一种交直流系统的单相交流线路保护方法及系统

摘要

本发明涉及一种交直流系统的单相交流线路保护方法及系统，属于继电保护技术领域，解决了现有保护方法对于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动或拒动可能造成判断准确度较低的问题。包括：采集逆变侧交流母线的三相电压、三相电流及逆变器流向交流母线的三相电流；基于交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程；基于交流母线的三相电压、三相电流、逆变器流向交流母线的三相电流及电压电流方程，得到故障距离；判断故障类型并根据产生断路器控制信号控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护，提高了适用性和准确性。

权利要求

1.一种交直流系统的单相交流线路保护方法，其特征在于，包括如下步骤：采集逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc；

基于交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程；所述逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程为：其中，

式中，z相表示a,b,c三相中的任一故障相，umz为逆变侧交流母线的z相电压，imz为逆变侧交流母线的z相电流，xj为电压电流方程的系数，j＝1,2,...,7，R1、L1分别为逆变侧交流线路的1模电阻及电感，kR为电阻的零模补偿系数，kR＝(R0‑R1)/3R1，R0为逆变侧交流线路的零模电阻，kL为电感的零模补偿系数，kL＝(L0‑L1)/3L1，L0为逆变侧交流线路的零模电感，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，idc0为逆变侧的零模电流分量；所述交直流互联电网零模等效电路是根据交直流互联系统拓扑结构特征得到的；

基于所述交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离；

基于所述故障距离，判断故障类型；

根据所述故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护；包括：

若所述故障距离小于单相交流线路的全长，则为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；

若所述故障距离大于单相交流线路的全长，则为区外故障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。

2.根据权利要求1所述的单相交流线路保护方法，其特征在于，基于所述交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离，包括：将一段时间窗口内采集的逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc输入所述电压电流方程得到超定方程；

基于Matlab的最小二乘优化函数得到所述超定方程的系数，其中，所述超定方程的系数与电压电流方程的系数相同；

根据所述超定方程的系数得到故障距离。

3.根据权利要求2所述的单相交流线路保护方法，其特征在于，根据所述超定方程的系数得到故障距离的计算公式为：

ρ＝x1

式中，ρ为故障距离。

4.一种交直流系统的单相交流线路保护系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于采集逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc；

保护计算模块，用于根据交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程；所述逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程为：

其中，

式中，z相表示a,b,c三相中的任一故障相，umz为逆变侧交流母线的z相电压，imz为逆变侧交流母线的z相电流，xj为电压电流方程的系数，j＝1,2,...,7，R1、L1分别为逆变侧交流线路的1模电阻及电感，kR为电阻的零模补偿系数，kR＝(R0‑R1)/3R1，R0为逆变侧交流线路的零模电阻，kL为电感的零模补偿系数，kL＝(L0‑L1)/3L1，L0为逆变侧交流线路的零模电感，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，idc0为逆变侧的零模电流分量；所述交直流互联电网零模等效电路是根据交直流互联系统拓扑结构特征得到的；

故障距离获得模块，用于根据所述交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离；

保护动作模块，用于根据所述故障距离，判断故障类型，并根据所述故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护；包括：若所述故障距离小于单相交流线路的全长，则为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；

若所述故障距离大于单相交流线路的全长，则为区外故障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。

5.根据权利要求4所述的单相交流线路保护系统，其特征在于，所述故障距离获得模块执行下述流程：

将一段时间窗口内采集的逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc输入所述电压电流方程得到超定方程；

基于Matlab的最小二乘优化函数得到所述超定方程的系数，其中，所述超定方程的系数与电压电流方程的系数相同；

根据所述超定方程的系数得到故障距离。

6.根据权利要求5所述的单相交流线路保护系统，其特征在于，根据所述超定方程的系数得到故障距离的计算公式为：

ρ＝x1

式中，ρ为故障距离。

说明书

一种交直流系统的单相交流线路保护方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及继电保护技术领域，尤其涉及一种交直流系统的单相交流线路保护方法及系统。

背景技术

[0002] 当逆变侧交流线路发生故障时，逆变站极易受到影响并发生换相失败，加之直流系统的灵活快速控制作用，直流系统呈现强烈的非线性特性。此外，在发生换相失败时，相
当于在交直流系统中叠加发生了故障，直流系统作为附加故障源对交流保护动作的可靠性
带来巨大的挑战。

