CN104979807A - 一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，包括：a、采集被保护区域高压直流输电线路的实际状况，根据电流差动保护的原理，结合采集得到的高压直流输电线路的实际状况，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算方法，对电流差动情况进行计算；b、将电流差动计算结果与预先设定的扰动数值的比较，构造合理的保护整定与动作延时方案。本发明所述高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，可以克服现有技术中故障率高、安全性差和维护难度大等缺陷，以实现故障率低、安全性好和维护难度小的优点。

Description

一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法

技术领域

本发明涉及电力***高压直流输电线路继电保护的技术领域，具体地，涉及一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法。

背景技术

众所周知，随着我国科学技术的发展，超高压、特高压直流输电***在我国得到了广泛的运用，现已建成、正在筹建多条±800kV特高压直流输电线路，为我国未来电能输送将发挥无可替代的巨大贡献。为了确保上述线路安全稳定地发挥效能，必然需要相应可靠的继电保护来保驾护航。

由于历史缘故，受技术、工艺等因素的制约，不像交流输电那样控制与保护彼此分开、相互独立的特点，即直流***的相关故障有时不得不通过潮流控制消除。正是由于其特殊的运行机理和控制方式，造成了相关的运行事故。根据我国已投运的直流输电***所配备的继电保护主要来源于ABB公司和SIEMENS公司的事实，因此在此所涉及传统的继电保护主要包括以行波保护、微分欠压保护等构成的主保护和以电流差动保护、低电压保护等构成的后备保护，由此形成直流输电线路相对完整的继电保护体系。

行波保护的特点在于有效地利用了故障发生时从故障点向外侧传播的暂态故障行波，达到鉴别故障性质的目的。各公司在利用行波的特性时所反映的状态将有所不同，因此在动作时间、抗干扰能力和耐故障电阻等方面也体现出微量的差异。但是行波保护的最大缺陷是可靠性较差，容易受到外界电磁干扰的影响，特别是雷电等干扰因素的影响，往往会引导发生保护误动；其次，也体现出行波保护在耐故障电阻、故障分辨灵敏度以及保护整定等方面存在着不可克服的原理性缺陷；最后，它对数据的采集速率和测量精度都提出了较高的技术要求。

微分欠压保护的特点在于如何获得电压的微分计算结果以及实际幅值的变化定量确定保护的动作情况，它既是直流输电线路的主保护，又承担行波保护的后备保护作用。它的动作速度略微迟于行波保护，特别作为微分欠压保护，可以在行波保护退出、电压变化率不足以启动保护时发挥相关作用。但是耐故障电阻能力低、故障甄别灵敏度差和缺乏必要理论支持是它的主要弱点。

低压保护的特点在于对运行电压幅值状态进行检测以确定保护动作，它的实际使用率不高且理论研究也相对不足。低压保护主要包括线路和极控两种，前者的整定值相对较高，它动作后将启动线路重启程序，而后者则动作后将闭锁故障极，因此已经超出线路保护的范畴。它应该在行波保护、微分欠压保护未动并且电流差动保护来不及动作的情况下发挥其保护功能。但是它的主要问题在于整定缺乏依据、没有方向识别功能及动作速度仍较慢等。

传统电流差动保护的特点在于无论直流线路的拓扑结构如何，都能确保其具有绝对的故障甄别选择性。但是在该算法中没有考虑超长距离线路分布电容以及潮流控制所呈高频谐波的影响，也缺乏交流差动保护所设制动量的平衡，因此只能通过调高动作门槛或者增加等待延时等待两种方法确保相关保护的可靠性。通过调高动作门槛可以避免相关干扰所带来的影响，但是同时也降低了故障甄别的灵敏度。通过增加等待延时可以获得干扰衰减后灵敏甄别故障的效果，但是保护的速度将明显降低。实际动作速度较交流差动保护要慢许多，根据分析等待延时需达到秒级。由于在直流输电的调控过程中，电力电子控制的反应速度相对更快，因此多次引发极控低压保护及最大触发角保护的动作，造成闭锁故障极，线路因此被迫停运这样的运维事故；同时，该差动保护几乎不能甄别高阻故障。

