付 華 陳浩軒 李秀菊 陳潤晶

含邊界元件的MMC-MTDC直流側(cè)單端量故障辨識(shí)方法

付 華1陳浩軒1李秀菊2陳潤晶3

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105 2. 國網(wǎng)葫蘆島供電公司 葫蘆島 125100 3. 國網(wǎng)丹東供電公司 丹東 118000）

直流側(cè)故障辨識(shí)是基于模塊化多電平換流器（MMC）的多端直流輸電（MTDC）系統(tǒng)急需解決的重大科學(xué)問題。分析直流線路的邊界特性與極間耦合特性，提出一種基于單端暫態(tài)能量的故障辨識(shí)方法。通過區(qū)內(nèi)、外故障的暫態(tài)特征以及方向元件，構(gòu)建故障線路選擇判據(jù)；并利用母線相連線路的方向元件和交流側(cè)故障的暫態(tài)特性，構(gòu)造母線故障識(shí)別判據(jù)；再根據(jù)兩極低頻電流差異，設(shè)計(jì)故障極判別判據(jù)。該方法能快速辨識(shí)直流側(cè)故障，無需兩端通信，能夠滿足MMC-MTDC系統(tǒng)對辨識(shí)方法速動(dòng)性與選擇性的要求。最后結(jié)合張北四端柔性直流系統(tǒng)的PSCAD仿真模型，驗(yàn)證了所提方法在不同的故障類型、故障位置和過渡電阻下均能準(zhǔn)確檢測到故障，且具備一定的抗過渡電阻能力。

故障辨識(shí) 模塊化多電平換流器 多端直流輸電 暫態(tài)能量 方向元件

0 引言

隨著分布式可再生新能源發(fā)展規(guī)劃的推進(jìn)，傳統(tǒng)交流輸電在新能源發(fā)電并網(wǎng)和功率輸送方面存在諸多瓶頸[1]?；谀K化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式經(jīng)濟(jì)、靈活且損耗小[2-3]，在多交流電網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)距離負(fù)荷供電和海上風(fēng)電功率外送等方面優(yōu)勢突出[4-5]，為解決我國能源資源和負(fù)荷需求的逆向分布問題提供了有效的技術(shù)手段[6]。多端柔性直流系統(tǒng)端數(shù)多且線路阻尼小，線路故障后，多個(gè)換流站故障出力的疊加使得過電流現(xiàn)象突出，在幾毫秒內(nèi)就能危及整個(gè)電網(wǎng)安全[7]，尤其未來電網(wǎng)更趨向于架空線路輸電，系統(tǒng)更易發(fā)生短路、閃絡(luò)等瞬時(shí)性故障[8]。因此快速而有選擇地辨識(shí)直流側(cè)故障是目前急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前相關(guān)的故障辨識(shí)研究集中在基于電壓源換流器的兩端柔性直流系統(tǒng)[9]，對基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的多端柔性直流系統(tǒng)的研究時(shí)間較短，有以下幾種故障辨識(shí)方法。文獻(xiàn)[10-11]提出基于直流線路電壓變化率的辨識(shí)方法，原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但對高電阻故障的靈敏性較差且難以清晰區(qū)分故障電氣量邊界。文獻(xiàn)[12]提取線路首末兩端高頻電壓分量構(gòu)成故障辨識(shí)方法。文獻(xiàn)[13]利用小波變換提取故障電流的模極值極性來判斷故障，具有較好的耐噪聲能力和抗過渡電阻能力，但該類方法依賴兩端通信，故障辨識(shí)速度有所降低。文獻(xiàn)[14]利用電流的行波時(shí)間常數(shù)構(gòu)成區(qū)內(nèi)、外故障判據(jù)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和一定的抗過渡電阻能力。文獻(xiàn)[15]利用單端暫態(tài)量計(jì)算得到的等效電抗實(shí)現(xiàn)故障的辨識(shí)，保護(hù)速動(dòng)性好，可靠性高，但提出的算法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[16]根據(jù)直流電抗器的電壓壓降提出故障辨識(shí)方法。文獻(xiàn)[17]利用區(qū)內(nèi)、外暫態(tài)電流能量的差異，實(shí)現(xiàn)故障辨識(shí)，但上述方法的方向元件判據(jù)的可靠性與速動(dòng)性較差。文獻(xiàn)[18]利用小波變換和模糊C均值算法提取故障特征量，但未考慮過渡電阻的影響。鑒于以上原因，亟需研究一種能適用于基于模塊化多電平換流器的多端直流（Modular Multilevel Converter-Multi-Terminal DC, MMC-MTDC）輸電直流側(cè)的新型故障辨識(shí)方法。

