CN112086940B - 一种柔性直流输电线路快速行波保护方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电线路快速行波保护方法及装置,其中方法包括:首先实时采集直流线路故障后的电压和电流信号,计算电压故障分量信号和电流故障分量信号,由电压故障分量构成启动判据;根据电压故障分量和电流故障分量与线路波阻抗可得到反行波;启动判据满足后,检测反行波首次两拐点期间出现的离散点,若离散点数量小于预设值,则保护动作出口。通过获取直流线路故障后的电压信号和电流信号,得到反行波并判断其波形两拐点之间的离散点数量是否小于预设值,来判断是否执行保护动作出口,实现了故障的及时切除,减少交流电网系统带来的冲击,降低电网停电损失,提高了柔性直流输电系统切除故障的快速性和可靠性。

Description

一种柔性直流输电线路快速行波保护方法及装置
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域,特别涉及一种柔性直流输电线路快速行波保护方法及装置。
背景技术
对于柔性直流全是半桥型子模块的换流器拓扑结构而言,为了降低过电流对设备的冲击,导致两个及以上换流器同时闭锁,直流保护动作时间明确要求不能超过3ms,如张北直流工程。因此发生直流线路故障时,需要直流线路保护装置能快速、准确地判断出区内故障,并快速动作,隔离故障源,以保证电网的安全稳定运行,增强电力系统的暂态稳定性。
在现有直流线路保护方面,普遍采用以行波保护、电压突变量保护为线路主保护,以线路低电压和纵联差动保护为后备保护的配置方案。现有直流在运工程行波保护采样时间窗在2ms以上,从故障发生到保护动作出口时间往往大于6ms,后备保护为直流线路纵差保护更是达到秒级。
结合柔性直流电网结构特点、故障特性及现有保护技术手段,国内外专家主要在3个方面开展研究:1)利用电压、电流高频分量特征构成保护判据;2)利用线路边界平波电抗器的电压构成保护判据;3)利用电压、电流时域特征构成保护判据。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种柔性直流输电线路快速行波保护方法及装置,通过获取直流线路故障后的电压信号和电流信号,得到反行波并判断其波形两拐点之间的离散点数量是否小于预设值,来判断是否执行保护动作出口,实现了故障的及时切除,减少交流电网系统带来的冲击,降低电网停电损失,提高了柔性直流输电系统切除故障的快速性和可靠性。
为解决上述技术问题,本发明实施例的第一方面提供了一种柔性直流输电线路快速行波保护方法,包括以下步骤:
1)故障发生时,在整流侧实时采集柔性直流输电线路的瞬时电压u(t)、瞬时电流i(t),根据稳态时刻线路电压u0和稳态时刻线路电流i0计算出电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t);
2)由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据;
3)根据输电线路波阻抗Zc、所述电压故障分量Δu(t)及所述电流故障分量Δi(t)计算出反行波ub
4)提取故障启动后所述反行波ub的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2
5)根据采样周期T0计算所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔Δt期间出现的反行波波形离散点n;
6)若n<nset,则认为线路内部发生故障,否则认为线路内部未发生故障,其中,nset为两拐点期间反行波出现的离散点预设值。
进一步地,所述的步骤1)中的所述电压故障分量Δu(t)和所述电流故障分量Δi(t)计算公式为:
Δu(t)=u(t)-u0
Δi(t)=i(t)-i0
其中:u(t)为实时采集的电压信号、i(t)为实时采集的电流信号;u0为所述稳态时刻电压信号,i0为所述稳态时刻电流信号。
进一步地,所述的步骤2)中由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据的计算公式为:
|Δu(t)|>k1
其中:k1为启动门槛值,k1=0.05Un,Un为直流线路额定电压。
进一步地,所述的步骤3)中反行波ub的计算公式为:
ub=(Δu(t)-ZcΔi(t))/2,
其中,Zc为输电线路波阻抗。
进一步地,所述的步骤4)中所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的提取方式为:
令ub(i)为反行波当前离散点,ub(i-1)为ub(i)前一离散点,ub(i+1)为ub(i)后一离散点;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]<0且[ub(i)-ub(i+1)]<0,则说明ub(i)为位于所述第一个下降沿时刻t1拐点处;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]>0且[ub(i)-ub(i+1)]>0,则说明ub(i)为位于所述第一个上降沿时刻t2拐点处。
进一步地,所述步骤5)中的反行波波形两拐点期间出现的离散点n计算公式为:
n=Δt/T0
