CN116316472A - 一种柔性直流输电线路保护选区、纵差保护方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流输电线路保护领域，具体涉及一种柔性直流输电线路保护选区、纵差保护方法及系统。利用故障发生时故障与非故障状态下直流线路两端的电压、电流故障分量夹角余弦值的不同特征，设置柔性直流输电线路的故障区识别判据，由于夹角余弦值计算简单，便于整定且可靠性高，对采样率要求较低，因此在满足线路的后备保护需求的同时，能够保证快速判别故障，提高速断保护的可靠性；根据故障发生时的柔性直流输电线路设定时域内的线路两端的电流故障分量特征，准确识别电路是否触发保护，且只有在满足保护启动条件的情况下才继续进行故障选区和选极的操作，减少非必要的计算量，节约计算成本。

Description

一种柔性直流输电线路保护选区、纵差保护方法及系统

技术领域

本发明属于直流输电线路保护领域，具体涉及一种柔性直流输电线路保护选区、纵差保护方法及系统。

背景技术

随着我国直流输电技术水平逐提高，柔性直流输电是最近几年发展的一个重要热点；作为新一代直流输电技术，它有着灵活、坚强、高效的特点，在实际使用时可以充分利用可再生能源，减少社会资源的损耗，是直流输电在未来发展的必然趋势。更重要的是它不存在常规直流不可避免的换相失败，所以近几年在直流输配电中得到了广泛的应用。

柔性直流电网对直流输电线路主保护的动作速度有极高的要求，主要是由于线路故障后电流会迅速增大，保护必须在极短的时间内识别并切除故障。线路主保护必须为基于单端量的超高速保护。然而，在实际运行中，经过过渡电阻传递的故障的情况经常发生，单端量主保护的耐受过渡电阻能力十分有限，无法识别高阻接地故障。因此，线路保护系统必须配置能够检测高阻故障的后备保护；现有技术中通常采用的选区和保护方法通常也是以单端量作为判据，将这些选区和保护方法应用于后备保护，则后备保护也难以识别高阻接地故障，柔性直流输电线路保护的整体可靠性仍然较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性直流输电线路保护选区、纵差保护方法及系统，用于解决现有技术中以单端量作为判据的选区和保护方法难以识别高阻接地故障，导致柔性直流输电线路保护的整体可靠性较低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种柔性直流输电线路保护选区方法，步骤如下：

实时获取输电线路两端的电流信号，结合稳态时刻输电线路的电流信号分别计算出输电线路两端的电流故障分量；判断所述输电线路两端的电流故障分量是否满足保护启动判据；

若输电线路的电流故障分量满足保护启动判据，则实时获取输电线路两端的电压信号，结合稳态时刻输电线路的电压信号分别得到输电线路两端的电压故障分量；

根据输电线路两端的电压故障分量，计算出设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，判断所述输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值大小是否满足保护选区判据；若满足，则判定故障发生在该输电线路区内；否则，判定故障发生在该输电线路区外；

所述保护选区判据为：设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值均小于设定的保护选区门槛值。

上述技术方案的有益效果为：

利用故障发生时故障与非故障状态下直流线路两端的电压、电流故障分量夹角余弦值的不同特征，设置柔性直流输电线路的故障区识别判据，由于夹角余弦值计算简单，便于整定且可靠性高，对采样率要求较低，因此在满足线路的后备保护需求的同时，能够保证快速判别故障，提高速断保护的可靠性；且只有在满足保护启动条件的情况下才继续进行故障选区和选极的操作，减少非必要的计算量，节约计算成本。

进一步地，所述保护启动判据为：设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值均大于设定的保护启动门槛值。

上述技术方案的有益效果为：根据故障发生时的柔性直流输电线路设定时域内的线路两端的电流故障分量特征，能够准确识别电路是否触发保护，以进行后续的保护选区操作进行故障定位。

进一步地，所述设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值的计算方式为：

式中，cosθ_M和cosθ_N分别为输电线路M、N两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，N_T表示设定时域内的采样点数，△u_M(i)、△u_N(i)、△i_M(i)、△i_N(i)分别为在第i个采样时刻下的输电线路两端电压分量故障和电流故障分量；其中：

