高淑萍,宋曉辰,葉換飛,宋國兵

(1.西安科技大學(xué)電氣與控制學(xué)院,710054,西安;2.國網(wǎng)陜西省電力公司榆林供電公司,719000,陜西榆林;3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安)

相對于交流輸電,高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)是輸電損耗小、傳輸容量大[1-3],但缺點(diǎn)是受端易換相失敗。模塊化多電平換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統(tǒng)能獨(dú)立控制有功與無功,不存在換相失敗的問題,且能對故障電網(wǎng)提供無功支撐[4-5]。結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),混合高壓直流輸電系統(tǒng)是目前的研究熱點(diǎn)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同,混合高壓直流輸電系統(tǒng)可分為:混合雙端直流輸電系統(tǒng)[6-7]、混合多端直流輸電系統(tǒng)[8-11]、混合多饋入直流輸電系統(tǒng)[12]、混合雙極直流輸電系統(tǒng)[13-14]等。本文主要對第4種系統(tǒng)進(jìn)行研究,該系統(tǒng)利用電壓源換流器(VSC)可對有功和無功快速控制的優(yōu)點(diǎn),改善系統(tǒng)的輸電性能,逆變側(cè)利用VSC的優(yōu)點(diǎn)來減小電網(wǎng)換相換流器(LCC)換相失敗的概率。該結(jié)構(gòu)尤其適用于具有季節(jié)性電能雙向流動需求的電網(wǎng)互聯(lián)工程。

直流輸電系統(tǒng)輸電線路較長,易受沿線架設(shè)環(huán)境的影響,故障率較高。故障發(fā)生后,需要在數(shù)毫秒內(nèi)準(zhǔn)確判別故障的存在,使得保護(hù)可靠動作。因此,研究直流線路快速保護(hù)非常有意義[6-8]。

目前,混合直流輸電系統(tǒng)的研究集中在對系統(tǒng)模型的構(gòu)建、控制方式等方面,而對其線路保護(hù)的研究卻幾乎沒有,因此本文在傳統(tǒng)高壓直流和柔性直流線路保護(hù)方法的基礎(chǔ)上,尋求適合于混合雙極直流輸電系統(tǒng)的線路保護(hù)方法。在傳統(tǒng)高壓直流和柔性直流的線路保護(hù)方面:文獻(xiàn)[9]提出利用暫態(tài)諧波的幅值來進(jìn)行故障識別;文獻(xiàn)[10]提出利用在分布參數(shù)模型的基礎(chǔ)上,通過兩端所測量的電流數(shù)據(jù)計算區(qū)內(nèi)某點(diǎn)處的兩側(cè)電流和,構(gòu)造出電流差動保護(hù);文獻(xiàn)[11]提出利用小波變換,提取區(qū)內(nèi)外暫態(tài)特征值的差異,從而判別故障;文獻(xiàn)[12]通過添加平波電抗器作為保護(hù)邊界,從而提出邊界保護(hù)原理;文獻(xiàn)[13]利用平波電抗器抑制突變的原理,通過比較行波波頭的陡度構(gòu)造保護(hù);文獻(xiàn)[14]利用行波在保護(hù)邊界的折反射構(gòu)造保護(hù),但是該保護(hù)對采樣率要求高,可靠性不高;文獻(xiàn)[15]利用平波電抗器對高頻信號衰減的特性,比較高頻信號的幅值,進(jìn)行保護(hù);文獻(xiàn)[16]通過對行波電流波頭極性的檢測,判斷區(qū)內(nèi)外故障,進(jìn)行線路保護(hù);文獻(xiàn)[17]通過平波電抗器、直流濾波器等構(gòu)成邊界,使信號暫態(tài)高頻量產(chǎn)生衰減作用,從而構(gòu)造保護(hù)判據(jù),最后搭建模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證;文獻(xiàn)[18]提出基于小波多頻帶能量的暫態(tài)保護(hù)。單端量保護(hù)不需要進(jìn)行信息交互,可以快速識別故障。暫態(tài)能量比值的線路保護(hù)方法利用線路特征信號的高低頻能量比值,具有較明顯的特征。因此,本文將重點(diǎn)研究暫態(tài)能量之比的單端電氣量保護(hù)方法對混合雙極直流輸電系統(tǒng)的適應(yīng)性。