[0003] 当交流线路故障引发逆变侧发生换相失败时，直流侧可等效为受控电流源，逆变器向交流系统注入大量高次谐波以及非周期分量，非周期分量呈指数衰减特性且时间常数
较大。直流系统的故障特性将对交流保护产生影响，傅里叶算法虽然可以滤除一些高次谐
波，但将受到非周期分量的影响，产生较大误差，影响保护动作的准确性。且由于直流系统
控制反应非常快，发生故障后直流系统注入电流将呈非线性特性，难以用表达式量化表示
注入系统电流。

[0004] 传统的保护方法大多为工频量保护，随着交流线路在系统中占比日渐提高，传统的保护方法对于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动或拒动的可能，造成了
判断准确度较低的问题。

发明内容

[0005] 鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种交直流系统的单相交流线路保护方法及系统，用以解决现有保护方法对于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动
或拒动可能以造成的判断准确度较低的问题。

[0006] 一方面，本发明实施例提供了一种交直流系统的单相交流线路保护方法，包括如下步骤：

[0007] 采集逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc；

[0008] 基于交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程；

[0009] 基于所述交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离；

[0010] 基于所述故障距离，判断故障类型；

[0011] 根据所述故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护。

[0012] 进一步，所述逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程为：

[0013]

[0014] 其中，

[0015]

[0016]

[0017] 式中，z相表示a,b,c三相中的任一故障相，umz为逆变侧交流母线的z相电压，imz为逆变侧交流母线的z相电流，xj为电压电流方程的系数，j＝1,2,...,7，R1、L1分别为逆变侧
交流线路的1模电阻及电感，kR为电阻的零模补偿系数，kR＝(R0‑R1)/3R1，R0为逆变侧交流线
路的零模电阻，kL为电感的零模补偿系数，kL＝(L0‑L1)/3L1，L0为逆变侧交流线路的零模电
感，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，idc0为逆变侧的零模电流分量。

[0018] 进一步，基于所述交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离，包括：

[0019] 将一段时间窗口内采集的逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc输入所述电压电流方程
得到超定方程；

[0020] 基于Matlab的最小二乘优化函数得到所述超定方程的系数，其中，所述超定方程的系数与电压电流方程的系数相同；

[0021] 根据所述超定方程的系数得到故障距离。

[0022] 进一步，根据所述超定方程的系数得到故障距离的计算公式为：

[0023] ρ＝x1

[0024] 式中，ρ为故障距离。

[0025] 进一步，基于所述故障距离，判断故障类型，保护装置根据所述故障类型发送相应信号至逆变侧断路器，断路器基于所述信号执行相应动作,包括：

[0026] 若所述故障距离小于单相交流线路的全长，则为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；

[0027] 若所述故障距离大于单相交流线路的全长，则为区外故障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。

[0028] 另一方面，本发明实施例提供了一种交直流系统的单相交流线路保护系统，包括：

[0029] 数据采集模块，用于采集逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc；

[0030] 保护计算模块，用于根据交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程；

[0031] 故障距离获得模块，用于根据所述交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故
障距离；

[0032] 保护动作模块，用于根据所述故障距离，判断故障类型，并根据所述故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护。

[0033] 进一步，所述保护计算模块得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程为：

[0034]

[0035] 其中，

[0036]

[0037]

[0038] 式中，z相表示a,b,c三相中的任一故障相，umz为逆变侧交流母线的z相电压，imz为逆变侧交流母线的z相电流，xj为电压电流方程的系数，j＝1,2,...,7，R1、L1分别为逆变侧
交流线路的1模电阻及电感，kR为电阻的零模补偿系数，kR＝(R0‑R1)/3R1，R0为逆变侧交流线
路的零模电阻，kL为电感的零模补偿系数，kL＝(L0‑L1)/3L1，L0为逆变侧交流线路的零模电
感，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，idc0为逆变侧的零模电流分量。

[0039] 进一步，所述故障距离获得模块执行下述流程：

[0040] 将一段时间窗口内采集的逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc输入所述电压电流方程
得到超定方程；

[0041] 基于Matlab的最小二乘优化函数得到所述超定方程的系数，其中，所述超定方程的系数与电压电流方程的系数相同；

[0042] 根据所述超定方程的系数得到故障距离。

[0043] 进一步，根据所述超定方程的系数得到故障距离的计算公式为：

[0044] ρ＝x1

[0045] 式中，ρ为故障距离。

[0046] 进一步，所述保护动作模块执行下述流程：

[0047] 若所述故障距离小于单相交流线路的全长，则为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；

