陳仕龍張 杰劉紅銳謝佳偉侯云川

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 昆明 650500 2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局 曲靖 655000）

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特高壓直流輸電線路單端電流方向暫態(tài)保護

陳仕龍1張 杰2劉紅銳1謝佳偉1侯云川2

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 昆明 650500 2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局 曲靖 655000）

摘要提出一種特高壓直流輸電線路單端電流方向暫態(tài)保護方法。來自特高壓直流輸電線路本側(cè)區(qū)外和來自對側(cè)的故障電流在突變方向上具有明顯的差異，據(jù)此判斷故障信號來自對側(cè)還是本側(cè)區(qū)外；如故障信號來自對側(cè)，則利用希爾伯特黃變換求出故障信號的第一個固有模態(tài)函數(shù)（IMF1）瞬時頻率，提取瞬時頻率最大值從而判斷故障位于對側(cè)區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。給出一種特高壓直流輸電線路單端電流暫態(tài)保護方案。在PSCAD仿真平臺上對提出的方法進行仿真驗證。

關(guān)鍵詞：特高壓直流 線路保護 電流方向 單端暫態(tài)保護

國家自然科學(xué)基金（51267008）和昆明理工大學(xué)校人培基金（kkz3201304019）資助項目。

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)在遠距離輸電和大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)中具有獨特的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢[1]。但特高壓直流系統(tǒng)輸送容量大、輸電距離遠且線路沿途地貌復(fù)雜等特點使得直流線路故障成為直流系統(tǒng)中最常見的故障[2]。當(dāng)今世界直流線路保護均以行波保護為主保護，以微分欠電壓保護、差動保護為后備保護[3-6]。行波保護和微分欠電壓保護在高阻接地故障時容易拒動[7]，電流差動保護靈敏度不高、保護動作較慢[8]。

利用邊界對高頻量衰減特性的暫態(tài)保護是特高壓直流輸電線路保護的發(fā)展方向，目前對直流輸電線路暫態(tài)保護的研究主要集中于電壓暫態(tài)保護。文獻[9]基于直流濾波器和平波電抗器對故障信號高頻量的衰減特性提出一種特高壓直流輸電線路暫態(tài)保護方法。文獻[10]提出基于小波能量比的特高壓直流輸電線路單端保護方法。上述保護方法均忽略了特高壓長線路對高頻故障信號的衰減作用，導(dǎo)致不能實現(xiàn)真正意義上的全線保護。文獻[11]考慮特高壓直流輸電線路對高頻故障信號的衰減作用，提出了一種區(qū)分對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的特高壓直流輸電線路單端電壓暫態(tài)保護原理，但該原理沒有解決如何區(qū)分本側(cè)區(qū)外故障的問題，也不能實現(xiàn)全線保護。針對文獻[11]不能保護線路全長的缺點，文獻[12]考慮線路和邊界對高頻信號的衰減特性，提出一種特高壓直流輸電線路雙端電壓暫態(tài)保護方法，具有較高的可靠性，但該方法需要雙端信息交互，在速動性方面有所欠缺。

與電壓量相比，電流量包含更豐富的故障信息。文獻[13]提出的檢測電流首峰值時間的直流線路保護新原理在消除過渡電阻影響方面具有較好的效果。文獻[14]從故障電壓和電流突變方向入手，為直流輸電線路保護提供了新思路。研究利用電流量的特高壓直流輸電線路暫態(tài)保護具有重要意義。

本文首先分析故障暫態(tài)電流因故障點不同而呈現(xiàn)特定的突變方向性，基于這一點提出判斷故障電流來源方向的方法；其次分析邊界和線路對故障電流的衰減特性，提出區(qū)分對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的方法，結(jié)合希爾伯特黃變換，給出區(qū)分對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的判據(jù)；最后給出一種特高壓直流輸電線路單端電流方向暫態(tài)保護方案，并在PSCAD仿真平臺上對本文提出的方法進行驗證。

1 基本原理

1.1 線路頻率特性

利用邊界對高頻量衰減特性的暫態(tài)保護是特高壓直流輸電線路保護的發(fā)展方向，其基本思路是利用邊界元件對高頻信號的衰減作用來判別故障發(fā)生于區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，但基于這種思路的保護方法通常忽略了線路對高頻故障信號的衰減作用。

