CN111769528B - 一种交直流混联电网交流线路距离保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交直流混联电网交流线路距离保护方法及系统，属于高压直流输电技术领域，方法包括：采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数；根据逆变侧换流器的运行参数，确定逆变侧换流器的导通状态；根据逆变侧换流器的运行参数、逆变站平波电抗器的运行参数和换流母线电压，确定导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流；根据故障类型和交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻；根据虚拟故障位置和虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作。本发明针对换流站非线性时变的故障特性，预测故障位置，从而减少保护装置在换流站呈现非线性时出现拒动或误动的几率。

Description

一种交直流混联电网交流线路距离保护方法及系统

技术领域

本发明涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种交直流混联电网交流线路距离保护方法及系统。

背景技术

近年来，随着高压直流输电技术在远距离大容量输电领域的广泛应用，直流系统换相失败引起交流侧距离保护拒动、误动的事故愈发频繁，严重影响电网运行的安全性与稳定性。因此，快速正确地隔离交流侧故障，对保障交直流混联电网的安全运行具有重要的现实意义。

针对交流线路距离保护，已有学者进行了相关研究，方法主要分为3类：行波测距式距离保护、工频量距离保护与时域距离保护。

然而，上述距离保护方法仅适用于纯交流系统，随着大规模直流系统接入交流电网，交流侧故障所引发的直流系统换相失败，将导致换流站呈现非线性时变的故障特性，可能造成传统距离保护误动或者拒动。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提出一种交直流混联电网交流线路距离保护方法及系统，能够在大规模直流系统接入交流电网的情况下，针对换流站呈现非线性时变的故障特性，预测故障位置，从而减少保护装置在换流站呈现非线性时出现拒动或误动的几率。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种交直流混联电网交流线路距离保护方法，包括：

采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数；

根据所述逆变侧换流器的运行参数，确定所述逆变侧换流器的导通状态；

根据所述逆变侧换流器的运行参数、所述逆变站平波电抗器的运行参数和所述换流母线电压，确定所述导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流；

根据故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻；

根据所述距离保护安装处的电流、所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作。

进一步地，所述逆变侧换流器为12脉波换流器，所述逆变侧换流器的运行参数包括：12脉波换流器中各阀臂的导通状态；

根据12脉波换流器中各阀臂的导通状态参数，确定所述逆变侧换流器处于四阀臂导通状态、五阀臂导通状态、六阀臂导通状态、七阀臂导通状态或八阀臂导通状态。

进一步地，利用公式1确定所述四阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[(K_dA_d4+K_yA_y4)U-K_dD_d4-K_yD_y4]dt+f_icom(U)....公式1

利用公式2确定所述五阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

利用公式3确定所述六阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d6+K_yA_y6)U]dt+f_icom(U)....公式3

利用公式4确定所述七阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d7+K_yA_y7)U]dt+f_icom(U)....公式4

利用公式5确定所述八阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d8+K_yA_y8)U]dt+f_icom(U)....公式5

其中，D_d4、D_y4、A_d4、A_y4为所述四阀臂导通状态下的参数矩阵；

D_d5、A_d5、A_g5、A_i5为所述五阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d6、A_y6为所述六阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d7、A_y7为所述七阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d8、A_y8为所述八阀臂导通状态下的参数矩阵；f_icom(U)为流经交流滤波器与无功补偿装置的电流，当交流滤波器及无功补偿装置参数一定时，流经其的电流为关于换流母线电压的函数；U为换流母线电压矩阵、I为直流系统馈入交流系统电流矩阵、K_y为Y桥换流器的变比矩阵、K_d为D桥换流器的变比矩阵；其中，所述12脉波换流器包括：Y桥换流器和D桥换流器。

进一步地，根据所述故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置方程；

根据所述虚拟故障位置方程，确定所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻。

进一步地，所述故障类型为单相接地故障时，利用公式6确定虚拟故障位置方程：

p₁+p₂R_g+p₃x+p₄x²＝0....公式6

其中，R_g为虚拟过渡电阻，x为虚拟故障位置，p₁、p₂、p₃、p₄分别为：

其中，d＝1，R₀、L₀分别为交流线路的零序电阻和零序电感，R_W0、L_W0分别为受端交流系统的零序电阻和零序电感，u_m0为交流线路靠近直流系统侧的零序电压，i_m0为交流线路靠近直流系统侧的零序电流，R_l、L_l分别为交流线路的正序电阻和正序电感，k_R＝(R₀-R_l)/(3R_l)，k_L＝(L₀-L_l)/(3L_l)，所述交流电参数包括：R₀、L₀、R_W0、L_W0、u_m0、i_m0、R_l和L_l，u_ma为出现故障的相对应的换流母线电压分量，i_ma为出现故障的相对应的直流系统馈入交流系统的电流分量。

