鄭玉平,何佳偉,李斌,吳通華,,戴魏,李曄

aState Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control,State Grid Electric Power Research Institute(NARI Group Corporation),Nanjing 211106,China

bKey Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China

cCollege of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China

近年來，混合多端直流輸電系統(tǒng)快速發(fā)展。但是，在混合直流系統(tǒng)中應(yīng)用的電壓源換流器（voltage-source converter,VSC）出口不再需要直流濾波器。此外，考慮到其直流故障電流可被換流器自身有效抑制，直流線路兩端也不再需要安裝限流電抗器。這意味著線路兩端邊界缺失，導(dǎo)致應(yīng)用于常規(guī)高壓直流輸電（line commutated converter based high-voltage direct current,LCC-HVDC）系統(tǒng)和柔性直流（VSC-HVDC）電網(wǎng)的單端量保護(hù)均無法適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)。為此，本文提出了一種適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)的單端量保護(hù)新原理，該方法主要基于暫態(tài)信息和主動注入思想實現(xiàn)故障辨識。與應(yīng)用于LCCHVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)的單端量保護(hù)相比，所提方法無需依賴線路兩端的邊界元件，因此更加適用于混合多端直流系統(tǒng)。大量的仿真算例充分驗證了所提方法的可行性和優(yōu)越性。

混合多端直流輸電系統(tǒng)

單端量保護(hù)

暫態(tài)量信息

主動注入

1.引言

高壓直流（high-voltage direct current,HVDC）輸電具有輸送容量大、距離遠(yuǎn)、損耗小等突出優(yōu)勢，因此在輸電領(lǐng)域得到了快速發(fā)展[1-2]。但是，傳統(tǒng)高壓直流（LCCHVDC）輸電系統(tǒng)存在換相失敗的固有缺點。不同的是，電壓源換流器應(yīng)用全控型電力電子器件，從根本上避免了換相失敗風(fēng)險[3]。但需要注意的是，全控型電力電子器件的應(yīng)用導(dǎo)致其造價成本會顯著提升?；旌现绷鬏旊娤到y(tǒng)在整流側(cè)仍然應(yīng)用LCC換流器，在逆變側(cè)則應(yīng)用VSC換流器，有效抑制了LCC-HVDC的換相失敗問題（換相失敗主要發(fā)生在逆變側(cè)），而且造價成本顯著低于VSCHVDC系統(tǒng)，因此具有突出的應(yīng)用前景[4]。

目前，混合直流系統(tǒng)主要包括四種類型，即極-極混合、混合多饋入、端-端混合以及混合多端[5]。其中，極-極混合直流輸電系統(tǒng)和混合多饋入系統(tǒng)利用引入的VSC換流器向交流系統(tǒng)提供無功支撐，因此能夠有效降低換流器的換相失敗風(fēng)險[5]。端-端混合直流在整流側(cè)應(yīng)用LCC換流器、在逆變側(cè)應(yīng)用VSC換流器，可從本質(zhì)上消除換相失敗風(fēng)險（LCC-HVDC的換相失敗主要發(fā)生在逆變側(cè)）[5]。進(jìn)一步地，混合多端直流輸電可實現(xiàn)多落點受點及區(qū)域電網(wǎng)間的緊密互聯(lián)，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，混合多端直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)原理將面臨全新的挑戰(zhàn)。

混合多端直流系統(tǒng)的線路保護(hù)設(shè)計可參考LCCHVDC系統(tǒng)及VSC-HVDC系統(tǒng)。單端量保護(hù)具有動作速度快的優(yōu)點，因此可作為高壓直流輸電系統(tǒng)的線路主保護(hù)。在LCC-HVDC系統(tǒng)中，一般將單端行波保護(hù)作為線路主保護(hù)[6-7]。例如，ABB公司利用電壓行波的變化量和變化率構(gòu)建行波保護(hù)主判據(jù)，實現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障的可靠識別。西門子公司則利用電壓變化量和電壓變化率構(gòu)建保護(hù)判據(jù)。上述保護(hù)判據(jù)均利用線路兩端的濾波器對行波的阻滯作用實現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障辨識。此外，雖然在VSC-HVDC系統(tǒng)中不安裝直流濾波器，但是直流線路兩端均會安裝限流電抗器，同樣能夠有效阻滯行波傳播。因此，基于邊界特性思想的單端量保護(hù)原理同樣能夠適用于VSC-HVDC系統(tǒng)。例如，考慮到電抗器在高頻段對信號有更強(qiáng)的阻礙作用，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于高頻暫態(tài)信號的單端快速保護(hù)新原理，顯著提升保護(hù)的過渡電阻耐受能力[8-11]。

