李佳曼

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭澄海供電局，廣東 汕頭 515800)

直流保護出口時間的不確定性及其時序特性

李佳曼

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭澄海供電局，廣東 汕頭 515800)

針對直流保護在交流故障下動作結(jié)果不確定的問題，就直流保護在交流故障下出口時間的不確定性及其特有的出口時序特性展開研究。首先分析了直流保護的計時原理，指出直流保護計時采用累計方式導(dǎo)致動作出口時間不確定；然后基于實際的控制保護模型與參數(shù)的PSCAD/EMTDC仿真平臺，通過設(shè)置不同故障條件，研究不同故障、不同故障角對直流保護出口時間的影響，結(jié)果表明直流保護出口時間在不同故障和不同故障角下具有不確定性；最后分析了直流保護在交流故障下的出口時序特性，結(jié)果表明不同直流保護的出口時序配合決定了最后保護動作的結(jié)果。

直流保護；交流故障；出口時間；不確定性；出口時序

近年來，高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛[1]，南方電網(wǎng)目前已形成“八交九直”的交直流混聯(lián)格局，且隨著直流工程的增加，混聯(lián)程度將日趨復(fù)雜[2-3]。交直流混聯(lián)電網(wǎng)的形成為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來新的約束條件，交直流相互作用對電網(wǎng)安全運行帶來的新挑戰(zhàn)不可忽視[4-6]，南方電網(wǎng)已出現(xiàn)多起由交直流相互作用導(dǎo)致直流保護誤動的事故[7-10]?，F(xiàn)有學(xué)者對此作了大量研究，文獻[11]分析了交流暫態(tài)入侵給直流繼電保護帶來的問題和挑戰(zhàn)；文獻[12]揭示了直流保護對交流故障的響應(yīng)機理，并梳理出在原理上能反映交流故障的直流保護類型。

對直流保護而言，由于直流系統(tǒng)存在換流閥的切換及控制系統(tǒng)的作用問題，使得直流保護的動態(tài)行為與交流保護相比具有特殊性，比如換流閥的狀態(tài)切換帶來保護出口時間的離散性，而現(xiàn)有文獻對此卻鮮有提及。現(xiàn)場經(jīng)驗及仿真結(jié)果均表明，交流系統(tǒng)故障時，直流保護的動作結(jié)果呈現(xiàn)一定的不確定性，即同一故障發(fā)生在不同時刻，直流保護的動作結(jié)果可能不同。直流保護在交流故障下的出口時序特性給現(xiàn)場人員帶來較大的困惑，也給運行處理帶來較大的不便。

本文針對直流保護在交流系統(tǒng)故障下動作結(jié)果的不確定性，從直流保護的計時原理入手，分析直流保護采用累計方式計時導(dǎo)致直流保護動作出口時間的不確定性；結(jié)合PSCAD/EMTDC軟件的仿真數(shù)據(jù)，分析直流保護在不同故障下及不同故障時刻保護動作出口的時間特性；最后分析直流保護在交流故障下的出口時序特性。

1 直流保護的計時原理

交流保護的動作出口時間通常為故障發(fā)生后的一個固定時限，基本與保護的整定延時相同；而對于直流保護，在現(xiàn)場運行經(jīng)驗與仿真試驗中，均發(fā)現(xiàn)其出口時間會出現(xiàn)與整定延時不一致的情況。保護的出口時間與保護的計時原理密不可分，針對此，需要對直流保護的計時原理進行全面分析。

在直流保護中，常采用的計時器并不像交流保護一樣在判據(jù)不滿足時便清零，而是采用累計的方式。在直流工程中，主流技術(shù)——Siemens公司和ABB公司的技術(shù)均存在直流保護出口時間不確定的問題，本文以Siemens公司的技術(shù)路線為例進行說明?；赟iemens公司技術(shù)路線的直流保護采用保護專用模塊來實現(xiàn)保護功能，按計時方法可分為快充慢放型和直接計時型。