式中，u_M(i)、u_N(i)、i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻下的电压与电流值；u_M(i-m)、u_N(i-m)、i_M(i-m)和i_N(i-m)分别为输电线路M、N两端在第(i-m)个采样时刻下的电压与电流值。

进一步地，设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值的计算方式为：

式中，i_Mop(t)和i_Nop(t)分别为输电线路M、N两端t时刻的前n个采样时刻的电流故障分量的平均值，T_s为采样周期，△i_M和△i_N分别为输电线路两端电流故障分量，其中：

△i_M(i)＝i_M(i)-i_M(0)

△i_N(i)＝i_N(i)-i_N(0)

式中：i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻的电流值，i_M(0)和i_N(0)分别为输电线路M、N两端在稳态运行时的电流。

进一步地，所述保护选区门槛值按照躲过区内弱故障情况下线路两端电压合电流夹角的余弦值的最大值整定。

上述技术方案的有益效果为：能够保证选区的准确性，避免选区误识别。

进一步地，所述保护启动门槛值按照躲过区内高阻接地故障时系统及两侧电容放电产生的最大电流故障分量整定。

上述技术方案的有益效果为：能够满足保护的选择性，避免将输电线路电流的正常波动误识别为故障电流。

本发明还提供了一种柔性直流输电线路保护选区系统，包括采集器、存储器和处理器；所述采集器用于获取输电线路两端的电流和电压信号，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序，以实现如上述的柔性直流输电线路保护选区方法。该选区系统能够实现与上述的柔性直流输电线路保护选区方法相同的有益效果。

本发明还提供了一种柔性直流输电线路纵差保护方法，步骤如下：

实时获取输电线路两端的电流信号，结合稳态时刻输电线路的电流信号分别计算出输电线路两端的电流故障分量；判断所述输电线路两端的电流故障分量是否满足保护启动判据；

若输电线路的电流故障分量满足保护启动判据，则实时获取输电线路两端的电压信号，结合稳态时刻输电线路的电压信号分别得到输电线路两端的电压故障分量；

根据输电线路两端的电压故障分量，计算出设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，判断所述输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值大小是否满足保护选区判据；若满足，则判定故障发生在该输电线路区内；否则，判定故障发生在该输电线路区外；

所述保护选区判据为：设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值均小于设定的保护选区门槛值；

若判定故障发生在该输电线路区内，则根据输电线路的共模电流和线模电流故障分量判断所述输电线路的故障级，并根据判断出的故障级进行相应的保护。

上述技术方案的有益效果为：利用故障发生时故障与非故障状态下直流线路两端的电压、电流故障分量夹角余弦值的不同特征，设置柔性直流输电线路的故障区识别判据，由于夹角余弦值计算简单，便于整定且可靠性高，对采样率要求较低，因此在满足线路的后备保护需求的同时，能够保证快速判别故障，提高速断保护的可靠性；通过选区和选极方式的结合能够精准快速地判断和定位故障，提高线路速断保护效率；且只有在满足保护启动条件的情况下才继续进行故障选区和选极的操作，减少非必要的计算量，节约计算成本。

进一步地，所述根据输电线路的共模电流和线模电流故障分量判断所述输电线路的故障级的具体方式为：

计算在设定时间窗内所述输电线路的共模电流故障分量和线模电流故障分量的时域能量值；根据输电线路的共模电流故障分量和线模电流故障分量的时域能量值，判断输电线路的故障级：

若共模电流故障分量为负且对应的时域能量值为小于第一设定阈值时，判定线路负极发生单极故障；若共模电流故障分量的时域能量值大于第二设定阈值时，判定线路正极发生单极故障；若共模电流故障分量的时域能量值小于等于第二设定阈值、大于等于第一设定阈值且线模电流故障分量的时域能量值大于第三设定阈值时，判定线路发生双极短路故障；其中，第一设定阈值小于0，第二设定阈值与第三设定阈值大于0。

上述技术方案的有益效果为：根据直流输电线路发生正/负极单极接地故障与极间故障的情况下零模、极模电流故障分量的特征，确定故障极判断条件，因此能够更准确地识别出故障极，从而将故障极与健全极区分开，避免健全极速断保护误动，提高保护可靠性。

