劉景睿，鄒貴彬

(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引 言

目前，高壓直流線路保護(hù)主要以微分欠壓保護(hù)和行波保護(hù)為主保護(hù)，低壓保護(hù)和電流差動(dòng)保護(hù)為后備保護(hù)[1]。行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)可以克服長線分布電容的影響。然而，對于高阻故障，其抗噪聲能力較差，并且靈敏度也較低[2]。電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間相對較長。低壓保護(hù)雖然原理較為簡單，但缺乏足夠的理論依據(jù)，且選擇性較差[3]。

文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)地闡述了行波保護(hù)的發(fā)展歷史、原理、存在的問題以及展望。文獻(xiàn)[5]通過對柔性直流輸電系統(tǒng)行波暫態(tài)特征的分析，發(fā)現(xiàn)線路區(qū)外故障時(shí)電流行波的能量遠(yuǎn)高于行波差流的能量值，并提出了一種基于行波能量比的行波差動(dòng)保護(hù)方案，克服了保護(hù)區(qū)外嚴(yán)重故障而引起的不平衡差動(dòng)電流的影響。文獻(xiàn)[6]提出一種利用線路兩端故障電流反行波模量的差值來判斷是否發(fā)生故障并使用零模量選擇故障線路的方法，但是零模量在輸電線路上畸變較大，衰減嚴(yán)重，無法用于保護(hù)判斷。文獻(xiàn)[7]中在無損傳輸線模型的基礎(chǔ)上考慮了輸電線路基本參數(shù)的頻變特性，分析了直流線路故障行波產(chǎn)生色散的原因、特點(diǎn)及其在直流線路環(huán)境下的主要影響因素，進(jìn)而分析了末端設(shè)備及故障行波色散對直流線路行波保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[8]在傳統(tǒng)行波保護(hù)的基礎(chǔ)上，利用形態(tài)數(shù)學(xué)方法提取線路兩端初始行波波頭的信息，形成保護(hù)判據(jù)。

基于柔性直流系統(tǒng)自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，也發(fā)展出了諸多保護(hù)方法。文獻(xiàn)[9]中將故障分量模型的系統(tǒng)側(cè)等效為電容，使用時(shí)域算法辨識兩側(cè)等效電容，提出了一種辨識參數(shù)的柔性直流縱聯(lián)保護(hù)方案。文獻(xiàn)[10]基于直流線路兩端的大電容對高頻信號呈現(xiàn)低阻的特性，提出了一種全新柔性直流輸電保護(hù)原理，利用故障電流高、低頻的幅值比來確定區(qū)內(nèi)區(qū)外故障。

下面通過分析柔性直流線路的故障特點(diǎn)，提出了一種基于故障電流斜率的新型保護(hù)方法，通過比較線路兩端的故障電流斜率來判斷區(qū)內(nèi)區(qū)外故障。

1 故障暫態(tài)分析

1.1 仿真模型

所使用的仿真模型是基于±500 kV中國張北四端柔性直流輸電系統(tǒng)所搭建的±500 kV四端多電平柔性直流輸電系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行四端MMC-MTDC仿真模型

500 kV的交流電網(wǎng)通過Yn/△連接的變壓器與換流站連接。系統(tǒng)采用對稱雙極結(jié)構(gòu)，每個(gè)換流站有兩組MMC換流器，分別連接正極與負(fù)極。輸電線路采用架空線路形式，線路距地面28 m，兩極線間距為13.7 m，正常運(yùn)行時(shí)，S1、S2、S3換流站的額定功率為1500 MW，S4換流站的額定功率為3000 MW。4個(gè)換流站的無功功率均為0。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，換流站S1、S3作為逆變站，S2、S4為整流站。線路參數(shù)如表1所示。仿真步長為50 μs，即20 kHz。

表1 線路參數(shù)

1.2 故障電流的方向特征

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可用疊加原理將故障線路等效為正常運(yùn)行線路和故障電源單獨(dú)作用的線路的疊加，以便更好地分析線路故障特征。

定義參考方向?yàn)槟妇€到線路，并且將交流系統(tǒng)與換流站一起等效為直流電源，可得到直流線路簡圖，如圖2所示。此處整流側(cè)與逆變側(cè)僅用于指代線路兩端，若線路兩端相鄰換流站均是作整流站或逆變站運(yùn)行，如圖1中的S1和S3、S2和S4，此理論依然適用。UR和UL分別為線路兩側(cè)的等效直流電壓，UR為逆變側(cè)電壓，UL為整流側(cè)電壓，通常情況下UL略大于UR。IL和IR分別為整流側(cè)與逆變側(cè)的電流，并且IL=-IR。

圖2 正常運(yùn)行線路

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，相當(dāng)于在故障點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)與故障前大小相等方向相反的電壓源，如圖3所示，Uf為故障點(diǎn)疊加電壓源，If為故障點(diǎn)處的故障電流。在此模型中忽略了線路阻抗和過渡電阻。ΔIR和ΔIL為發(fā)生故障后兩端電流的改變量，其方向和參考方向相同。