除了上述诸项保护之外，还根据在交流***中成熟的实践经验相应提出了的若干种其它的保护方案，如电流横差保护和线路距离保护，以及根据在直流输电中所呈现功率倒向现象、方向元件适用性等方面广泛获得的研究成果。由于上述保护也都存在原理性的局限性，因此只能作为后备保护或者某项保护的辅助功能项。

为什么在如何之多继电保护配置的基础上，直流输电线路仍然不能消除运行事故的隐患呢？除了上述各种保护原理其自身所存在的技术缺陷外，直流输电***的复杂性也使得任何保护方案都无法能够全面适应所面临的各种复杂运行环境，因此必然会出现这样或者那样的短缺。传统的继电保护往往缺乏严密的定性分析结论和可信的定量估测结果，因此不得不依靠基于理想模型的分析结论，通过实验仿真验证去实际调整保护的整定，没有明确的分辨界限和甄别裕度，同时分析的目标过于单调，缺乏关联性和对比性，一旦其中任何一个电气信号的测量状态发生变化都会严重扭曲保护的整体性能，因此继电保护—特别在直流输电中—延时就成为一种不可缺少的补偿手段。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在故障率高、安全性差和维护难度大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，以实现故障率低、安全性好和维护难度小的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，包括：

a、采集被保护区域高压直流输电线路的实际状况，根据电流差动保护的原理，结合采集得到的高压直流输电线路的实际状况，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算方法，对电流差动情况进行计算；

b、将电流差动计算结果与预先设定的扰动数值的比较，构造合理的保护整定与动作延时方案。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

根据交流输电线路已经确立的等效物理原理，结合高压直流输电线路的实际运行特点，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算形式；

在高压直流输电***及其相关设备发生故障或出现扰动时，根据线性迭代电气网络的特点，直流线路各端电流和将根据在线路上所反映直流分量以及各次谐波分量的情况呈现状态明显的等效转换及线性迭代关系，得到比较明确的判别结论即不同形式的保护判据并且用于甄别相关类型的故障。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

b1、通过***分析电流差动计算结果与预先设定的扰动数值的差值，确定增加积分/累计和的电流差动保护时域计算形式，与原有的直流输电线路电流差动保护及其它继电保护构成互补、综合性的保护配置，构建以下判据：

|f(Δi_m(t)+Δi_n(t))|＞I_set；

上式中，根据说明书附图1所示，Δi_m(t)表示为线路m侧在t时刻测量得到的故障分量电流数据，Δi_n(t)表示为线路n侧在t时刻测量得到的故障分量电流数据，f()表示为根据不同的保护需要所进行的不同实现长度数字积分/累计和算法，I_set表示线路电流互感器二次侧测量在正常/一般的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；

b2、当保护启动之后，上述判据满足所设条件时，当前故障为内部故障；当上述判据不能满足时，当前故障不为内部故障。

进一步地，所述步骤b1，进一步包括：

根据步骤a定性分析所做出的结论，分别启动不同形式电流差动保护的时域计算方法。当输电线路因故促使上述相应电流的增量可以有效测量时，即可以启动相应的时域电流差动保护算法；

当线路两侧采样值故障分量以超短时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′}}{\Σ}}\right({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_1{I}_{set}^{\′}---\left(1\right);$

式中，I′_set为线路电流互感器二次侧测量在极短的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T′＝5ms为采样值电流差动的超短时积分时间；m为在积分时间内所对应电流信号的采样数据点数；K₁为大于1的实数，为甄别紧急状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为大于或等于1的整数。

进一步地，所述步骤b1，进一步还包括：

当线路两侧工频故障分量以工频倍数延时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′\′}}{\Σ}}\right({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_2{I}_{set}^{\′\′}---\left(2\right);$

式中，I″_set为线路电流互感器二次侧测量在正常/一般的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T″＝20ms为采样值电流差动工频周期的积分时间；m为在积分时间内所对应电流信号的采样数据点数；K₂为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为不小于1的整数，为了满足状态甄别的需要同时与其它保护构成良好的延时配合，通常可以采取k＝3-5。

