本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种全线速动保护的故障区域判定方法和系统。
背景技术：
直流输电线路可分为架空线路、电缆线路以及架空－电缆混合线路三种类型。直流输电线路传输功率大，发生故障后要求保护装置必须尽可能快的动作，切除故障，否则将对整个系统造成很大的冲击，对系统的安全稳定运行构成威胁。全线速动保护是直流输电线路上的保护装置(如继电器)在检测到故障发生后迅速进行线路保护的措施。
传统的对高压直流输电线路进行全线速动保护，通常是采用工频保护方法或采用行波测距的方式判定故障区域后进行保护。对于工频保护，由于其动作速度慢、耗时较多，难以满足高压直流输电线路保护的要求；对于行波测距，高压直流输电线路一般串联有平波电抗器，平波电抗器一端为母线侧，另一端为线路侧；由于平波电抗器对行波有一定干扰，无法准确判断故障区域是在平波电抗器母线侧还是平波电抗器线路侧，故障保护效率低。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述问题，提供一种提高故障保护效率的全线速动保护的故障区域判定方法和系统。
一种全线速动保护的故障区域判定方法，包括：
获取保护装置测量的电压行波；
根据所述保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断所述保护装置所在的线路是否发生故障；
若是，以检测到发生故障的时刻为当前时刻，获取所述当前时刻之后的预设时长内所述保护装置测量的电压行波的电压变化率；
若所述电压变化率小于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器线路侧；
若所述电压变化率大于所述预设参考变化率，则判定故障区域位于所述平波电抗器母线侧。
一种全线速动保护的故障区域判定系统，包括：
行波获取模块，用于获取保护装置测量的电压行波；
故障判定模块，用于根据所述保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断所述保护装置所在的线路是否发生故障；
电压变化率获取模块，用于在发生故障时，以检测到发生故障的时刻为当前时刻，获取所述当前时刻之后的预设时长内所述保护装置测量的电压行波的电压变化率；
第一区域判定模块，用于在所述电压变化率小于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器线路侧；
第二区域判定模块，用于所述电压变化率大于所述预设参考变化率时，判定故障区域位于所述平波电抗器母线侧。
上述全线速动保护的故障区域判定方法和系统，通过根据保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断保护装置所在的线路是否发生故障，若是，则通过将检测到故障发生时刻之后的预设时长内测量的电压行波的电压变化率与预设参考变化率比较；若电压变化率小于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器线路侧；若电压变化率大于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器母线侧。如此，一方面由于采用对电压行波进行分析，速度快，可满足对保护系统速动性的要求；另一方面，利用发生故障后预设时长内的电压变化率进行分析判别故障区域，判别准确性高；因此，可提高故障判别的准确性和高效性，从而提高故障保护的效率。
附图说明
图1为直流电缆的部分结构图；
图2为一实施例中全线速动保护的故障区域判定方法的流程图；
图3为另一实施例中全线速动保护的故障区域判定方法的流程图；
图4为一实施例中全线速动保护的故障区域判定系统的结构图；
图5为另一实施例中全线速动保护的故障区域判定系统的结构图。
具体实施方式
当直流输电线路发生故障时，由于直流输电线路的分布电容和电感的充放电过程，就导致故障点产生了故障电压行波和电流行波，分别流向直流输电线路两侧母线。高压直流架空线路发生故障时，就故障特性而言，短路故障的过程分为三个阶段：初始行波阶段、暂态阶段和稳态阶段。
初始行波阶段：故障后，线路电容通过线路阻抗放电，沿线路电场和磁场所储存的能量相互转化形成故障电流行波和相应的电压行波。其中电流行波幅值取决于线路波阻抗和故障前瞬间故障点的直流电压值。线路对地故障点弧道电流为两侧流向故障点的行波电流之和，此电流在行波第一次反射或折射之前，不受两端换流站控制系统的控制。经过来回反射和折射后，故障电流转入暂态阶段。
暂态阶段：直流线路故障电流主要分量有：带有脉动而且幅值有变化的直流分量(强迫分量)和由直流主回路参数所决定的暂态振荡分量(自由分量)。在此阶段，控制系统中定电流控制开始起到较显著的作用，整流侧和逆变侧分别调节使滞后触发角增大，抑制了线路两端流向故障点的电流。传统的基于电流、电压幅值或相位变化量的保护原理就是采用暂态阶段的故障分量，但其动作性能却远不如行波保护：首先，其反应速度相比于行波保护慢很多；其次，由于定电流控制的作用，使得故障电流、电压的幅值和变化率都减小，加大了故障识别的难度，甚至可能改变故障电流的方向，从而造成保护的不正确动作。