然而，需要注意的是，上述單端量保護(hù)原理均依賴于線路兩端邊界元件對行波的阻滯作用實現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障辨識[6-11]。在混合直流電網(wǎng)中，VSC端不再安裝直流濾波器。同時考慮到混合直流系統(tǒng)主要應(yīng)用自清除型VSC實現(xiàn)故障電流的清除與抑制，限流電抗器只需安裝在換流器出口，而不需要安裝在線路兩端。這意味著線路兩端的邊界元件不復(fù)存在，應(yīng)用于LCC-HVDC系統(tǒng)和VSC-HVDC系統(tǒng)的單端量保護(hù)將無法再適用于混合多端直流系統(tǒng)。電流差動保護(hù)無需依賴線路邊界，但是其動作可靠性受到線路參數(shù)分布電容電流影響極大，而且需要依賴通信，無法作為直流線路主保護(hù)。為此，適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)的單端量保護(hù)原理仍有待進(jìn)一步研究。

針對混合多端直流系統(tǒng)應(yīng)用，本文提出了一種基于暫態(tài)信號和主動注入思想的單端量保護(hù)新原理。文章結(jié)構(gòu)主要如下。在第2節(jié)中，針對混合多端直流系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，討論了傳統(tǒng)單端量保護(hù)的適用性。在此基礎(chǔ)上，第3節(jié)提出了一種適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)的單端量保護(hù)新原理。在第4節(jié)中，通過大量的仿真算例驗證了所提方法的可行性和優(yōu)越性。最后，在第5節(jié)中給出了相應(yīng)的結(jié)論。

2.混合多端直流輸電系統(tǒng)保護(hù)面臨的風(fēng)險與挑戰(zhàn)

2.1.混合多端直流輸電系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LCC-HVDC輸電系統(tǒng)已得到了廣泛的應(yīng)用。但其采用晶閘管作為換流閥的開關(guān)元件，無法自主關(guān)斷，導(dǎo)致LCC換流器需要依靠交流電網(wǎng)電壓完成換相過程。當(dāng)交流系統(tǒng)電壓跌落時，換相過程會受到影響，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致?lián)Q相失敗。因此，換流器（特別是逆變側(cè)）的換相失敗問題成為LCC-HVDC推廣應(yīng)用的核心問題[12]。

基于電壓源換流器（VSC）的直流輸電系統(tǒng)采用全控型電力電子器件[如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）]，因此不存在換相失敗問題?；旌现绷鬏旊娤到y(tǒng)的逆變側(cè)使用VSC替換LCC，在整流側(cè)仍保留LCC換流器，既可以有效降低換相失敗風(fēng)險，又能顯著降低柔性直流輸電技術(shù)的造價成本[5]。

典型的三端混合直流輸電系統(tǒng)如圖1所示[13]。其中，整流站S3仍使用LCC換流器，逆變站S1、S2則使用VSC（MMC）換流器，從而有效消除逆變側(cè)的換相失敗問題[5]。

圖1.典型的三端混合直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

然而需要注意的是，LCC換流器可以通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角控制直流故障電流，但常規(guī)的VSC換流器，如兩電平VSC和半橋MMC，并不具備故障穿越能力。因此，在圖1所示的混合直流輸電系統(tǒng)中，S1、S2換流站的MMC為半橋子模塊和全橋子模塊構(gòu)成的混合式MMC[14-17]。當(dāng)直流線路發(fā)生故障，可通過主動閉鎖全橋子模塊，反向投入子模塊電容，實現(xiàn)故障電流的快速清除。并利用直流開關(guān)（SW1～SW3，不具備熄弧能力）最終實現(xiàn)故障線路的隔離。