本文搭建了±500 kV混合雙極直流輸電系統(tǒng)模型,并設(shè)置了不同故障類型。根據(jù)直流線路區(qū)內(nèi)外故障時的電壓特征信號高低頻能量不同,利用低頻能量與部分高頻能量和的比值構(gòu)造保護(hù)判據(jù),實(shí)現(xiàn)故障甄別。仿真結(jié)果表明,所提方法的數(shù)據(jù)采集時間窗長度為3 ms,具有較強(qiáng)耐過渡電阻的能力,適用于混合雙極直流輸電系統(tǒng)。

1 混合雙極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

1.1 混合雙極直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文搭建了±500 kV混合雙極直流輸電系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)及故障位置如圖1所示。正極采用LCC-HVDC,換流單元由1組12脈沖換流器組成;負(fù)極采用MMC-HVDC,每相由100個半橋子模塊級聯(lián)而成。

在圖1中:線路兩端分別用M、N表示,區(qū)內(nèi)線路保護(hù)安裝點(diǎn)分別用a、c表示,整流側(cè)正極及負(fù)極出口的分壓器和分流器安裝位置分別用p、q表示;L代表平波電抗器;Z代表交流測等值阻抗;f1代表整流側(cè)正極區(qū)外故障,f2代表靠近整流側(cè)10%距離的區(qū)內(nèi)故障,f3代表靠近整流站90%距離的區(qū)內(nèi)故障,f4代表逆變側(cè)正極區(qū)外故障,f5、f6、f7、f8代表與正極對應(yīng)的負(fù)極故障,f9代表區(qū)內(nèi)雙極故障。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障

1.2 混合雙極直流輸電系統(tǒng)的控制策略

對于正極LCC-HVDC,整流側(cè)為定直流電流控制,附加觸發(fā)角控制、低壓限流控制。逆變側(cè)為定直流電流控制和定關(guān)斷角控制,附加低壓限流部分,見圖2。圖中:Iref1為整流側(cè)基準(zhǔn)電流,Iref2為逆變側(cè)基準(zhǔn)電流;Idr為整流側(cè)反饋電流,Idi為逆變側(cè)反饋電流;α為觸發(fā)滯后角,β為觸發(fā)越前角,γ為關(guān)斷角,γref為給定關(guān)斷角。

圖2 LCC控制框圖

對于負(fù)極MMC-HVDC,控制方式為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制通過控制VSC換流器交流側(cè)的相位和幅值,對整個系統(tǒng)的功率進(jìn)行調(diào)控,其整個控制結(jié)構(gòu)比較簡單,但是受系統(tǒng)參數(shù)影響大。本文采用的是直接電流控制,分為外環(huán)電壓控制和內(nèi)環(huán)電流控制,解耦后再觸發(fā)脈沖生成電路,產(chǎn)生脈沖控制信號[19-21],見圖3。圖中:ia、ib、ic為三相交流電流,uac為交流側(cè)ac相電壓,udc為直流側(cè)電壓;uabc為交流側(cè)abc三相的相電壓;iq為q軸交流電流,id為d軸直流電流,Uq1為q軸交流電壓,Ud1為d軸直流電壓。盡管正極采用的是LCC-HVDC,逆變側(cè)存在換相失敗的問題,但是負(fù)極MMC-HVDC的控制方式可以減小正極換相失敗的概率。