进一步地，所述步骤b1，进一步还包括：

当线路两侧采样值故障分量以超长时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′\′\′}}{\Σ}}\right({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_3{I}_{set}^{\′\′\′}---\left(3\right);$

式中，I″′_set为线路电流互感器二次侧测量在较长的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T″′＝100-1000ms为采样值电流差动超长延时的积分时间；m为在积分时间内所对应的采样数据点数；K₃为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为大于或等于1的整数；瞬时值电流差动保护为传统直流输电线路电流差动保护算法。

进一步地，所述步骤b1，进一步还包括：

在重合闸期间，故障分量不能确保稳定获取，本发明建议需要增加一个电流全量超长时的电流差动计算式：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^4}{\Σ}}\right(i_m\left(t\right)+i_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_3{I^4}_{set}---\left(4\right);$

式中，I⁴ _set为线路电流互感器二次侧测量在较长的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡全量电流数据；T⁴为电流全量超长时差动的积分时间，为了和式(3)保护构成良好的配合，一般要求T⁴＞T″′；m为在积分时间内所对应的采样数据点数；K₄为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数。

本发明各实施例的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，由于包括：a、采集被保护区域高压直流输电线路的实际状况，根据电流差动保护的原理，结合采集得到的高压直流输电线路的实际状况，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算方法，对电流差动情况进行计算；b、将电流差动计算结果与预先设定的扰动数值的比较，构造合理的保护整定与动作延时方案；从而可以克服现有技术中故障率高、安全性差和维护难度大的缺陷，以实现故障率低、安全性好和维护难度小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中采样值故障分量电气状态关系的线路原理框图，(a)为外部故障，(b)为内部故障；

图2为本发明中采样值全量电气状态关系的线路原理框图；

图3为本发明中采样值负荷分量电气状态关系的线路原理框图；

图4为本发明中各差动保护算法所反映延时时间与动作门槛的对应关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图4所示，提供了一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，涉及直流输电线路相关故障性质甄别的方法，具体是一种不同时域电流差动保护算法的直流输电线路故障性质识别的新运用，或者说是一种基于不同形式时域电流差动保护算法的高压直流输电线路单元式保护综合配置的改进方案。

本发明的目的是提供一种不同时域电流差动保护算法的直流输电线路故障性质甄别的改进方案，它可以根据保护动作的速度要求设置对应的保护整定和动作的门槛，由此构建能够与电力电子控制节拍相互协调的保护整定，并且在动作速度、灵敏度等方面形成相对完整的配置。本发明所采用的技术方案是：

步骤1：根据电流差动保护的物理定义和数学表达，结合高压直流输电线路的实际状况，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算方法。具体地，是将交流输电线路已经确立的等效物理概念及其计算方法，结合高压直流输电线路的实际运行特点，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算形式。

在高压直流输电***及其相关设备发生故障或出现扰动时，根据线性迭代电气网络的特点，直流线路各端电流和将根据在线路上所反映直流分量以及各次谐波分量的情况呈现状态明显的等效转换及线性迭代关系，可以由此得到比较明确的判别结论即不同形式的保护判据并且用于甄别相关类型的故障。

步骤2：比较所得电流差动计算结果与所设定扰动数值的比较，构造合理的保护整定与动作延时。

由于在超、特高压直流输电中，往往涉及超长距离电能的输送，又需要考虑高频谐波的影响。单纯的补偿或者提高电流采样精度、采样速率都不能根本解决上述问题。本发明通过***分析上述因素后确定增加积分/累计和的电流差动保护时域计算形式，由此完全可以与原有的直流输电线路电流差动保护及其它继电保护构成互补、综合性的保护配置，同时所需技术门槛较低。由此可构建以下判据：

|f(Δi_m+Δi_n)|＞I_set

当保护启动之后，上述判据满足所设条件时，可以毫无疑问地判为内部故障；当上述判据不能满足时，由此可以认定不为内部故障。由于上述方法完全建立在合理的数理模型和准确的分析判断基础上构成的判别界限，可以克服现有直流输电线路继电保护的顽疾，有效提高相关保护的可靠性和灵敏度。