文獻[11]推導(dǎo)出雙極直流線路的傳遞函數(shù)為

式中，i表示0?；?模；iγ表示模衰減系數(shù)，其表達式為

式中，Ri表示線路單位長度的模電阻；Li表示單位長度的模電感；Ki表示單位長度的電容模分量。

將式（2）代入式（1），選取三個不同線路長度分析其幅頻特性，幅頻特性曲線如圖1所示。

由圖1可見，線路傳輸函數(shù)的幅值|A1（j ω）|隨著頻率升高逐漸降低，隨著線路長度增加急劇減小。由此表明特高壓直流線路對高頻量有衰減作用，線路越長，衰減作用越強烈。因此，對以利用邊界對高頻量衰減作用為基本原理的特高壓直流輸電線路暫態(tài)保護來說，線路衰減作用的影響不可忽略。

圖1　特高壓直流輸電線路傳輸函數(shù)的幅頻特性Fig.1 Magnitude-frequency characteristic of transfer function of UHVDC transmission line

1.2 電流方向識別

在交流線路上，電流呈周期性變化因而沒有方向性可言，但可以通過比較線路兩側(cè)檢測的電流相位判斷故障是發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，這就是電流相位比較式縱聯(lián)保護[15]。和交流線路相比，直流線路中電流的最大特點是電流具有特定的方向，正常情況下總是從整流側(cè)流向逆變側(cè)。規(guī)定電流由直流母線流向直流線路為正，那么正常運行時，圖2所示的云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)中流過整流側(cè)正極線的電流Inormal方向始終為正。

圖2　故障電流情況Fig.2 Fault current

當(dāng)d1處發(fā)生接地故障時，故障電流If1不經(jīng)過保護裝置而是從故障點通過接地極流回整流側(cè)，導(dǎo)致保護裝置處檢測到的電流減?。划?dāng)線路d2處或者逆變側(cè)母線d3處發(fā)生接地故障時，同樣會產(chǎn)生故障電流If2和If3，但此時的故障電流仍然經(jīng)過整流側(cè)保護裝置處，導(dǎo)致保護裝置處檢測到的電流增大。直流系統(tǒng)通常為雙極系統(tǒng)，線路發(fā)生故障后非故障極因線路耦合也會產(chǎn)生一個暫態(tài)量。為消除線路耦合對保護的影響，通常取模量進行分析研究。分析發(fā)現(xiàn)在雙極直流系統(tǒng)線路發(fā)生故障后，其故障暫態(tài)模量也滿足上述規(guī)律。在圖2所示的模型中，分別選取整流側(cè)直流母線、距離整流側(cè)300km的線路和逆變側(cè)直流母線模擬接地故障發(fā)生，整流側(cè)保護安裝處檢測到的線模故障電流波形如圖3所示。

圖3　區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時保護安裝處檢測到的線模電流波形Fig.3 Line mode currents waveforms of installation position detection of internal or external fault

由圖3可見，從整流側(cè)保護安裝處來看，來自本側(cè)區(qū)外的故障電流因減小而向下突變，來自線路和逆變側(cè)直流母線的故障電流因增大而向上突變。上述分析表明，通過對故障暫態(tài)電流突變方向加以檢測識別，便可判斷故障信號來自本側(cè)區(qū)外還是來自對側(cè)。

1.3 對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障識別

云廣特高壓直流輸電線路兩端均加裝平波電抗器、直流濾波器和PLC濾波器，三者共同構(gòu)成一個實體物理邊界[10]，邊界構(gòu)成如圖4所示。

圖4　云廣特高壓直流輸電線路邊界Fig.4 The boundary of Yun Guang UHVDC transmission lines

平波電抗器的阻抗為

直流濾波器的等效阻抗為

平波電抗器具有低通濾波器的特點，而直流濾波器具有高通濾波器的特點[12]。

為了便于分析PLC濾波器，將PLC分為兩部分，其阻抗分別為Z3和Z4，如圖5所示。

圖5　PLC濾波器Fig.5 PLC filter

文獻[5]中提出，在分析特高壓直流輸電線路“邊界”的頻率特性時，假設(shè)線路側(cè)處于開路狀態(tài)。這里也做同樣的假設(shè)，即線路側(cè)開路，那么阻抗Z3上將不會有壓降，因而PLC濾波器的阻抗可等效為