圖3 MMC控制框圖

2 直流線路的故障特征

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生的故障時,主要會發(fā)生單極接地故障和雙極短路故障。若發(fā)生了單極接地故障,系統(tǒng)往往可以繼續(xù)保持單極運(yùn)行,或者降壓運(yùn)行,以此保證有功功率的傳輸。影響故障特征的因素包括兩個方面:第一個方面是受擾后電網(wǎng)絡(luò)中的儲能及其重新分配過程,即電磁暫態(tài)過程,該過程與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有關(guān),網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的輸電線路并無差異,故模型相同;第二方面的特征為電源對擾動的響應(yīng)過程,該過程是一個動態(tài)過程,穩(wěn)態(tài)特性取決于電源的靜特性,動態(tài)過程取決于電源出口測點(diǎn)的電氣量以及電源控制器對其響應(yīng)所做的調(diào)節(jié)過程,該工程MMC和LCC明顯不同。需要說明的是,由于MMC和LCC對擾動的響應(yīng)速度比過去的交流電網(wǎng)中的同步電機(jī)電源更快,因此導(dǎo)致了兩個過程的混疊,即變流器對擾動的響應(yīng)與網(wǎng)架的電磁暫態(tài)過程有重合。本文選取的特征信號為電壓信號,故障發(fā)生時刻為1 s,持續(xù)時長為0.1 s。當(dāng)發(fā)生各種故障時,在保護(hù)測量點(diǎn)處測量得到的故障波形圖如圖4所示。

(a)正常運(yùn)行電壓波形

從圖4可以看出,正極故障和負(fù)極故障的電壓波形迥然不同,且極間故障的特征也有別于單一輸電方式的雙極故障特征。造成差異的起始部分是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(線路、濾波器、模塊電容、電感等)及參數(shù)決定的電磁暫態(tài)過程,故障特征的差異是由MMC和LCC換流器帶來的。故障起始過程有差別,這是因?yàn)殡m然線路一樣,但換流器拓?fù)洳灰粯?所以故障初瞬不一樣;故障調(diào)節(jié)過程有差別,是換流器的控制策略帶來的動特性不同。由此可見,正負(fù)極采用的輸電方式、控制策略影響了直流線路的故障特征。由于單極故障特征存在差異,導(dǎo)致了非故障極所感應(yīng)的電壓與電流也與傳統(tǒng)單一直流輸電方式存在差異。因此,有必要研究暫態(tài)能量之比的方法是否仍然適用于混合雙極直流輸電系統(tǒng),即不僅需要研究這種故障特征差異下,故障極能否正確動作,還需要研究非故障極能否可靠不動作。

3 保護(hù)原理及算法

3.1 邊界保護(hù)的原理

本文搭建的高壓混合雙極直流輸電模型采用平波電抗器作為保護(hù)的邊界,平波電抗器的作用是抑制故障發(fā)生時故障分量的變化,防止換相失敗,減少諧波。直流電抗器的電感選取越大,對高頻分量的抑制效果就越好,但若過大,容易在運(yùn)行時產(chǎn)生過電壓,系統(tǒng)控制性能變差,因此本文選取L=0.01 H。阻抗的計算公式為

Z=jωL

(1)

式中:ω為角頻率;L為電感。由此可知,當(dāng)L一定時,Z隨著ω的增大而增大,因此直流電抗器對高頻的抑制效果明顯。

3.1.1 區(qū)內(nèi)故障 若線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障,以區(qū)內(nèi)正極故障f2為例,故障附加網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,行波從故障點(diǎn)流經(jīng)線路兩側(cè),遇到障礙物會發(fā)生折射和反射,最終經(jīng)地形成回路[22]。

圖5 區(qū)內(nèi)故障附加網(wǎng)絡(luò)圖

圖5中:ZL為線路平波電抗器等效阻抗;ZRe、ZIn分別為換流器等效阻抗的實(shí)部和虛部;Uf為故障時故障附加網(wǎng)絡(luò)電壓源。uf為故障發(fā)生時產(chǎn)生的行波,其由故障點(diǎn)流經(jīng)線路兩側(cè)分為u1f和u2f,在遇到平波電抗器時,行波在線路上發(fā)生了折射和反射,分為u1f′、u1b和u2f′、u2b。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障,行波在傳播過程中遇到平波電抗器,會發(fā)生能量衰減,即