步骤2具体如下：

根据上述定性分析所做出的结论，分别启动不同形式电流差动保护的时域计算方法。当输电线路因故促使上述相应电流的增量可以有效测量时，即可以启动相应的时域电流差动保护算法。

当线路两侧采样值故障分量以超短时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′}}{\Σ}}\right({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_1{I}_{set}^{\′}---\left(1\right);$

式中，I′_set为线路电流互感器二次侧测量在极短的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T′＝5ms为采样值电流差动的超短时积分时间；m为在积分时间内所对应电流信号的采样数据点数；K₁为大于1的实数，为甄别紧急状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为大于或等于1的整数；积分/累计和式电流差动保护为本发明所提出。

式(1)算法相比传统直流输电线路电流差动保护的算法：

|Δi_m(t)+Δi_n(t)|＞I_set，增加了积分/累计和的计算环节，具有一定的滤波效果，可以有效降低同期不平衡电流的幅值，相对提高了保护的灵敏度。由此所确立保护动作的判据式(1)，即可以适用于高压直流输电线路在紧急状态情况下继电保护甄别的需求，主要针对保护出口处大电流的短路故障。

当线路两侧工频故障分量以工频倍数延时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′\′}}{\Σ}}\right({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_2{I}_{set}^{\′\′}---\left(2\right);$

式中，I″_set为线路电流互感器二次侧测量在正常/一般的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T″＝20ms为采样值电流差动工频周期的积分时间；m为在积分时间内所对应电流信号的采样数据点数；K₂为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为不小于1的整数，为了满足状态甄别的需要同时与其它保护构成良好的延时配合，通常可以采取k＝3-5。

式(2)算法具有更长的积分/累计和计算时间，其低通滤波效果更强，因此在故障甄别的灵敏度上明显优于式(1)，并且两者在保护动作速度方面构成良好的配合。式(2)算法恰好弥补了传统直流输电线路电流差动保护的缺陷，完全可以适应输电线路在一般状态情况下继电保护甄别的需求，也是本发明创新成果最重要的依据。

同样，当线路两侧采样值故障分量以超长时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′\′\′}}{\Σ}}\right({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_3{I}_{set}^{\′\′\′}---\left(3\right);$

式中，I″′_set为线路电流互感器二次侧测量在较长的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T″′＝100-1000ms为采样值电流差动超长延时的积分时间；m为在积分时间内所对应的采样数据点数；K₃为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为大于或等于1的整数；瞬时值电流差动保护为传统直流输电线路电流差动保护算法，积分/累计和式电流差动保护为本发明所提出。

同样，式(3)算法相比传统直流输电线路电流差动保护的算法：

|Δi_m(t)+Δi_n(t)|＞I_set，增加了积分/累计和的计算环节。这种改进算法能够有效降低各电流分量幅值衰减以及非整次谐波所带来的影响，由此不仅具有一定的滤波效果，同样也可以明显降低同期不平衡电流的幅值，相对提高了保护的灵敏度；而且由于所增加的上述计算方式可以非常显著缩小保护延时时间。由此所确立保护动作的判据式(3)，具备较高的抗故障电阻的能力，完全可以适用于高压直流输电线路在小扰动状态情况下继电保护甄别的需求。

在某种特殊的运行方式下(例如在重合闸期间)，故障分量不能确保稳定获取，本发明建议需要增加一个电流全量超长时的电流差动计算式：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^4}{\Σ}}\right(i_m\left(t\right)+i_n\left(t\right)\left)\right|>{\mathrm{mK}}_3{I^4}_{set}---\left(4\right);$

式中，I⁴ _set为线路电流互感器二次侧测量在较长的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡全量电流数据；T⁴为电流全量超长时差动的积分时间，为了和式(3)保护构成良好的配合，一般要求T⁴＞T″′；m为在积分时间内所对应的采样数据点数；K₄为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；该算法也是为本发明所提出。