进一步地，所述故障类型为两相相间故障时，所述虚拟故障位置方程以公式7表示：

p₅+p₆R_g+p₇x+p₈x²＝0....公式7

其中，R_g为虚拟过渡电阻，x为虚拟故障位置，p₅、p₆、p₇、p₈分别为：

其中，u_mab、i_mab分别为交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值和电流差值，△u_mab、△i_mab分别为交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值的故障分量和电流差值的故障分量，Rw、Lw分别为受端交流系统的等效电阻和等效电感，所述交流电参数包括：u_mab、i_mab、△u_mab、Rw、Lw和△i_mab，所述i_mab由所述直流系统馈入交流系统的电流的分量计算得到。

进一步地，所述故障类型为两相接地故障和三相短路故障时，所述虚拟故障位置方程以公式8表示：

p₅+2p₆R_g+p₇x+p₈x²＝0....公式8。

进一步地，根据所述虚拟故障位置、所述虚拟过渡电阻、所述故障位置方程和所述距离保护安装处的电流，确定故障恰似因子；

在所述故障恰似因子不小于预设的动作门槛值时，确定故障发生在交流线路区内，并控制相应的保护装置在交流线路区内执行相应的保护动作；

在所述故障恰似因子小于所述动作门槛值时，确定故障发生在交流线路区外，并控制相应的保护装置在交流线路区外执行相应的保护动作。

进一步地，所述根据所述故障位置方程和各所述采样点的电流，确定故障恰似因子，具体为：

所述故障恰似因子以公式9表示：

其中，S_hvdc为故障恰似因子，n为10ms内采样点数；p_c(i)、p_rg(i)、p_x(i)及p_x2(i)分别为利用第i个采样点的实际故障数据计算得到的虚拟故障位置方程中的常数项、过渡电阻项前的系数，虚拟故障位置项前的系数，虚拟故障位置平方项前的系数。

第二方面，本申请实施例提供了一种交直流混联电网交流线路距离保护系统，包括：数据采集模块、电流计算模块、虚拟故障位置计算模块和保护控制模块；

所述数据采集模块用于采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数；

所述电流计算模块用于根据所述逆变侧换流器的运行参数，确定所述逆变侧换流器的导通状态；根据所述逆变侧换流器的运行参数、所述逆变站平波电抗器的运行参数和所述换流母线电压，确定所述导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流；

所述虚拟故障位置计算模块用于根据故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻；

所述保护控制模块用于根据所述距离保护安装处的电流、所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作。

本发明技术方案的有益效果：本发明公开了一种交直流混联电网交流线路距离保护方法及系统，计算直流系统馈入交流系统的电流，并利用该电流确定故障位置，并利用动作门槛值和故障恰似因子校验得到的故障位置，从而减少保护装置在换流站呈现非线性时出现拒动或误动的几率。此外，在计算故障位置时考虑到换流器各阀臂的导通状态，进一步提高了确定的故障位置的精确度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的交直流混联电网的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的12脉波换流器的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种交直流混联电网交流线路距离保护方法的流程图；

图4a为本发明实施例提供的一种A相接地故障时的虚拟故障位置变化的示意图；

图4b为图4a对应的A相接地故障时的故障恰似因子变化的示意图；

图4c为本发明实施例提供的一种AB两相接地故障时的虚拟故障位置变化的示意图；

图4d为图4c对应的AB两相接地故障时的故障恰似因子变化的示意图；

图5a为本发明实施例提供的另一种A相接地故障时的虚拟故障位置变化的示意图；

图5b为图5a对应的A相接地故障时的故障恰似因子变化的示意图；

图5c为本发明实施例提供的另一种AB相间故障时的虚拟故障位置变化的示意图；

图5d为图5c对应的AB相间故障时的故障恰似因子变化的示意图；

图6a为本发明实施例提供的A相接地故障时故障恰似因子的等高线图；

图6b为图6a对应的A相接地故障时的故障恰似因子变化的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种交直流混联电网交流线路距离保护系统的结构示意图。

附图标记：

1-交流系统S2，2-整流侧的交流滤波器，3-整流侧的换流器，4-整流侧的换流器，5-直流滤波器，6-直流线路，7-平波电抗器，8-逆变侧的换流器，9-逆变侧的换流器，10-逆变侧的交流滤波器，11-交流系统S1。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例提供的方法适用于交直流混联电网，交直流混联电网结构如图1所示，交直流混联电网包括两条支路，两条支路包含的元件均相同，连接次序从左到右依次为整流侧的换流器3-整流侧的换流器4-平波电抗器7-直流滤波器5-直流线路6-平波电抗器7-逆变侧的换流器8-换流器9。此外，在交流系统S1侧和交流系统S2侧，均设置有整流侧的交流滤波器2和逆变侧的交流滤波器10及无功补偿装置。