1.1 快充慢放型

快充慢放型采用DISA1保護模塊。按有無返回時間，DISA1保護模塊又分為單階保護模塊及雙階保護模塊。

1.1.1 單階保護模塊

單階保護模塊如圖1所示，其邏輯如圖2所示。

R—重置端；X1、X2—保護特征量輸入端；XR—保護定值(標(biāo)幺量)輸入端；XN—基準(zhǔn)值輸入端；T—保護延時輸入端；L—鎖存命令端，決定是否將QU段的值存儲在RS觸發(fā)器中；QU—在計時器達到上限時置“1”，否則為“0”；ANQ—在計時器不為零時置“1”，在計時器為零時置“0”。圖1 DISA1單階保護模塊

SR—重置端信號，SL—鎖存命令端信號，SANQ—ANQ端信號，SQU—QU端信號，X1、X2—保護特征量，XR—保護定值(標(biāo)幺量)，XN—基準(zhǔn)值，T—保護延遲時間，Z—計時器數(shù)值。圖2 DISA1單階保護模塊邏輯

由圖2可知：在每個采樣周期，若保護特征量滿足判據(jù)，則Z值每次增加20；若故障過程中保護特征量不滿足判據(jù)，則Z值每次減1。在計時器不被重置的情況下，保護特征量滿足判據(jù)的時間是可以累計的，當(dāng)Z值累計達到上限20T時，保護出口。

1.1.2 雙階保護模塊

雙階保護模塊比單階保護模塊多了一個輸入端TVR，用于設(shè)置保護的重置時間，其他輸入端的作用均與單階保護模塊的相應(yīng)輸入端相同。雙階保護模塊比單階保護模塊多了一個計時器Z2，用來計算保護特征量不滿足判據(jù)時是否達到返回時間，若達到重置時間，則重置保護模塊的輸出。

1.2 直接計時型

直接計時型采用DIS1模塊，與快充慢放型相比，直接計時型沒有減時功能。在計時器不被重置的情況下，保護特征量滿足判據(jù)的時間同樣是可以累計的，當(dāng)計時器的數(shù)值累計達到上限時，保護出口。

由以上的分析可知，直流保護中的保護模塊均有累計的功能，即在故障過程中，保護特征量若不滿足判據(jù)，保護模塊的計時器不會被清零。只要保護模塊沒有被重置或者達到返回時間，下一次采樣滿足判據(jù)，計時器可以繼續(xù)累加，累計達到保護延時，保護才出口。這是考慮到直流系統(tǒng)的暫態(tài)過程波動性較大，采用累計方式可提高直流保護的靈敏度，然而這也決定了在故障期間，故障特征量不能持續(xù)滿足保護判據(jù)時，直流保護的實際出口時間會出現(xiàn)與整定延時不一致的情況。

2 直流保護出口時間的不確定性

在直流系統(tǒng)中，由于存在換流閥的切換以及直流系統(tǒng)的非線性控制的問題，故障期間經(jīng)常出現(xiàn)故障特征量間斷性滿足判據(jù)的情況，此時直流保護的出口時間大于直流保護的延時定值。保護出口的具體時間與故障期間的故障特征量的動態(tài)特性密切相關(guān)，而非固定時間。

2.1 測試系統(tǒng)概述

本文采用基于實際的控制保護模型與參數(shù)的PSCAD/EMTDC仿真平臺來研究某特高壓直流工程直流保護出口時間的不確定性。測試系統(tǒng)的一次系統(tǒng)如圖3所示，試驗時設(shè)置不同故障條件并觀察直流保護的動作情況和出口時間。仿真中采用的高壓直流系統(tǒng)的額定電壓為±800 kV，額定電流為3 125 kA，額定功率為5 GW，整流側(cè)交流系統(tǒng)阻抗為8.66∠83.86°Ω，逆變側(cè)交流系統(tǒng)阻抗為5.11∠86.91° Ω。該模型的控制保護系統(tǒng)與實際工程的參數(shù)一致，本文僅列出所涉及的直流保護的配置，具體見表1，其中Udh、IacD、IacY、Iac、IdH、IdN、Uac均取標(biāo)幺值。仿真中直流保護所用的保護模塊均為DISA1的雙階保護模型。

圖3 測試系統(tǒng)的一次系統(tǒng)

2.2 直流保護出口時間在不同故障下的不確定性

直流系統(tǒng)內(nèi)部故障時，保護特征量一般可以在故障期間持續(xù)滿足判據(jù)，這樣直流保護的出口時間便與保護的延時定值相同。而當(dāng)故障較為輕微或者發(fā)生換相失敗等，保護特征量只能周期性滿足判據(jù)，這時直流保護的出口時間便大于保護的延時定值。這里以橋差保護為例進行說明。

