劉建勛，李鳳婷

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046 )

隨著電力電子器件的發(fā)展，高壓直流輸電在經(jīng)濟(jì)性、互聯(lián)性以及控制性等方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著.然而，對(duì)于受端交流系統(tǒng)而言，直流系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程非?？斓碾娏髟?，對(duì)交流側(cè)故障十分敏感.交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致直流控制系統(tǒng)迅速動(dòng)作，使直流系統(tǒng)的電氣量隨之變化，進(jìn)而影響交流系統(tǒng)的繼電保護(hù)，因此有必要研究直流系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響.

學(xué)者們就直流饋入對(duì)交流系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)：換相失敗時(shí)直流系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)的直流等值工頻電流使過(guò)渡阻抗呈容性，導(dǎo)致輸出端經(jīng)大阻抗接地時(shí)保護(hù)裝置將正方向短路故障識(shí)別為反方向短路故障，此時(shí)有保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；零序電流幾乎不受直流系統(tǒng)的影響，因此可通過(guò)加裝檢測(cè)零序電流方向的裝置規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn).交流系統(tǒng)故障時(shí)，可能引發(fā)直流系統(tǒng)逆變側(cè)換相失敗，導(dǎo)致距離保護(hù)的測(cè)量出現(xiàn)誤差，發(fā)生誤動(dòng).因此，發(fā)現(xiàn)換相失敗時(shí)應(yīng)直接關(guān)閉距離保護(hù)，防止誤動(dòng)，換相失敗結(jié)束后再解除閉鎖.傳統(tǒng)距離保護(hù)逐級(jí)階梯延時(shí)，不能滿足速動(dòng)性，容易引起直流閉鎖.將安裝處測(cè)量到的電氣量補(bǔ)償至保護(hù)范圍末端后，再計(jì)算故障距離，可避免非工頻分量的影響.直流系統(tǒng)逆變側(cè)換相失敗導(dǎo)致系統(tǒng)阻抗變化，工頻變化量的距離保護(hù)范圍隨系統(tǒng)阻抗與整定阻抗之比的增大而縮小.對(duì)于距離保護(hù)Ⅱ段，柔性直流運(yùn)行方式的變化影響距離保護(hù)Ⅱ段的范圍，可采用在柔性直流輸電公共連接點(diǎn)處測(cè)量信息的自適應(yīng)距離保護(hù)方法，消除柔性直流的影響.使用擬合方法可得到光伏電站發(fā)電功率與等值阻抗的關(guān)系，基于此關(guān)系能對(duì)保護(hù)進(jìn)行改進(jìn).現(xiàn)有研究大部分是針對(duì)直流系統(tǒng)對(duì)距離保護(hù)Ⅰ段的影響進(jìn)行的，而對(duì)距離Ⅱ段影響的研究較少.故障時(shí)，當(dāng)Ⅰ段拒動(dòng)，Ⅱ段將承擔(dān)故障切除的任務(wù)，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定起重要作用，因此有必要研究直流系統(tǒng)對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段的影響.

鑒于此，該文分析交流系統(tǒng)故障對(duì)直流等值工頻電流的影響，進(jìn)而分析直流等值工頻電流對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段的影響.分析發(fā)現(xiàn)，直流等值工頻電流隨交流系統(tǒng)故障嚴(yán)重程度的增加而降低，導(dǎo)致距離保護(hù)Ⅱ段拒動(dòng)或誤動(dòng).針對(duì)此問(wèn)題，結(jié)合阻抗繼電器的多邊形特性，提出基于實(shí)時(shí)直流等值工頻電流與保護(hù)處工頻電流比值的自適應(yīng)距離保護(hù)措施.使用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性和所提措施的有效性.

1 交流系統(tǒng)故障對(duì)直流等值工頻電流的影響

圖1為直流饋入系統(tǒng)等效圖.圖1中，虛線框?yàn)橹绷飨到y(tǒng)，

Z

為濾波器及無(wú)功補(bǔ)償裝置的等效阻抗，

U

為逆變側(cè)換流母線電壓，

I

為直流等值工頻電流.

I

受直流控制系統(tǒng)影響，而交流系統(tǒng)故障使直流控制系統(tǒng)動(dòng)作，因此交流系統(tǒng)故障影響

I

.