本文首先分析MMC-MTDC直流線路故障時(shí)的邊界特性和極間電流耦合特性；并基于上述特性，提出故障線路選擇、母線故障識(shí)別以及故障極判別的故障辨識(shí)方法及判據(jù)；最后在PSCAD搭建張北四端柔性直流系統(tǒng)模型，通過大量的仿真分析，證明了辨識(shí)方法的可行性。

1 MMC-MTDC直流線路故障特性

1.1 區(qū)內(nèi)、外故障邊界特性分析

由于MMC-MTDC直流線路“低阻尼”特點(diǎn)[19]，發(fā)生故障后，故障電流迅速上升，其穩(wěn)態(tài)值能達(dá)到數(shù)千安培[20-21]。在直流線路兩端加裝限流電抗器能有效限制故障電流上升[22]，繼而提高電網(wǎng)故障穿越能力[23-24]，同時(shí)，該裝置也成為直流線路的唯一物理邊界。圖1為裝設(shè)限流電抗器的張北四端柔性直流電網(wǎng)正極示意圖，其中a、b、c、d、e、g、h、i為各線路的電氣量測點(diǎn)。

圖1 張北四端口柔性直流電網(wǎng)正極模型圖

圖2 故障f1直流線路等效電路

1.2 極間電流耦合特性分析

當(dāng)兩極線路中的某極發(fā)生單極接地故障時(shí)，由于極間線路的耦合效應(yīng)，健全極也將感應(yīng)出故障行波，并產(chǎn)生較大的暫態(tài)故障分量。文獻(xiàn)[26]根據(jù)雙極直流線路的無損模型，給出了正極和負(fù)極電流耦合式，即

表1 輸電線路單位長度參數(shù)

Tab.1 Parameter of unit length of transmission line

圖3為仿真模型中的線路發(fā)生正極接地故障時(shí)，兩極電流的耦合情況?？梢钥闯?，兩極電流在低頻下的差異要大于高頻下的差異，與理論分析一致。

圖3 故障極與健全極電流頻譜

2 故障辨識(shí)方法及判據(jù)

通過第1節(jié)對區(qū)內(nèi)、外故障邊界特性和極間線路耦合特性的分析，提出含有故障線路選擇、母線故障識(shí)別以及故障極判別的故障辨識(shí)方法。線路發(fā)生故障后，線路電流迅速增大，與正常運(yùn)行電流有著顯著的區(qū)別。為確保判據(jù)能在故障發(fā)生瞬間啟動(dòng)，采用電流變化率作為辨識(shí)方法啟動(dòng)判據(jù)，表達(dá)式為

2.1 暫態(tài)能量的提取

為防止穩(wěn)態(tài)工頻量的干擾，除選擇最低頻帶之外，將頻帶最低的重構(gòu)信號(hào)依照式（4）求解出的低頻暫態(tài)能量作為判據(jù)。此外，為確保故障瞬間的高頻暫態(tài)量被充分利用，選擇最高頻帶的重構(gòu)信號(hào)依照式（4）求解出的高頻暫態(tài)能量作為判據(jù)。

2.2 故障線路選擇

由1.1節(jié)可知，正向區(qū)外測點(diǎn)的高頻暫態(tài)電流分量低于區(qū)內(nèi)測點(diǎn)的高頻暫態(tài)電流分量。結(jié)合2.1節(jié)暫態(tài)能量定義，提出排除正向區(qū)外故障的判據(jù)為