Ea>Ep

(2)

式中Ea與Ep分別表示a與p處行波電壓的高頻暫態(tài)能量。同理,在負(fù)極整流側(cè)處可得

Eb>Eq

(3)

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,故障信息中包含豐富的高頻和低頻信息,行波流經(jīng)保護(hù)安裝處a、c,然后流經(jīng)邊界元件的平波電抗器。平波電抗器對于高頻具有抑制阻礙作用,經(jīng)過后的故障電流包含的低頻信息居多,高頻能量衰減,而測量點(diǎn)a得到的信息是原始的高低頻信息。由此可見,區(qū)內(nèi)故障時保護(hù)測量處得到的高頻分量多。其他的區(qū)內(nèi)故障與之類似,不再贅述。

3.1.2 整流側(cè)直流線路區(qū)外故障 整流側(cè)區(qū)外故障行波圖如圖6所示。

圖6 整流側(cè)直流出口處區(qū)外故障行波圖

由圖6可知,行波在線路傳播時,流經(jīng)p處到達(dá)平波電抗器,發(fā)生折射與反射。由此可見,發(fā)生區(qū)外故障時,行波經(jīng)p點(diǎn)過平波電抗器發(fā)生能量衰減,到達(dá)區(qū)內(nèi)a點(diǎn)時,a與p處行波暫態(tài)能量的關(guān)系為

Ea

(4)

同理,在負(fù)極整流側(cè)處可得

Eb

(5)

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時,行波先流經(jīng)p處,之后經(jīng)過平波電抗器,其后到達(dá)保護(hù)安裝處。由此可見,在保護(hù)安裝處測量得到的高頻信息較少。其他的區(qū)外故障與之類似,可得到相同的結(jié)論,故不再贅述。

3.2 小波包變換算法

本文利用邊界元件處高低頻暫態(tài)能量進(jìn)行故障判別,需要對信號的高頻成分進(jìn)行分解。小波變換只會對信號的低頻成分進(jìn)行分解,而小波包分解彌補(bǔ)了這一缺陷,是對信號的近似系數(shù)與細(xì)節(jié)系數(shù)都進(jìn)行分解。

(6)

(7)

式中S為最大分解層數(shù)。

采用卷積定理,將式(7)轉(zhuǎn)換到頻域

(8)

在小波包的定義式中,有

(9)

式中h(k)與g(k)為小波濾波器組。

在式(9)中,令t=2-jx,然后兩端分別做傅立葉變換,得到

(10)

(11)

考慮到H(ω)的定義,并結(jié)合式(8)(11)可得

轉(zhuǎn)換到時域,得到

(12)

(13)

利用小波包變換,得到不同頻段下的小波包系數(shù),由此得到小波包能量

(14)

式中:xj,k表示小波包系數(shù),j=0,1,2,…,2i-1,k=1,2,…,N;N表示離散采樣點(diǎn)數(shù);Ei,j表示故障信號通過小波包分解得到的第i層第(i,j)個節(jié)點(diǎn)的能量。

3.3 小波包變換參數(shù)

本文采用100 μs的采樣周期,即10 kHz的采樣頻率。在實(shí)際的工程中,采樣頻率達(dá)到2 kHz以上就可以提取有用的故障信息。小波包分解的層數(shù)為3,各節(jié)點(diǎn)是按照頻率從高到低分布,共分解為8個節(jié)點(diǎn)。通過奈奎斯特采樣定律可知,采樣信號最高頻率是5 kHz,將其分解為8個頻段,各節(jié)點(diǎn)的頻率段分布如表1所示。

表1 小波包分解第3層各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的頻率段

4 基于能量分布的單端電氣量保護(hù)