其中,Δt为所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔;T0为所述采样周期。
进一步地,所述步骤6)中两拐点期间反行波出现的离散点预设值nset,取值由采样率、最小采样周期确定。
相应地,本发明实施例的第二方面提供了一种柔性直流输电线路快速行波保护装置,包括:
采集模块,其用于在故障发生时,在整流侧实时采集柔性直流输电线路的瞬时电压u(t)、瞬时电流i(t),根据稳态时刻线路电压u0和稳态时刻线路电流i0计算出电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t);
构造模块,其用于由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据;
第一计算模块,其用于根据输电线路波阻抗Zc、所述电压故障分量Δu(t)及所述电流故障分量Δi(t)计算出反行波ub
提取模块,其用于提取故障启动后所述反行波ub的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2
第二计算模块,其用于根据采样周期T0计算所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔Δt期间出现的反行波波形离散点n;
判断模块,其用于若n<nset,则认为线路内部发生故障,否则认为线路内部未发生故障,其中,nset为两拐点期间反行波出现的离散点预设值。
进一步地,所述采集模块中的所述电压故障分量Δu(t)和所述电流故障分量Δi(t)计算公式为:
Δu(t)=u(t)-u0
Δi(t)=i(t)-i0
其中:u(t)为实时采集的电压信号、i(t)为实时采集的电流信号;u0为所述稳态时刻电压信号,i0为所述稳态时刻电流信号。
进一步地,所述构造模块中的由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据的计算公式为:
|Δu(t)|>k1
其中:k1为启动门槛值,k1=0.05Un,Un为直流线路额定电压。
进一步地,所述第一计算模块中的反行波ub的计算公式为:
ub=(Δu(t)-ZcΔi(t))/2,
其中,Zc为输电线路波阻抗。
进一步地,所述提取模块中的所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的提取方式为:
令ub(i)为反行波当前离散点,ub(i-1)为ub(i)前一离散点,ub(i+1)为ub(i)后一离散点;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]<0且[ub(i)-ub(i+1)]<0,则说明ub(i)为位于所述第一个下降沿时刻t1拐点处;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]>0且[ub(i)-ub(i+1)]>0,则说明ub(i)为位于所述第一个上降沿时刻t2拐点处。
进一步地,所述第二提取模块中的反行波波形两拐点期间出现的离散点n计算公式为:
n=Δt/T0
其中,Δt为所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔;T0为所述采样周期。
进一步地,所述判断模块中的两拐点期间反行波出现的离散点预设值nset,取值由采样率、最小采样周期确定。
相应地,本发明实施例的第三方面提供了包括:至少一个处理器;以及与所述至少一个处理器连接的存储器;其中,所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令,所述指令被所述一个处理器执行,以使所述至少一个处理器执行上述任一所述的柔性直流输电线路快速行波保护方法。
相应地,本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机指令,该指令被处理器执行时实现上述任一所述的柔性直流输电线路快速行波保护方法。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果:
通过获取直流线路故障后的电压信号和电流信号,得到反行波并判断其波形两拐点之间的离散点数量是否小于预设值,来判断是否执行保护动作出口,提高柔性直流输电线路从故障检测到保护出口动作时间,实现了故障的及时切除,减少交流电网系统带来的冲击,降低电网停电损失,提高了柔性直流输电系统切除故障的快速性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柔性直流输电线路快速行波保护方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的柔性直流输电系统结构示意图;
图3是本发明实施例提供的区内发生故障时的反行波波形图;
图4是本发明实施例提供的区外发生故障时的反行波波形图;
图5是本发明实施例提供的柔性直流输电线路快速行波保护装置模块图。
1、采集模块,2、构造模块,3、第一计算模块,4、提取模块,5、第二计算模块,6、判断模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明实施例提供的柔性直流输电线路快速行波保护方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的柔性直流输电系统结构示意图。