區(qū)內(nèi)故障時，以直流側(cè)出口中性端對換流器中點短路為例，故障期間由于D橋換流閥被短路，故D橋交流電流增大，使Y橋產(chǎn)生差動電流，如圖4所示。

表1 直流保護配置

直流保護保護區(qū)段動作判據(jù)與定值標(biāo)幺值動作延時/s保護出口直流低電壓保護102504；D橋，Iac-IacD>04Y橋，Iac-IacY>007；D橋，Iac-IacD>00702Uac>08時為02，Uac<08時為08閥組緊急停運閥組差動保護12min(IdH，IdN)-Iac>007min(IdH，IdN)-Iac>05Uac>08時為02，Uac<08時為08003閥組緊急停運

注：Udh—換流器直流側(cè)電壓，IacD—D橋換流變壓器閥側(cè)交流電流的整流值，IacY—Y橋換流變壓器閥側(cè)交流電流的整流值，Iac—IacD與IacY的最大值，IdH—換流閥高壓側(cè)出口電流，IdN—換流閥中性線直流電流，Uac—換流母線交流電壓。

圖4 直流側(cè)出口中性端對換流器中點短路時橋差保護的差動電流與出口信號

由圖4可知：故障初期，橋差保護差動電流標(biāo)幺值增大至5.5，之后在控制系統(tǒng)的作用下下降；在故障后20 ms左右，差動電流雖然一直在波動，但都大于橋差保護2段的定值(標(biāo)幺值為0.07)，所以橋差保護的內(nèi)部計時器一直在累加而沒有減時，在內(nèi)部計時器計到橋差保護的延時定值200 ms時，保護出口，此時橋差保護的出口時間與延時定值相同。其他區(qū)內(nèi)故障情況類似，由于故障期間保護特征量都能滿足定值，橋差保護以200 ms出口。

區(qū)外故障時，保護特征量的幅值比區(qū)內(nèi)故障時小，若區(qū)外故障期間保護特征量的幅值在直流保護的定值上下波動，則直流保護有誤動的風(fēng)險，此時直流保護的出口時間決定于故障期間保護特征量的動態(tài)過程，而非固定值。逆變側(cè)換流母線單相接地故障時，橋差保護的差動電流如圖5所示。

圖5 逆變側(cè)換流母線單相接地故障時橋差保護差動電流

由圖5可知：故障期間橋差保護的差動電流標(biāo)幺值在0.01～0.82范圍波動，波動幅度較大，故只能周期性滿足橋差保護2段動作判據(jù)。由于橋差保護采用的是快充慢放型計時方式，故橋差保護累計滿足延時定值的時間較長，在故障后1.37 s保護才出口，比保護延時定值0.20 s長了1.17 s。

表3 兩相接地故障發(fā)生在不同故障時間直流保護的動作情況

故障時間/s故障角/(°)27DC?2動作時間/s87CBY?2動作時間/s87CG?2動作時間/s51000000×60787060543551001673×60731060543051003336×60818560468051005009612095615310×510066712612095615620×5100833152612095616380×5101000182612095616435×5101167212612095616750×510133324×601500×510150027612095617185×510166730612065617620×510183333612065617875×510200036612195××510216739612295××510233342612295××510250045612295××510266748612395×610935510283351612395×610935510300054612495×610875510316757612459×610810510333360612595×610560510350063612595×610370510366766612596×610875510383369××600880510400072612600×610500510416775612505×610500510433378×5585000600745510450081×5983700600435510466784×5981850600435510483387××599810510500090××599495

逆變側(cè)換流母線發(fā)生不同類型的故障時，由于保護特征量的動態(tài)過程不同，故橋差保護的出口時間也不同。逆變側(cè)母線發(fā)生兩相接地故障時，橋差保護檢測到的差動電流如圖6所示。

