本發明涉及電力系統繼電保護領域，尤其涉及一種柔性直流線路測距式保護方法。

背景技術：

隨著電壓源換流器(voltage sourced converter，VSC)的發展以及電源和負荷中電流變換中直流環節的增加，柔性直流系統由于其具有控制靈活、便于接納分布式電源與直流負荷、供電容量大、電能質量好等優點已引起國內外廣泛關注。然而缺乏成熟的直流線路保護技術是柔性直流系統面臨的主要挑戰之一。柔性直流系統線路保護的難點在于既要在短時間內快速識別直流故障以防止設備損壞，又要準確選擇故障線路以減少停電范圍。

電流差動保護和方向縱聯保護可較好的滿足選擇性，但依賴于通信，當通信故障時將無法實現保護功能。一些研究利用R-L模型算法構成柔性直流線路保護，但將R-L模型算法用于柔性直流系統存在一定的局限性：傳統變量獲取方法存在較大誤差并無法補償。這一局限性有時可能導致基于R-L模型算法的柔性直流線路保護誤動。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種柔性直流線路測距式保護方法，增強了保護的可靠性。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種柔性直流線路測距式保護方法，包括：

在柔性直流線路需保護端安裝第一電壓互感器和電流互感器來測量線路的電壓和電流，并在需保護端的限流電抗器處增設了第二電壓互感器來測量限流電抗器兩端的壓降；

當發生故障時，根據限流電抗器兩端的壓降來計算故障電流的導數，并結合第一電壓互感器和電流互感器測量到的電壓和電流，來計算故障距離；

判斷故障距離是否收斂，若是，則確定最終的故障距離，并與預設的定值比較，再根據比較結果，判斷是否進行保護。

根據限流電抗器的壓降來計算故障電流導數的公式為：

其中，u_L(t)為限流電抗器兩端的壓降，L_limit為限流電抗器的電感值。

結合第一電壓互感器和電流互感器測量到的電壓和電流，來計算故障距離的公式為：

其中，x為需保護端至故障點的故障距離，R和L分別為柔性直流線路中單位長度的電阻和電感；u(t)、i(t)分別為第一電壓互感器和電流互感器測量到的電壓、電流的瞬時值。

所述判斷故障距離是否收斂，若是，則確定最終的故障距離包括：

判斷N毫秒數據短窗內測距結果之間的相對誤差連續小于S％，若是則認為收斂，用N毫秒數據短窗內測距結果的平均值作為最終的故障距離。

所述與預設的定值比較，再根據比較結果，判斷是否進行保護包括：

將最終的故障距離x_out與預設的定值x_set比較，若滿足下式，則保護出口跳閘：

x_out≤x_set。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，采用新型電流微分項獲取方法和算式結構，提高了保護的精度和抗噪能力，增強了保護的可靠性；大量仿真結果表明，本發明效果良好。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發明實施例提供的柔性直流線路測距式保護方法的流程圖；

圖2為本發明實施例提供的實施柔性直流線路測距式保護的系統簡化示意圖；

圖3為本發明實施例提供的柔性直流線路測距式保護方法與傳統R-L模型方法的測距誤差的對比示意圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

本發明實施例提供一種柔性直流線路測距式保護方法，如圖1所示，其主要包括如下步驟：

步驟11、在柔性直流線路需保護端安裝第一電壓互感器和電流互感器來測量線路的電壓和電流，并在需保護端的限流電抗器處增設了第二電壓互感器來測量限流電抗器兩端的壓降。

如圖2所示，一個雙端柔性直流系統，直流線路分為兩段。假設左側的M端為需保護端，則安裝第一電壓互感器TV1和電流互感器TA測量線路電壓和線路電流，另外還在限流電抗器上并聯第二電壓互感器TV2，以測量限流電抗器上的壓降。

步驟12、當發生故障時，根據限流電抗器兩端的壓降來計算故障電流的導數，并結合第一電壓互感器和電流互感器測量到的電壓和電流，來計算故障距離；

在金屬性故障時，對于一個時刻列寫線路微分方程，利用TV2測量的限流電抗器壓降表示故障電流的導數，可將微分方程變為代數方程，消除了傳統的電流微分獲取方法所引起的誤差，表達式如下：