稳态阶段：最终，故障电流进入稳态，两侧故障电流提供的故障电流稳态值被控制到分别等于各自定电流控制器的整定值，两侧流入故障点的电流方向相反，故障点电流为两者之差，即为电流裕额。
高压直流输电线路故障暂态特性分析如下：
高压直流输电系统的直流电缆两端串联平波电抗器，滤除电流谐波。如图1所示为直流电缆的部分结构，其中保护装置(继电器和断路器)为r，f1与f2中间的器件为平波电抗器，f1表示平波电抗器线路侧的故障点，f2表示平波电抗器母线侧的故障点，f3为保护装置r另一侧的故障点，ⅰ段为保护装置r的第一保护区域，ⅱ段为保护装置r的第二保护区域。
故障后，在电缆端测量的电压和电流可以用行波表示。如图1，故障f1或故障f2的特性可以用延时间轴t表示的网格图表示，行波由故障位置产生，并传播至保护装置r处，然后一部分波反射回故障位置，另一部分波折射至电网其他部分。该时间段内，从另一端反射回来的电压波或电流波在电缆中叠加。保护装置r测量到故障点f1或故障点f2产生的电压电流的第一个反射波，即ur和ir，如下公式(1)-式(2)。
ur＝(1+γ)*a*ufault(1)；
ir＝(1-γ)*a*ifault(2)；
其中，γ是反射系数，由电缆的特征阻抗和电缆终端阻抗决定；a表示电缆上的波传播系数，由电缆参数和电缆长度决定；ufault和ifault是电缆故障点的电压和电流，由故障位置和故障阻抗决定；行波的第一次反射仅由故障电缆特性和所在电缆的终端阻抗决定。
1)设故障点f1发生在电缆末端的平波电抗器线路侧。故障电压用故障电阻和电缆阻抗表示为如下公式(3)。
其中，ufault，f1是故障点f1的故障电压，u0是故障点f1的故障前电压；rf是故障电阻，zc是电缆波阻抗，式中的1/2是因为故障电阻与两端的电缆阻抗串联。同理可得故障f2为金属性故障的故障电压ufault，f2，即如下公式(4)。
其中，l是平波电抗器的电感值，sl是平波电抗器的频域值，zc是电缆波阻抗，u0u0是f2点故障前的电压。式(3)和式(4)的区别在于串联的电感l滤除了ufault，f2中的高频分量，故障电阻rf使得ufault，f1幅值衰减。
2)终端反射：反射系数γ联系着行波和反射波。均匀无损耗的纯电感性终端线路发生金属性故障，式(1)和式(2)的时域值为：
其中，ufault是电压行波的幅值，ifault是电流行波值，时间常数l/zc，e是自然对数的底数，e＝2.718；t为时间变量。
基于上述分析，本发明提供一种全线速动保护的故障区域判定方法。
参考图2，一实施例中的全线速动保护的故障区域判定方法，包括如下步骤。
s110：获取保护装置测量的电压行波。
保护装置指用于实现线路故障保护的装置，如继电器、断路器。获取保护装置测量的电压行波，可以是实时获取。
s130：根据保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断保护装置所在的线路是否发生故障。若是，则执行步骤s150。
预设电压整定值上限用于判别故障状态和正常状态，可以预先存储。
在一实施例中，参考图3，步骤s130包括步骤s131。
s131：判断保护装置测量的电压行波的电压值是否小于预设电压整定值上限。若是，判定保护装置所在的线路发生故障，执行步骤s150。
线路的故障特性为电压值降低、电流值增加；电压行波经过串联电感而大部分发生反射，电流波则增长缓慢。因此，将电压行波的电压值低于预设电压整定值上限作为故障发生的判据，从而可根据电压行波分析是否发生故障，判据简单且准确性高。
在一实施例中，预设电压整定值上限为保护装置所在线路正常时的线路电压的85％。经仔细的研究、试验和选择，线路正常状态下线路电压的85％的电压值作为故障状态与正常状态的分界点，用于与电压行波的电压值进行比较以判断是否故障，准确性更高。
s150：以检测到发生故障的时刻为当前时刻，获取当前时刻之后的预设时长内保护装置测量的电压行波的电压变化率。
预设时长可以根据实际需要具体设置。获取当前时刻之后的预设时长内保护装置测量的电压行波的电压变化率，包括：获取当前时刻之后预设时长的对应时刻保护装置测量的电压行波的电压值得到第一电压值；计算第一电压值与当前时刻保护装置测量的电压行波的电压值的差值；将差值除以预设时长，得到电压变化率。
电压变化率可以体现电压行波在预设时长内的电压变化的速率。通过在检测到故障发生时获取电压变化率，以便后续根据电压变化率进行区域分析。
s170：若电压变化率小于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器线路侧。
预设参考变化率可以根据实际需要预先设置存储。