2.2.混合多端直流輸電系統(tǒng)保護(hù)存在的問題

在常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流線路兩端存在平波電抗器和直流濾波器，對故障行波具有顯著的阻礙吸收作用，區(qū)外故障時的故障行波明顯小于區(qū)內(nèi)故障。因此，可利用電壓行波的幅值或變化率區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。在VSCHVDC系統(tǒng)中，由于換流器波形質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于LCC換流器，無需額外加設(shè)直流濾波器。但在線路兩端一般會裝設(shè)限流電抗器抑制直流故障電流，同樣會對故障行波產(chǎn)生阻礙作用，因此基于邊界特性的保護(hù)原理同樣適用。

但是，在混合多端直流輸電系統(tǒng)，混合型MMC換流器自身具備直流故障電流抑制與清除能力，無需在線路兩端裝設(shè)限流電抗器。如圖1中所示，限流電抗器僅需安裝在換流器出口處，而非線路兩端。在這種情況下，傳統(tǒng)的直流線路單端量保護(hù)原理無法再有效識別區(qū)內(nèi)外故障。例如，對于安裝在S2站出口的保護(hù)監(jiān)測點P2，線路1末端的f1故障與線路2末端的f4故障所產(chǎn)生的故障行波將非常相近，P2處的單端量保護(hù)無法再有效區(qū)分故障f1與f4。

顯然，應(yīng)用于LCC-HVDC系統(tǒng)及VSC-HVDC系統(tǒng)的單端量保護(hù)無法直接適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)。因此，有必要對混合多端直流輸電系統(tǒng)的直流線路單端量保護(hù)展開深入研究。

3.適用于混合多端高壓直流輸電系統(tǒng)的新型直流保護(hù)方法

3.1.新型直流保護(hù)方法

根據(jù)上述分析，由于線路兩端沒有邊界元件（如直流濾波器和直流電抗器），LCC-HVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)的單端量保護(hù)不能直接應(yīng)用于混合多端HVDC系統(tǒng)。因此，本文提出了一種新型單端量保護(hù)方法，如圖2所示。該方法能夠在沒有邊界元件的情況下可靠區(qū)分故障線路（如圖1中所示，主要指S1站的保護(hù)P1，其與多條直流線路相連）。具體步驟如下：

圖2.混合多端直流輸電系統(tǒng)直流線路單端量保護(hù)新方法流程圖。

（1）測量直流電壓和電流，即Udc1_l（換流站S1電抗器線路側(cè)的直流電壓）、Udc1_s（換流站S1電抗器站側(cè)的直流電壓）、Idc12和Idc13。如果|dUdc1_l/dt|> Δ1或|dIdc12/dt|> Δ2或|dIdc13/dt|>Δ2，則啟動保護(hù)。

（2）提取直流電壓Udc1_l和Udc1_s的高頻分量，以獲得Udc1_l_hf和Udc1_s_hf。

如果max|Udc1_l_hf|/max|Udc1_s_hf|≤kset（kset是可靠性系數(shù)，略大于1），表示故障發(fā)生在換流站S1。立即閉鎖換流器，然后在故障電流清除后打開開關(guān)SW3，結(jié)束保護(hù)算法。

如果max|Udc1_l_hf|/max|Udc1_s_hf|>kset，則表明故障發(fā)生在電抗器（安裝在換流站出口處）的直流側(cè)。閉鎖換流站，但保護(hù)算法尚未結(jié)束，將執(zhí)行以下步驟。

（3）延時Δt1，從換流站注入受控電流（電流注入方法將在下文中介紹），然后再延時Δt2。

（4）利用直流電流特征區(qū)分故障線路。如果線路1上的直流電流大于門檻值，即Idc12>Iset，則表明故障在線路1上。再次閉鎖換流站，然后打開開關(guān)SW1。之后，重新啟動換流站。結(jié)束保護(hù)。

