设阈值iset大于所述线路上的电流噪声。
设置iset以保证继电器的可靠性。如果|Δi|太小，Δu·Δi的计算结果会因为噪声出错。设置iset的唯一要求是其应该设定为大于噪声。因此我们可以知道设置iset可以为相对小的值，这会帮助确保方向要素的敏感性。
在其中一个实施例中，所述保护装置包括本地终端保护装置和远程终端保护装置，由本地终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从本地终端保护装置向直流线路延伸，由远程终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从远程终端保护装置向直流线路延伸；
所述故障方向判断步骤进一步包括：
所述本地终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述远程终端保护装置发送本地检测前向故障信息，且当接收到所述远程终端保护装置发送的远程检测的前向故障信息时，判断为内部故障；
所述远程终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述本地终端保护装置发送远程检测前向故障信息，且当接收到所述本地终端保护装置发送的本地检测前向故障信息时，判断为内部故障。
直流系统中，本地终端保护装置能够与远程终端保护装置进行通信。当本地终端保护装置和远程终端保护装置均检测到前向故障时，这就意味着该故障发生在本地终端保护装置和远程终端保护装置之间。该故障意味着内部故障。
在其中一个实施例中，进一步包括故障消除步骤：
如果判断为内部故障，则触发本地终端保护装置中的保护操作；
如果判断为内部故障，则触发远程终端保护装置中的保护操作。
本地终端保护装置和远程终端保护装置应各自触发内部故障保护操作。且如果其中一个保护装置检测到反向故障，则意味着发生了外部故障。通常地，对于外部故障不进行保护操作。
图10示出根据本系统的直流输电线路保护方法的流程图，包括如下模块：
故障检测模块1001：获取直流线路的故障分量行波电流值和故障分量行波电压值，在故障发生时间的所述故障分量行波电流值为Δi且在故障发生时间的所述故障分量行波电压值为Δu，其中前向方向被定义为从保护装置向所述直流线路延伸；
故障判断模块1002：如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu满足如下判据，执行故障方向判断模块，所述判据包括：
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的乘积小于一个与预设阈值关联且大于0的前向数值；且
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值Δi的绝对值或在故障发生时间的所述故障分量行波电压值Δu的绝对值满足由所述预设阈值确定的灵敏度要求；
故障方向判断模块1003：判断所述故障为前向故障。
本发明的性能分析
本发明在直流系统中使用基于方向要素的行波。
本发明的方法通过引入时间延迟或者差动模式可以避免闪电干扰所引起的误触发。
当闪电发生时有两种场景。一种场景是没有因闪电而引起故障；另一种场景是因闪电而引起线路中的故障，可以具有高阻抗或者没有。
对于第一种场景，当闪电发生在线路或者线路附近某处，线路上将会出现行波。在这种情况下，保护装置不应该因为行波而误操作。避免误操作的一种通常的办法是使用时间延迟，例如，现有多年用于高压直流输电线路的行波保护装置使用时间延迟来避免来自闪电的误操作，其操作特性如图11示出，其仅会在四个电压采样点均大于阈值时进行操作。考虑到闪电波非常短，本发明的算法也可以使用这样的延迟以确保可靠性。
对于第二种场景，由于闪电而发生在线路上的故障。保护装置应该操作以隔离故障。由闪电引起的故障可能为金属故障或者是高阻抗故障。
在高阻抗故障中的良好灵敏度
本发明的方法因为基于故障方向判断而非振幅判断，因此在高阻抗故障中具有良好的灵敏度。
传统的基于行波原理的保护装置对高阻抗的容忍是有限的，因为当故障伴随高阻抗发生时，行波的振幅减少，故障的阻抗越高，振幅则越低。
而本发明的方法对高阻抗具有高容忍度，因为其基于故障方向判断，而非基于行波振幅。即使当高阻抗故障发生，线路两端的故障方向能够清楚确定。
小通信带宽
对于纵联方向保护，仅需要传输方向信息，例如，“1”表示正方向，“0”表示负方向，通信信道中仅传输1比特，因此需要小带宽。
不受信道不对称的影响
电流差动保护需要两端电流高度同步，这提高了除基于GPS同步方法以外的信道对称性要求。
然而，与电流差动保护装置中使用相量信息不同，本发明的纵联保护装置中使用的方向信息对同步要求小。从这点来看，其原理不受信道不对称的影响。
广泛的适应性
在这部分，适应性会从两方面分析:工作原理和操作速度。
工作原理对比适应性
从上述分析可知，本发明的方向元素仅与线路参数ZC以及行波电压和行波电流的关系相关。其对直流系统的拓扑和控制并无特别要求。
操作速度对比适应性
本发明保护装置的原理是基于初始行波；因此关于方向元素的典型操作时间很快，通常小于1毫秒。考虑到基于线路长度的1～20毫秒之间的通讯时间，纵联保护装置会在2～21毫秒内操作。
因此，我们可以基于对不同直流系统的操作速度的需求，将本发明的纵联保护设置为主保护或者后备保护。
例如，对于端对端的直流线路或者基于LCC技术的直流输电线路，以及对于具有VSC技术的端对端直流线路，本发明的纵联保护可以作为主保护或后备保护使用。
对于基于VSC技术的直流电网，因为其对操作速度的要求很高，通常小于5毫秒，本发明的纵联保护装置可以作为后备保护使用。如果传输线路的长度很短，通信所引起的时间延时可以减少，则本发明的纵联保护装置也可以作为主保护使用。
需要指出的是，当配置为后备保护装置时，本发明的纵联保护装置的性能要远高于现有的操作时间通常超过几百毫秒的基于差动电流的后备保护装置。
操作速度与差动电流保护装置的比较
差动电流保护装置操作速度分析