[0048] 若所述故障距离大于单相交流线路的全长，则为区外故障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。

[0049] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

[0050] 1、一种交直流系统的单相交流线路保护方法，通过采集逆变侧交流母线的三相电压及电流信息，为后期构造某故障相关于交流母线的电压电流方程提供了支撑及依据，同
时，采用KCL及KVL定理得到某故障相关于交流母线的电压电流方程，最终得到故障距离，进
而通过该故障距离判断故障的类型，以实现对单相交流线路的保护，解决了现有的保护方
法对于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动或拒动的可能而造成的准确度
较低的问题，实现了对交直流系统交流线路的保护，提高了准确性和交直流系统的稳定性
能。

[0051] 2、通过交直流互联电网零模等效电路，且采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程，为后期计算故障距离提供了基础依据和支撑，简单易
行，易于实施，具有重要的意义。

[0052] 3、通过将采集的交流母线的三相电压、交流母线的三相电流及逆变器流向交流母线的三相电流带入电压电流方程可得到方程数大于待求系数的超定方程，通过Matlab的最
小二乘优化函数得到超定方程的系数，进而得到故障距离，通过该故障距离判断故障的类
型，以使相应的继电器动作，实现对相应故障交流线路的保护，计算简单，提高了交直流系
统的稳定性。

[0053] 4、通过故障距离与单相交流线路的全长的比较，判断故障类型，保护装置根据该故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的
保护，判断方式简单可靠，且准确度较高，适用于谐波和非周期分量丰富的交直流系统的保
护。

[0054] 本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可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说明书以及附图中所
特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

[0055] 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。

[0056] 图1为交直流系统的单相交流线路保护方法流程图；

[0057] 图2为交直流输电系统原理图；

[0058] 图3为逆变侧交直流输电系统等效电路图；

[0059] 图4为交直流互联电网零模等效电路图；

[0060] 图5为交直流互联仿真模型图；

[0061] 图6为在交流线路MN距离逆变站80km处设置故障得到的故障距离图；

[0062] 图7为在交流线路MN距离逆变站80km处设置故障得到的过渡电阻图；

[0063] 图8为在交流线路MN末端处设置故障得到的故障距离图；

[0064] 图9为在交流线路MN末端处设置故障得到的过渡电阻图；

[0065] 图10为交直流系统的单相交流线路保护系统结构图；

[0066] 附图标记：

[0067] 100‑数据采集模块；200‑保护计算模块；300‑故障距离获得模块；400‑保护动作模块。

具体实施方式

[0068] 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。

[0069] 传统的保护方法大多为工频量保护，随着交流线路在系统中占比日渐提高，传统的保护方法对于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动或拒动的可能，造成了
判断故障距离的准确度较低的问题。为此，本申请提出一种交直流系统的单相交流线路保
护方法及系统，通过KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方
程，并将一段时间窗口内采集逆变侧交流母线的三相电压、三相电流及逆变器流向交流母
线的三相电流输入该电压电流方程，得到方程数量大于待求系数的超定方程，基于Matlab
的最小二乘优化函数得到超定方程的系数，进而得到故障距离，最后根据该故障距离判断
故障类型，使得相应的继电器动作，实现对单相交流线路的保护，解决了现有的保护方法对
于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动或拒动的可能，造成了准确度较低的
问题，实现了对交直流系统交流线路的保护，提高了适用性和交直流系统的稳定性能。

[0070] 本发明的一个具体实施例，公开了一种交直流系统的单相交流线路保护方法，如图1所示。包括如下步骤：

[0071] 步骤S1、采集逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc。具体来说，采集逆变侧交流母线的三相电压uma,
umb,umc、三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc是后期通过电
压电流方程构造超定方程的基础。

[0072] 步骤S2、基于交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程。

[0073] 具体来说，交直流互联电网零模等效电路是根据交直流互联系统拓扑结构特征得到的。如图2所示的典型直流输电系统原理图，整流侧和逆变侧均采用两个6脉波逆变器串
联而成，两个逆变器所连接变压器并联接在逆变侧交流母线上。两个换流变压器分别采用
Yd11以及Yy0绕组。

[0074] 当交流线路发生a相接地故障时，其等效电路如图3所示。由于逆变侧变压器在交流侧为星形接地，在逆变器侧则为角接或星形经电阻接地，在零模通路中不包含逆变器。当
交流线路发生故障时，直流系统不会向交流系统注入零模分量。采用克拉克变换将三相电
路时域值分解为三个模值(1模，2模，0模)。其变换公式为：