如果線路1上的直流電流不大于門檻值，即Idc12≤Iset，但線路2上的直流電流大于門檻值，即Idc13>Iset，表明故障在線路2上。在這種情況下，再次閉鎖換流站，然后打開開關(guān)SW2。隨后，重新啟動換流站。結(jié)束保護(hù)算法。

如果Idc12和Idc13都不大于門檻值Iset，則表明故障是非永久性的，并且已經(jīng)消失，換流站可以直接重新啟動。保護(hù)結(jié)束。

在上述步驟中，Δ1及Δ2是保護(hù)啟動判據(jù)的門檻值。Δ1應(yīng)大于系統(tǒng)正常運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的直流電壓變化率，Δ2應(yīng)大于系統(tǒng)正常運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的直流電流變化率。延遲時間Δ1的引入是為了保證非永久性故障情況下故障線路的絕緣恢復(fù)，在HVDC系統(tǒng)中該延時一般設(shè)為200～500 ms[18]。在所提出的保護(hù)方法中提取的高頻暫態(tài)電壓是一個快速衰減信號，因此利用小波變換提取該信號。這是因為小波變換在高頻范圍內(nèi)具有出色的時域分辨率[8-9]。此外，在文獻(xiàn)[8]和[10]中開展了基于暫態(tài)電壓幅值比的直流故障方向判據(jù)理論基礎(chǔ)研究和仿真測試驗證，該判據(jù)可用于確定故障發(fā)生在電抗器線路側(cè)或閥側(cè)，本文中不再進(jìn)行詳細(xì)討論。

此外，在換流站閉鎖期間，直流電壓和電流也會發(fā)生快速變化，所提的保護(hù)方法可能誤動作。但是需要注意的是，在混合多端直流輸電系統(tǒng)中，換流站的閉鎖是通過不同換流站間的合作實現(xiàn)的，這意味著閉鎖信號將在所有換流站間進(jìn)行通信[19]。因此，該信號也可發(fā)送至保護(hù)裝置。當(dāng)保護(hù)裝置接收到換流站閉鎖信號時，它將被閉鎖一段時間，以防止保護(hù)誤動。

3.2.電流主動注入的控制策略

在上述保護(hù)方法中，核心思想是利用來自換流站的受控電流區(qū)分故障線路（線路1或線路2），并識別故障特性（確定故障是否消失）。為此，該小節(jié)重點介紹了實現(xiàn)受控電流主動注入的換流站控制策略（以換流站S1為例），如圖3所示。

根據(jù)混合式MMC的工作原理，當(dāng)檢測到直流故障時，全橋子模塊和半橋子模塊中的所有IGBT都被閉鎖，從而實現(xiàn)故障電流的快速清除。在延時Δt1以后，打開換流站交流側(cè)與啟動電阻并聯(lián)的開關(guān)，從而將啟動電阻重新投入到系統(tǒng)中。然后，導(dǎo)通每個全橋子模塊和半橋子模塊中的IGBT T1，如圖3所示。

圖3.注入受控電流的控制策略。

上述控制策略下，混合式MMC的運(yùn)行特性與不控整流器的運(yùn)行特性相同。因此，當(dāng)直流故障點仍然存在時，交流側(cè)電源將向直流側(cè)供給電流。在此期間，換流器交流側(cè)的啟動電阻（Rlim，達(dá)數(shù)千歐姆）處于接入狀態(tài)，因此注入直流側(cè)的電流完全限制在可接受的范圍內(nèi)，不會對系統(tǒng)造成沖擊危害。

顯然，如果故障在線路1上，Idc12>0且Idc13=0（忽略線路電容暫態(tài)電流）；而如果故障在線路2上，Idc12=0且Idc13>0；不同的是，如果故障點已經(jīng)消失，則Idc12=0且Idc13=0。因此，故障線路和故障性質(zhì)的識別判據(jù)可設(shè)計為：