本发明还提供了一种柔性直流输电线路纵差保护系统，包括采集器、存储器和处理器；所述采集器用于获取输电线路两端的电流和电压信号，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序，以实现如上述的柔性直流输电线路纵差保护方法。该纵差保护系统能够实现与上述的柔性直流输电线路纵差保护方法相同的有益效果。

附图说明

图1为本发明柔性直流输电线路保护选区方法实施例中选区方法的流程框图；

图2为本发明柔性直流输电线路纵差保护方法实施例中纵差保护方法的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

柔性直流输电线路保护选区方法实施例：

本实施例提供了一种柔性直流输电线路保护选区方法，参照图1，步骤如下：

1)实时获取输电线路两端的电流信号，结合稳态时刻输电线路的电流信号分别计算出输电线路两端的电流故障分量；判断所述输电线路两端的电流故障分量是否满足保护启动判据；

2)若输电线路的电流故障分量满足保护启动判据，则实时获取输电线路两端的电压信号，结合稳态时刻输电线路的电压信号分别得到输电线路两端的电压故障分量；

其中，保护启动判据具体为：设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值均大于设定的保护启动门槛值。

设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值的计算方式为：

式中，i_Mop(t)和i_Nop(t)分别为输电线路M、N两端t时刻的前n个采样时刻的电流故障分量的平均值，T_s为采样周期，△i_M和△i_N分别为输电线路两端电流故障分量；本实施例中，n的取值为10，也即取输电线路M、N两端t时刻的前10个采样时刻对应电流故障分量的采样点来计算平均值。

其中：

△i_M(i)＝i_M(i)-i_M(0)

△i_N(i)＝i_N(i)-i_N(0)

式中：i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻的电流值，i_M(0)和i_N(0)分别为输电线路M、N两端在稳态运行时的电流。

以正极线路为例，保护故障判据为

式中，i_Mop和i_Nop分别表示输电线路M、N两端的电流故障分量的平均值，△1为启动判据门槛值，为满足保护的选择性，保护启动门槛值按照躲过区内高阻接地故障时系统及两侧电容放电产生的最大电流故障分量△i_max整定；在其他实施例中，i_Mop和i_Nop也可以对应不同的保护启动门槛值，具体可以根据实际工况进行设置。在此基础上，将△i_max乘以第一可靠系数K₁(如柔性直流工程A将第一可靠系数取为1.5)，一般△i_max按0.1倍的额定电流整定即可保证足够的灵敏度，由此，整定值△1设置为0.15pu，其中pu指的是正常无故障的情况下对应的该柔性直流输电线路的额定电流值。

3)根据输电线路两端的电压故障分量，计算出设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，判断所述输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值大小是否满足保护选区判据；若满足则判定故障发生在该输电线路区内；否则，判定故障发生在该输电线路区外；

其中，保护选区判据为：设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值均小于设定的保护选区门槛值。

由于高阻故障情况下，故障的严重程度降低，故障电流上升较慢且幅值较小，保护系统对故障清除时间的要求较主保护宽松，后备保护可以采用纵联方案(即纵联差动保护)，利用线路两端的信息实现故障判别。同时，后备保护仍需要具备较快的动作速度，以保证直流线路发生故障后线路后备保护能够先于交流侧保护动作，后备保护的动作时间以小于20-30ms为宜。因此，本实施例中的后备保护仍选择利用故障后暂态过程的特征实现故障判别：

假设有2个二维向量分别为a(x₁，x₂)和b(y₁，y₂)，那么它们之间的夹角余弦值为

由上式可推出，针对2个n维向量a(x₁,x₂,…,x_n)和b(y₁,y₂,…,y_n)，则它们之间的夹角余弦值为

其中，cosθ在区间[-1,1]内，2个向量夹角越小cosθ的值越大，当2个向量同向时，cosθ＝1；2个向量夹角越大cosθ的值越小，当2个向量反向时，cosθ＝-1；根据对夹角余弦值并结合对电压、电流故障分量方向特性分析可知，线路两侧保护的电压、电流故障分量在发生区内故障时反向，夹角较大，cosθ∈[-1，0]；但是在发生区外故障时，线路中有一侧保护的电压、电流故障分量同向，夹角较小，cosθ∈(0，+1]。