式(4)电流差动保护算法的最大优势在于其电流差动计算的算式上附有负荷分量的作用，提高了差动计算的稳定性和可靠性，可以适应直流输电线路在轻微状态下继电保护稳定检测的需求。针对时域电流全量差动保护的特点，式(4)的积分算法从原理上消除了电力电子调控所带来的各种不利影响，其中包括调控电能输出较小所带来负荷分量不稳定的影响等，合并上述特点，最终成为本发明创新的主要特点。为了和式(3)所述保护在保护动作时限上形成良好的配合，式(4)积分的最短时间间隔需要绝对超过式(3)的一个固定时间周期，一般可以考虑适当再延长几个20mS周期。

上述四种电流差动保护的算法：超短时进行的故障分量差动保护可以快速隔离紧急状态所反映的严重短路故障，以工频倍数延时进行的故障分量差动保护可以隔离一般状态对应的短路故障，起到快速主保护的作用，而超长时进行的故障分量差动保护可以隔离小扰动状态所适用的轻微故障，成为带时限的II段式单元继电保护，将全量的差动保护作为上述诸保护的后备保护，由此构成完整的高压直流输电线路的单元式继电保护体系。该保护特别适用于直流输电***的所有运行环境，构成无缝隙、全天候的保护元件。

经验证，本发明的技术方案，足可以克服现行直流输电线路在故障识别时所面临暂态响应、分布电容、运行方式所带来相关干扰的影响，当电力电子的工作状态发生变化时、所保护为超长距离直流输电线路以及其它因素都不会对整体保护产生明显的影响，由此将进一步提高直流输电线路故障甄别的灵敏度和可靠性。

例如，参见图1-图4，当实际运行的直流输电线路因故引发状态变故时，往往是通过测量所得电流信号的变化反映出来，最终根据相关线路电流量变化的程度可以定性分析线路的状态特征，这些状态特征可以初步划分为紧急状态、一般状态、小扰动状态以及轻微状态。根据故障分量网络可以知道，当出现故障时，故障点的故障分量电压最大，随着观测点远离故障点，故障分量电压的幅值将逐步减少，直至***中点位置降低至零；故障分量电流从故障点向外侧的***中点处流去。根据线路所得的电流信号所构成固有的状态变化特性，参照输电线路的电气分布参数特征，可以获知区分其状态的目标特征和计算函数。随着对时域电流差动保护不断深入的研究，更能够确保其甄别特性得到更好的发挥，由此确立了应用效果和适用范围得到更大程度的扩展。本发明利用基于积分/累计和电流差动保护算法的甄别特性构建了超高压直流输电线路保护的综合配置改进方案。具体实施包括将输电线路的电流信号经光纤通信传输到线路对端，利用电流差动算法所得计算的结果，获得对线路运行状态的甄别结果，确立保护动作的识别判据。

本发明的技术方案，以国家电网新规划从甘肃酒泉至湖南湘潭的±800kV长度2000余公里特高压直流输电***为目标进行单元式继电保护综合配置的研究。参见图1，m、n两侧装有本发明判别元件的保护测量装置，输入量为输电线路电流故障分量，电流由线路侧电流互感器获取，图1中给以简单示意。线路电流信号经电流互感器获取后经采样保持和A/D转换后，送到微机主***，并且可以直接根据采样值故障分量电流和的结果确定是否发生内部故障。

按照图1所示(在分析电压分布关系时，可以忽略线路分布电容的影响)，以故障点实际电压u′_F为参考，分析直流输电线路在区内、外故障时的特性，按照线性迭代原理，根据直流输电线路在发生异常时所可能出现直流分量以及相关高次谐波分量的情况，u′_F可以表示为：

式中，U₀为所涉及的直流稳态分量；K_T是直流暂态分量与直流稳态分量之比值；k₀为直流暂态分量的衰减时间常数；f₁为工频频率；i是在本次故障中高次谐波的整次倍数；i∈Φ为涉及本次故障所有高频谐波分量的集合；U_i为i次高次谐波分量的有效幅值；为i次谐波分量的初相位；k_i为i次谐波分量的衰减时间常数。