圖1 直流饋入系統(tǒng)等效圖

以CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)為例，分析交流系統(tǒng)故障對(duì)直流等值工頻電流的影響.直流系統(tǒng)常見(jiàn)控制方式有：定電流、最小觸發(fā)角、定關(guān)斷角、電流偏差及低壓限流控制等.圖2為CIGRE HVDC系統(tǒng)控制特性.圖2中：

U

為逆變側(cè)直流電壓標(biāo)幺值；

I

為逆變側(cè)直流電流標(biāo)幺值，且

I

與

I

的大小成正相關(guān)；紅線為整流側(cè)控制，

AB

，

BLH

段均為定電流控制；藍(lán)線為逆變側(cè)控制，

CN

段為定關(guān)斷角控制，

EFG

段為定電流控制，

CDE

段為電流偏差控制；

U

和

U

為低壓限流控制的啟動(dòng)閾值.故障時(shí)，根據(jù)低壓限流控制給出的指令對(duì)整流側(cè)和逆變側(cè)的定電流進(jìn)行控制.

圖2 CIGRE HVDC系統(tǒng)的控制特性

結(jié)合圖2，對(duì)交流系統(tǒng)正常運(yùn)行及發(fā)生不同程度故障時(shí)直流控制系統(tǒng)的動(dòng)作情況及電流變化情況進(jìn)行如下說(shuō)明：

(1) 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，

U

等于額定電壓；

I

，

I

均等于額定電流；整流側(cè)處于定電流控制狀態(tài)，即

ABC

段，逆變側(cè)處于定關(guān)斷角控制狀態(tài)，即

CN

段.(2) 交流側(cè)發(fā)生輕微故障時(shí)，

U

降低較少，整流側(cè)觸發(fā)角增大，即

CK

段；逆變側(cè)始終為定關(guān)斷角控制狀態(tài)；

I

，

I

保持不變.(3) 交流側(cè)發(fā)生較嚴(yán)重故障時(shí)，

U

下降較多，達(dá)到

U

′；整流側(cè)，低壓限流控制傳給定電流控制的參考值下降，即

KL

段；逆變側(cè)，低壓限流控制傳給定電流控制的參考值下降；定電流控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定后，電流偏差控制過(guò)渡至定關(guān)斷角控制，即

C

′

N

′段；故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)為

M

；

I

，

I

較正常運(yùn)行時(shí)小.(4) 交流側(cè)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，

U

下降很多，達(dá)到

U

″；整流側(cè)，處于最小電流控制狀態(tài)，即

LH

段；逆變側(cè)，低壓限流控制輸出的指令值為最小值，定電流控制和電流偏差控制根據(jù)指令值將系統(tǒng)穩(wěn)定于

FG

段；系統(tǒng)穩(wěn)定后，控制器切換為定關(guān)斷角控制，即

C

″

N

″段；故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于

X

點(diǎn)；相對(duì)于第(3)種情況，

I

，

I

下降更多.由上述分析可知，交流系統(tǒng)故障越嚴(yán)重，故障穩(wěn)態(tài)時(shí)

I

越小.基于PSCAD/EMTDC搭建CIGRE HVDC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型，對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證.故障位置位于逆變側(cè)換流母線處，故障發(fā)生時(shí)刻為1 s、持續(xù)時(shí)間為0.5 s.分別對(duì)經(jīng)200，50，10 Ω單相接地及三相金屬接地故障進(jìn)行仿真測(cè)試，圖3為

I

的測(cè)試結(jié)果.由圖3可知，故障越嚴(yán)重，故障穩(wěn)態(tài)時(shí)

I

越小，可見(jiàn)上述結(jié)論正確.

圖3 Ieq的測(cè)試結(jié)果

2 直流等值工頻電流對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段的影響

2.1 直流等值工頻電流對(duì)測(cè)量阻抗的影響

圖4為使用PSCAD/EMTDC搭建的直流饋入系統(tǒng)仿真模型.一般情況下，保護(hù)1的距離Ⅰ段的范圍為

BC

段的80%～90%；保護(hù)2的距離Ⅰ段的范圍為

AB

段的80%～90%；保護(hù)2的距離Ⅱ段的范圍為

AB

段全長(zhǎng)加下一段線路(

BC

段)的一部分，不超出保護(hù)1的距離Ⅰ段的范圍.

圖4 直流饋入系統(tǒng)仿真模型

(1)

其中：

U

為保護(hù)2處的交流工頻電壓，

I

為線路

AB

的交流工頻電流.由基爾霍夫電壓定律可得

U

=

I

Z

+

I

Z

,

(2)

其中：

Z

為線路

AB

的阻抗，

Z

為線路

BC

始端至故障點(diǎn)的阻抗，

I

為線路

BC

的交流工頻電流.將式(2)代入式(1)，得

(3)

距離保護(hù)的分支系數(shù)為

(4)

直流系統(tǒng)故障穩(wěn)態(tài)特征與交流系統(tǒng)不同，因此有必要研究直流等值工頻電流對(duì)測(cè)量阻抗的影響.由基爾霍夫電流定律可得

I

=

I

+

I

.

