張凌躍，陳睿

（昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

基于直流控制系統(tǒng)的HVDC輸電線路后備保護(hù)新方案

張凌躍，陳睿

（昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

在考慮直流控制系統(tǒng)影響的情況下，詳細(xì)分析了HVDC輸電線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外的故障特征以及直流控制系統(tǒng)的動作特性和控制狀態(tài)，并提出了一種基于故障期間換流器觸發(fā)角、逆變器關(guān)斷角和兩端閥側(cè)到直流出線區(qū)域的差流變化特征的直流線路后備保護(hù)新原理，通過仿真分析驗證了該原理的正確性和有效性。動作可靠性分析結(jié)果表明：本文所提保護(hù)較微分欠壓保護(hù)具有更高的耐受過渡電阻能力，達(dá)300Ω以上，其動作時間較直流縱差保護(hù)提高了約63%。

直流控制系統(tǒng)；HVDC輸電線路；后備保護(hù)新方案

與交流輸電系統(tǒng)比較而言，高壓直流(HVDC)輸電由于具有輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大以及功率調(diào)控方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離電能傳輸、異步聯(lián)網(wǎng)、海島供電等領(lǐng)域。目前，直流輸電線路主要保護(hù)方案包括行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)、直流差動保護(hù)等。

本文分析了考慮控制特性后的直流線路區(qū)內(nèi)外故障特性，在此基礎(chǔ)上提出了一種直流線路后備保護(hù)新方案，并通過數(shù)值仿真方法，深入分析不同故障條件下直流后備保護(hù)判據(jù)的動作特性，以此為依據(jù)確定保護(hù)整定值并分析其動作可靠性相關(guān)影響因素；最后，仿真分析了過渡電阻、故障距離對所提保護(hù)動作可靠性的影響。

1 直流輸電系統(tǒng)故障分類

對于如圖1所示的雙極直流輸電系統(tǒng)，直流線路保護(hù)范圍為本極線路全長，對極線路故障、直流出線故障、交流系統(tǒng)故障、換流器故障等均屬于區(qū)外故障。本文以正極線路為例，進(jìn)一步研究直流線路后備保護(hù)各判據(jù)的動作特性。

圖1 直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 中f1表示本極線路不同位置接地故障；f2表示對極線路不同位置接地故障；f3、f4分別表示整流側(cè)、逆變側(cè)交流母線各種短路故障。除了f1為應(yīng)該動作的區(qū)內(nèi)故障，其余均為待識別的區(qū)外故障。

2 考慮控制特性的直流線路故障分析

2.1 直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及基本控制手段

由換流器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型可得直流系統(tǒng)各表達(dá)式。從整流側(cè)流向逆變側(cè)的直流電流：

整流側(cè)伏安特性：

逆變側(cè)伏安特性：

式中：Udor為整流側(cè)換流變壓器閥側(cè)空載電壓，與整流側(cè)交流系統(tǒng)相電勢成正比。

Udoi為逆變側(cè)換流變壓器閥側(cè)空載電壓，與逆變側(cè)交流系統(tǒng)相電勢成正比；α、β、γ為整流側(cè)觸發(fā)控制角、逆變側(cè)觸發(fā)控制角、關(guān)斷角；Xr、Xi為整流器換相電抗、逆變器換相電抗；Ri為直流輸電線路等值電阻。

由式(1)～(3)可知，直流電流及直流電壓取決于控制角α、β以及換流變壓器閥側(cè)空載電壓Udor、Udoi，即上述4個量是直流輸電系統(tǒng)的控制量，并且除此之外不存在其它控制量。因此，直流輸電控制系統(tǒng)的基本控制手段即通過對上述4個變量的調(diào)節(jié)以滿足不同的運(yùn)行要求。

為了方便分析，首先給出逆變側(cè)關(guān)斷角γ的計算公式：

式中：Xc為逆變側(cè)等值換相電抗；Uv為逆變側(cè)閥電壓有效值；Id為直流電流；β為極控測量單元提供的逆變側(cè)觸發(fā)超前角采樣值；φ為逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障造成的換相線電壓過零點(diǎn)前移角，逆變側(cè)交流系統(tǒng)對稱故障及其它故障時為0。

2.2 本極直流線路短路故障

本極直流線路短路故障發(fā)生在圖1中f1處。直流線路發(fā)生短路故障瞬間，整流側(cè)直流電流增大而逆變側(cè)直流電流減小。整流側(cè)在定電流控制的作用下迅速增加α角以抑制直流電流。直流電流整定值跟隨直流電壓而減小，整流側(cè)最終運(yùn)行于定電流(最小電流限制)控制。逆變側(cè)由定γ角控制轉(zhuǎn)換為定電流控制，且在低壓限流環(huán)節(jié)的作用下減小電流整定值，并最終使逆變側(cè)運(yùn)行于最小電流限制。此時，逆變側(cè)定電流控制器整定值有所減小，由式(3)中第一式可知其輸出的β角較正常運(yùn)行時有所增大，繼而由式(4)可知，逆變側(cè)直流電流減小及β角增大都將導(dǎo)致關(guān)斷角γ較正常運(yùn)行時有所增大。