按照图1(a)所示，当遇到区外故障时，线路两侧的电压可以定性表示为：

${\mathrm{\Δu}}_m\left(t\right)\≈u_F^{\′}\left(t\right)\frac{lD+L_m}{L_F^{\′}+lD+L_m};{\mathrm{\Δu}}_n\left(t\right)\≈u_F^{\′}\left(t\right)\frac{L_m}{L_F^{\′}+lD+L_m}---\left(6\right);$

考虑超长距离直流输电线路分布电容的影响，设单位长度电容为c，这样针对区外故障，电流差动保护的计算结果就是线路的分布电容电流，按照集中参数模型估测：

将式(7)带入式(1)可以发现，由于积分/累计和的时间间隔最短，因此只能保证滤除部分高频谐波分量，因此计算结果具有较高的不平衡电流，影响对故障甄别的灵敏度，这种算法只能适用于大电流的短路故障。

将式(7)带入式(2)可以发现，由于积分/累计和的时间间隔适当延长，因此可以保证滤除幅值不变的所有整次高频谐波分量，有效降低了不平衡电流，提高了故障甄别的灵敏度，可以适用于正常情况的短路故障。

将式(7)带入式(3)可以发现，由于积分/累计和的时间间隔或者延时时间最长，因此可以保证克服由于幅值变化以及非整次谐波所带来不平衡电流的影响，故障甄别的灵敏度得到进一步的提升，特别适应于弱***的短路故障。

同样，按照图1(b)所示，当遇到区内故障时，线路两侧的电压可以定性表示为：

${\mathrm{\Δu}}_m\left(t\right)\≈u_F^{\′}\left(t\right)\frac{{\mathrm{lL}}_m}{ld+L_m};{\mathrm{\Δu}}_n\left(t\right)\≈u_F^{\′}\left(t\right)\frac{L_n}{l(D-d)+L_n}---\left(8\right);$

电流差动保护的计算结果就是线路的分布电容电流与故障电流的和：

线路分布电容电流在积分/累计和计算中得到有效的衰减，需要注意的是故障电流。暂态故障电流比较难于分析，稳态故障电流可以用直流线路额定电压U_E和相关电阻来描述：

$i_F=\frac{U_F}{R_F+\frac{(R_m+rd)(R_n+(D-d\left)r\right)}{R_m+Dr+R_n}}---\left(10\right);$

当忽略线路分布电容电流时，电流差动保护的计算结果随式(10)的故障电阻值与故障位置而相应变化，并且与***运行方式有关。这样，根据式(10)的结果与式(1)—式(3)的保护门槛值对比后可以确定由相应的电流差动保护算法启动跳闸。

针对图2和式(4)所示全量的电流差动保护算法，可以按照线性迭代方法分为故障分量和负荷分量两个部分。针对直流输电线路，负荷分量的电流差动保护可以确定为：

i_mL(t)+i_nL(t)≈0   (11)；

因此，全量电流差动保护算法的特性完全可以用故障分量的电流差动保护来描述。

本发明描述了直流输电线路电流差动保护综合配置的改进方案，具体按照以下步骤实施：

步骤1：对发生故障的直流输电线路故障极电气信号进行分析处理之后，再利用所得故障分量电流信号的大小分析线路所处于的实际状态。当线路所得故障分量电流信号的幅值越大，所对应线路的状态越严重，只有缩短保护动作的延迟时间，确保准确及时识别故障，而且减少故障所带来的损害。

步骤2：比较电流差动保护计算的结果与所设定扰动数值的大小，构造合理的判别。

当电网发生故障后，在被保护线路的两端电流互感器上总能测量得到电流故障分量的数据，并且能够确保会大于相关保护的启动门槛。当对应保护被触发之后，区外故障所对应的不平衡电流结果必然会通过合理设置的延时周期和启动门槛过滤掉；区内故障所得结果正好相反，两种故障所得结果可以保证得到可靠区分。由此可构建以下判据：

|f(Δi_m+Δi_n)|＞I_set   (12)

式(12)所示的保护效果是式(1)—式(4)保护配置的综合体现。当设定的保护被启动后，上述判据满足动作条件时，可以可靠判为内部故障，当上述判据不再满足动作条件的时刻就是区外故障或者***扰动，***运行状态的确定可以有效提高保护整体的性能。