差动电流受线路电容的影响已得到很好的证明。由于线路很长且具有很大的电容，高压直流输电线路差动电流保护装置受到很严重的影响。差动电流保护装置具有较慢操作速度的原因分析如下。
外部故障
图12示出外部故障发生时的情形。当外部故障发生时，有电流流经线路分布电容，增加差动电流。由于线路电容和电感复杂的充电和放电过程，会在电流中产生大量的高频分量。
通常有两种方法避免电容放电电流的影响和这些高频分量：一种方法是将差动电流的阈值设定为一个非常高的值，另一种方法是设定一个长延时以等待这些瞬态电流消失。在大多数实际情况中使用后者，其解释了为什么高压直流输电线路差动电流具有长延时。
内部故障
图13示出内部故障发生的情形，与外部故障相同，差动电流也包含丰富的将存在相对长时间的高频分量。因此其也需要时间去计算可接受精度的差动电流，这也将增加操作时间。
本发明的保护原理是基于故障发生后的短暂状态下的行波过程。完整的分布传输线路模型已经将计算行波考虑进去。我们实际地使用高频分量进行判断而不是等待其消失。这是本发明的纵联保护装置能够实现相比传统电流差动保护装置更快的响应速度的主要原因。
混合OHL和传输电缆
保护装置的原理理论上适用于混合OHL和电缆，然而需要进一步的研究以得到最终结论。
共振影响
在线路上有分布线路电容，因为高压直流输电线路非常长，线路电容大。当故障发生时，电压和电流出现大的震荡(“共振”)，某些传统保护原理会受严重影响，例如传统的差动电流保护、低电压保护等。
但本发明的方向元素是基于使用线路电容和电感的充放电过程的特征的行波。其不会受“共振”的影响。
上述为理论分析，需要进一步的研究以得到最终结论。
仿真
图14中，LCC直流电网系统用于展示本发明的方法。需要指出的是，本发明的纵联保护装置能够用于例如直流电网(LCC或VSC)的复杂系统，以及例如双终端高压直流输电系统(传统HVDC和VSC HVDC)的简单系统。
模型
±800千伏4终端串联MTDC包括两个整流站R1、R2和两个逆变站I1、I2。传输线路的总长度为2000公里，包括两个支线线路(每个500公里)和一个主干线路(1000公里)。每个逆变站具有一个12脉冲阀组配置。低位的逆变站R1、I1已经正常地连接到接地电极。高位的逆变站R2、I2也有接地电极但与传输线正常地断开。每个整流转换器将通过400千伏的标称直流电压，每个逆变转换器将通过373千伏的标称直流电压(请参阅2.5段)，且高压直流输电线路电压到地约为400千伏(对于R1和I1)或者约为800千伏(对于R2和I2)。
保护继电器141如图15所示，位于+400千伏传输线路的一个终端。内部故障在+400千伏线路的端部，外部故障在+800千伏线路的起始。且极-极波阻抗Zc在这个例子中为264Ω。继电器141为本地终端保护装置并与作为远程终端保护装置的继电器142通信。
内部直流故障例子
这是一个具有非常大故障电阻(3000Ω)的内部故障。且故障在第4秒发生在+800千伏极线路上。故障分量行波电压Δu、故障分量行波电流Δi和功率Δu·Δi分别在图15a和15b示出。
很清楚地，行波电流和行波电压的极性不同。其结果是，两者的乘积为负数。因此，其满足公式(5)的操作要求，两端保护会检测到这是前向故障并最终纵联保护会检测到内部故障并跳闸。
外部直流故障例子
这是一个具体非常大故障电阻(3000Ω)的外部故障。且故障在第2秒发生在+400千伏极线路上。故障分量行波电压Δu、故障分量行波电流Δi和功率Δu·Δi分别在图16a和16b示出。
很清楚地，行波电流和行波电压的极性对于本地终端是相同的而对于远程终端是不同的。因此，由于行波电流和电压的乘积为负数，很容易满足公式(5)，远程终端会期望检测到前向故障。而对于本地终端，电流和电压的乘积计算如下，
如上述计算，考虑到其为外部故障，行波电压和电流仅包括前向方向行波，即Δu＝ZC·Δi。显然地，操作值Δu·Δ大于阈值；本地终端会期望检测到反向故障。
因此，在通过通信通道交换方向信息后，纵联保护会检测到外部故障且不会可靠地跳闸。
下面是本发明的优点：
1.其能用于不同类型的直流系统包括双终端高压直流输电系统和多终端直流电网系统。
2.其对于高阻抗故障具有良好灵敏度。
3.其对于全反射边界情况具有良好灵敏度。
4.与电流差动保护相比，对通信带宽及通信信道对称性的要求低。
5.高操作速度。通常用于算法的时间小于1毫秒且包括通信的总操作时间小于15毫秒。
6.非常可靠。测量误差和大扰动已固有地考虑到算法中。
7.不受高压直流输电控制的影响。
8.其能用作直流系统的主保护，特别是对于现有基于行波的主保护不能很好地工作的情况(例如高阻抗故障，某些类型的直流电网)。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都落入本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (18)
1.一种直流电网保护方法，包括如下步骤：
故障检测步骤：获取直流线路的故障分量行波电流值和故障分量行波电压值，在故障发生时间的所述故障分量行波电流值为△i且在故障发生时间的所述故障分量行波电压值为△u，其中前向方向定义为从保护装置向所述直流线路延伸；
故障判断步骤：如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u满足如下判据，则执行故障方向判断步骤，所述判据包括：
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u的乘积小于一个与预设阈值关联且大于0的前向数值；且
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i的绝对值或在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u的绝对值满足由所述预设阈值确定的灵敏度要求；