[0075]

[0076] 基于该变换公式可以得到交流线路任一相发生接地故障时的交直流互联电网零模等效电路。

[0077] 示例性，当发生a相发生接地故障时，交直流互联电网零模等效电路如图4所示。采用KCL定理，交流线路故障点电流if可表示为：

[0078] if(t)＝ima(t)+ina(t)＝3(im0(t)+in0(t))  (2)

[0079] if(t)＝uf(t)/Rf  (3)

[0080] 其中，ima(t)为t时刻线路MN在交流母线处A相电流，ina(t)为t时刻流过故障点至N侧线路的电流，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，in0为N侧系统的零模电流分
量，if(t)为t时刻故障点的电流，uf为t时刻故障点电压，Rf为过渡电阻。

[0081] 由上述两式可得故障点之后零模电流表达式：

[0082]

[0083] 根据KVL定理可以列写以下方程：

[0084]

[0085] 将公式 代入上述公式，即可逆变侧a相故障时的方程为：

[0086]

[0087] 故障点电压uf可以根据保护装置出测量的电压和电流计算得到，根据图4可以得到uf的表达式为：

[0088]

[0089] 其中，R1,L1分别为线路MN的1模电阻和电感，kR＝(R0‑R1)/3R1，kL＝(L0‑L1)/3L1。

[0090] 将uf的表达式(7)代入(6)中则可以消去uf变量，得到逆变侧a相故障相关于交流母线的电压电流方程，其中，包括下述化简过程：

[0091]

[0092] 将上述公式中涉及交流母线电压及电流的项看成变量，其他项令为系数，

[0093] 即令 可得到下述逆变侧a相故障相关于交流母线的电压电流方程为：

[0094]

[0095] 同理，可通过b、c相故障时的交直流互联电网零模等效电路得到b、c相关于交流母线的电压电流方程，通过总结即可得到a,b,c三相中任一故障相关于交流母线的电压电流
方程，如下式所示。

[0096] 优选地，逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程为：

[0097]

[0098] 其中，

[0099]

[0100]

[0101] 式中，z相表示a,b,c三相中的任一故障相，umz为逆变侧交流母线的z相电压，imz为逆变侧交流母线的z相电流，xj为电压电流方程的系数，j＝1,2,...,7，R1、L1分别为逆变侧
交流线路的1模电阻及电感，kR为电阻的零模补偿系数，kR＝(R0‑R1)/3R1，R0为逆变侧交流线
路的零模电阻，kL为电感的零模补偿系数，kL＝(L0‑L1)/3L1，L0为逆变侧交流线路的零模电
感，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，idc0为逆变侧的零模电流分量。

[0102] 通过交直流互联电网零模等效电路，且采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程，为后期计算故障距离提供了基础依据和支撑，简单易行，
易于实施，具有重要的意义。

[0103] 步骤S3、基于交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离。具体来说，将
采集的交流母线的三相电压、交流母线的三相电流及逆变器流向交流母线的三相电流带入
电压电流方程可得到方程数大于待求系数的超定方程，通过Matlab的最小二乘优化函数得
到超定方程的系数，进而得到故障距离。

[0104] 优选地，基于交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方程，得到故障距离，包括：

[0105] 步骤S301、将一段时间窗口内采集的逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc输入电压电流
方程得到超定方程。具体来说，基于步骤S2得到的某故障相关与交流母线的电压电流方程，
需要求解7个未知的系数，可以采用一段时间窗内的测量数据构造超定方程，其中，采集的
测量数据大于7组，将采集的大于7组的测量数据代入电压电流方程，即可得到超定方程，其
中，超定方程数大于待求系数的个数。

[0106] 步骤S302、基于Matlab的最小二乘优化函数得到超定方程的系数，其中，所述超定方程的系数与电压电流方程的系数相同。具体来说，通过步骤S301得到超定方程后，可通过
Matlab的最小二乘优化函数求解得到超定方程的7个系数。

[0107] 步骤S303、根据超定方程的系数得到故障距离。具体的，基于步骤S302得到超定方程的7个系数后，可根据在使用KCL及KVL获得某故障相关于交流母线的电压电流方程的过
程中得到故障距离与电压电流方程系数之间的关系，而电压电流方程系数就是超定方程的
系数。同时，除了可以得到故障距离与方程系数之间的关系外，还可以得到过渡电阻Rf、故
障点之后假设的0模电阻Rn0即0模电感Ln0，其中，Rdc0为逆变侧换向变压器的等效零模电阻，
Rn0为故障点至N侧系统的等效电阻，具体如下式所示：