平波电抗器线路侧的故障和平波电抗器母线侧的故障的最大区别是电压中的高频分量。平波电抗器线路侧的故障的暂态量经故障电阻而衰减。平波电抗器母线侧的故障的暂态高频分量经电感而滤除。平波电抗器线路侧的故障距离保护装置近，因此，平波电抗器线路侧故障时电压值的降低速率高于平波电抗器母线侧电压值降低的速率，以此作为区域判别的基准。
由于故障时电压值降低，因此电压变化率为负值。若电压变化率小于预设参考变化率，表示电压值的变化速率高于预设参考变化率对应的速率，电压变化较快，此时判定故障区域为平波电抗器线路侧。
s190：若电压变化率大于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器母线侧。
若电压变化率大于预设参考变化率，表示电压值的变化速率低于预设参考变化率对应的速率，电压变化较慢，此时判定故障区域为平波电抗器母线侧。
上述全线速动保护的故障区域判定方法，通过根据保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断保护装置所在的线路是否发生故障，若是，则通过将检测到故障发生时刻之后的预设时长内测量的电压行波的电压变化率与预设参考变化率比较；若电压变化率小于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器线路侧；若电压变化率大于预设参考变化率，则判定故障区域位于平波电抗器母线侧。如此，一方面由于采用对电压行波进行分析，速度快，可满足对保护系统速动性的要求；另一方面，利用发生故障后预设时长内的电压变化率进行分析判别故障区域，判别准确性高；因此，可提高故障判别的准确性和高效性，从而提高故障保护的效率。
在一实施例中，继续参考图3，步骤s150之后，还包括步骤s161至步骤s163。
s161：获取当前时刻之后预设时间点保护装置测量的电压行波。
预设时间点指当前时刻之后的某个固定时刻。优选地，预设时间点取当前时刻之后较短时间对应的一个时刻，避免因电压值下降过多而分析不准确。
s163：判断保护装置在预设时间点测量的电压行波的电压值是否小于预设电压整定值下限。其中，预设电压整定值下限小于预设电压整定值上限。
若是，则执行步骤s170；若否，则表示保护装置在预设时间点测量的电压行波的电压值大于或等于预设电压整定值下限，且小于预设电压整定值上限(此时已确认发生故障，因此电压行波的电压值小于预设电压整定值上限)，此时执行步骤s190。
由于测量误差和噪声，仅仅依据电压变化率判别故障区域可能存在较小的差异。通过在预设时间点获取保护装置测量的电压行波，在预设时间点对应电压行波的电压值小于预设电压整定值下限时，执行步骤s170，在预设时间点对应电压行波的电压值大于或等于预设电压整定值下限且小于预设电压整定值上限时，执行步骤s190，可结合预设时间点的电压行波与电压变化率一起考虑进行故障区域判别，可进一步提高判别的准确性。
在一实施例中，继续参考图3，步骤s150之后，还包括步骤s162。
s162：获取当前时刻之后的预设时长内保护装置测量的电流行波的电流变化率。
对应地，本实施例中，步骤s170之后还包括步骤s180。
s180：若电流变化率大于零，则判定故障为正向故障。
步骤s162可以在步骤s170之前执行，也可以在步骤s170之后执行，保证步骤s162在步骤s180之前执行即可。本实施例中，步骤s162在步骤s163之前执行。
在一实施例中，预设时间点即为检测到发生故障的当前时刻。平波电抗器线路侧的正向故障判别模型为：
其中，t_start为当前时刻，t_end为当前时刻的预设时长之后的时刻，ug(t_end)为t_end对应时刻保护装置测量得到的电压行波的电压值，ug(t_start)为t_start对应时刻保护装置测量得到的电压行波的电压值，dus为预设参考变化量，
由于电压不包含故障方向的信息，因此无法区别正向故障和反向故障。步骤s170之后判别到故障区域位于平波电抗器线路侧。然而参考图1可知，f3所在位置也离保护装置很近。因此，为区分故障的方向，通过获取当前时刻之后预设时长内的电流变化率进行分析，若电流变化率大于零，表示电流值增加，此时可判定故障为正向故障。否则，若电流变化率小于零，可判定故障为反向故障。如此，可进一步精确故障区域，更进一步提高故障区域判别的准确性。
在一实施例中，步骤s180之后还包括：分别获取保护装置测量在当前时刻的预设采样间隔之后的时刻的电压行波、保护装置在当前时刻之后预设时长对应时刻的预设采样间隔之后的时刻测量的电压行波、保护装置在当前时刻的两倍预设采样间隔之后的时刻的电压行波，以及保护装置在当前时刻之后预设时长对应时刻的两倍预设采样间隔之后的时刻测量的电压行波，获取最终确认的故障区域。平波电抗器线路侧的正向故障判别模型具体如下：
其中，t_sample为预设采样间隔。
在三次故障判定都满足条件时，则可判定故障区域为平波电抗器线路侧。通过采用连续3次判断分析，才得到最终确定的故障区域，可提高故障判别的准确性。