图3是本发明实施例提供的区内发生故障时的反行波波形图。
图4是本发明实施例提供的区外发生故障时的反行波波形图。
请参照图1、图2、图3和图4,本发明实施例的第一方面提供了一种柔性直流输电线路快速行波保护方法,包括以下步骤:
1)故障发生时,在整流侧实时采集柔性直流输电线路的瞬时电压u(t)、瞬时电流i(t),根据稳态时刻线路电压u0和稳态时刻线路电流i0计算出电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t)。
2)由电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据。
3)根据输电线路波阻抗Zc、电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t)计算出反行波ub
4)提取故障启动后反行波ub的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2
5)根据采样周期T0计算第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔Δt期间出现的反行波波形离散点n。
其中,采样周期T0具体为反行波ub两个采样点之间的采样间隔时长,也是CPU的执行周期。
6)若n<nset,则认为线路内部发生故障,否则认为线路内部未发生故障,其中,nset为两拐点期间反行波出现的离散点预设值。
上述技术方案通过获取直流线路故障后的电压信号和电流信号,得到反行波并判断其波形两拐点之间的离散点数量是否小于预设值,来判断是否执行保护动作出口,提高柔性直流输电线路从故障检测到保护出口动作时间,实现了故障的及时切除,减少交流电网系统带来的冲击,降低电网停电损失,提高了柔性直流输电系统切除故障的快速性和可靠性。
进一步地,步骤1)中的电压故障分量Δu(t)和电流故障分量Δi(t)计算公式为:
Δu(t)=u(t)-u0
Δi(t)=i(t)-i0
其中:u(t)为实时采集的电压信号、i(t)为实时采集的电流信号;u0为稳态时刻电压信号,i0为稳态时刻电流信号。
进一步地,步骤2)中由电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据的计算公式为:
|Δu(t)|>k1
其中:k1为启动门槛值,k1=0.05Un,Un为直流线路额定电压。
进一步地,步骤3)中反行波ub的计算公式为:
ub=(Δu(t)-ZcΔi(t))/2,
其中,Zc为输电线路波阻抗。
进一步地,步骤4)中第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2的提取方式为:
令ub(i)为反行波当前离散点,ub(i-1)为ub(i)前一离散点,ub(i+1)为ub(i)后一离散点;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]<0且[ub(i)-ub(i+1)]<0,则说明ub(i)为位于第一个下降沿时刻t1拐点处;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]>0且[ub(i)-ub(i+1)]>0,则说明ub(i)为位于第一个上降沿时刻t2拐点处。
进一步地,步骤5)中的反行波波形两拐点期间出现的离散点n计算公式为:
n=Δt/T0
其中,Δt为第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔;T0为采样周期。
进一步地,步骤6)中两拐点期间反行波出现的离散点预设值nset,取值由采样率、最小采样周期确定,随着采样率增大,采样周期变小,此值逐渐变大。
其中,离散点预设值nset在采样率和采样周期确定的情况下,使区内首端和末端高阻接地故障工况下反行波波形两拐点期间出现的最大离散点设为nmax,则nset>knmax,k为可靠系数,k的取值大于1。
图5是本发明实施例提供的柔性直流输电线路快速行波保护装置模块图。
请参照图5,本发明实施例的第二方面提供了一种柔性直流输电线路快速行波保护装置,包括:采集模块1、构造模块2、第一计算模块3、提取模块4、第二计算模块5和判断模块6。其中:采集模块1用于在故障发生时,在整流侧实时采集柔性直流输电线路的瞬时电压u(t)、瞬时电流i(t),根据稳态时刻线路电压u0和稳态时刻线路电流i0计算出电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t);构造模块2用于由电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据;第一计算模块3用于根据输电线路波阻抗Zc、电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t)计算出反行波ub;提取模块4用于提取故障启动后反行波ub的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2;第二计算模块5用于根据采样周期T0计算第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔Δt期间出现的反行波波形离散点n;判断模块6用于若n<nset,则认为线路内部发生故障,否则认为线路内部未发生故障,其中,nset为两拐点期间反行波出现的离散点预设值。