其幅頻特性表明，PLC濾波器也是呈高通濾波器的特點[12]。

式（3）～式（5）表明特高壓直流輸電線路邊界元件對高頻信號有很強的衰減作用，文獻[12]的直流線路暫態(tài)保護方法正是基于此提出的。

特高壓直流線路對高頻量有衰減作用，線路越長，衰減作用越大[16]。由特高壓直流輸電線路邊界的頻率特性可知：特高壓直流輸電線路的邊界元件對高頻信號有很強的衰減作用。線路對高頻信號衰減作用的大小與線路長度有關(guān)，當(dāng)特高壓直流輸電線路達到一定長度時，線路對故障高頻暫態(tài)信號的衰減作用將有可能超過特高壓直流輸電線路“邊界”對故障高頻暫態(tài)信號的衰減作用?？紤]特高壓直流輸電線路對故障高頻暫態(tài)信號的衰減作用，提出一種區(qū)分對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的方法，其原理如圖6所示。

區(qū)分對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障原理的基本思想是：利用保護元件檢測來自對側(cè)的故障信號進而判斷故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，即利用整流側(cè)保護元件來區(qū)分

逆變側(cè)的區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障，利用逆變側(cè)的保護元件來區(qū)分整流側(cè)的區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。

圖6中，保護裝置位于整流側(cè)，當(dāng)逆變側(cè)區(qū)外d2點發(fā)生故障時，故障處產(chǎn)生的故障高頻暫態(tài)電流信號要通過特高壓直流輸電線路“邊界”和線路的雙重衰減后才能到達整流側(cè)保護安裝處；而當(dāng)區(qū)內(nèi)線路末端d1點發(fā)生故障時，故障處產(chǎn)生的故障高頻暫態(tài)電流信號則只通過特高壓直流輸電線路的衰減就能到達整流側(cè)保護安裝處。因此通過提取來自對側(cè)的故障電流特征量，并與預(yù)先設(shè)置的閾值作比較，便可判斷故障發(fā)生在線路上還是對側(cè)區(qū)外。

圖6　利用保護元件區(qū)分對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障的原理Fig.6 Schematic diagram which uses protector to distinguish the opposite inside and outside faults

2 故障電流方向判據(jù)

1.2節(jié)分析結(jié)果表明，對于整流側(cè)保護裝置，來自本側(cè)區(qū)外和對側(cè)的故障電流信號突變方向相反，來自本側(cè)區(qū)外的故障電流向下突變，來自對側(cè)的故障電流向上突變。據(jù)此，對突變點處的信號進行求導(dǎo)運算，如果求導(dǎo)結(jié)果在一段連續(xù)時間內(nèi)恒大于零可認(rèn)為故障電流信號來自線路或者對側(cè)區(qū)外，如果求導(dǎo)結(jié)果在一段連續(xù)時間內(nèi)恒小于零可認(rèn)為故障電流信號來自本側(cè)區(qū)外。但這種判斷方法的缺陷是：信號中的高頻諧波分量會影響求導(dǎo)結(jié)果，導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)確。

如果定義直接檢測到的故障狀態(tài)下的線模電流減去正常運行狀態(tài)下的線模電流為故障電流變化量，云廣特高壓直流系統(tǒng)正常運行時的線模電流為6.25kA，那么故障電流變化Δi可表示為

式中，il表示故障狀態(tài)下檢測到的線模電流。很顯然，式（6）的作用就是將故障電流在坐標(biāo)系中向下平移6.25個單位，使得故障電流變化量在故障起始一段時間內(nèi)偏向橫軸某一側(cè)。如果故障電流信號來自對側(cè)，故障電流變化量在故障起始一段時間內(nèi)偏向橫軸上方；如果故障電流信號來自本側(cè)區(qū)外，故障電流變化量在故障起始一段時間內(nèi)偏向橫軸下方。例如對圖2中的三個線模電流求故障電流變化量，得到的結(jié)果如圖7所示。對故障電流作這樣處理的好處是：如果對Δi在故障起始一段時間進行積分運算，結(jié)果將只有大于零和小于零兩種情況，從而可以判斷故障信號來自哪個方向。