本实施例经过上述研究发现，当换流站发生故障后，电气量即刻开始发生改变，线路两侧保护的电压、电流故障分量在发生区内故障时反向，夹角较大；但是在发生区外故障时，线路中有一侧保护的电压、电流故障分量同向，夹角较小，因此可以通过电压故障分量与电流故障分量之间的方向差异进行区内、区外故障的区分；基于此特征，本实施例通过定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值来进行柔性直流输电线路的保护选区；

具体地，设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值的计算方式为：

式中，cosθ_M和cosθ_N分别为输电线路M、N两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，N_T表示设定时域内的采样点数，△u_M(i)、△u_N(i)、△i_M(i)和△i_N(i)分别为在第i个采样时刻下的输电线路两端电压分量故障和电流故障分量；为了保证保护动作可靠性，取5ms内时间窗，N_T的取值为100；其中：

式中，u_M(i)、u_N(i)、i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻下的电压与电流值；u_M(i-m)、u_N(i-m)、i_M(i-m)和i_N(i-m)分别为输电线路M、N两端在第(i-m)个采样时刻下的电压与电流值。本实施例中，m的取值为100，即取M、N两端当前采样点之前第100个采样时刻对应的点的电压与电流值用于计算输电线路两端电压分量故障和电流故障分量。

cosθ_M和cosθ_N需要同时满足如下保护选区判据：

cosθ_M<△₂

cosθ_N<△₂

△₂为保护选区门槛值，该保护选区门槛值应取略小于0的值，按照躲过区内弱故障情况下线路两端电压合电流夹角的余弦值的最大值整定；在柔性直流工程A中，区内弱故障情况下线路两端电压、电流夹角余弦值最大的情况是在单极-金属回线以10％小功率运行状态时，线路首端发生金属性接地故障对应的情况，线路两端电压、电流夹角余弦值的最大值为-0.3197，在此基础上乘以第二可靠系数K₂(本实施例中取为1.1)，故障位置识别算法门槛值(即柔性直流工程A的保护选区门槛值)设定为-0.3。在其他实施例中，cosθ_M和cosθ_N也可以对应不同的保护选区门槛值，具体可以根据实际工况进行设置；若保护选区判据满足，则判定故障发生在线路区内；否则，判定故障发生在线路区外。本实施例中，弱故障为高阻接地故障，在其他实施例中，也可以采用其他故障作为弱故障。

柔性直流输电线路保护选区系统实施例：

本实施例提供了一种柔性直流输电线路保护选区系统的技术方案，该系统包括采集器、存储器和处理器；其中采集器用于获取输电线路两端的电流和电压信号，存储器上存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序，以实现如上述柔性直流输电线路保护选区方法实施例中的选区方法。

由于本实施例的柔性直流输电线路保护选区系统的具体原理及运行方式已经在上述的柔性直流输电线路保护选区方法实施例中进行了充分说明，此处不再赘述。

柔性直流输电线路纵差保护方法实施例：

本实施例提供了一种柔性直流输电线路纵差保护方法的技术方案，参照图2，步骤如下：

1)实时获取输电线路两端的电流信号，结合稳态时刻输电线路的电流信号分别计算出输电线路两端的电流故障分量；判断所述输电线路两端的电流故障分量是否满足保护启动判据；

2)若输电线路的电流故障分量满足保护启动判据，则实时获取输电线路两端的电压信号，结合稳态时刻输电线路的电压信号分别得到输电线路两端的电压故障分量；

设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值的计算方式为：

式中，i_Mop(t)和i_Nop(t)分别为输电线路M、N两端t时刻的前n个采样时刻的电流故障分量的平均值，T_s为采样周期，△i_M和△i_N分别为输电线路两端电流故障分量；本实施例中，n的取值为10，也即取输电线路M、N两端t时刻的前10个采样时刻对应电流故障分量的采样点来计算平均值。

其中：

△i_M(i)＝i_M(i)-i_M(0)

△i_N(i)＝i_N(i)-i_N(0)

式中：i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻的电流值，i_M(0)和i_N(0)分别为输电线路M、N两端在稳态运行时的电流。