(5)

將式(5)代入式(3)，得

(6)

其中

(7)

由式(6)～(7)可知，故障越嚴(yán)重，

K

越小，測(cè)量阻抗就越小；故障越輕微，

K

越大，測(cè)量阻抗就越大.

2.2 直流等值工頻電流對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段保護(hù)范圍的影響

距離保護(hù)Ⅱ段的整定方式有如下兩種.

第1種整定方式：按傳統(tǒng)距離保護(hù)的原則進(jìn)行整定.此時(shí)，

K

等于零時(shí)，保護(hù)2的距離Ⅱ段的整定阻抗為

(8)

(9)

(10)

令

(11)

測(cè)量阻抗小于整定阻抗時(shí)，

K

<1，保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)；測(cè)量阻抗大于整定阻抗時(shí)，

K

>1，保護(hù)動(dòng)作不啟動(dòng).

K

取0.8，

K

取1，則由式(11)可得圖5.圖5中，點(diǎn)劃線的長(zhǎng)度表示不同

K

下保護(hù)2的距離Ⅱ段位于

BC

段的范圍，紅色所在范圍為保護(hù)動(dòng)作持續(xù)的區(qū)域.

圖5 不同Km下第1種整定方式的保護(hù)范圍

由圖5可看出：故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，

K

越大，保護(hù)范圍就越??；

BC

段始端輕微故障時(shí)，

K

隨

I

增大而增大，使保護(hù)范圍縮小，造成保護(hù)拒動(dòng).第2種整定方式：按直流系統(tǒng)正常狀態(tài)進(jìn)行整定.此時(shí)，

K

為最大值

K

，保護(hù)2的距離Ⅱ段的整定阻抗為

(12)

同理，可得

(13)

K

取4，其余參數(shù)取值均與第1種整定方式相同，則由式(13)可得圖6.

圖6 不同Km下第2種整定方式的保護(hù)范圍

由圖6可看出：故障穩(wěn)態(tài)時(shí)

K

越小，保護(hù)范圍越大；故障非常嚴(yán)重時(shí)，保護(hù)范圍甚至可能超過(guò)

BC

段；

BC

段末端嚴(yán)重故障時(shí)，

K

隨

I

減小而減小，使保護(hù)范圍擴(kuò)大，造成保護(hù)誤動(dòng).綜上所述，第1種整定方式導(dǎo)致

BC

段始端輕微故障時(shí)保護(hù)拒動(dòng)，第2種整定方式導(dǎo)致

BC

段末端嚴(yán)重故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng).因此，直流饋入系統(tǒng)中，第1,2種整定方式無(wú)法適應(yīng)所有故障，有必要提出應(yīng)對(duì)措施.

3 自適應(yīng)距離保護(hù)措施

直流等值工頻電流使

K

在故障穩(wěn)態(tài)時(shí)隨故障嚴(yán)重程度的增加而減小，因此，

K

取某個(gè)定值時(shí)，保護(hù)就可能出現(xiàn)誤動(dòng)或者拒動(dòng).通過(guò)

K

，得到實(shí)時(shí)調(diào)整的整定值就可避免此情況.廣域通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同系統(tǒng)間的低延遲通訊，通信延遲通常在20 ms以下，而距離保護(hù)Ⅱ段一般有0.3～0.6 s的延時(shí)，遠(yuǎn)大于通信系統(tǒng)的延時(shí)，因此可通過(guò)廣域通信系統(tǒng)將測(cè)得的直流等值工頻電流傳至保護(hù)2.保護(hù)2的距離Ⅱ段的自適應(yīng)整定值為

(14)

阻抗繼電器由3種繼電器組合而成，圖7為其多邊形特性曲線.

圖7 阻抗繼電器的多邊形特性曲線(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[19])

圖7中，折線

AOE

為功率方向繼電器的動(dòng)作特性曲線，線段

BC

為電抗型繼電器的動(dòng)作特性曲線，線段

CD

為電阻型繼電器的動(dòng)作特性曲線.通過(guò)選取合適的

D

點(diǎn)，使阻抗繼電器具有強(qiáng)的抗過(guò)渡電阻能力，這樣可忽略過(guò)渡電阻的影響，僅考慮電抗的作用.線路電抗一般遠(yuǎn)大于線路電阻，只需通過(guò)式(14)得到自適應(yīng)整定值，然后取其電抗部分用于調(diào)整

B

點(diǎn)位置，判斷測(cè)量阻抗是否處于特性曲線內(nèi)部，即可完成基于實(shí)時(shí)直流等值工頻電流與保護(hù)處工頻電流比值的自適應(yīng)距離保護(hù).該文提出的自適應(yīng)距離保護(hù)措施的執(zhí)行框圖如圖8所示.