綜上所述，直流線路短路故障穩(wěn)態(tài)時的故障特性為：α＞αN，γ＞γN。其中，αN為正常運(yùn)行時整流側(cè)觸發(fā)角，γN為正常運(yùn)行時逆變側(cè)關(guān)斷角。

2.3 整流側(cè)交流系統(tǒng)短路故障

整流側(cè)交流系統(tǒng)短路故障發(fā)生在圖1中f3處。

整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生對稱故障時，整流側(cè)在定電流控制作用下迅速減小α角以抑制直流電流下降，整流側(cè)最終運(yùn)行于定αmin控制；逆變側(cè)為定電流控制，若直流電壓大幅下降，則逆變側(cè)最終運(yùn)行最小電流限制控制模式。此時，逆變側(cè)為定電流控制，但由于最小電流限制，逆變側(cè)電流較額定值有所降低，因而關(guān)斷角γ亦大于其額定值。

綜上所述，整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生對稱短路故障時的故障特性為：α=αmin=5°，γ＞γN。

整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，整流器出口直流電流將持續(xù)波動進(jìn)而導(dǎo)致直流側(cè)控制方式在定電流控制和定αmin控制間不斷切換繼而導(dǎo)致α角不斷波動，其最小值為α=αmin=5°、最大值αmax由故障類型決定；逆變側(cè)最終運(yùn)行于定電流控制并且逆變側(cè)γ角有所增大。綜上所述，整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路故障時的故障特性為：α角在α=αmin=5°至αmax間持續(xù)波動且αmax≥αN，γ＞γN。

2.4 逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路故障

逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路故障發(fā)生在圖1中f4處。

逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生對稱故障時，整流側(cè)在定電流控制作用下迅速增大α角以抑制直流電流增大。不考慮過渡電阻影響，直流電壓迅速衰減至0附近繼而導(dǎo)致整流側(cè)最終運(yùn)行于最小電流限制狀態(tài)；逆變側(cè)則始終為定γ角控制，并且在逆變側(cè)交流母線電壓降低的作用下導(dǎo)致γ角減小，但由于逆變側(cè)交流電壓跌落幅度過大，定關(guān)斷角控制器已無法消除γ角整定值與實際值之間的誤差，導(dǎo)致γ角小于其額定值。

綜上所述，逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生對稱短路故障時的故障特性為：α＞αN，γ＜γN。

與整流側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障相似，逆變側(cè)α角在逆變側(cè)交流系統(tǒng)不對稱故障作用下將產(chǎn)生持續(xù)波動，但其最小值較正常運(yùn)行時仍有大幅增大，故障期間整流側(cè)最終運(yùn)行于最小電流限制狀態(tài)；逆變側(cè)控制方式及γ角實際值變化趨勢與逆變側(cè)對稱故障時相同。

綜上所述，逆變側(cè)交流母線發(fā)生不對稱短路故障時的故障特性為：α＞αN，γ＜γN。

3 直流線路后備保護(hù)方案

由前一節(jié)分析可以得到如下結(jié)論：利用α角的響應(yīng)特性可以有效識別對極故障和整流側(cè)交流系統(tǒng)短路故障；對于逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障，則可利用γ角的響應(yīng)特性進(jìn)行有效識別。基于上述結(jié)論，以正極線路為例，形成直流線路后備保護(hù)方案如式(5)所示。

式中：α為由極控測量單元提供的整流側(cè)觸發(fā)角α采樣值；γ為由極控測量單元提供的逆變側(cè)關(guān)斷角γ采樣值。

3.1 整定方法

綜合前文分析及仿真結(jié)果，形成本文所提直流線路后備保護(hù)各判據(jù)整定原則及計算方法如下：

（1）整流側(cè)觸發(fā)延遲角α判據(jù)。該判據(jù)應(yīng)在直流線路故障后可靠動作，其整定值應(yīng)按照躲過f2處故障及f5處故障時控制系統(tǒng)可能輸出的α角最大值αmax進(jìn)行整定。此外，該判據(jù)也應(yīng)在考慮故障初期保護(hù)閉鎖時間的基礎(chǔ)上進(jìn)行整定?？傻迷撆袚?jù)整定值計算公式為：

式中，Krel為可靠系數(shù)，為保證保護(hù)可靠動作，其值應(yīng)大于1，本文取1.3。

（2）逆變側(cè)關(guān)斷角γ判據(jù)。該判據(jù)應(yīng)在直流線路故障后可靠動作。其整定值應(yīng)按照躲過f6處故障時可能出現(xiàn)的γ角最大值γmax進(jìn)行整定。此外，該判據(jù)也應(yīng)與故障初期保護(hù)閉鎖時間相互配合。綜上，可得該判據(jù)整定值計算公式為：