平波电抗器母线侧的故障判别模型为：
其中，uset1为预设电压整定值上限。
步骤s190之后还可包括：分别获取保护装置测量在当前时刻的预设采样间隔之后的时刻的电压行波、保护装置在当前时刻之后预设时长对应时刻的预设采样间隔之后的时刻测量的电压行波、保护装置在当前时刻的两倍预设采样间隔之后的时刻的电压行波，以及保护装置在当前时刻之后预设时长对应时刻的两倍预设采样间隔之后的时刻测量的电压行波，获取最终确认的故障区域。平波电抗器母线侧的故障判别模型具体如下：
同理，在三次故障判定都满足条件时，则可判定故障区域为平波电抗器线路侧。通过采用连续3次判断分析，才得到最终确定的故障区域，可提高故障判别的准确性。
参考图4，一实施例中的全线速动保护的故障区域判定系统，包括行波获取模块110、故障判定模块130、电压变化率获取模块150、第一区域判定模块170和第二区域判定模块190。
行波获取模块110用于获取保护装置测量的电压行波。
故障判定模块130用于根据保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断保护装置所在的线路是否发生故障。
在一实施例中，预设电压整定值上限为保护装置所在线路正常时的线路电压的85％。
经仔细的研究、试验和选择，线路正常状态下线路电压的85％的电压值作为故障状态与正常状态的分界点，用于与电压行波的电压值进行比较以判断是否故障，准确性更高。
在一实施例中，故障判定模块130用于判断保护装置测量的电压行波的电压值是否小于预设电压整定值上限，若保护装置测量的电压行波的电压值小于预设电压整定值上限，则判定保护装置所在的线路发生故障。
电压变化率获取模块150用于在发生故障时，以检测到发生故障的时刻为当前时刻，获取当前时刻之后的预设时长内保护装置测量的电压行波的电压变化率。
第一区域判定模块170用于在电压变化率小于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器线路侧。
第二区域判定模块190用于电压变化率大于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器母线侧。
上述全线速动保护的故障区域判定系统，通过行波获取模块110获取保护装置测量的电压行波，故障判定模块130根据保护装置测量的电压行波和预设电压整定值上限判断保护装置所在的线路是否发生故障，若是，则电压变化率获取模块150以检测到发生故障的时刻为当前时刻，获取当前时刻之后的预设时长内保护装置测量的电压行波的电压变化率；第一区域判定模块170在电压变化率小于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器线路侧；第二区域判定模块190在电压变化率大于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器母线侧。如此，一方面由于采用对电压行波进行分析，速度快，可满足对保护系统速动性的要求；另一方面，利用发生故障后预设时长内的电压变化率进行分析判别故障区域，判别准确性高；因此，可提高故障判别的准确性和高效性，从而提高故障保护的效率。
在一实施例中，参考图5，上述全线速动保护的故障区域判定系统还包括预设时间点检测模块160，用于在电压变化率获取模块150获取电压变化率后，获取当前时刻之后预设时间点保护装置测量的电压行波，判断保护装置在预设时间点测量的电压行波的电压值是否小于预设电压整定值下限；若是，则第一区域判定模块170在电压变化率小于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器线路侧；若否，则第二区域判定模块190在电压变化率大于预设参考变化率时，判定故障区域位于平波电抗器母线侧。其中，预设电压整定值下限小于预设电压整定值上限。
由于测量误差和噪声，仅仅依据电压变化率判别故障区域可能存在较小的差异。通过预设时间点检测模块160在预设时间点获取保护装置测量的电压行波并与预设电压整定值下限比较，可结合预设时间点的电压行波与电压变化率一起考虑进行故障区域判别，可进一步提高判别的准确性。
在一实施例中，参考图5，上述全线速动保护的故障区域判定系统还包括故障方向分析模块180。
故障方向分析模块180用于在电压变化率获取模块150获取电压变化率后，获取当前时刻之后的预设时长内保护装置测量的电流行波的电流变化率；以及用于在第一区域判定模块170判定故障区域位于平波电抗器线路侧之后，在电流变化率大于零时，判定故障为正向故障。
由于电压不包含故障方向的信息，因此无法区别正向故障和反向故障。通过加入对电流变化率的分析以区分正向故障和反向故障，可进一步精确故障区域，更进一步提高故障区域判别的准确性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。