圖7　線模電流故障電流變化量Fig.7 Fault current variation of line mode current

由于采集的信號和計算機處理信號都是離散的，用式（7）求和方式代替對Δi的求積分運算為

式中，t0表示故障起始時刻；Δt表示采樣間隔；KΔt表示故障后一段時間。故障電流來自對側(cè)時，Δi＞0，則有P＞0；故障電流來自本側(cè)區(qū)外時，Δi＜0，則有P＜0。故通過判斷P＞0還是P＜0就可知道信號是來自本側(cè)區(qū)外還是來自對側(cè)，判據(jù)如下：若P＞0，判斷為故障電流信號來對側(cè)；若P＜0，判斷為故障電流信號來自本側(cè)區(qū)外。

3 對側(cè)區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)

利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法（Empirical Mode Decomposition,EMD）可以將一個復(fù)雜的信號分解成一組被稱為“固有模態(tài)函數(shù)”信號分量，再對各分量信號進行希爾伯特變換，可以得到各分量中的瞬時頻率情況，這就是希爾伯特黃變換[17]。瞬時頻率反映了信號頻率隨時間變化而變化的位置信息[18]。

對采集的來自對側(cè)的故障電流信號進行EMD分解，對第一個分量信號進行希爾伯特變換求取瞬時頻率，因第一個分量包含高頻故障信息，所以通過提取第一個分量中最大的瞬時頻率值和對應(yīng)時刻不僅可以確定故障發(fā)生在對側(cè)區(qū)內(nèi)還是區(qū)外[18]，還可以確定故障信號到達保護安裝點的時刻。在如圖2所示的模型中分別模擬線路末端和逆變側(cè)直流母線（區(qū)外）接地故障，過渡電阻為1Ω，在整流側(cè)保護安裝點處以10kHz的采樣率記錄故障電流，為消除正負極線耦合的影響，對直接采集的正負極線路上的電流進行相模變換，得到線模故障電流波形如圖8所示。

圖8　故障電流波形Fig.8 Fault current waveforms

由圖8可見，正常運行時，整流側(cè)記錄到的線模電流受換流裝置的影響在6.25kA上下有一定波動，但整體平穩(wěn)。線路故障時，線模電流突然增大，線路末端故障時整流側(cè)保護安裝點處記錄到的故障電流波形有很多毛刺，而逆變側(cè)母線故障時整流側(cè)保護安裝點處記錄到的故障電流波形較為光滑，說明前者比后者包含更多的高頻成分。對兩者進行EMD分解后的高頻分量進行希爾伯特變換，得到的瞬時頻率如圖9所示。

由圖9可見，線路末端故障時，故障電流中瞬時頻率最大值為4 928Hz；逆變側(cè)直流母線即對側(cè)區(qū)外故障時，故障電流中瞬時頻率最大值為312Hz。因為線路末端故障信號只經(jīng)過線路的衰減到達整流側(cè)，所以最高頻率值較大；而逆變側(cè)直流母線故障信號經(jīng)過逆變側(cè)邊界和線路的雙重衰減到達整流側(cè)，因而信號中最高頻率值較小。并且當(dāng)線路上其他位置故障時，故障信號中最高瞬時頻率值必然大于區(qū)外故障時的最高瞬時頻率值?；诖?，依據(jù)直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行經(jīng)驗，通過實測或大量仿真的方法預(yù)先設(shè)置一個Fset，對故障信號進行EMD分解，求出IMF1中瞬時頻率最大值fmax，若fmax≥Fset，判斷為區(qū)內(nèi)故障；若fmax＜Fset，判斷為對側(cè)區(qū)外故障。