本文利用混合雙極直流輸電線路兩側(cè)固有的平波電抗器,構(gòu)造了一種基于邊界元件暫態(tài)能量之比的單端電氣量保護(hù)方案。通過對保護(hù)安裝處提取的電壓特征信號進(jìn)行小波包變換,獲得各節(jié)點(diǎn)的小波包分解系數(shù),利用式(14)得到各頻段暫態(tài)能量。由于電感通低頻阻高頻的特性,所以利用低頻能量與部分高頻能量和的比值構(gòu)造出保護(hù)判據(jù),識別區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行故障選極。

4.1 保護(hù)啟動

根據(jù)故障后的電壓變化量幅值構(gòu)造出啟動判據(jù)

|ΔU|>0.1Un

(15)

式中:ΔU是正負(fù)極的電壓變化量;Un是電壓額定值。如果保護(hù)安裝處測量的數(shù)據(jù)滿足式(15),則保護(hù)啟動;如果不滿足,則保護(hù)不啟動。

4.2 故障判據(jù)

通過3.1小節(jié)分析可得,保護(hù)測量點(diǎn)得到的電壓高頻能量大,區(qū)外故障時測量點(diǎn)得到的電壓高頻能量較小,導(dǎo)致高低頻能量的比值不同。由此,構(gòu)造保護(hù)判據(jù)

(16)

式中:Ka、Kb分別表示正極、負(fù)極的高低頻能量之比;ELa表示在正極保護(hù)安裝處a測量得到的電壓信號經(jīng)小波包3層變換后的第2個節(jié)點(diǎn)能量;EΣHa表示在正極保護(hù)安裝處a測量得到的數(shù)據(jù)經(jīng)小波包3層變換得到的第3層后6節(jié)點(diǎn)能量之和;Kset為保護(hù)設(shè)定的門檻值。

選取區(qū)內(nèi)故障的保護(hù)整定值時,保證其可以避開所有的區(qū)外故障即可。由大量仿真數(shù)據(jù)可知,發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時,能量比存在明顯的分界。因此,在一定的裕值下,選取Kset=3。

最終,保護(hù)的判據(jù)設(shè)置如下:

區(qū)內(nèi)正極故障,Ka<3 &Kb>3;

區(qū)內(nèi)負(fù)極故障,Ka>3 &Kb<3;

區(qū)內(nèi)雙極故障,Ka<3 &Kb<3;

區(qū)外故障,Ka>3 &Kb>3。

4.3 保護(hù)流程

保護(hù)算法流程如圖7所示,先判斷是否發(fā)生故障,保護(hù)是否啟動,若是,則對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包變換,求取各節(jié)點(diǎn)能量,求取高低頻能量比,從而判別區(qū)內(nèi)外故障以及進(jìn)行故障選極。

圖7 保護(hù)算法流程

此外,雷擊的數(shù)據(jù)采集時間窗長度是微秒級,而本文方法的數(shù)據(jù)采集時間窗長度是毫秒級。理論上,本文方法受雷擊影響小,未來會專門研究雷擊影響問題。

5 仿真驗(yàn)證與分析

本文選擇的電纜長度是200 km,電壓等級是±500 kV,故障發(fā)生時刻是3 s,持續(xù)時間是0.1 s,數(shù)據(jù)窗長度是3 ms,采樣周期是100 μs。

5.1 區(qū)內(nèi)故障

當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時,在不同接地故障和過渡電阻下,正極的高低頻能量比Ka與負(fù)極的高低頻能量比Kb如表2所示。

表2 區(qū)內(nèi)故障時的Ka和Kb

圖8是區(qū)內(nèi)正極故障時不同過渡電阻下的Ka、Kb?？梢钥闯?保護(hù)安裝處a測量得到的Ka均小于3,保護(hù)安裝處b測量得到的Kb均大于3。區(qū)內(nèi)正極故障保護(hù)判據(jù)的有效性得到了驗(yàn)證。