该交直流混联电网逆变侧换流器为12脉波换流器，其电路结构如图2所示，由D桥换流器和Y桥换流器组成。其主要参数如下：额定频率50Hz，逆变侧换流器的容量为598MVA，逆变侧换流器的变比为331.2kV/200.6kV，逆变侧换流器的阻抗百分数为16％，平波电抗器的电感为290mH，交流线路M-N的长度为80km，交流线路M-N的正序电阻为0.0216Ω/km，交流线路M-N的正序电抗为0.2750Ω/km，交流线路M-N的零序电阻为0.1672Ω/km，交流线路M-N的零序电抗为0.6255Ω/km。

基于此，本发明实施例提供了一种交直流混联电网交流线路距离保护方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤301、采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数。

在本发明实施例中，该交直流混联电网逆变侧换流器为12脉波换流器，采集逆变侧换流器的运行参数包括：D桥换流器的变比、Y桥换流器的变比和各换流器中的阀臂导通状态参数。交流电参数包括：受端交流系统的零序电阻和零序电感，交流线路靠近直流系统侧的零序电压，交流线路靠近直流系统侧的零序电流、交流线路的正序电阻和正序电感、交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值和电流差值，交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值的故障分量和电流差值的故障分量，受端交流系统的等效电阻和等效电感，交流线路的零序电阻和零序电感。逆变站平波电抗器的运行参数包括：逆变站平波电抗器直流线路侧的电压。电路的故障类型分为四种：单相接地故障，两相接地故障、两相相间故障和三相短路故障。

步骤302、根据逆变侧换流器的运行参数，确定逆变侧换流器的导通状态。

如图2所示，在D桥换流器VTD1与VTD2导通，Y桥换流器VTY1与VTY2导通时，总共有四个阀臂导通，此时逆变侧换流器的导通状态为四阀臂导通，以此类推逆变侧换流器的导通状态还包括：五阀臂导通状态、六阀臂导通状态、七阀臂导通状态和八阀臂导通状态。需要说明的是，各换流器中的阀臂导通状态参数可以通过微分电流互感器获取，再根据各换流器中的阀臂导通状态参数，确定当前逆变侧换流器的导通状态。

步骤303、根据逆变侧换流器的运行参数、逆变站平波电抗器的运行参数和换流母线电压，确定导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流。

在本发明实施例中，利用公式1确定所述四阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[(K_dA_d4+K_yA_y4)U-K_dD_d4-K_yD_y4]dt+f_icom(U)....公式1

利用公式2确定所述五阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

利用公式3确定所述六阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d6+K_yA_y6)U]dt+f_icom(U)....公式3

利用公式4确定所述七阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d7+K_yA_y7)U]dt+f_icom(U)....公式4

利用公式5确定所述八阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d8+K_yA_y8)U]dt+f_icom(U)....公式5

其中，D_d4、D_y4、A_d4、A_y4为所述四阀臂导通状态下的参数矩阵；D_d5、A_d5、A_g5、A_i5为所述五阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d6、A_y6为所述六阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d7、A_y7为所述七阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d8、A_y8为所述八阀臂导通状态下的参数矩阵；f_icom(U)为流经交流滤波器与无功补偿装置的电流，当交流滤波器及无功补偿装置参数一定时，流经其的电流为关于换流母线电压的函数；U为换流母线电压矩阵、I为直流系统馈入交流系统电流矩阵、K_y为Y桥换流器的变比矩阵、K_d为D桥换流器的变比矩阵。

以四阀臂导通状态为例，此时D桥换流器VTD1与VTD2导通，Y桥换流器VTY1与VTY2导通，该导通状态下的D_d4、D_y4、A_d4、A_y4为：

当换流器处于五阀臂导通状态，此时D桥换流器VTD₁与VTD₂导通，Y桥换流器VTY₁、VTY₂与VTY₃导通，该导通状态下的D_d5、A_d5、A_g5、A_i5为：

当换流器处于六阀臂导通状态，此时D桥换流器VTD₁、VTD₄与VTD₅导通，Y桥换流器VTY₁、VTY₄与VTY₅导通，该导通状态下的A_d6、A_y6为：

当换流器处于七阀臂导通状态，此时D桥换流器VTD₁、VTD₄与VTD₅导通，Y桥换流器VTY₁、VTY₄、VTY₅与VTY₆导通，该导通状态下的A_d7、A_y7为：