圖4 故障f3線路等效電路

圖5 故障f2線路等效電路

綜上所述，提出含方向元件的故障線路選擇判據(jù)，即

2.3 母線故障識(shí)別

母線或交流側(cè)故障時(shí)，與母線直接相連線路的方向元件均為反向。由于換流器內(nèi)部元件對高頻電壓有較大的阻滯，所以在交流側(cè)故障時(shí)近母線測點(diǎn)的高頻電壓能量值要低于母線故障時(shí)的能量值。據(jù)此提出母線故障識(shí)別判據(jù)，即

2.4 故障極判別

由于兩極線路存在耦合，某極發(fā)生故障，另一極（健全極）也將感應(yīng)出較大的高頻暫態(tài)電流能量，僅利用故障線路選擇判據(jù)將無法區(qū)分故障極。根據(jù)1.2節(jié)得出的結(jié)論，提出故障極判別判據(jù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

在 PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建如圖1所示的張北四端MMC型直流電網(wǎng)，換流站采用雙環(huán)矢量控制方式，其中豐寧站采用定直流電壓控制方式，其余換流站均采用定功率控制方式。為限制故障暫態(tài)電流，需要在線路配置限流電抗器，較大的電抗值能有效降低故障電流，但會(huì)使直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性惡化；較小的電抗值，易造成換流站閉鎖。同時(shí)，短線路的阻抗小，其故障回路的阻抗值小于長線路故障回路的阻抗值。為限制故障電流，短線路配置的限流電抗器電抗值應(yīng)大于長線路的電抗值，且線路line1、2、3的長度差值不大，所以線路line1、2、3的限流電抗器的取值可保持一致。綜合考慮，線路line4首末兩端配置300mH的限流電抗器，其余線路配置200mH的限流電抗器。仿真系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。

表2 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

Tab.2 Main parameters of the simulation system

采樣頻率過低時(shí)，提取的高頻量頻帶較低，使高頻能量判據(jù)的抗過渡電阻能力和可靠性有所下降，如方向判據(jù)的高頻電壓能量比值會(huì)隨著采樣頻率的降低而減小，從而降低了其可靠性。采樣頻率過高時(shí)，雖會(huì)增強(qiáng)高頻量判據(jù)的性能，但所提取的低頻量頻帶較高，使兩極低頻電流分量的差異過小，無法滿足故障極判別判據(jù)的要求。根據(jù)小波包變換原理可知，當(dāng)采樣頻率過高時(shí)，可進(jìn)行多層次變換來滿足低頻量判據(jù)的需求，但過多的變換層次將使判據(jù)動(dòng)作速度過慢，所以變換層次不宜過多。綜合考慮工程實(shí)際等因素，結(jié)合小波包變換原理和香農(nóng)采樣定理，確定仿真算例中的采樣頻率為20kHz，進(jìn)行四層小波包變換，低頻量頻帶范圍為625~1 250Hz，高頻量頻帶范圍為9 375~10 000Hz。

考慮到故障產(chǎn)生的高頻量往往集中在故障瞬間且在時(shí)域上具有快速衰減的特點(diǎn)，為精確提取高頻暫態(tài)量，故障發(fā)生時(shí)刻的電氣量不能忽略。據(jù)此，數(shù)據(jù)分析窗選取故障辨識(shí)判據(jù)啟動(dòng)前0.05ms（每個(gè)采樣點(diǎn)相隔0.05ms）至啟動(dòng)后的0.95ms（共1ms）。

3.2 辨識(shí)方法判據(jù)閾值的選取

表3 各線路正向測點(diǎn)的高頻暫態(tài)電流能量

Tab.3 High-frequency transient current energy at the forward measuring points of each line