圖8 區(qū)內(nèi)正極故障時不同過渡電阻下的Ka和Kb

圖9是區(qū)內(nèi)負(fù)極故障時不同過渡電阻下的Ka、Kb?？梢钥闯?保護(hù)安裝處a測量得到的Ka均大于3,保護(hù)安裝處b測量得到的Kb均小于3。區(qū)內(nèi)負(fù)極故障保護(hù)判據(jù)的有效性得到了驗(yàn)證。

圖9 區(qū)內(nèi)負(fù)極故障時不同過渡電阻下的Ka和Kb

圖10是雙極故障(f9)時不同過渡電阻的Ka、Kb。可以看出,在保護(hù)安裝處a測量得到的Ka均小于3,在保護(hù)安裝處b測量得到的Kb均小于3。區(qū)內(nèi)雙極故障保護(hù)判據(jù)的有效性得到了驗(yàn)證。

圖10 雙極故障時不同過渡電阻的Ka和Kb

5.2 區(qū)外故障

保護(hù)判據(jù)的整定是按躲過最嚴(yán)重的區(qū)外故障來進(jìn)行的,區(qū)外金屬性接地與區(qū)內(nèi)高阻接地故障最接近,因此若保護(hù)能成功避開區(qū)外金屬性接地故障,即可保證可以躲過其他區(qū)外故障。當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時,過渡電阻取0.01 Ω,發(fā)生f1、f4、f5、f8時的Ka為5.31、10.94、13.89、17.06,Kb為4.76、9.86、5.15、9.30。可以看出,在保護(hù)安裝處a測量得到的Ka均大于3,在保護(hù)安裝處b測量得到的Kb均大于3。區(qū)外故障保護(hù)判據(jù)的有效性得到了驗(yàn)證。

5.3 故障選極

對于線路而言,一極故障,則另外一極也將受到影響。當(dāng)發(fā)生單極故障時,故障極線路保護(hù)啟動,保護(hù)元件動作,故障極被隔離,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單極運(yùn)行。當(dāng)線路發(fā)生雙極故障時,保護(hù)動作,系統(tǒng)無法繼續(xù)工作。因此,區(qū)內(nèi)故障最嚴(yán)重的就是雙極故障。通過PSCAD搭建混合雙極直流輸電模型,對保護(hù)判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)合5.1、5.2小節(jié),可得仿真驗(yàn)證結(jié)果,如表3所示。

表3 仿真驗(yàn)證結(jié)果

6 結(jié) 論

本文利用混合雙極直流輸電系統(tǒng)特有的邊界結(jié)構(gòu),構(gòu)造了一種基于信號暫態(tài)高低頻能量比的直流線路故障判別方法。通過PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建混合雙極高壓直流輸電系統(tǒng),模擬不同工況下的故障情形,提取電壓特征信號,進(jìn)行小波包變換,得到各節(jié)點(diǎn)的暫態(tài)能量。利用特定低頻能量與部分高頻能量和的比值構(gòu)造出保護(hù)判據(jù),從而識別區(qū)內(nèi)外故障以及進(jìn)行故障選極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:

(1)在不同的工況下,甚至在區(qū)內(nèi)故障短路接地電阻為1 000 Ω時,本文方法仍可以準(zhǔn)確識別故障,滿足保護(hù)的可靠性;

(2)數(shù)據(jù)窗長度只有3 ms,滿足繼電保護(hù)的速動性;

(3)本文方法保護(hù)的是直流線路全長,滿足保護(hù)的靈敏性;

(4)本文方法可以快速識別故障,并自動進(jìn)行故障選極,滿足了保護(hù)的選擇性。

本文方法具有較強(qiáng)的耐過渡電阻能力,保護(hù)的可靠性、速動性、靈敏性和選擇性都得到了滿足,且具有較高的精度,可以準(zhǔn)確識別故障。