圖3 發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)的故障附加電路

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，如圖4所示為其故障附加電路，整流側(cè)的故障電流IL突變方向與逆變側(cè)故障電流IR相反。

圖4 發(fā)生區(qū)外故障時(shí)的故障附加電路

根據(jù)上述理論分析，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，線路兩端的故障電流突變方向相同；而發(fā)生外部故障時(shí)，線路兩端的故障電流突變方向相反。

2 保護(hù)方法

在故障發(fā)生后幾毫秒內(nèi)對故障電流進(jìn)行采樣，記采樣窗口內(nèi)電流最大的時(shí)刻為Tm，記此時(shí)整流側(cè)與逆變側(cè)的故障電流分別為ImR和ImL，并以此計(jì)算線路兩端的故障電流斜率kR和kL。

整流側(cè):

(1)

逆變側(cè):

(2)

式中：I0為故障初始時(shí)刻的故障電流值；T0為故障時(shí)刻；kL和kR分別為故障線路兩端整流側(cè)和逆變側(cè)的故障電流斜率。若發(fā)生的是區(qū)內(nèi)故障，kL和kR的極性相同；若發(fā)生的是區(qū)外故障，kL和kR的極性相反。

由下列判據(jù)實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)、外故障的判別：

S=sgn(kR)·sgn(kL)=1

(4)

式中，sgn為符號函數(shù)。當(dāng)滿足等式(4)的條件時(shí)，則說明發(fā)生的是區(qū)內(nèi)故障，否則，則說明發(fā)生的為區(qū)外故障。具體的保護(hù)流程如圖5所示。

圖5 保護(hù)流程

在正常情況和受到小擾動(dòng)或噪聲時(shí)，此判據(jù)有極高的選擇性，可以準(zhǔn)確地判別線路區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。但是當(dāng)有大擾動(dòng)，如非故障性雷擊時(shí)，線路電流也會(huì)產(chǎn)生較大的突變，此時(shí)電流會(huì)產(chǎn)生類似故障時(shí)的變化，有可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，對此類干擾，尚待以后繼續(xù)研究，對所提保護(hù)方案提供補(bǔ)充。

3 仿真與分析

利用PSCAD搭建如圖1所示的柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)模型，并分別在圖示位置設(shè)置故障進(jìn)行仿真。通過線路兩端的繼電保護(hù)裝置收集故障特征量，并對其分析處理。仿真設(shè)置了線路l1的單極接地故障、極間故障、線路l4極間故障、線路l2單極接地故障以及換流站S2入口交流側(cè)三相接地短路5種故障，分別通過仿真得到它們在線路l1兩端的故障電流波形并計(jì)算出故障電流斜率，以驗(yàn)證所提出的基于電流斜率突變量的保護(hù)原理。

3.1 區(qū)內(nèi)故障仿真

3.1.1 單極接地故障

以正極接地故障為例進(jìn)行分析。故障位置設(shè)置在圖1中的f1處。分別設(shè)置故障位置距離繼電保護(hù)裝置R1210 km和R12100 km。圖6與圖7所示為線路兩端的故障電流波形。仿真結(jié)果如表2所示。

圖6 單極接地故障距R12 10 km的故障電流

圖7 單極接地故障距R12 100 km的故障電流

線路l1的總長度為205.9 km。從表2的結(jié)果中能夠看出，此保護(hù)方法能夠有效地識別故障線路。然而，在一般情況下，線路發(fā)生的常常不是金屬性短路，因此有必要研究存在過渡電阻時(shí)的保護(hù)動(dòng)作情況。仍以正極接地故障為例進(jìn)行分析，設(shè)置故障位置距保護(hù)裝置R12100 km，過渡電阻為100 Ω。仿真所得到的故障電流波形和仿真結(jié)果分別如圖8和表3所示。

表2 區(qū)內(nèi)單極接地故障仿真結(jié)果

圖8 100 Ω過渡電阻單極接地故障的故障電流波形

表3 區(qū)內(nèi)單極接地故障有100 Ω過渡電阻的仿真結(jié)果

從圖7、圖8和表2、表3中能夠看出，當(dāng)過渡電阻增大時(shí)，故障電流的上升速度與幅值將減小，從而使計(jì)算獲得的故障電流斜率相應(yīng)減小，加大了保護(hù)判斷難度，但保護(hù)仍然能夠準(zhǔn)確地判斷出故障線路，說明基于電流突變量斜率的保護(hù)方法有一定的抗過渡電阻能力。

3.1.2 雙極接地故障

設(shè)置故障f2如圖1所示，分別設(shè)置距離保護(hù)安裝處R1210 km和100 km的故障進(jìn)行分析。仿真所得到的故障電流波形和仿真結(jié)果分別如圖9、圖10和表4所示。