当换流器处于八阀臂导通状态，此时D桥换流器VTD₁、VTD₄、VTD₅与VTD₆导通，Y桥换流器VTY₁、VTY₄、VTY₅与VTY₆导通，该导通状态下的A_d8、A_y8为：

其中，k_y、k_d分别为Y桥换流器的变比和D桥换流器的变比，L_r为换流器折算至阀侧的电感，L_d为平波电抗器电感，u_drec、u_drec2为逆变站平波电抗器直流线路侧的电压。

步骤304、根据故障类型、直流系统馈入交流系统的电流和交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻。

在本发明实施例中，根据故障类型、直流系统馈入交流系统的电流和交流电参数，确定虚拟故障位置方程。根据虚拟故障位置方程，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻。故障类型包括单相接地故障，两相接地故障、两相相间故障和三相短路故障。可以通过故障选相元件采集故障类型。

具体地，过渡电阻是一种瞬间状态的电阻。当电气设备发生相间短路或相对地短路时，短路电流从一相流到另一相或从一相流入接地部位的途径中所通过的电阻。相间短路时，过渡电阻主要是电弧电阻。接地短路时，过渡电阻主要是杆塔及其接地电阻。一旦故障消失，过渡电阻也随之消失。

在本发明实施例中，根据交流线路区内故障时的数学模型，求解故障位置与过渡电阻。并通过对实际故障位置与计算得到的故障位置以及实际过渡电阻和计算得到的过渡电阻进行比对，以确定故障是发生在交流线路区域内还是发生在交流线路区域外。即，当计算得到的故障位置、过渡电阻与实际故障位置、过渡电阻相一致时，故障发生在交流线路区域内；当计算得到的故障位置、过渡电阻与实际故障位置、过渡电阻不一致时，故障发生在交流线路区域外。鉴于实际故障与本发明所使用的数学模型的计算结果不完全相同，因此，为方便叙述，本专利将利用交流线路区内故障时的数学模型计算得到的故障位置与过渡电阻定义为虚拟故障位置与虚拟过渡电阻。

如图1所示，M侧和N侧之间的电路为保护电路，即为MN段电路。电路位置为以MN电路上任意一点到M侧的直线距离与MN段电路总长度的比值。电路的故障类型分为四种：单相接地故障，两相接地故障、两相相间故障和三相短路故障。对于单相接地故障：

虚拟故障位置方程以公式6表示：

p₁+p₂R_g+p₃x+p₄x²＝0....公式6

其中，R_g为虚拟过渡电阻，x为虚拟故障位置，p₁、p₂、p₃、p₄分别为：

其中，d＝1，R₀、L₀分别为交流线路的零序电阻和零序电感，R_W0、L_W0分别为受端交流系统的零序电阻和零序电感，u_m0为交流线路靠近直流系统侧的零序电压，i_m0为交流线路靠近直流系统侧的零序电流，R_l、L_l分别为交流线路的正序电阻和正序电感，k_R＝(R₀-R_l)/(3R_l)，k_L＝(L₀-L_l)/(3L_l)，所述交流电参数包括：R₀、L₀、R_W0、L_W0、u_m0、i_m0、R_l和L_l，u_ma为出现故障的相对应的换流母线电压分量，i_ma为出现故障的相对应的直流系统馈入交流系统的电流分量。

对于两相相间故障，所述虚拟故障位置方程以公式7表示：

p₅+p₆R_g+p₇x+p₈x²＝0....公式7

其中，R_g为虚拟过渡电阻，x为虚拟故障位置，p₅、p₆、p₇、p₈分别为：

其中，u_mab、i_mab分别为交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值和电流差值，△u_mab、△i_mab分别为交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值的故障分量和电流差值的故障分量，Rw、Lw分别为受端交流系统的等效电阻和等效电感，所述交流电参数包括：u_mab、i_mab、△u_mab、Rw、Lw和△i_mab，i_mab由所述直流系统馈入交流系统的电流的分量计算得到。

对于两相接地故障和三相短路故障，虚拟故障位置方程以公式8表示：

p₅+2p₆R_g+p₇x+p₈x²＝0....公式8

其中，公式7中各参数与公式8中各参数相同。

为了确定故障位置是否在MN段电路上，在本发明实施例中，在预设采样周期内，采集多个采样点的电流。根据故障位置方程和各采样点的电流，确定故障恰似因子。根据故障位置方程和距离保护安装处的电流，确定动作门槛值。在故障恰似因子不小于动作门槛值时，确定故障发生在交流线路区内，并控制相应的保护装置在交流线路区内执行相应的保护动作。在故障恰似因子小于动作门槛值时，确定故障发生在交流线路区外，并控制相应的保护装置在交流线路区外执行相应的保护动作。