圖6 逆變側(cè)換流母線兩相接地故障時橋差保護差動電流

對比圖5與圖6可知：兩相接地故障時橋差保護差動電流的動態(tài)過程與單相接地故障時相比，波形差異性較大。兩相接地時橋差保護差動電流標(biāo)幺值在0.01～0.3之間波動，波動幅度較小，但其平均值比單相接地時大，故橋差保護的Z值比單相接地故障時較快達到上限。由圖6可知，在逆變側(cè)換流母線兩相接地故障時，橋差保護在故障后0.82 s后動作，比保護的延時定值0.20 s多了0.62 s，比單相故障時的出口時間短了0.45 s。

2.3 保護出口時間在不同故障時刻的不確定性

在逆變側(cè)交流故障時，換流器發(fā)生換相失敗，且故障期間保護特征量的動態(tài)過程與故障發(fā)生時刻有關(guān)，故同一故障發(fā)生在不同時刻，直流保護的出口時間也會呈現(xiàn)出不確定性。

以單相故障為例，在逆變側(cè)換流母線上設(shè)置發(fā)生時刻不同的單相接地故障，記錄每次故障橋差保護的出口時間，結(jié)果見表2。

表2 單相接地故障發(fā)生在不同時間橋差保護的出口時間

故障發(fā)生時間/s故障角/(°)保護動作時間/s保護出口時間/s故障發(fā)生時間/s故障角/(°)保護動作時間/s保護出口時間/s51000000637127510250045651141510016736421325102667486381285100333663912951028335164613651005009644134510300054622112510066712646136510316757620110510083315654144510333360624114510100018645135510350063625115510116721647137510366766624114510133324647137510383369631121510150027655145510400072618108510166730645135510416775618108510183333645135510433378618108510200036645135510450081617107510216739645135510466784617107510233342648138510483387617107

由表2可知，在不同故障時間，保護的出口延時并不相同，差別可高達0.34 s，比保護本身的延時0.2 s還大?？梢姡谘芯恐绷鞅Ｗo的動作特性時，不能忽略故障發(fā)生時間的影響。

3 直流保護的出口時序特性

在逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障時，直流低電壓保護、橋差保護以及閥組差動保護都有動作的可能[12]，而這3個保護是否動作并不僅僅取決于故障和保護本身，還受到其他保護動作時間的約束。由上一節(jié)的分析可知，逆變側(cè)交流故障發(fā)生在不同故障時刻，直流保護的出口時間不同，故逆變側(cè)交流故障時直流保護的動作結(jié)果還與故障時刻有關(guān)。

以逆變側(cè)換流母線兩相接地故障為例，分析直流保護在該故障下的出口時序特性。在1/4周期(電氣角度90°)內(nèi)每隔3°設(shè)置故障，每個故障的持續(xù)時間為1.5 s。記錄不同故障時刻下直流保護的動作結(jié)果和動作時間，具體見表3，其中“×”表示保護不動作，27DC-2表示直流低電壓保護2段，87CBY-2表示Y橋橋差保護2段，87CG-1表示閥組差動保護1段，以下同。由表3可以看出，同一故障發(fā)生在不同故障時刻保護動作結(jié)果呈現(xiàn)一定的不確定性。直流保護動作結(jié)果的不確定性是直流保護出口時序配合的結(jié)果。

橋差保護2段和閥組差保護1段的延時定值相同，均為0.8 s，低電壓保護2段的延時定值1 s也與這兩個保護較為接近。需要說明的是，低電壓保護在極閉鎖時會被閉鎖，閥組差保護會在閥組閉鎖時被閉鎖，而橋差保護無閉鎖信號，但其2段有返回時間0.2 s。

在逆變側(cè)兩相接地故障時，橋差保護與閥組差動保護的差動電流都是間斷性滿足判據(jù)，故保護出口時間比整定值0.8 s長，仿真結(jié)果顯示為1 s左右，具體時間與故障發(fā)生時刻有關(guān)。而直流低電壓保護在不同故障時刻下發(fā)生的故障，都能持續(xù)性滿足其判據(jù)，故其出口時間相對固定，整定值為1 s左右，與故障發(fā)生時刻無關(guān)。這3個保護在逆變側(cè)交流母線兩相接地故障時的出口時間十分接近，故時序配合關(guān)系決定了最終的保護動作結(jié)果。