[0108]

[0109] 优选地，根据超定方程的系数得到故障距离的计算公式为：

[0110] ρ＝x1

[0111] 式中，ρ为故障距离。

[0112] 通过将采集的交流母线的三相电压、交流母线的三相电流及逆变器流向交流母线的三相电流带入电压电流方程可得到方程数大于待求系数的超定方程，通过Matlab的最小
二乘优化函数得到超定方程的系数，进而得到故障距离，通过该故障距离判断故障的类型，
以使相应的继电器动作，实现对相应故障交流线路的保护，计算简单，提高了交直流系统的
稳定性。

[0113] 步骤S4、基于故障距离，判断故障类型，根据故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护。具体的，通过步骤S3得到的故障
距离，可判断故障类型，保护装置根据该故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器
执行相应动作，实现对单相交流线路的保护。

[0114] 优选地，基于故障距离，判断故障类型，保护装置根据故障类型发送相应信号至逆变侧断路器，断路器基于信号执行相应动作,包括：

[0115] 若故障距离小于单相交流线路的全长，则为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；

[0116] 若故障距离大于单相交流线路的全长，则为区外故障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。

[0117] 具体来说，当故障距离小于单相交流线路的全长时，为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；当故障距离大于单相交流线路的全长时，为区外故
障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。通过故障距离与
单相交流线路的全长的比较，进而实现对单相交流线路的保护。

[0118] 通过故障距离与单相交流线路的全长的比较，判断故障类型，保护装置根据该故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保
护，判断方式简单可靠，且准确度较高，适用于谐波和非周期分量丰富的交直流系统的保
护。

[0119] 与现有技术相比，本实施例提供的一种交直流系统的单相交流线路保护方法，通过采集逆变侧交流母线的三相电压及电流信息，为后期构造某故障相关于交流母线的电压
电流方程提供了支撑及依据，同时，采用KCL及KVL定理得到某故障相关于交流母线的电压
电流方程，最终得到故障距离，进而通过该故障距离判断故障的类型，以实现对单相交流线
路的保护，解决了现有的保护方法对于谐波和非周期分量丰富的交直流系统保护存在误动
或拒动的可能而造成的适用性较低的问题，实现了对交直流系统交流线路的保护，提高了
适用性和交直流系统的稳定性能。

[0120] 搭建交直流互联仿真模型如图5所示，直流部分为±500kV直流输电系统，逆变侧交流母线电压为230kV。逆变侧交流母线连接的输电线路包括线路MN与MS，其中设MN为故障
线路。线路MN与MS线路全长均为120km，其中，正序单位长度电阻r1＝0.1834*10‑4Ω/m，正
序单位长度感抗x1＝0.263*10‑3Ω/m，正序单位长度容抗c1＝500MΩ*m；零序单位长度电
阻r0＝0.1417*10‑3Ω/km，零序单位长度感抗x0＝0.6027*10‑3Ω/km，零序单位长度容抗
C0＝800MΩ*m。系统S正序阻抗和零序阻抗分别为ZR1＝4.477+j59.913Ω，ZR0＝2.0+j6.37
Ω。采样频率为2kHz。

[0121] 当0.5s时在交流线路MN距离逆变站80km处设置100Ω过渡电阻接地故障。由于微分方程解法容易受到高次谐波的影响，因此仿真数据在进行故障距离计算时，利用二阶巴
沃斯通滤波器对信号进行滤波，截止频率为100Hz。故障数据通过MATLAB进行计算，数据窗
为10ms。基于测量的交流母线电压电流数据，利用最小二乘优化函数得到故障距离如图6所
示，得到的过渡电阻参数如图7所示，可知本申请的单端保护方法能够准确识别故障距离，
且不受过渡电阻影响，具有较高的准确性。

[0122] 在距离逆变站交流母线120km处即线路末端设置A相接地故障，过渡电阻阻值设置为100Ω。故障距离的计算结果如图8所示，过渡电阻的计算结果如图9所示。由图可知，本文
提出的保护方法能够较为准确地识别故障距离。

[0123] 为了进一步验证该保护方法在不同故障距离以及不同故障情形下的准确度，设定不同故障情形进行仿真，仿真结果下表1所示。

[0124] 表1不同故障距离和过渡电阻情形下的仿真结果

[0125]