故障恰似因子以公式9表示：

其中，S_hvdc为故障恰似因子，n为10ms内采样点数；p_c(i)、p_rg(i)、p_x(i)及p_x2(i)分别为利用第i个采样点的实际故障数据计算得到的虚拟故障位置方程中的常数项、过渡电阻项前的系数，虚拟故障位置项前的系数，虚拟故障位置平方项前的系数。

在本发明实施例中，动作门槛值是基于对故障方程进行数学推导而得到的常数，具体推导过程如下：

当交流线路区内发生故障时，虚拟过渡电阻与虚拟故障位置根据该故障情况下的虚拟故障位置方程求解得到，因此公式10成立：

p_cr(i)+p_rgr(i)R_g+p_xr(i)x+p_x2r(i)x²＝0....公式10

其中，p_cr(i)、p_rgr(i)、p_xr(i)及p_x2r(i)分别为利用馈入电流计算得到的虚拟故障位置方程中的常数项、过渡电阻项前的系数，虚拟故障位置项前的系数，虚拟故障位置平方项前的系数。

由于馈入电流为利用直流系统未故障时的数学模型计算得到，而当交流线路区内发生故障时，直流系统未发生故障，因此馈入电流等于距离保护安装处的电流，此时公式11成立：

根据公式10与公式11可知：

p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²＝0....公式12

当交流线路区外直流系统发生故障时，虚拟过渡电阻与虚拟故障位置根据该故障情况下的虚拟故障位置方程求解得到，因此公式13成立：

p_cr(i)+p_rgr(i)R_g+p_xr(i)x+p_x2r(i)x²＝0....公式13

由于馈入电流为利用直流系统未故障时的数学模型计算得到，因此当故障发生在交流线路区域外时，馈入电流不等于距离保护安装处的电流，此时公式14成立：

根据公式13与公式14可知：

p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²≠0....公式15

根据公式12与公式15可知，当交流线路区内发生故障时，p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²＝0；若交流线路区外直流系统发生故障时,p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²≠0，因此可根据p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²是否为零区分交流线路区内外故障。

为了便于计算，取p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²的绝对值，并记为A。如此判据变为，当交流线路区内发生故障时A等于0。当交流线路区外发生故障时，A大于0。实际计算过程中需要考虑一定的测量误差，由于测量误差通常为一个取值范围并不是一个具体的数，因此只要p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²的绝对值在测量误差所在的取值范围内，都可以视为交流线路区内发生故障，则判据调整为当交流线路区内发生故障时，A的取值范围为[0，a]。当交流线路区外发生故障时，A的取值范围为大于a，其中a为最大误差。在本发明实施例中，a为0.2n，即将p_c(i)+p_rg(i)R_g+p_x(i)x+p_x2(i)x²的计算结果与0.2n比较。

在本发明实施例中，S_hvdc等于n个A的倒数之和，因此相应的判据调整为当交流线路区外发生故障时，S_hvdc不小于n/a，当交流线路区外发生故障时，S_hvdc小于n/a，n/a即为动作门槛值。在本发明实施例中将动作门槛值设定为5。

步骤305、根据距离保护安装处的电流、虚拟故障位置和虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作。

在本发明实施例中，当根据虚拟故障位置和虚拟过渡电阻，确定交流线路区内发生故障时，交流线路断路器跳开，切除线路故障。当根据虚拟故障位置和虚拟过渡电阻，确定交流线路区外发生故障时，交流线路断路器不跳开。

作为示例，本发明给出如下实施例用于说明本发明上述实施例提供的方法能够解决本发明背景技术中提出的技术问题。

实施例1

分别在交流线路50％处设置A相接地故障与AB两相接地故障，过渡电阻的变化范围为0～300Ω。

交直流混联电网未发生故障时，如图2所示Y桥换流器与D桥换流器均正常换相。在t＝0ms时，Y桥换流器处于VTY1与VTY2导通，D桥换流器处于VTD1与VTD2导通状态，在Y桥换流器VTY3和D桥换流器VTD3的触发信号作用下，Y桥换流器与D桥换流器先后进行换相，当D桥换流器VTD1承受的电压首次由负变正且其恢复阻断能力时，Y桥换流器与D桥换流器完成换相，此时Y桥换流器处于VTY2与VTY3导通，D桥换流器处于VTD2与VTD3导通状态。

当交流线路M-N的50％处分别发生A相接地故障和AB两相接地故障的情况下，在t＝0ms时，Y桥换流器处于VTY1与VTY2导通，D桥换流器处于VTD1与VTD2导通状态，在Y桥换流器VTY3和D桥换流器VTD3的触发信号作用下，Y桥换流器与D桥换流器先后进行换相，当D桥换流器VTD1承受的电压首次由负变正时，Y桥换流器和D桥换流器的导通状态如表1所示：