表4 不同位置故障下的高頻暫態(tài)電壓能量

Tab.4 High-frequency transient voltage energy under different position faults

綜上，各保護(hù)判據(jù)閾值選取的結(jié)果見表5。

表5 各保護(hù)整定的判據(jù)閾值

Tab.5 Criterion thresholds for each protection setting

3.3 區(qū)內(nèi)故障仿真

針對線路line2的BF2-1動(dòng)作情況進(jìn)行考察，分別設(shè)置區(qū)內(nèi)單極、雙極故障。

3.3.1 單極接地故障

3.3.2 雙極短路故障

3.4 區(qū)外故障仿真

針對線路line2的BF2-1動(dòng)作情況進(jìn)行考察，分別設(shè)置直流母線故障、區(qū)外線路故障以及交流故障。

3.4.1 直流母線故障

圖8 故障f6判據(jù)動(dòng)作情況

3.4.2 區(qū)外線路故障

圖9 故障f7、f8判據(jù)動(dòng)作情況

3.4.3 交流系統(tǒng)故障

3.5 辨識(shí)方法性能分析

不同的故障類型、故障位置以及過渡電阻均存在對辨識(shí)方法性能的影響。針對BF2-1，表6和表7給出了線路line2和母線Bus2在不同故障場景下判據(jù)的動(dòng)作情況。

表6 直流線路不同場景下判據(jù)動(dòng)作情況

Tab.6 Criterion actions in different scenarios of DC line

表7 直流母線不同場景下判據(jù)動(dòng)作情況

由表7可知，在不同的故障類型和過渡電阻下，母線故障判據(jù)依然能夠正確識(shí)別母線故障且具有較強(qiáng)抗過渡電阻能力。

4 結(jié)論

針對MMC-MTDC直流側(cè)的線路和母線，提出故障線路選擇、母線故障識(shí)別和故障極判別等判據(jù)，并結(jié)合PSCAD/EMTDC平臺(tái)對張北四端柔性直流模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)論如下：

1）僅利用單端電氣量提出故障辨識(shí)方法，無需雙端數(shù)據(jù)通信，就能實(shí)現(xiàn)故障的辨識(shí)。

3）分析了故障類型、故障位置和過渡電阻對故障辨識(shí)方法性能的影響。結(jié)果表明，所提方法具備較高的可靠性和一定的抗過渡電阻能力。

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MMC-MTDC DC Side Single-Ended Quantity Fault Identification Method with Boundary Elements

Fu Hua1Chen Haoxuan1Li Xiuju2Chen Runjing3

（1. Faculty of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China 2. State Grid Huludao Power Supply Company Huludao 125100 China 3. State Grid Dandong Power Supply Company Dandong 118000 China）

DC-side fault identification is the major scientific issue that needs to be solved urgently for multi-terminal DC transmission (MTDC) system based on modular multilevel converter(MMC). This paper proposed a fault identification method based on the single-ended transient energy by analyzing the boundary characteristic and inter-pole coupling characteristic of the DC line.The fault line selection criterion was constructed by the transient characteristic of the internal fault and external fault and the directional element. And the bus fault identification criterion was achieved by the directional element of the bus-connected lines and the transient characteristic of AC-side fault.Then, the fault pole discrimination criterion was designed by the low-frequency current difference between two poles. The proposed method could quickly identify the DC-side fault without communication, which could satisfy the speed and selectivity requirement of the MMC-MTDC system. At last, the Zhangbei four-port flexible DC system is built in PSCAD and the accuracy of the proposed method is verified by simulation results of different fault type, fault location and transition resistance, as well as proving that the method has certain ability resisting transition resistance.

Fault identification, modular multilevel converter, multi-terminal direct current transmission, transient energy, directional element

TM721

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191704

國家自然科學(xué)基金（51974151, 71771111）和遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（LJZS003）資助項(xiàng)目。

2019-12-06

2020-03-12

付 華 女，1962年生，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障辨識(shí)。E-mail：fxfuhua@163.com

陳浩軒 男，1995年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)故障辨識(shí)。E-mail：307498701@qq.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）