圖9 雙極接地故障距R12 10 km的故障電流

圖10 雙極接地故障距R12 100 km的故障電流

表4 區(qū)內(nèi)雙極接地故障仿真結(jié)果

從圖9、圖10以及表4可以得出，當(dāng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，所提出的保護(hù)方法能夠準(zhǔn)確地識別出故障。

下面研究在有過渡電阻的情況下，此保護(hù)方案是否能夠準(zhǔn)確識別故障。仍以l1雙極短路故障為例進(jìn)行分析，設(shè)置故障位置距保護(hù)裝置R12100 km，過渡電阻為100 Ω。仿真所得到的故障電流波形和仿真結(jié)果分別如圖11和表5所示。

圖11 100 Ω過渡電阻雙極接地故障的故障電流波形

表5 區(qū)內(nèi)雙極接地故障有100 Ω過渡電阻的仿真結(jié)果

從圖11和表5所示結(jié)果能夠得出，即使雙極短路故障有一定的過渡電阻，所提出的保護(hù)方案也能夠準(zhǔn)確地判別出故障。

3.2 區(qū)外故障仿真

3.2.1 單極接地故障

故障設(shè)置位置如圖1中的f3所示。以線路l2發(fā)生正極接地故障為例分析發(fā)生區(qū)外單極接地故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況。圖12和表6分別為發(fā)生故障后線路l1兩端的故障電流波形以及故障仿真的結(jié)果。

圖12 發(fā)生區(qū)外正極接地故障f3后l1兩端故障電流

表6 區(qū)外單極接地故障仿真結(jié)果

從圖12和表6的結(jié)果中能夠得到：當(dāng)發(fā)生區(qū)外單極接地故障時(shí)，非故障線路l1兩端故障電流突變方向相反，因此計(jì)算出的線路兩端故障電流斜率符號不同；并且其突變速率也小于發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，計(jì)算出的電流斜率甚至小于門檻值kset，因此能夠準(zhǔn)確識別故障。

3.2.2 雙極短路故障

如圖1中的f4所示，以線路l4發(fā)生雙極短路故障為例分析區(qū)外發(fā)生雙極短路故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作情況。圖13和表7分別為發(fā)生故障后非故障線路l1兩端的電流波形和仿真結(jié)果。

圖13 發(fā)生區(qū)外雙極接地故障f4后l1兩端故障電流

表7 區(qū)外雙極接地故障仿真結(jié)果

從圖13和表7中能夠得到：發(fā)生區(qū)外雙極短路故障后，非故障線路兩端的故障電流突變方向相反，相較于發(fā)生區(qū)外單極接地故障，其故障電流斜率更大，但根據(jù)保護(hù)方法仍能有效地判別出故障區(qū)域。

3.2.3 交流側(cè)故障

如圖1中f5所示，以換流站S2入口發(fā)生交流系統(tǒng)三相對地短路為例研究發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，所提保護(hù)的動(dòng)作情況。圖14和表8分別為交流側(cè)三相接地后線路l1兩端故障電流波形以及仿真結(jié)果。

圖14 發(fā)生交流側(cè)三相接地故障f5后l1兩端故障電流

表8 交流側(cè)三相接地故障仿真結(jié)果

從圖14和表8中能夠看出，當(dāng)發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)，非故障線路兩端故障電流突變方向相反，遵循所提出的保護(hù)方法，并且計(jì)算出kR和kL遠(yuǎn)小于保護(hù)門檻值kset，因此在交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)方法能夠有效地判別出故障。

4 結(jié) 論

上面從柔性直流輸電線路故障判別和保護(hù)方案幾個(gè)方面，簡要分析了國內(nèi)外柔性直流輸電線路故障判別與保護(hù)方案的研究現(xiàn)狀。通過理論分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)域外時(shí)，線路兩端的故障電流突變方向是相反的，而發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，線路兩端的故障電流突變方向是相同的?；谶@一發(fā)現(xiàn)，提出了一種基于電流斜率的縱聯(lián)保護(hù)方法。大量仿真結(jié)果表明，該保護(hù)方案能夠有效地區(qū)分保護(hù)區(qū)內(nèi)、區(qū)外的故障，并且在有一定過渡電阻存在的情況下也能夠準(zhǔn)確地判別出故障。同時(shí)，這種保護(hù)方法簡單并且易于實(shí)現(xiàn)。但對于過渡電阻較大的故障，由于故障電流上升速度與幅值均減小，可能導(dǎo)致保護(hù)不能有效識別故障，可靠性較低，并且對于非故障雷擊等大擾動(dòng)，保護(hù)可能誤動(dòng)。針對這些問題，可以考慮引入行波原理以及小波變換等信號處理手段，即使有較大的過渡電阻存在時(shí)，也能夠通過檢測電流行波奇異值進(jìn)行故障識別。關(guān)于抗干擾問題還需要未來進(jìn)行更多研究。