表1交流线路发生A相、AB两相经不同过渡电阻故障时的换流器导通状态

由表1可知，当交流线路发生A相接地故障且过渡电阻为50Ω时，D桥换流器处于VTD2与VTD3导通，Y桥换流器处于VTY1与VTY2导通状态，与正常换相时的导通状态相比可知，Y桥换流器发生换相失败。当发生A相接地故障且过渡电阻的变化范围为150～300Ω时，换流器的导通状态与正常运行时的导通状态相同，可判定Y桥换流器与D桥换流器均正常换相。当发生AB两相接地故障时，类似A相接地故障时的分析过程可知，当过渡电阻的变化范围为0～50Ω时，逆变侧换流器发生换相失败。当过渡电阻在100～300Ω范围内变化时，Y桥换流器与D桥换流器均正常换相。两种故障情况下的虚拟故障位置和故障恰似因子如图4a-4d所示。

由图4a和4c可知，不同类型故障情况下，虚拟故障位置的计算结果均接近于50％，定位相对误差随过渡电阻增大略有波动，总体维持在0.18％以下，定位结果较为精确，误差主要来源于利用差分法代替微分时引入的误差。

由图4b和4d可知，不同类型故障情况下，随着过渡电阻增加，同一时间断面下的故障恰似因子均减小。当发生A相接地故障且过渡电阻为300Ω时，故障恰似因子随时间窗的滑动先增加后减少，如图4b所示，在t＝3.85ms时为最小值，其值为38.21，但仍远大于动作门槛值。当发生AB两相接地故障且过渡电阻为300Ω时，如图4d所示，故障恰似因子在t＝4ms时为最小值，其值为44.51。

根据图4a-4d可知，上述两种故障情况下的虚拟故障位置与实际故障位置相一致，且故障恰似因子均大于门槛值，因此可判定交流线路M-N区内50％位置处发生故障，保护正确动作。由以上分析可知，本方法在交流线路区内发生经不同过渡电阻故障时，具有较高的灵敏度和快速识别能力，且不受换相失败和故障类型的影响。

实施例2

在交流线路区内不同位置处分别设置A相接地故障和AB相间故障，当发生A相接地故障时，过渡电阻为300Ω。

在t＝0ms时，Y桥换流器处于VTY1与VTY2导通，D桥换流器处于VTD1与VTD2导通状态，在Y桥换流器VTY3和D桥换流器VTD3的触发信号作用下，Y桥换流器与D桥换流器先后进行换相，当D桥换流器VTD1承受的电压首次由负变正时，Y桥换流器和D桥换流器的导通状态如表2所示：

表2交流线路不同位置处发生A相接地故障和AB相间故障时的换流器导通状态

由表2可知，当交流线路任意一点发生AB相间故障时，Y桥换流器VTY1在反向电压期间未能恢复阻断能力，因此可判定Y桥换流器发生换相失败。当D桥换流器完成VTD1向VTD3换相后，此时D桥换流器处于VTD2与VTD3导通，Y桥换流器处于VTY1与VTY2导通状态。类似AB相间故障时的分析过程可知，当发生A相接地故障且故障位置在20％～40％范围内变化时，逆变侧换流器发生换相失败，当故障位置的变化范围为60％～95％时，Y桥换流器与D桥换流器均正常换相。两种故障情况下的虚拟故障位置和故障恰似因子如图5a-5d所示。

由图5a与5c可知，由时间、实际故障距离百分数和虚拟故障位置的仿真结果构成了45°倾斜的平面，说明不同时间断面下的实际故障距离与虚拟故障位置相一致，且定位相对误差随着实际故障距离的增大而增大，在距离M端90％位置处发生A相接地故障时，定位相对误差达到最大，其值为0.16％。

由图5b与5d可知，不同类型故障情况下的故障恰似因子均大于门槛值，与根据表2得到的结论相一致。当交流线路任意一点发生故障时，随着实际故障距离百分数的增加，同一时间断面下的故障恰似因子均先增加后减小。在距离M端40％位置处发生A相接地故障时，如图5b所示，故障恰似因子在t＝3.85ms时为最小值，其值为27.11。在距离M端90％位置处发生AB相间故障时，如图5d所示，故障恰似因子在t＝0ms时为最小值，其值为80.37。

上述两种故障情况下，由于虚拟故障位置与实际故障位置相同，因此故障恰似因子均大于门槛值，说明交流线路M-N区内发生故障，保护正确动作。根据上述分析可知，保护判据不受故障位置和换相失败的影响，当线路末端发生故障时，仍具有较高的灵敏度。