應(yīng)注意的是，由于輸電線路存在分布電容，在電流注入的初始階段，當(dāng)故障發(fā)生在線路1上時，線路2上同樣會出現(xiàn)電容暫態(tài)充電電流；同樣，當(dāng)故障發(fā)生在線路2上時，線路1上亦會出現(xiàn)充電電流。當(dāng)故障點已經(jīng)消失，線路1和線路2上均會出現(xiàn)電容暫態(tài)充電電流。因此，本文在該判據(jù)之前引入延遲時間Δt2，以確保線路電容的充電電流已經(jīng)消失。

此外，在上述內(nèi)容中，作為示例討論了由全橋子模塊和半橋子模塊組成的混合式MMC。事實上，對于使用不同自清除子模塊的其他類型的混合式MMC，如鉗位雙子模塊（CDSM）和自閉鎖子模塊（SBSM），所提出的主動注入控制策略也都適用。例如，如圖4（a）中所示，對于由HBSM和CDSM組成的混合式MMC，在主動注入期間導(dǎo)通每個CDSM中的IGBT T5。此時，混合式MMC同樣運(yùn)行于類不控整流狀態(tài)，向直流側(cè)注入受控電流，與圖3所示的情況相同。圖4（b）展示了應(yīng)用SBSM的情況下主動注入期間的電流流動路徑。類似地，在IGBT T5和T6投入的情況下，混合式MMC同樣能夠?qū)崿F(xiàn)受控電流的主動注入。

圖4.主動注入策略在不同自清除子模塊情況下的適用性。（a）由CDSM和HBSM組成的混合式MMC；（b）由SBSM（也稱為TLSM）和HBSM組成的混合式MMC。

3.3.各端保護(hù)間的協(xié)調(diào)配合

如上所述，3.1節(jié)提出的保護(hù)方法應(yīng)用在圖1所示的三端混合直流系統(tǒng)的S1站出口，其他兩端配置的保護(hù)P2和P3則可進(jìn)行簡化。

對于保護(hù)P2和P3，執(zhí)行3.1節(jié)中的步驟（1）和步驟（2）即可。換言之，直流故障發(fā)生后，保護(hù)P2和保護(hù)P3也可快速啟動。然后，基于電抗器兩側(cè)暫態(tài)電壓比的故障方向判據(jù)開始判別故障發(fā)生在哪一側(cè)，保護(hù)P2根據(jù)暫態(tài)電壓幅值比max|Udc2_l_hf|/max|Udc2_s_hf|進(jìn)行判斷，保護(hù)P3則根據(jù)max|Udc3_l_hf|/max|Udc3_s_hf|進(jìn)行判斷。如果故障發(fā)生在換流站內(nèi)，則閉鎖相應(yīng)的換流站，保護(hù)結(jié)束。相反，如果故障發(fā)生在電抗器的直流側(cè)，則通過閉鎖換流器來清除故障電流，直到線路電壓恢復(fù)后再重新啟動換流器。

對于保護(hù)P3來說，如果本端線路電壓沒有恢復(fù)（如Udc3_l≤0.8UdcN），換流站S3將一直處于閉鎖狀態(tài)。然而，對保護(hù)P2而言，如果本端電壓Udc2_l在延時Δt3內(nèi)沒有恢復(fù)，將執(zhí)行進(jìn)一步的操作。根據(jù)第3.1節(jié)中提出的保護(hù)方法，只有兩種情況會導(dǎo)致S2端的線路電壓（Udc2_l）在延遲時間Δt3內(nèi)無法恢復(fù)：①直流故障發(fā)生在線路1上，開關(guān)SW1已斷開；②故障發(fā)生在換流站S1內(nèi)，開關(guān)SW3已斷開。

為了區(qū)分上述兩種情況，在換流站S2側(cè)注入受控電流。如果測得的電流Idc21>Iset，則表明故障發(fā)生在線路1上，換流站S2應(yīng)重新閉鎖。如果測得的電流Idc21≤Iset，則表明故障不在線路1上（即屬于情況2），應(yīng)重新啟動換流站。

通過上述協(xié)調(diào)配合，直流故障線路可以僅根據(jù)本地信息進(jìn)行區(qū)分（永久性故障）和恢復(fù)（非永久性故障），因此保護(hù)不再需要通信。