[0126] 由于电力系统中，交流线路故障过渡电阻一般不超过300欧姆，因此表1中故障电阻主要有10Ω、100Ω、200Ω以及300Ω四种阻值，故障距离分别为线路25km、50km、75km以
及120km处。由上表1可以看出，本申请中的测距结果与故障距离相比误差较小，即本申请的
保护方法能够在单相高阻接地故障中准确识别故障距离以及过渡电阻，具有较高的准确
度。

[0127] 本发明的一个具体实施例，公开了一种交直流系统的单相交流线路保护装置，如图10所示。包括：数据采集模块100，用于采集逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、三相
电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc；保护计算模块200，用于根
据交直流互联电网零模等效电路，采用KCL定理及KVL定理得到逆变侧某故障相关于交流母
线的电压电流方程；故障距离获得模块300，用于根据交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流
母线的三相电流ima,imb,imc、逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc及电压电流方
程，得到故障距离；保护动作模块400，用于根据故障距离，判断故障类型，并根据故障类型
产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单相交流线路的保护。

[0128] 一种交直流系统的单相交流线路保护装置，通过采集逆变侧交流母线的三相电压及电流信息，为后期构造某故障相关于交流母线的电压电流方程提供了支撑及依据，同时，
采用KCL及KVL定理得到某故障相关于交流母线的电压电流方程，最终得到故障距离，进而
通过该故障距离判断故障的类型，以实现对单相交流线路的保护，实现了对交直流系统交
流线路的保护，提高了适用性和交直流系统的稳定性能。

[0129] 优选地，保护计算模块得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程为：

[0130]

[0131] 其中，

[0132]

[0133]

[0134] 式中，z相表示a,b,c三相中的任一故障相，umz为逆变侧交流母线的z相电压，imz为逆变侧交流母线的z相电流，xj为电压电流方程的系数，j＝1,2,...,7，R1、L1分别为逆变侧
交流线路的1模电阻及电感，kR为电阻的零模补偿系数，kR＝(R0‑R1)/3R1，R0为逆变侧交流线
路的零模电阻，kL为电感的零模补偿系数，kL＝(L0‑L1)/3L1，L0为逆变侧交流线路的零模电
感，im0为逆变侧交流母线保护装置处的零模电流，idc0为逆变侧的零模电流分量。

[0135] 通过保护计算模块得到逆变侧某故障相关于交流母线的电压电流方程，为后期构造超定方程提供了基础和依据，简单易行，易于实施。

[0136] 优选地，故障距离获得模块执行下述流程：

[0137] 将一段时间窗口内采集的逆变侧交流母线的三相电压uma,umb,umc、交流母线的三相电流ima,imb,imc及逆变器流向交流母线的三相电流idca,idcb,idcc输入所述电压电流方程
得到超定方程；

[0138] 基于Matlab的最小二乘优化函数得到超定方程的系数，其中，超定方程的系数与电压电流方程的系数相同；

[0139] 根据超定方程的系数得到故障距离。

[0140] 优选地，根据超定方程的系数得到故障距离的计算公式为：

[0141] ρ＝x1

[0142] 式中，ρ为故障距离。

[0143] 通过故障距离获得模块将采集的交流母线的三相电压、交流母线的三相电流及逆变器流向交流母线的三相电流带入电压电流方程可得到方程数大于待求系数的超定方程，
通过Matlab的最小二乘优化函数得到超定方程的系数，进而得到故障距离，通过该故障距
离判断故障的类型，以使相应的继电器动作，实现对相应故障交流线路的保护，计算简单，
提高了交直流系统的稳定性。

[0144] 优选地，保护动作模块执行下述流程：

[0145] 若故障距离小于单相交流线路的全长，则为区内故障，保护装置向逆变侧断路器发送跳闸信号，断路器跳闸；

[0146] 若故障距离大于单相交流线路的全长，则为区外故障，保护装置向逆变侧断路器发送闭锁信号，实现对单相故障线路的闭锁。

[0147] 通过保护动作模块将故障距离与单相交流线路的全长的比较，判断故障类型，保护装置根据该故障类型产生断路器控制信号，控制逆变侧断路器执行相应动作，实现对单
相交流线路的保护，判断方式简单可靠，且准确度较高，适用于谐波和非周期分量丰富的交
直流系统的保护。

[0148] 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。