实施例3

在图2中f1处设置A相接地故障，过渡电阻的变化范围为0～300Ω。

在t＝0ms时，Y桥换流器处于VTY1与VTY2导通，D桥换流器处于VTD1与VTD2导通状态，在Y桥换流器VTY3和D桥换流器VTD3的触发信号作用下，Y桥换流器与D桥换流器先后进行换相，当D桥换流器VTD1承受的电压首次由负变正时，Y桥换流器和D桥换流器的导通状态如表3所示：

表3交流线路背侧直流系统发生故障时的换流器导通状态

由表3可知，当过渡电阻为0Ω时，Y桥换流器VTY1在反向电压期间未能恢复阻断能力，此时Y桥换流器发生换相失败。当过渡电阻在50～300Ω范围内变化时，Y桥换流器与D桥换流器的导通状态与正常运行时的导通状态相同，可判定Y桥换流器与D桥换流器均正常换相。该故障情况下的故障恰似因子如图6a-6b所示。

由图6a可知，该故障情况下，随着过渡电阻增加，不同时间断面下的故障恰似因子波动程度较小，且均小于动作门槛。根据图6b可知，当过渡电阻为0Ω时，故障恰似因子在t＝3.45ms时为最大值，其值为0.11，远小于动作门槛，说明交流线路M-N区内未发生故障，保护可靠不动作。根据上述分析可知，本专利提出的判据可以正确区分区内外故障，且不受换相失败的影响。

综上可知，利用本发明所构建的基于故障恰似因子的交直流混联电网交流线路距离保护方法及其系统，能够在交流线路不同位置发生不同类型故障引发换相失败的情况下，快速、可靠地识别区内、外故障，具有较强的耐过渡电阻能力。

如图7所示，本发明实施例提供了一种交直流混联电网交流线路距离保护系统，其特征在于，包括：数据采集模块701、电流计算模块702、虚拟故障位置计算模块703和保护控制模块704；

数据采集模块701用于采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数；

电流计算模块702用于根据逆变侧换流器的运行参数，确定逆变侧换流器的导通状态；根据逆变侧换流器的运行参数、逆变站平波电抗器的运行参数和换流母线电压，确定导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流；

虚拟故障位置计算模块703用于根据故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻。

保护控制模块704用于根据所述距离保护安装处的电流、所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作。

需要说明的是，图7中交直流混联电网交流线路距离保护系统可以执行上述任一实施例提供的交直流混联电网交流线路距离保护方法。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种交直流混联电网交流线路距离保护方法，其特征在于，包括：

采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数；

根据所述逆变侧换流器的运行参数，确定所述逆变侧换流器的导通状态；

根据所述逆变侧换流器的运行参数、所述逆变站平波电抗器的运行参数和所述换流母线电压，确定所述导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流；

根据故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻；

根据所述距离保护安装处的电流、所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作；

所述逆变侧换流器为12脉波换流器，所述逆变侧换流器的运行参数包括12脉波换流器中各阀臂的导通状态参数；

所述根据所述逆变侧换流器的运行参数，确定所述逆变侧换流器的导通状态，包括：

根据12脉波换流器中各阀臂的导通状态参数，确定所述逆变侧换流器处于四阀臂导通状态、五阀臂导通状态、六阀臂导通状态、七阀臂导通状态或八阀臂导通状态；

所述根据所述逆变侧换流器的运行参数、所述逆变站平波电抗器的运行参数和所述换流母线电压，确定所述导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流，具体为：

利用公式1确定所述四阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[(K_dA_d4+K_yA_y4)U-K_dD_d4-K_yD_y4]dt+f_icom(U)…公式1

利用公式2确定所述五阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

利用公式3确定所述六阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d6+K_yA_y6)U]dt+f_icom(U)…公式3

利用公式4确定所述七阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d7+K_yA_y7)U]dt+f_icom(U)…公式4

利用公式5确定所述八阀臂导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流：

I＝∫[-(K_dA_d8+K_yA_y8)U]dt+f_icom(U)…公式5

其中，D_d4、D_y4、A_d4、A_y4为所述四阀臂导通状态下的参数矩阵；D_d5、A_d5、A_g5、A_i5为所述五阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d6、A_y6为所述六阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d7、A_y7为所述七阀臂导通状态下的参数矩阵；A_d8、A_y8为所述八阀臂导通状态下的参数矩阵；f_icom(U)为流经交流滤波器与无功补偿装置的电流，当交流滤波器及无功补偿装置参数一定时，流经其的电流为关于换流母线电压的函数；U为换流母线电压矩阵、I为直流系统馈入交流系统电流矩阵、K_y为Y桥换流器的变比矩阵、K_d为D桥换流器的变比矩阵；其中，所述12脉波换流器包括所述Y桥换流器和所述D桥换流器；