3.4.門檻值整定

在工程實際應(yīng)用時，保護(hù)門檻值的計算不可或缺，為此本小節(jié)中將討論所提保護(hù)方法中涉及的門檻值計算方法。

（1）啟動判據(jù)的門檻值：在所設(shè)計的保護(hù)方法中，將直流電壓和直流電流變化率作為保護(hù)啟動判據(jù)。因此，Δ1應(yīng)大于系統(tǒng)正常運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的|dUdc1_l/dt|最大值，并小于最微弱故障（遠(yuǎn)端高電阻故障）時的電壓變化率。同理，Δ2應(yīng)大于系統(tǒng)正常運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的|dIdc12/dt|(或|dIdc13/dt|)最大值，并小于最微弱故障下的電流變化率。在工程實際中，可根據(jù)仿真結(jié)果確定上述門檻值。

（2）故障方向判據(jù)的門檻值：在所設(shè)計的保護(hù)方法中，基于max|Udc1_l_hf|/max|Udc1_s_hf|辨識故障方向，即故障發(fā)生在電抗器的哪一側(cè)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]和[10]可知，當(dāng)故障發(fā)生在電抗器的線路側(cè)時，max|Udc1_l_hf|/max|Udc1_s_hf|大于1，而當(dāng)故障發(fā)生在電抗器的換流站側(cè)時，該值小于1。在具體應(yīng)用時，引入可靠系數(shù)kset提高方向判據(jù)的可靠性（一般kset取值略大于1，例如1.2）。

（3）故障區(qū)段識別判據(jù)的門檻值：根據(jù)3.2節(jié)的分析，在主動注入期間，如果故障已經(jīng)消失或不在該線路上，直流線路電流等于零；如果故障點在該線路上，直流線路電流將大于零。因此，門檻值Iset僅需略大于零，用于消除測量誤差和通信誤差的影響。

（4）延遲時間的門檻值（Δt1-Δt3）：在所設(shè)計的保護(hù)方法中，延遲時間Δt1用于故障線路的絕緣恢復(fù)，在高壓直流輸電系統(tǒng)中通常設(shè)為200～500 ms[18]。

如前文中所述，延遲時間Δt2的引入是為了消除線路電容暫態(tài)充電電流對保護(hù)判據(jù)的不利影響。在主動注入期間，換流器運(yùn)行于不控整流狀態(tài)。如果故障點仍然存在，則交流側(cè)饋入的直流電流將再次出現(xiàn)，如圖5中的藍(lán)色曲線所示。

然而，如果故障已消失或不在該線路上，則穩(wěn)態(tài)直流電流為零。但主動注入初期將出現(xiàn)線路分布電容的暫態(tài)充電電流，如圖5中的紅色曲線所示。根據(jù)圖5中的等效電路，該暫態(tài)充電電流可表示為

式中，σ=Rline/2Lline；；Rline、Lline和Cline分別表示線路的等效電阻、電感和電容；Udc為換流器的輸出直流電壓（在不控整流運(yùn)行模式下）。如圖5所示，在前半個振蕩周期內(nèi)（T/2），充電電流大于零，該特點與故障點仍然存在的情況相似，可能會對故障區(qū)段與性質(zhì)的可靠識別造成影響。然而，在第一個半周期（T/2）之后，充電電流將是非常小的值或負(fù)值（在隨后的半周期中）。因此，延遲時間Δt2只需大于T/2即可，即

圖5.當(dāng)故障已清除或不在該線路上時線路電容的充電電流。

對于保護(hù)P1，應(yīng)使用較長線路的Rline、Lline和Cline來確定Δt2。因為線路越長，Lline和Cline就越大，充電電流振蕩周期也就越大。

此外，延遲時間Δt3應(yīng)保證安裝在S1端的直流保護(hù)裝置（保護(hù)P1）已完成相應(yīng)動作。因此，Δt3應(yīng)大于Δt2+ts+twave_dif，其中，ts是開關(guān)操作的時間，twave_dif是保護(hù)P1和保護(hù)P2之間故障初始行波到達(dá)的時間差。此外，Δt3還應(yīng)包括直流電壓的恢復(fù)時間。