参照图4，输电线路的故障切除时序，t₁时刻为输电线路发生故障，t₂时刻为故障分量超短时进行电流差动计算的动作整定时间，t₃时刻为故障分量工频倍数延时进行电流差动计算的动作整定时间，t₄时刻为故障分量超长时进行电流差动计算的动作整定时间，t₅时刻为全量超长时电流差动计算的动作整定时间。当输电线路故障(发生时刻为t＝t₁)发生之后，即t₁＜t＜t₂时，此时所换算得到的等效动作的门槛值最高，主要针对输电线路处于紧急状态下故障的甄别，相关的动作延时时间确定以5mS为基准，当判断完成并且确定保护是否动作之后，结束相关的计算。当t₂＜t＜t₃时，此时确定动作门槛值的依据主要取决于确保工频倍数延时电流差动保护所需要的最低不平衡电流要求，也是其它保护对比的参照目标，主要针对输电线路处于一般状态下故障的甄别；同上，相关的动作延时时间确定以20mS为基准，当判断完成并且确定保护是否动作之后，情况同上。当t₃＜t＜t₄时，此时所换算得到的等效动作门槛值将明显低于前者，主要针对输电线路处于小扰动状态下故障的甄别，相关的动作延时时间确定明显远大于20mS。当t₄＜t＜t₅时，此时所换算得到的等效动作门槛值将是最低的，主要针对输电线路处于轻微状态下故障的甄别，作为全量的电流差动保护所带来相关的动作延时时间最长。根据上述动作特性的定性分析结果可以知道，当***运行处于任意一种方式下，都至少保证有一种以上特定的保护方式可以适应，并且在实际应用中保证能够最大限度地克服不平衡电流的影响，确保保护的可靠性和灵敏度，由此构成出一种高压直流输电线路单元式保护综合配置的改进方案。

本发明涉的技术方案，及电力***的高压直流输电线路继电保护的研究领域，公开了一种基于新提出电流差动保护计算方法的直流输电线路单元式纵联保护综合配置的改进方案。本方案是根据高压直流输电线路电流信号的故障暂态时域分量在既定的运行环境中存在特定周期变化的特点以及与此对照的数值关联特征来判别故障状态。具体步骤为：首先，在线路因故引发电流瞬时值发生变化后，通过采集直流线路各极所得电流的时域信号数据：i(t)，利用直流线路电流差动保护所赋予的定义获得被保护区域各电流积分/累计和的时域表达计算方法；其次，在电流差动保护的时域计算公式中按照不同的延时设定条件分析对应故障电流的特征结果，确定直流故障分量在最终结果中所占据的数值关系与对比状态，然后根据可靠性要求确定对应保护的动作门槛值，当计算结果大于所设定的门槛值，可靠判为内部故障；否则，可由此认定不为内部故障。

本发明的技术方案，在超、特高压直流输电线路的实际运行中，根据故障产生的故障分量电流固有的周期性电气变化特性，分析电流模型本质的数值转换与物理联系特征，提出一种基于积分/累计和电流差动保护的输电线路故障性质甄别方法，电流差动保护的动作门槛与保护的时间延时密切相关，所以此方法不受状态外其它因素的影响，同时这种方法与现有直流输电线路的控制方法能够和谐相处、互补使用，可以有效提高保护的可靠性和灵敏度。有望作为超高压长距离直流输电线路新型智能化单元式故障性质识别的有效手段。在高性能微机保护、宽频域数字通信和智能化电子互感处理技术日益成熟的基础之上，该方法具有良好的应用前景。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，包括：

a、采集被保护区域高压直流输电线路的实际状况，根据电流差动保护的原理，结合采集得到的高压直流输电线路的实际状况，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算方法，对电流差动情况进行计算；

b、将电流差动计算结果与预先设定的扰动数值的比较，构造合理的保护整定与动作延时方案。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

根据交流输电线路已经确立的等效物理原理，结合高压直流输电线路的实际运行特点，获得被保护区域各端电流积分/累计和的时域计算形式；

在高压直流输电***及其相关设备发生故障或出现扰动时，根据线性迭代电气网络的特点，直流线路各端电流和将根据在线路上所反映直流分量以及各次谐波分量的情况呈现状态明显的等效转换及线性迭代关系，得到比较明确的判别结论即不同形式的保护判据并且用于甄别相关类型的故障。