进一步地,采集模块1中的电压故障分量Δu(t)和电流故障分量Δi(t)计算公式为:
Δu(t)=u(t)-u0
Δi(t)=i(t)-i0
其中:u(t)为实时采集的电压信号、i(t)为实时采集的电流信号;u0为稳态时刻电压信号,i0为稳态时刻电流信号。
进一步地,构造模块2中的由电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据的计算公式为:
|Δu(t)|>k1
其中:k1为启动门槛值,k1=0.05Un,Un为直流线路额定电压。
进一步地,第一计算模块3中的反行波ub的计算公式为:
ub=(Δu(t)-ZcΔi(t))/2,
其中,Zc为输电线路波阻抗。
进一步地,提取模块4中的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2的提取方式为:
令ub(i)为反行波当前离散点,ub(i-1)为ub(i)前一离散点,ub(i+1)为ub(i)后一离散点;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]<0且[ub(i)-ub(i+1)]<0,则说明ub(i)为位于第一个下降沿时刻t1拐点处;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]>0且[ub(i)-ub(i+1)]>0,则说明ub(i)为位于第一个上降沿时刻t2拐点处。
进一步地,第二提取模块5中的反行波波形两拐点期间出现的离散点n计算公式为:
n=Δt/T0
其中,Δt为第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔;T0为采样周期。
进一步地,判断模块6中的两拐点期间反行波出现的离散点预设值nset,取值由采样率、最小采样周期确定。
相应地,本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备,包括:至少一个处理器;以及与至少一个处理器连接的存储器;其中,存储器存储有可被一个处理器执行的指令,指令被一个处理器执行,以使至少一个处理器执行上述任一柔性直流输电线路快速行波保护方法。
相应地,本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机指令,该指令被处理器执行时实现上述任一柔性直流输电线路快速行波保护方法。
本发明实施例旨在保护一种柔性直流输电线路快速行波保护方法及装置,其中方法包括:首先实时采集直流线路故障后的电压Δu(t)和电流信号Δi(t),计算电压故障分量信号和电流故障分量信号,由电压故障分量构成启动判据;根据电压故障分量和电流故障分量与线路波阻抗可得到反行波ub;启动判据满足后,检测反行波ub波形两拐点期间出现的离散点n,若n小于离散点预设值nset,则保护动作出口。上述技术方案具备如下效果:
通过获取直流线路故障后的电压信号和电流信号,得到反行波并判断其波形两拐点之间的离散点数量是否小于预设值,来判断是否执行保护动作出口,提高柔性直流输电线路从故障检测到保护出口动作时间,实现了故障的及时切除,减少交流电网系统带来的冲击,降低电网停电损失,提高了柔性直流输电系统切除故障的快速性和可靠性。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (12)

1.一种柔性直流输电线路快速行波保护方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)故障发生时,在整流侧实时采集柔性直流输电线路的瞬时电压u(t)、瞬时电流i(t),根据稳态时刻线路电压u0和稳态时刻线路电流i0计算出电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t);
2)由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据;
所述步骤2)中由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据的计算公式为:
|Δu(t)|>k1
其中:k1为启动门槛值,k1=0.05Un,Un为直流线路额定电压;
3)根据输电线路波阻抗Zc、所述电压故障分量Δu(t)及所述电流故障分量Δi(t)计算出反行波ub
所述步骤3)中反行波ub的计算公式为:
ub=(Δu(t)-ZcΔi(t))/2,
其中,Zc为输电线路波阻抗;
4)提取故障启动后所述反行波ub的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2
5)根据采样周期T0计算所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔Δt期间出现的反行波波形离散点n;
6)若n<nset,则认为线路内部发生故障,否则认为线路内部未发生故障,其中,nset为两拐点期间反行波出现的离散点预设值。
2.根据权利要求1的柔性直流输电线路快速行波保护方法,其特征在于,
所述步骤1)中的所述电压故障分量Δu(t)和所述电流故障分量Δi(t) 计算公式为:
Δu(t)=u(t)-u0