以正极线路为例，保护故障判据为

式中，i_Mop和i_Nop分别表示输电线路M、N两端的电流故障分量的平均值，△1为启动判据门槛值，为满足保护的选择性，保护启动门槛值按照躲过区内高阻接地故障时系统及两侧电容放电产生的最大电流故障分量△i_max整定；在其他实施例中，i_Mop和i_Nop也可以对应不同的保护启动门槛值，具体可以根据实际工况进行设置。在此基础上，将△i_max乘以第一可靠系数K₁(如柔性直流工程A将第一可靠系数取为1.5)，一般△i_max按0.1倍的额定电流整定即可保证足够的灵敏度，由此，整定值△1设置为0.15pu，其中pu指的是正常无故障的情况下对应的该柔性直流输电线路的额定电流值。

3)根据输电线路两端的电压故障分量，计算出设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，判断所述输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值大小是否满足保护选区判据；若满足则判定故障发生在该输电线路区内；否则，判定故障发生在该输电线路区外；

保护选区判据为：设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值均小于设定的保护选区门槛值；

本实施例经过研究发现，当换流站发生故障后，电气量即刻开始发生改变，线路两侧保护的电压、电流故障分量在发生区内故障时反向，夹角较大；但是在发生区外故障时，线路中有一侧保护的电压、电流故障分量同向，夹角较小，因此可以通过电压故障分量与电流故障分量之间的方向差异进行区内、区外故障的区分；基于此特征，本实施例通过定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值来进行柔性直流输电线路的保护选区；

具体地，设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值的计算方式为：

式中，cosθ_M和cosθ_N分别为输电线路M、N两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，N_T表示设定时域内的采样点数，△u_M(i)、△u_N(i)、△i_M(i)和△i_N(i)分别为在第i个采样时刻下的输电线路两端电压分量故障和电流故障分量；为了保证保护动作可靠性，取5ms内时间窗，N_T的取值为100；其中：

式中，u_M(i)、u_N(i)、i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻下的电压与电流值；u_M(i-m)、u_N(i-m)、i_M(i-m)和i_N(i-m)分别为输电线路M、N两端在第(i-m)个采样时刻下的电压与电流值。本实施例中，m的取值为100，即取M、N两端当前采样点之前第100个采样时刻对应的点的电压与电流值用于计算输电线路两端电压分量故障和电流故障分量。

cosθ_M和cosθ_N需要同时满足如下保护选区判据：

cosθ_M<△₂

cosθ_N<△₂

△₂为保护选区门槛值，该保护选区门槛值应取略小于0的值，按照躲过区内弱故障情况下线路两端电压合电流夹角的余弦值的最大值整定；在柔性直流工程A中，区内弱故障情况下线路两端电压、电流夹角余弦值最大的情况是在单极-金属回线以10％小功率运行状态时，线路首端发生金属性接地故障对应的情况，线路两端电压、电流夹角余弦值的最大值为-0.3197，在此基础上乘以第二可靠系数K₂(本实施例中取为1.1)，故障位置识别算法门槛值(即柔性直流工程A的保护选区门槛值)设定为-0.3。在其他实施例中，cosθ_M和cosθ_N也可以对应不同的保护选区门槛值，具体可以根据实际工况进行设置；若保护选区判据满足，则判定故障发生在线路区内；否则，判定故障发生在线路区外。本实施例中，弱故障指的是高阻接地故障，在其他实施例中，也可以采用其他故障作为弱故障。

4)若判定故障发生在该输电线路区内，则根据输电线路的共模电流和线模电流故障分量判断所述输电线路的故障级，并根据判断出的故障级进行相应的保护。

根据输电线路的共模电流和线模电流故障分量判断所述输电线路的故障级的具体方式为：

获取在设定时间窗内输电线路的共模电流故障分量和线模电流故障分量的时域能量值；根据输电线路的共模电流故障分量和线模电流故障分量的时域能量值，判断输电线路的故障级：

若共模电流故障分量为负且对应的时域能量值为小于第一设定阈值时，判定线路负极发生单极故障；若共模电流故障分量的时域能量值大于第二设定阈值时，判定线路正极发生单极故障；若共模电流故障分量的时域能量值小于等于第二设定阈值、大于等于第一设定阈值且线模电流故障分量的时域能量值大于第三设定阈值时，判定线路发生双极短路故障；其中，第一设定阈值小于0，第二设定阈值与第三设定阈值大于0。