5.100 000 s(故障角0°)故障時，橋差保護和閥組差動保護動作，低電壓保護不動作，保護的動作時間和閉鎖時間見表4。

表4 5.100 000 s故障時保護動作結(jié)果

由表4可知閥組差動保護最早動作，動作后閉鎖直流系統(tǒng)，因而直流低電壓保護在閥組差動保護動作后被閉鎖。而橋差保護沒有閉鎖信號，差動電流在直流閉鎖前能達到保護延時要求，故仍能動作。

5.1 005 s(故障角9°)發(fā)生故障時，直流低電壓保護和閥組差動保護動作，橋差保護不動作。保護的出口時間和閉鎖時間見表5。

表5 5.100 500 s故障時保護動作結(jié)果

保護動作時間/s閉鎖時間/s27DC?261209561415087CBY?2615310×87CG?1×618000

由表5可知，故障期間直流低電壓保護最先動作，在6.120 95 s動作，然后閉鎖直流系統(tǒng)，閥組橋差保護在6.180 00 s收到閉鎖信號。由于保護出口動作到直流系統(tǒng)完全閉鎖仍需一段時間，因此在直流系統(tǒng)完全閉鎖前，橋差保護能達到延時至6.151 30 s動作。

5.102 00 s(故障角36°)故障時，只有直流低電壓保護動作。保護的出口時間和閉鎖時間見表6。直流電壓保護的動作時間比較確定，基本上都在故障后1 s左右。而在直流低電壓保護動作閉鎖直流系統(tǒng)前，計時器累計未能達到延時上限，因而橋差保護和閥組差動保護不動作。

表6 5.102 000 s故障時保護動作結(jié)果

保護動作時間/s閉鎖時間/s27DC?261220061450087CBY?2××87CG?1×618000

由以上仿真與分析可知，直流保護在交流故障時，由于保護特征值處于保護定值邊界，故直流保護間的出口時序關(guān)系決定了直流保護的最終動作結(jié)果。部分直流保護如橋差保護和閥組差動保護受故障發(fā)生時刻的影響較大，故障發(fā)生在不同時刻保護的出口時間不同。故故障發(fā)生在不同時刻時，直流保護間的出口時序關(guān)系不同，導(dǎo)致不同的動作結(jié)果。直流保護在不同故障時刻動作結(jié)果的不確定性既不利于運行人員處理直流事故，也不利于直流的運行維護，故在整定時需考慮直流保護間的時序配合以避免直流保護響應(yīng)的不確定性。

4 結(jié)論

本文針對直流保護在交流故障下的出口不確定性問題，深入分析了直流保護在交流故障下的出口時序特性，主要內(nèi)容和結(jié)論如下：

a)分析了現(xiàn)有直流工程中應(yīng)用的兩類保護模塊的計時原理，指出直流保護的內(nèi)部計時器在保護特征量不滿足定值時并不像交流保護一樣清零，而是采用累計的方式。

b)直流保護的計時原理決定了直流保護出口時間的不確定性。直流保護的出口時間決定于故障期間保護特征量的動態(tài)過程、故障類型和故障發(fā)生時刻。

c)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護特征值處于直流保護定值邊界，故直流保護的最終動作結(jié)果取決于直流保護間的出口時序關(guān)系。故障發(fā)生在不同時刻，直流保護間的出口時序關(guān)系不同，導(dǎo)致不同的動作結(jié)果。

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(編輯 李麗娟)

Uncertainty and Timing Sequence Characteristic of DC Protection Trip Time

LI Jiaman

(Shantou Chenghai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Shantou, Guangdong 515800, China)

In allusion to the problem of uncertainaction result of DC protection in the case of AC fault, this paper studies uncertainty and special trip timing sequence characteristic of DC protection trip time. It firstly analyzes timing principle for DC protection and points out the reason for uncertain trip time is using cumulative mode for DC protection timing. Then based on actual control protection model and PSCAD/EMTDC simulation platform for parameters, it studies influence of different faults and fault angles on DC protection trip time according to different fault conditions. Results indicate that DC protection trip time has uncertainty under different faults and fault angles. Finally it analyzes timing sequence characteristic of DC protection in the case of AC fault and the result shows different DC protection trip time coordination determines final protection result.

DC protection; AC fault; trip time; uncertainty; trip timing sequence

2016-08-19

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.016

TM773

A

1007-290X(2016)12-0085-07

李佳曼(1989)，女，廣東汕頭人。工學(xué)碩士，從事繼電保護工作。