圖9　瞬時頻率Fig.9 Instantaneous frequency

4 單端電流保護方案及仿真結(jié)果

4.1 保護方案

基于前面的分析提出如下整流側(cè)的特高壓直流輸電線路單端電流暫態(tài)保護方案：對檢測到的線模故障電流信號利用式（6）求出故障電流變化量，對故障電流變化量按式（7）作積分運算求出P值，若P＜0直接判斷為區(qū)外故障，直流線路保護不動作；如果P＞0，判斷為故障信號可能來自線路或者逆變側(cè)區(qū)外，進而對線模故障電流信號進行EMD分解，計算IMF1瞬時頻率，并提取其中最大值fmax，將fmax與預(yù)設(shè)門檻值Fset進一步作比較。若fmax≥Fset，判斷為區(qū)內(nèi)故障，直流線路保護動作；若fmax＜Fset，判斷為逆變側(cè)區(qū)外故障，直流線路保護不動作。流程如圖10所示。

4.2 仿真結(jié)果

利用如圖2所示的云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)模型，對本文提出的保護方案進行了大量的仿真試驗，仿真采樣率為10kHz，過渡電阻在1～500Ω之間變化，隨機選取不同的故障距離，F(xiàn)set取1kHz。仿真結(jié)果見表1。

從表中可以看出，當(dāng)故障位置在整流側(cè)母線，即整流側(cè)區(qū)外故障時，P＜0，不用計算fmax，由保護方案流程可以直接判斷為整流側(cè)區(qū)外故障；當(dāng)故障位置位于線路或者逆變側(cè)區(qū)外時，計算得到的都是P＞0的，繼續(xù)計算求取fmax，線路故障時fmax高達幾kHz，而逆變側(cè)區(qū)外故障時fmax為幾百Hz，兩者相差一個數(shù)量級。通過變換故障極和過渡電阻，均能實現(xiàn)線路區(qū)內(nèi)外故障的判斷。

圖10　保護方案流程Fig.10 Flow chart of protection scheme

表1　仿真試驗結(jié)果Tab.1 Simulation results

5 結(jié)論

本文通過分析直流輸電線路區(qū)內(nèi)外故障時故障電流的方向性從而確定故障信號來自對側(cè)還是本側(cè)區(qū)外；通過分析特高壓直流輸電線路和邊界對故障電流信號的衰減作用，提出判斷故障位于區(qū)內(nèi)還是對側(cè)區(qū)外。綜上得出如下結(jié)論：

1）從故障起始時刻對故障電流變化量進行積分運算。積分結(jié)果P＜0表明故障點位于本側(cè)區(qū)外；積分結(jié)果P＞0表明故障點位于線路或?qū)?cè)區(qū)外。

2）對故障暫態(tài)電流進行希爾伯特黃變換，提取最高瞬時頻率fmax。若fmax≥Fset，判斷為區(qū)內(nèi)故障，直流線路保護動作；若fmax＜Fset，判斷為逆變側(cè)區(qū)外故障。

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陳仕龍 男，1973年生，博士，副教授，研究方向為高壓直流輸電。

E-mail:kmcsl3@sina.com

劉紅銳 女，1982年生，博士，講師，研究方向為柔性直流輸電。

E-mail:15887260304@126.com（通信作者）

A Single-Ended Current Direction Transient Protection of UHVDC Transmission Line

Chen Shilong1Zhang Jie2Liu Hongrui1Xie Jiawei1Hou Yunchuan2
（1.School of Electric Power Engineering Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2.Qujing Bureau CSG EHV Transmission Company Qujing 655000 China）

AbstractA single-ended current direction transient protection of UHVDC transmission line is put forward.Fault current signal outside the region is obviously different in mutation direction from the one at the opposite side.So the direction where the fault signal comes from can be judged.UHVDC boundary and transmission line have attenuation to fault current.If the fault signal comes from the opposite internal,with HHT the instantaneous frequency of IMF1 is calculated.Then,from the maximum value of instantaneous frequency,whether the fault is from the opposite internal or external fault can be judged.A transient current protection scheme of UHVDC transmission line is given.The simulation results of PSCAD verify the protection scheme.

Keywords：Ultra-high voltage direct current,line protection,current direction,single-ended transient protection

作者簡介

收稿日期2014-05-08 改稿日期 2015-03-05

中圖分類號：TM773