由柔性直流输电线路的正、负极故障电流分量，分别计算共模电流、线模电流故障分量△i₀(k)、△i₁(k)：

式中：△i_P(k)、△i_N(k)为当前时刻采集的输电线路正、负极电流离散信号；下标0表示共模、下标1表示极模。

若保护启动判据满足后，在设定的时间窗内，计算共模电流、线模电流故障分量的时域能量值E₀、E₁。

式中：k_s为保护启动判据启动时刻采样点，N为积分窗长内采样点数，△T为执行周期；△T为50us，设定时间窗为3ms，N取60。

若满足：E₀<-△₃，则发生负极线路接地故障；

若满足：E₀＞△₄，则发生正极线路接地故障；

若满足：-△₃≤E₀≤△₄且E₁＞△₅，则发生双极短路故障。

式中：△₃、△₄分别为第一、第二设定阈值。为满足保护的可靠性，△₃应按照本极区内故障情况下电流共模分量积分值的最小值进行整定，门槛值△₄应按照极间故障情况下电流线模分量积分值的最小值进行整定。本实施例中，第一设定阈值与第二设定阈值的绝对值相同，在其他实施例中，第一设定阈值与第二设定阈值的绝对值也可以取不同的值。

以柔性直流工程A为例，经过仿真验证：

发生区内本极故障时的电压共模分量积分值最小值的情况是在双极-金属回线以额定功率运行状态时，线路末端发生经500Ω过渡电阻接地故障；此时电压共模分量积分值的最小值为6.95，在此基础上乘以第三可靠系数K₃(取为0.8)，△₃、△₄取5.5。发生区内本极故障时的电压线模分量积分值最小值的情况是在双极-金属回线以额定功率运行状态时，线路末端发生经500Ω过渡电阻接地故障；此时电压线模分量积分值的最小值为125.6，在此基础上乘以第四可靠系数K₄(取为0.8)，△₅取100。

柔性直流输电线路纵差保护系统实施例：

本实施例提供了一种柔性直流输电线路纵差保护系统的技术方案，该系统包括采集器、存储器和处理器；其中采集器用于获取输电线路两端的电流和电压信号，存储器上存储有计算机程序，处理器用于执行该计算机程序，以实现如上述柔性直流输电线路纵差保护方法实施例中的纵差保护方法。

由于本实施例的柔性直流输电线路纵差保护系统的具体原理及运行方式已经在上述的柔性直流输电线路纵差保护方法实施例中进行了充分说明，此处不再赘述。

本发明具有以下特点：

1)利用故障发生时故障与非故障状态下直流线路两端的电压、电流故障分量夹角余弦值的不同特征，设置柔性直流输电线路的故障区识别判据，由于夹角余弦值计算简单，便于整定且可靠性高，对采样率要求较低，因此在满足线路的后备保护需求的同时，能够保证快速判别故障，提高速断保护的可靠性。

2)根据故障发生时的柔性直流输电线路设定时域内的线路两端的电流故障分量特征，准确识别电路是否触发保护，且只有在满足保护启动条件的情况下才继续进行故障选区和选极的操作，减少非必要的计算量，节约计算成本。

3)根据直流输电线路发生正/负极单极接地故障与极间故障的情况下零模、极模电流故障分量的特征，确定故障极判断条件，因此能够更准确地识别出故障极，从而将故障极与健全极区分开，避免健全极速断保护误动，提高保护可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细地说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电线路保护选区方法，其特征在于，步骤如下：

实时获取输电线路两端的电流信号，结合稳态时刻输电线路的电流信号分别计算出输电线路两端的电流故障分量；判断所述输电线路两端的电流故障分量是否满足保护启动判据；

若输电线路的电流故障分量满足保护启动判据，则实时获取输电线路两端的电压信号，结合稳态时刻输电线路的电压信号分别得到输电线路两端的电压故障分量；

根据输电线路两端的电压故障分量，计算出设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，判断所述输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值大小是否满足保护选区判据；若满足，则判定故障发生在该输电线路区内；否则，判定故障发生在该输电线路区外；