圖8 自適應(yīng)距離保護(hù)措施的執(zhí)行框圖

4 仿真驗(yàn)證

仿真模型圖4中的線路

AB

和

BC

全長(zhǎng)均為50 km.故障發(fā)生時(shí)刻為1.0 s，持續(xù)時(shí)間為0.5 s，系統(tǒng)在故障發(fā)生0.25 s后進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)

K

等于4.距離Ⅱ段的保護(hù)屬于后備保護(hù)，其時(shí)延一般在0.3～0.6 s，因此距離Ⅱ段的保護(hù)可以規(guī)避故障暫態(tài)過(guò)程.圖9為

BC

段10%處

A

相經(jīng)80，100 Ω過(guò)渡電阻單相接地的仿真結(jié)果.由圖9可知：第1種整定方式，在80 Ω過(guò)渡電阻單相接地時(shí)，處于臨界動(dòng)作狀態(tài)，但過(guò)渡電阻為100 Ω時(shí)，測(cè)量電抗大于整定電抗，出現(xiàn)了拒動(dòng)，因此驗(yàn)證了該文2.2節(jié)得到的結(jié)論：

BC

段始端輕微故障時(shí)，第1種整定方式導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)；第2種整定方式，測(cè)量電抗均小于整定電抗，保護(hù)可正確動(dòng)作；該文提出的自適應(yīng)距離保護(hù)措施，測(cè)量電抗均小于整定電抗，保護(hù)可正確動(dòng)作.

圖9 BC段10%處A相經(jīng)80，100 Ω過(guò)渡電阻單相接地的仿真結(jié)果

圖10為

BC

段60%處

A

相經(jīng)80 Ω過(guò)渡電阻和金屬單相接地的仿真結(jié)果.由圖10可知：第1種整定方式，測(cè)量電抗均大于整定電抗，保護(hù)不動(dòng)作；第2種整定方式，測(cè)量電抗均小于整定電抗，保護(hù)可正確動(dòng)作；該文提出的自適應(yīng)距離保護(hù)措施，處于臨界動(dòng)作狀態(tài)，不同故障情況下其最大保護(hù)范圍均為

BC

段的60%.

圖10 BC段60%處A相經(jīng)80 Ω過(guò)渡電阻和金屬單相接地的仿真結(jié)果

圖11為

BC

段90%處

A

相經(jīng)80 Ω過(guò)渡電阻單相接地和金屬三相接地的仿真結(jié)果.由圖11可知：第1種整定方式，測(cè)量電抗均大于整定電抗，保護(hù)不動(dòng)作；第2種整定方式，80 Ω過(guò)渡電阻單相接地時(shí)，測(cè)量電抗大于整定電抗，保護(hù)不動(dòng)作，但在金屬三相接地時(shí)，測(cè)量電抗小于整定電抗，保護(hù)誤動(dòng)，因此驗(yàn)證了該文2.2節(jié)得到的結(jié)論：

BC

段末端嚴(yán)重故障時(shí)，第2種整定方式導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；該文提出的自適應(yīng)距離保護(hù)措施，測(cè)量電抗均大于整定電抗，保護(hù)不動(dòng)作.

圖11 BC段90%處A相經(jīng)80 Ω過(guò)渡電阻單相接地和金屬三相接地的仿真結(jié)果

綜上可知：第1種整定方式導(dǎo)致

BC

段始端輕微故障時(shí)保護(hù)拒動(dòng)；第2種整定方式導(dǎo)致

BC

段末端嚴(yán)重故障時(shí)保護(hù)誤動(dòng)；該文所提自適應(yīng)距離保護(hù)措施，在

BC

段始端輕微故障時(shí)可靠動(dòng)作，

BC

段末端嚴(yán)重故障時(shí)不動(dòng)作，保護(hù)范圍最大為

BC

段的60%，沒(méi)有超過(guò)保護(hù)1的距離Ⅰ段的范圍.可見(jiàn)，前述的理論分析具有準(zhǔn)確性，所提措施具有有效性.

5 結(jié)束語(yǔ)

交流系統(tǒng)故障使直流系統(tǒng)等值工頻電流降低、測(cè)量阻抗和保護(hù)范圍發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致距離保護(hù)Ⅱ段拒動(dòng)或誤動(dòng).分析發(fā)現(xiàn)：測(cè)量阻抗及保護(hù)范圍的變化，與直流等值工頻電流與保護(hù)處工頻電流的比值有關(guān).在此發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，筆者提出了基于實(shí)時(shí)直流等值工頻電流與保護(hù)處工頻電流比值的自適應(yīng)距離保護(hù)措施，以消除直流饋入對(duì)距離保護(hù)Ⅱ段的影響.仿真結(jié)果表明：理論分析具有準(zhǔn)確性，應(yīng)對(duì)措施具有有效性.