故障方向判断步骤：判断所述故障为前向故障。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前向数值为其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述前向数值为其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述灵敏度要求包括：|△i|>iset或者|△u|>ZC·iset，其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述故障判断步骤包括：
如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u满足如下判据，则执行故障方向判断步骤，所述判据包括：
其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括故障消除步骤：如果判断为前向故障则触发保护操作。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述预设阈值iset大于所述线路的电流噪声。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述保护装置包括本地终端保护装置和远程终端保护装置，由本地终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从本地终端保护装置向直流线路延伸，由远程终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从远程终端保护装置向直流线路延伸；
所述故障方向判断步骤进一步包括：
所述本地终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述远程终端保护装置发送本地检测前向故障信息，且当接收到来自所述远程终端保护装置的远程检测前向故障信息时，判断为内部故障；
所述远程终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述本地终端保护装置发送远程检测前向故障信息，且当接收到来自所述本地终端保护装置的本地检测前向故障信息时，判断为内部故障。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括故障消除步骤：
如果判断为内部故障，则触发本地终端保护装置的保护操作；
如果判断为内部故障，则触发远程终端保护装置的保护操作。
10.一种直流电网保护系统，包括如下模块：
故障检测模块：获取直流线路的故障分量行波电流值和故障分量行波电压值，在故障发生时间的所述故障分量行波电流值为△i且在故障发生时间的所述故障分量行波电压值为△u，其中前向方向定义为从保护装置向所述直流线路延伸；
故障判断模块：如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u满足如下判据，执行故障方向判断模块，所述判据包括：
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u的乘积小于一个与预设阈值关联且大于0的前向数值；且
在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i的绝对值或在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u的绝对值满足由所述预设阈值确定的灵敏度要求；
故障方向判断模块：判断所述故障为前向故障。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述前向数值为其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述前向数值为其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述灵敏度要求包括：|△i|>iset或者|△u|>ZC·iset，其中iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述故障判断模块包括：
如果在故障发生时间的所述故障分量行波电流值△i和在故障发生时间的所述故障分量行波电压值△u满足如下判据，则执行故障方向判断模块，所述判据包括：
其中k为常量，0<k<1，iset为大于0的预设阈值，且ZC为线路的波阻抗。
15.如权利要求10所述的系统，进一步包括：
故障消除模块：如果判断为前向故障则触发保护操作。
16.如权利要求10至15中任一项所述的系统，其特征在于，所述预设阈值iset大于所述线路的电流噪声。
17.如权利要求10所述的系统，其特征在于：
所述保护装置包括本地终端保护装置和远程终端保护装置，由本地终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从本地终端保护装置向直流线路延伸，由远程终端保护装置所获取的故障分量行波电流值的前向方向定义为从远程终端保护装置向直流线路延伸；
所述故障方向判断模块进一步包括：
所述本地终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述远程终端保护装置发送本地检测前向故障信息，且当接收到来自所述远程终端保护装置的远程检测前向故障信息时，判断为内部故障；
所述远程终端保护装置判断所述故障为前向故障，则向所述本地终端保护装置发送远程检测前向故障信息，且当接收到来自所述本地终端保护装置的本地检测前向故障信息时，判断为内部故障。
18.如权利要求17所述的系统，进一步包括，故障消除模块：
如果判断为内部故障，则触发本地终端保护装置的保护操作；
如果判断为内部故障，则触发远程终端保护装置的保护操作。
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