所述保护选区判据为：设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值均小于设定的保护选区门槛值。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路保护选区方法，其特征在于，所述保护启动判据为：设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值均大于设定的保护启动门槛值。

3.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路保护选区方法，其特征在于，所述设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值的计算方式为：

式中，cosθ_M和cosθ_N分别为输电线路M、N两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，N_T表示设定时域内的采样点数，△u_M(i)、△u_N(i)、△i_M(i)、△i_N(i)分别为在第i个采样时刻下的输电线路两端电压分量故障和电流故障分量；其中：

式中，u_M(i)、u_N(i)、i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻下的电压与电流值；u_M(i-m)、u_N(i-m)、i_M(i-m)和i_N(i-m)分别为输电线路M、N两端在第(i-m)个采样时刻下的电压与电流值。

4.根据权利要求2所述的柔性直流输电线路保护选区方法，其特征在于，所述设定时域内输电线路两端的电流故障分量的平均值的计算方式为：

式中，i_Mop(t)和i_Nop(t)分别为输电线路M、N两端t时刻的前n个采样时刻的电流故障分量的平均值，T_s为采样周期，△i_M和△i_N分别为输电线路两端电流故障分量，其中：

△i_M(i)＝i_M(i)-i_M(0)

△i_N(i)＝i_N(i)-i_N(0)

式中：i_M(i)和i_N(i)分别为输电线路M、N两端在第i个采样时刻的电流值，i_M(0)和i_N(0)分别为输电线路M、N两端在稳态运行时的电流。

5.根据权利要求1所述的柔性直流输电线路保护选区方法，其特征在于，所述保护选区门槛值按照躲过区内弱故障情况下线路两端电压合电流夹角的余弦值的最大值整定。

6.根据权利要求2所述的柔性直流输电线路保护选区方法，其特征在于，所述保护启动门槛值按照躲过区内高阻接地故障时系统及两侧电容放电产生的最大电流故障分量整定。

7.一种柔性直流输电线路保护选区系统，其特征在于，包括采集器、存储器和处理器；所述采集器用于获取输电线路两端的电流和电压信号，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序，以实现如权利要求1-6任一项所述的柔性直流输电线路保护选区方法。

8.一种柔性直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，步骤如下：

实时获取输电线路两端的电流信号，结合稳态时刻输电线路的电流信号分别计算出输电线路两端的电流故障分量；判断所述输电线路两端的电流故障分量是否满足保护启动判据；

若输电线路的电流故障分量满足保护启动判据，则实时获取输电线路两端的电压信号，结合稳态时刻输电线路的电压信号分别得到输电线路两端的电压故障分量；

根据输电线路两端的电压故障分量，计算出设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值，判断所述输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值大小是否满足保护选区判据；若满足，则判定故障发生在该输电线路区内；否则，判定故障发生在该输电线路区外；

所述保护选区判据为：设定时域内输电线路两端的电压故障分量与电流故障分量的夹角余弦值均小于设定的保护选区门槛值；

若判定故障发生在该输电线路区内，则根据输电线路的共模电流和线模电流故障分量判断所述输电线路的故障级，并根据判断出的故障级进行相应的保护。

9.根据权利要求8所述的柔性直流输电线路纵差保护方法，其特征在于，所述根据输电线路的共模电流和线模电流故障分量判断所述输电线路的故障级的具体方式为：

计算在设定时间窗内所述输电线路的共模电流故障分量和线模电流故障分量的时域能量值；根据输电线路的共模电流故障分量和线模电流故障分量的时域能量值，判断输电线路的故障级：

若共模电流故障分量为负且对应的时域能量值为小于第一设定阈值时，判定线路负极发生单极故障；若共模电流故障分量的时域能量值大于第二设定阈值时，判定线路正极发生单极故障；若共模电流故障分量的时域能量值小于等于第二设定阈值、大于等于第一设定阈值且线模电流故障分量的时域能量值大于第三设定阈值时，判定线路发生双极短路故障；其中，第一设定阈值小于0，第二设定阈值与第三设定阈值大于0。

10.一种柔性直流输电线路纵差保护系统，其特征在于，包括采集器、存储器和处理器；所述采集器用于获取输电线路两端的电流和电压信号，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序，以实现如权利要求8-9任一项所述的柔性直流输电线路纵差保护方法。

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