其中，u_L(t)為限流電抗器兩端的壓降，L_limit為限流電抗器的電感值。

每個采樣時刻都可計算獲得一個故障距離值；

其中，x為需保護端至故障點的故障距離，R和L分別為柔性直流線路中單位長度的電阻和電感；u(t)、i(t)分別為第一電壓互感器和電流互感器測量到的電壓、電流的瞬時值。

本發明實施例中，提出的上述獲取電流微分項的方法，可提高保護的精度。傳統的電流微分獲取方法是用兩點采樣值的差分代替中點時刻的微分，平均值代替中點時刻的瞬時值。傳統方法會造成誤差，對于純正弦信號，這一誤差可通過乘以一個常系數進行無差修正。但柔性直流系統的故障電流并非只含有正弦量，而是包含衰減振蕩分量、衰減直流分量、直流分量以及諧波分量，且在不同階段含有不同分量，各分量所占比例與故障情況有關，因此很難對替代誤差進行修正。

步驟13、判斷故障距離是否收斂，若是，則確定最終的故障距離，并與預設的定值比較，再根據比較結果，判斷是否進行保護。

由于線路分布式電容的存在，故障初期暫態過程明顯，測距值可能與真實值存在一定偏差。隨著分布電容暫態影響的減弱，這一偏差逐步收斂。因此有必要設置測距值收斂判據。

本發明實施例中，判斷N毫秒數據短窗內測距結果之間的相對誤差連續小于S％，若是則認為收斂，用N毫秒數據短窗內測距結果的平均值作為最終的故障距離。

再將最終的故障距離x_out與預設的定值x_set比較，若滿足下式，則保護出口跳閘：

x_out≤x_set。

示例性的，可以設置一個3ms的數據短窗判斷測距值是否收斂。當短窗內測距結果之間的相對誤差連續小于1％，則認為測距結果已經收斂，用短窗內測距結果的平均值作為最終測距結果。如最終測距結果小于等于所保護線路全長的95％，則保護出口。

本發明實施例上述方案，采用新型電流微分項獲取方法和算式結構，提高了保護的精度和抗噪能力，增強了保護的可靠性；大量仿真結果表明，本發明效果良好。

下面給出本發明在PSCAD/EMTDC上的測試結果。搭建如圖2所示的柔性直流系統，交流側額定電壓10kV，短路容量350MVA，換流電抗器等值電感10mH，換流器容量7MVA，額定電流350A；直流系統額定電壓±10kV，直流電容器等值電容100μF，接地電阻500Ω，直流限流電抗器等值電感5mH。負荷等值電阻57Ω。兩段直流電纜長度都為10km，為模擬實際的暫態過程，直流電纜每0.5km采用一個π型等值，直流電纜參數為：自電阻0.125Ω/km，自感0.586mH/km，互感0.256mH/km，單極對地電容0.350μF/km，極間電容0.039μF/km。

為說明本發明與現有技術相比的優越性，將所提保護方法與傳統R-L模型方法比較。傳統R-L模型方法是利用2個不同時刻列寫的微分方程組聯立求解故障距離，其電流微分項獲取方法為用兩點采樣值的差分代替中點時刻的微分，平均值代替中點時刻的瞬時值。圖3顯示了在線路末端故障時，所提保護方法與傳統R-L模型方法的測距誤差的對比。傳統R-L模型算法的測距誤差可達20％以上，而且其數值穩定性較差，不時出現誤差超過50％的情況。所提保護方法的測距誤差很快收斂到1％以內，數值穩定性較好。

表1列出了在不同故障位置和噪聲情況下，本發明的保護方法的測試結果。所提保護在各種故障場景下均動作正確，動作時間在20ms以內；對于近端故障，保護動作時間為8ms；在40dB白噪聲情況下保護的測距誤差仍可保持在1％以內。

表1不同故障條件下所提保護方法測試結果

注：Top代表保護動作時間；Err代表測距相對誤差；“—”表示不滿足跳閘判據。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。