4.仿真算例研究

本小節(jié)在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了如圖1所示的三端混合高壓直流輸電系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示。在該模型中，S1站使用LCC換流器，S2站和S3站使用混合式MMC換流器（HBSM和FBSM的混合）。此外，直流架空線路使用頻率相關(guān)模型。為驗證所提保護(hù)方法的工作原理和優(yōu)越性，觀測了10kHz采樣下保護(hù)P1、P2、P3在不同故障情況下的動作情況。仿真算例中延時Δt1、Δt2、Δt3分別設(shè)為200 ms、10 ms和50 ms。在故障方向判據(jù)中的kset值設(shè)為1.2。門檻值Iset設(shè)為0.3 kA。另外需要注意的是，基于電壓變化率和電流變化率的啟動判據(jù)是直流保護(hù)中典型的啟動判據(jù)，由于篇幅限制，在仿真中不再進(jìn)行討論。

表1 三端混合直流輸電系統(tǒng)參數(shù)

4.1.傳統(tǒng)單端量保護(hù)在混合多端直流輸電系統(tǒng)中的適用性

目前，高壓直流輸電系統(tǒng)的主保護(hù)一般采用行波保護(hù)、ROCOV保護(hù)或暫態(tài)電壓保護(hù)。本節(jié)分別設(shè)置t=6.3 s時在f1和f4處發(fā)生金屬性極對地故障。保護(hù)P2的動作情況如圖6所示，驗證傳統(tǒng)直流線路單端量保護(hù)在混合多端直流輸電系統(tǒng)中的適用性。

圖6（c）所示為f1或f4處故障后，保護(hù)P2處測量到的反向電壓行波仿真結(jié)果。如上文所述，行波保護(hù)主要是利用電壓行波的幅值來區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。而如圖6（c）所示，對于保護(hù)P2，f1故障后觀測到的電壓行波與f4故障后觀測到的電壓行波基本相同。這是因為Line1和Line2之間沒有邊界，故障點f1和f4在空間上可視為同一個點。這說明在混合多端直流輸電系統(tǒng)中，由于線路兩端沒有邊界元件，單端行波保護(hù)無法可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。同樣地，如圖6（d）和（e）所示，ROCOV保護(hù)和暫態(tài)電壓保護(hù)也不適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)。

圖6.混合多端直流輸電系統(tǒng)f1或f4故障后傳統(tǒng)單端量保護(hù)的動作性能。（a）直流電壓Udc2_1；（b）直流電流Idc21；（c）電壓行波（TW）；（d）ROCOV；（e）暫態(tài)電壓。

4.2.新型保護(hù)方法的動作性能

在本小節(jié)中，分別設(shè)置f1和f2處發(fā)生故障，驗證所提保護(hù)方法在線路兩端無邊界情況下的動作性能。

（1）故障f1：

在本算例中，設(shè)置t=6.3 s時f1處發(fā)生金屬性故障，仿真結(jié)果如圖7所示。如圖7（a）所示，故障以后，max|Udc1_l_hf|/max|Udc1_s_hf|的值為2.99，大于門檻值1.2。因此，保護(hù)P1將故障識別為線路側(cè)故障。在延時Δt1（t=6.502 s左右）后，換流器S1的主動注入控制策略投入運(yùn)行。如圖7（b）所示，主動注入并延時Δt2后，Line1上的直流電流Idc12大于門檻值Iset（0.3 kA）。因此Line1被識別為故障線路，打開開關(guān)SW1切除故障線路。隨后重啟S1站建立直流電壓。因此，換流站S3端的線電壓，即Udc3_l，也迅速上升到門檻值640 kV以上，如圖7（e）所示。保護(hù)P3測得Udc3_l的恢復(fù)情況，S3站重啟。而在S2端，線路電壓（Udc2_l）一直無法恢復(fù)。且在主動注入過程中，直流電流Idc21上升到門檻值以上，如圖7（d）所示。因此，保護(hù)P2判定故障發(fā)生在Line1，S2站重新閉鎖不再重啟，如圖7（e）所示。