3.根据权利要求1或2所述的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

b1、通过***分析电流差动计算结果与预先设定的扰动数值的差值，确定增加积分/累计和的电流差动保护时域计算形式，与原有的直流输电线路电流差动保护及其它继电保护构成互补、综合性的保护配置，构建以下判据：

|f(Δi_m(t)+Δi_n(t))|＞I_set；

上式中，根据摘要附图所示，Δi_m(t)表示为线路m侧在t时刻测量得到的故障分量电流数据，Δi_n(t)表示为线路n侧在t时刻测量得到的故障分量电流数据，f()表示为根据不同的保护需要所进行的不同实现长度数字积分/累计和算法，I_set表示线路电流互感器二次侧测量在正常/一般的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；

b2、当保护启动之后，上述判据满足所设条件时，当前故障为内部故障；当上述判据不能满足时，当前故障不为内部故障。

4.根据权利要求3所述的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，所述步骤b1，进一步包括：

根据步骤a定性分析所做出的结论，分别启动不同形式电流差动保护的时域计算方法。当输电线路因故促使上述相应电流的增量可以有效测量时，即可以启动相应的时域电流差动保护算法；

当线路两侧采样值故障分量以超短时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′}}{\Σ}}\left({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\right)\right|>{\mathrm{mK}}_1{I}_{set}^{\′}---\left(1\right);$

式中，I′_set为线路电流互感器二次侧测量在极短的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T′＝5ms为采样值电流差动的超短时积分时间；m为在积分时间内所对应电流信号的采样数据点数；K₁为大于1的实数，为甄别紧急状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为大于或等于1的整数。

5.根据权利要求4所述的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，所述步骤b1，进一步还包括：

当线路两侧工频故障分量以工频倍数延时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′\′}}{\Σ}}\left({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\right)\right|>{\mathrm{mK}}_2{I}_{set}^{\′\′}---\left(2\right);$

式中，I″_set为线路电流互感器二次侧测量在正常/一般的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T″＝20ms为采样值电流差动工频周期的积分时间；m为在积分时间内所对应电流信号的采样数据点数；K₂为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为不小于1的整数，为了满足状态甄别的需要同时与其它保护构成良好的延时配合，通常可以采取k＝3-5。

6.根据权利要求5所述的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，所述步骤b1，进一步还包括：

当线路两侧采样值故障分量以超长时进行的电流差动计算满足：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^{\′\′\′}}{\Σ}}\left({\mathrm{\Δi}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\Δi}}_n\left(t\right)\right)\right|>{\mathrm{mK}}_3{I}_{set}^{\′\′\′}---\left(3\right);$

式中，I″′_set为线路电流互感器二次侧测量在较长的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡故障分量电流数据；T″′＝100-1000ms为采样值电流差动超长延时的积分时间；m为在积分时间内所对应的采样数据点数；K₃为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数；k是重复积分计算的时间倍数，其为大于或等于1的整数；瞬时值电流差动保护为传统直流输电线路电流差动保护算法。

7.根据权利要求6所述的高压直流输电线路电流差动保护综合配置方法，其特征在于，所述步骤b1，进一步还包括：

在重合闸期间，故障分量不能确保稳定获取，本发明建议需要增加一个电流全量超长时的电流差动计算式：

$\left|\underset{t=1}{\overset{{\mathrm{kT}}^4}{\Σ}}\left(i_m\left(t\right)+i_n\left(t\right)\right)\right|>{\mathrm{mK}}_3{I^4}_{set}---\left(4\right);$

式中，I⁴ _set为线路电流互感器二次侧测量在较长的积分/累计和期间所得采样值的最大不平衡全量电流数据；T⁴为电流全量超长时差动的积分时间，为了和式(3)保护构成良好的配合，一般要求T⁴＞T″′；m为在积分时间内所对应的采样数据点数；K₄为大于1的实数，为甄别一般状态的可靠系数。