式中，Krel為可靠系數(shù)，為保證保護(hù)可靠動作，其值應(yīng)大于于1，本文取1.5。

正常運(yùn)行情況下直流電流較為平穩(wěn)，其變化不大。無論在何處發(fā)生故障都會由于運(yùn)行方式的突變引發(fā)直流電流的急劇變化，這時直流電流的導(dǎo)數(shù)必然大于正常運(yùn)行時直流電流導(dǎo)數(shù)的最大值。將此判據(jù)作為本方案的啟動判據(jù)，其整定值如式（8）。

式中dId/dt為直流電流導(dǎo)數(shù)的實時值，ΔIset為正常情況下直流電流導(dǎo)數(shù)最大值，Krel為可靠系數(shù)。

由于所有故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)電氣量突變，電磁暫態(tài)過程的自由分量使電氣量劇烈震蕩，震蕩過程持續(xù)大概300ms，此震蕩對此后備保護(hù)的整定帶來很大的干擾，故此后備保護(hù)方案應(yīng)設(shè)置ts=300ms閉鎖信號回避自由分量，不考慮與直流線路行波保護(hù)及其它后備保護(hù)相配合時的本文后備保護(hù)動作邏輯如圖2。

圖2 直流線路后備保護(hù)動作邏輯

4 仿真驗證

4.1 直流輸電系統(tǒng)模型

本文根據(jù)云南楚雄—廣州惠州±800kV特高壓直流輸電工程實際參數(shù)，在PSCAD/EMTDC仿真平臺上建立了云廣±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型?？刂葡到y(tǒng)是根據(jù)國際大電網(wǎng)會議組織(CIGRE)直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)建立的。

4.2 基于模型的保護(hù)判據(jù)整定

由3.1節(jié)可知，α判據(jù)整定中αmax應(yīng)取f2及f5區(qū)域內(nèi)所有故障中控制系統(tǒng)可能輸出的α角最大值；γ判據(jù)其整定值應(yīng)按照f6區(qū)域內(nèi)所有故障中可能出現(xiàn)的γ角最大值γmax進(jìn)行整定；差流判據(jù)整定值計算應(yīng)在考慮故障初期閉鎖時間的基礎(chǔ)上，按照f1短路故障時可能出現(xiàn)的差流最大值進(jìn)行整定。

在本模型中的f1～f6區(qū)域設(shè)置各種故障，仿真得到各故障后的差流信號、直流控制系統(tǒng)中觸發(fā)角α最大值、關(guān)斷角γ最大值和閉鎖結(jié)束后差流值Ire1,2、Iinv1,2，帶入式（6）～（8）可得αmax=47°，γmax=36°。

以正極線路中點(diǎn)0.1s分別發(fā)生經(jīng)20Ω、100Ω及200Ω短路故障為例進(jìn)行說明，仿真結(jié)果見圖3。

圖3 不同過渡電阻時后備保護(hù)動作仿真結(jié)構(gòu)

由圖3可知，過渡電阻為20Ω、100Ω及200Ω時本保護(hù)均能正確動作。整流側(cè)觸發(fā)角α及關(guān)斷角γ的動作程度隨著過渡電阻的增大而呈下降趨勢，并且其達(dá)到整定的時間有所增加，但在閉鎖結(jié)束后，均大于整定值且保持穩(wěn)定；過渡電阻在一定程度上限制了短路電流的自由分量，因而兩側(cè)差流振幅及衰減時間將隨著過渡電阻的增加而減小，且在閉鎖結(jié)束后，兩側(cè)差流判據(jù)均穩(wěn)定與0附近。此外，本文通過大量仿真，得到直流線路故障時本后備保護(hù)各判據(jù)正確動作的“臨界”過渡電阻均大于300Ω。

5 結(jié)語

本文首先在分析直流系統(tǒng)控制特性的基礎(chǔ)上，得出了直流線路區(qū)內(nèi)外故障時的故障特性。基于換流器觸發(fā)角、逆變器關(guān)斷角和兩端閥側(cè)到直流出線區(qū)域的差流變化特征的直流線路后備保護(hù)新原理，并且給出了保護(hù)定值計算方法。該保護(hù)能正確區(qū)分直流線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，且耐過渡電阻能力強(qiáng)，動作可靠性高。與目前應(yīng)用的直流線路縱聯(lián)差動保護(hù)相比，本保護(hù)的閉鎖時間僅為300ms，動作速度明顯優(yōu)于直流電流差動保護(hù)；與微分欠壓保護(hù)相比，本保護(hù)具有很強(qiáng)的抗過渡電阻能力，明顯優(yōu)于微分欠壓保護(hù)。

[1]LONG W, NILSSON S. HVDC transmission: yesterday and today[J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2007,5(2): 22-31.

[2]王峰, 徐政, 黃瑩, 等. 高壓直流輸電主回路穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009, 24(5): 135-140.

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