圖7.所提保護(hù)方法在金屬性故障f1后的動作性能。（a）暫態(tài)電壓；（b）直流電流Idc12；（c）直流電流Idc13；（d）直流電流Idc21；（e）直流電壓。

此外需要注意的是，在主動注入期間，注入電流保持在一個可控的水平內(nèi)（低于額定直流電流）。這是因為換流器交流側(cè)的啟動電阻在此期間接入系統(tǒng)中，有效地限制了注入電流。

（2）故障f4：

在本算例中，設(shè)置t=6.3 s時f4處發(fā)生故障，仿真結(jié)果如圖8所示。如圖8（a）所示，故障被可靠地識別為直流側(cè)故障。但不同的是，在主動注入后，Line1上的直流電流Idc12沒有超過門檻值Iset，而Line2上的直流電流Idc13則超過了Iset。因此，Line2被識別為故障線路，打開開關(guān)SW2。隨后重啟換流站S1建立直流電壓。因此，保護(hù)P2測得線路電壓Udc2_l的恢復(fù)，如圖8（e）所示，換流站S2也重新啟動。另外，保護(hù)P3無法監(jiān)測到線路電壓Udc3_l的恢復(fù)，因此站S3不重啟。

圖8.所提保護(hù)方法在金屬性故障f4后的動作性能。（a）暫態(tài)電壓；（b）直流電流Idc12；（c）直流電流Idc13；（d）直流電流Idc21；（e）直流電壓。

以上仿真算例充分驗證所提保護(hù)方法在混合多端直流輸電系統(tǒng)中能夠可靠地識別故障線路，并保障健康網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)。此外需要注意的是，由于在主動注入期間使用了啟動電阻，注入電流被限制在可接受范圍內(nèi)，因此不會對系統(tǒng)造成沖擊危害。

4.3.所提保護(hù)方法的魯棒性

本算例重點觀測了所提保護(hù)方法在不同故障情況下的動作性能。如圖9和圖10所示，不管是線路中點f2處發(fā)生故障還是線路末端f3處發(fā)生故障（對于保護(hù)P1來說），所提保護(hù)方法均可以精確辨識出故障線路，并保障健全網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。這表明所提出的保護(hù)方法在不同故障情況下均能可靠動作。除此之外，如圖10中所示的f3處故障為高阻故障（300 Ω過渡電阻），充分證明所提保護(hù)方法具有耐受高過渡電阻的能力。

圖9.所提保護(hù)方法在f2處發(fā)生金屬性故障后的動作性能。（a）暫態(tài)電壓；（b）直流電流Idc12；（c）直流電流Idc13；（d）直流電流Idc21；（e）直流電壓。

圖10.所提保護(hù)方法在f3處發(fā)生300 Ω過渡電阻故障后的動作性能。（a）暫態(tài)電壓；（b）直流電流Idc12；（c）直流電流Idc13；（d）直流電流Idc21；（e）直流電壓。

5.結(jié)論

直流保護(hù)是混合多端直流輸電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的核心關(guān)鍵技術(shù)。但是，混合多端直流輸電線路兩端不存在線路邊界，LCC-HVDC和VSC-HVDC系統(tǒng)中應(yīng)用的單端量保護(hù)原理無法適用。為此，本文提出了一種適用于混合多端直流輸電系統(tǒng)的新型單端量保護(hù)方法。該保護(hù)方法利用暫態(tài)電壓識別故障方向（直流側(cè)或換流器側(cè)），然后通過受控電流主動注入識別故障線路。與LCC-HVDC和VSCHVDC系統(tǒng)中應(yīng)用的單端量保護(hù)相比，該保護(hù)方法可以在沒有線路邊界的情況下精準(zhǔn)辨識故障線路。此外，該保護(hù)方法無需通信，因此與縱聯(lián)保護(hù)（如電流差動保護(hù)）相比，可以降低投資成本。

Compliance with ethics guidelines

Yuping Zheng,Jiawei He,Bin Li,Tonghua Wu,Wei Dai,and Ye Li declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.