Δi(t)=i(t)-i0
其中:u(t)为实时采集的电压信号、i(t)为实时采集的电流信号;u0为所述稳态时刻电压信号,i0为所述稳态时刻电流信号。
3.根据权利要求1的柔性直流输电线路快速行波保护方法,其特征在于,
所述步骤4)中所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的提取方式为:
令ub(i)为反行波当前离散点,ub(i-1)为ub(i)前一离散点,ub(i+1)为ub(i)后一离散点;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]<0且[ub(i)-ub(i+1)]<0,则说明ub(i)为位于所述第一个下降沿时刻t1拐点处;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]>0且[ub(i)-ub(i+1)]>0,则说明ub(i)为位于所述第一个上降沿时刻t2拐点处。
4.根据权利要求1的柔性直流输电线路快速行波保护方法,其特征在于,
所述步骤5)中的反行波波形两拐点期间出现的离散点n计算公式为:
n=Δt/T0
其中,Δt为所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔;T0为所述采样周期。
5.根据权利要求1的柔性直流输电线路快速行波保护方法,其特征在于,
所述步骤6)中两拐点期间反行波出现的离散点预设值nset,取值由采样率、最小采样周期确定。
6.一种柔性直流输电线路快速行波保护装置,其特征在于,包括:
采集模块,其用于在故障发生时,在整流侧实时采集柔性直流输电线路的瞬时电压u(t)、瞬时电流i(t),根据稳态时刻线路电压u0和稳态时刻线路电流i0计算出电压故障分量Δu(t)及电流故障分量Δi(t);
构造模块,其用于由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据;
所述构造模块中的由所述电压故障分量Δu(t)幅值构造保护启动判据的计算公式为:
|Δu(t)|>k1
其中:k1为启动门槛值,k1=0.05Un,Un为直流线路额定电压;
第一计算模块,其用于根据输电线路波阻抗Zc、所述电压故障分量Δu(t)及所述电流故障分量Δi(t)计算出反行波ub
所述第一计算模块中的反行波ub的计算公式为:
ub=(Δu(t)-ZcΔi(t))/2,
其中,Zc为输电线路波阻抗;
提取模块,其用于提取故障启动后所述反行波ub的第一个下降沿拐点时刻t1和第一个上升沿拐点时刻t2
第二计算模块,其用于根据采样周期T0计算所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔Δt期间出现的反行波波形离散点n;
判断模块,其用于若n<nset,则认为线路内部发生故障,否则认为线路内部未发生故障,其中,nset为两拐点期间反行波出现的离散点预设值。
7.根据权利要求6的柔性直流输电线路快速行波保护装置,其特征在于,
所述采集模块中的所述电压故障分量Δu(t)和所述电流故障分量Δi(t)计算公式为:
Δu(t)=u(t)-u0
Δi(t)=i(t)-i0
其中:u(t)为实时采集的电压信号、i(t)为实时采集的电流信号;u0为所述稳态时刻电压信号,i0为所述稳态时刻电流信号。
8.根据权利要求6的柔性直流输电线路快速行波保护装置,其特征在于,
所述提取模块中的所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的提取方式为:
令ub(i)为反行波当前离散点,ub(i-1)为ub(i)前一离散点,ub(i+1)为ub(i)后一离散点;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]<0且[ub(i)-ub(i+1)]<0,则说明ub(i)为位于所述第一个下降沿时刻t1拐点处;
若出现[ub(i)-ub(i-1)]>0且[ub(i)-ub(i+1)]>0,则说明ub(i)为位于所述第一个上降沿时刻t2拐点处。
9.根据权利要求6的柔性直流输电线路快速行波保护装置,其特征在于,
所述第二提取模块中的反行波波形两拐点期间出现的离散点n计算公式为:
n=Δt/T0
其中,Δt为所述第一个下降沿拐点时刻t1和所述第一个上升沿拐点时刻t2的时间间隔;T0为所述采样周期。
10.根据权利要求6的柔性直流输电线路快速行波保护装置,其特征在于,
所述判断模块中的两拐点期间反行波出现的离散点预设值nset,取值由采样率、最小采样周期确定。
11.一种电子设备,其特征在于,包括:至少一个处理器;以及与所述至少一个处理器连接的存储器;其中,所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令,所述指令被所述一个处理器执行,以使所述至少一个处理器执行权利要求1-5中任一所述的柔性直流输电线路快速行波保护方法。
12.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机指令,其特征在于,该指令被处理器执行时实现上述权利要求1-5 中任一所述的柔性直流输电线路快速行波保护方法。
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