其中，D_d4、D_y4、A_d4、A_y4分别为：

D_d5、A_d5、A_g5、A_i5分别为：

A_d6、A_y6分别为：

A_d7、A_y7分别为：

A_d8、A_y8分别为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述根据所述故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻，包括：

根据所述故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置方程；

根据所述虚拟故障位置方程，确定所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述根据所述故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置方程，包括：

所述故障类型为单相接地故障时，利用公式6确定虚拟故障位置方程：

p₁+p₂R_g+p₃x+p₄x²＝0…公式6

其中，R_g为虚拟过渡电阻，x为虚拟故障位置，p₁、p₂、p₃、p₄分别为：

其中，d＝1，R₀、L₀分别为交流线路的零序电阻和零序电感，R_W0、L_W0分别为受端交流系统的零序电阻和零序电感，u_m0为交流线路靠近直流系统侧的零序电压，i_m0为交流线路靠近直流系统侧的零序电流，R_l、L_l分别为交流线路的正序电阻和正序电感，k_R＝(R₀-R_l)/(3R_l)，k_L＝(L₀-L_l)/(3L_l)，所述交流电参数包括：R₀、L₀、R_W0、L_W0、u_m0、i_m0、R_l和L_l，u_ma为出现故障的相对应的换流母线电压分量，i_ma为出现故障的相对应的直流系统馈入交流系统的电流分量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述根据所述故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置方程，包括：

所述故障类型为两相相间故障时，所述虚拟故障位置方程以公式7表示：

p₅+p₆R_g+p₇x+p₈x²＝0…公式7

其中，R_g为虚拟过渡电阻，x为虚拟故障位置，p₅、p₆、p₇、p₈分别为：

其中，u_mab、i_mab分别为交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值和电流差值，△u_mab、△i_mab分别为交流线路靠近直流系统侧的两相电压差值的故障分量和电流差值的故障分量，Rw、Lw分别为受端交流系统的等效电阻和等效电感，所述交流电参数包括：u_mab、i_mab、△u_mab、Rw、Lw和△i_mab，所述i_mab由所述直流系统馈入交流系统的电流的分量计算得到。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述根据所述故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置方程，包括：

所述故障类型为两相接地故障和三相短路故障时，所述虚拟故障位置方程以公式8表示：

p₅+2p₆R_g+p₇x+p₈x²＝0…公式8。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述距离保护安装处的电流、所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作，所述方法包括：

根据所述虚拟故障位置、所述虚拟过渡电阻、所述故障位置方程和所述距离保护安装处的电流，确定故障恰似因子；

在所述故障恰似因子不小于预设的动作门槛值时，确定故障发生在交流线路区内，并控制相应的保护装置在交流线路区内执行相应的保护动作；

在所述故障恰似因子小于所述动作门槛值时，确定故障发生在交流线路区外，并控制相应的保护装置在交流线路区外执行相应的保护动作。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述根据所述虚拟故障位置、所述虚拟过渡电阻、所述故障位置方程和所述距离保护安装处的电流，确定故障恰似因子，具体为：

所述故障恰似因子以公式9表示：

其中，S_hvdc为故障恰似因子，n为10ms内采样点数；p_c(i)、p_rg(i)、p_x(i)及p_x2(i)分别为利用第i个采样点的实际故障数据计算得到的虚拟故障位置方程中的常数项、过渡电阻项前的系数，虚拟故障位置项前的系数，虚拟故障位置平方项前的系数。

8.一种交直流混联电网交流线路距离保护系统，其特征在于，用于执行权利要求1-7任一项所述方法，包括：数据采集模块、电流计算模块、虚拟故障位置计算模块和保护控制模块；

所述数据采集模块用于采集逆变侧换流器的运行参数、交流电参数、换流母线电压、距离保护安装处的电流及逆变站平波电抗器的运行参数；

所述电流计算模块用于根据所述逆变侧换流器的运行参数，确定所述逆变侧换流器的导通状态；根据所述逆变侧换流器的运行参数、所述逆变站平波电抗器的运行参数和所述换流母线电压，确定所述导通状态对应的直流系统馈入交流系统的电流；

所述虚拟故障位置计算模块用于根据故障类型、所述直流系统馈入交流系统的电流和所述交流电参数，确定虚拟故障位置和虚拟过渡电阻；

所述保护控制模块用于根据所述距离保护安装处的电流、所述虚拟故障位置和所述虚拟过渡电阻，控制相应的保护装置执行保护动作。

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