黃明偉，王 力，周仕豪

（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410114；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096）

隨著我國高壓直流輸電HVDC（high voltage direct current）工程的陸續(xù)投運，HVDC在電網(wǎng)中承擔(dān)的大容量、遠距離輸電作用愈加突出[1-3]。換流器作為HVDC系統(tǒng)的核心設(shè)備，由于受自身器件特性約束，耐過電流能力較弱；而閥短路故障作為HVDC最嚴重的一類故障[4-5]，其發(fā)生后必須盡快切除以保護換流器設(shè)備。但換流站內(nèi)不同位置的閥短路故障與閥短路保護并不一一對應(yīng)[5]，導(dǎo)致故障后的分析往往依賴于富有經(jīng)驗的運行人員，不利于故障的迅速排查和檢修。因此，研究不同位置閥短路故障的定位方法對于提升事故分析效率、保障HVDC系統(tǒng)高效運行具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對HVDC換流器的故障分析與定位進行了大量研究。利用保護動作情況可實現(xiàn)故障定位，其中，文獻[6]根據(jù)兩類閥短路保護的動作情況，通過故障時段劃分，提出定位故障橋的方法，但其定位精度有待進一步提高；文獻[7]將故障后電氣特征與時延相結(jié)合，實現(xiàn)逆變站接地短路故障定位，但該方案采用的延時較長，定位結(jié)果易受控制系統(tǒng)影響；文獻[8]分析了整流站幾種典型接地故障的電氣量特征，并考慮控制系統(tǒng)的影響，提出基于直流差動保護動作的接地故障定位方案，但未能進一步展開對閥短路故障的討論；文獻[9]根據(jù)閥導(dǎo)通時序?qū)㈤y區(qū)劃分為若干區(qū)域，并根據(jù)各區(qū)域差流大小識別故障區(qū)域，但其未能結(jié)合保護動作提高定位精度；根據(jù)故障后采樣窗內(nèi)各橋臂電流和換流變閥側(cè)三相電流積分的大小關(guān)系，可實現(xiàn)3種閥短路故障定位[10]，但實際工程中不易獲取各閥的橋臂電流。此外，文獻[11-14]基于人工智能算法提出換流器故障診斷方法，但該類方法需要構(gòu)建含眾多數(shù)據(jù)的樣本庫，實際應(yīng)用中有待進一步研究。

綜上所述，針對目前常規(guī)HVDC系統(tǒng)閥短路故障的定位方法研究較少，且已有研究未能結(jié)合實際直流控保系統(tǒng)展開。本文基于實際直流控保系統(tǒng)錄波數(shù)據(jù)，考慮閥短路故障后控保系統(tǒng)執(zhí)行的動作邏輯，結(jié)合不同閥導(dǎo)通狀態(tài)下的故障特征，提出整流站閥短路故障定位方法，并在RTDS和實際直流控保系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)仿真平臺進行了驗證。

1 整流側(cè)閥區(qū)保護配置

常規(guī)HVDC工程一般采用12脈動換流器作為基本單元，單個6脈動器連接一組換流變，并根據(jù)換流變二次側(cè)聯(lián)結(jié)形式，將12脈動換流器內(nèi)部分為Y橋和D橋，由于閥短路故障后Y橋和D橋的故障特征類似，故本文以Y橋為例展開分析。

結(jié)合現(xiàn)場實際，換流器區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的閥短路故障主要包括換流變閥側(cè)電流側(cè)點至換流器間相間短路K1、橋臂短路K2、6脈動換流器出線短路K3及12脈動換流器出線短路K4，如圖1所示。圖1中，IYMAX、IDMAX分別為Y橋和D橋換流變閥側(cè)三相交流電流的最大值；IDH、IDN分別為換流器高壓端和中性線側(cè)直流電流；VY1～VY6、VD1～VD6分別為Y橋和D橋?qū)?yīng)的6個橋臂。

圖1 換流器區(qū)測點及故障點位置Fig.1 Measuring point and fault point location in converter area

針對換流器區(qū)內(nèi)閥短路故障，目前工程中一般對單個Y橋或D橋配置基于電流差動保護原理的閥短路保護[5]，其動作判據(jù)為

式中：Iset1為保護動作整定值；I0為保護的啟動定值，一般取為0.5倍額定電流；k為比例系數(shù)，取為0.2。

閥短路故障作為HVDC系統(tǒng)最嚴重的一種故障，對其配置的閥短路保護的動作需考慮避免第3只閥導(dǎo)通[5]，而保護的動作將影響不同位置的閥短路故障特征。

2 閥短路故障特征分析

根據(jù)換流器工作原理可知，由于閥導(dǎo)通狀態(tài)的不同，不同時刻發(fā)生的閥短路故障特征可能存在差異[7]，因此，需探究不同閥導(dǎo)通狀態(tài)下的故障特征。以VY1、VY2導(dǎo)通狀態(tài)為例展開分析，并基于RTDS與實際直流控保系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)仿真平臺（下文簡稱仿真平臺）進行驗證，其中保護錄波采樣率為10 kHz。為便于分析，以A相電壓為參考，根據(jù)直流輸電原理[4]有

式中：ua、ub和uc分別為Y橋換流變閥側(cè)三相電壓；E為相電壓有效值；Id為直流電流；UdR、UdI分別為整流側(cè)和逆變側(cè)直流電壓；RL為直流回路電阻；UdRY、UdRD分別為整流側(cè)Y橋和D橋換流變提供的直流電壓；Udi0Y為Y橋換流器的直流空載電壓；α為換流器的觸發(fā)角。

由于VY1、VY2導(dǎo)通階段對應(yīng)的A相電壓相角范圍為[90°+α，150°+α]，工程中α一般運行于15°左右[5]。為便于表示，將VY1、VY2同時導(dǎo)通的狀態(tài)記為S1，后續(xù)導(dǎo)通順序依次記為S2～S6，并將Y橋橋臂故障按橋臂編號依次記為K21～K26。以S1狀態(tài)、故障角為135°時的不同位置發(fā)生閥短路故障為例展開分析。

2.1 6脈動換流器出線短路故障特征分析

當發(fā)生6脈動換流器出線K3故障時，故障后的電流回路及控保錄波如圖2所示。由圖2可知，故障時回路1通過導(dǎo)通閥VY1、VY2和故障點形成AC兩相短路，由于故障回路阻抗很小，IYA、IYC增大，相應(yīng)地IYMAX增大；故障后Y橋Udi0Y=0，且整流側(cè)故障后，逆變側(cè)電壓不會立即產(chǎn)生變化，根據(jù)式（5）可知，回路2中電流IDH、IDMAX和IDN減小，此時，Y橋閥短路保護動作。在圖2（b）中，Y橋測點三相電流IYA、IYB和IYC采用標幺值，系統(tǒng)額定電流為5 kA。

圖2 K3故障電流回路及控保錄波Fig.2 K3 fault current loop,and control and protection recording wave

2.2 12脈動換流器出線短路故障特征分析

12脈動換流器出線K4短路后的電流回路及控保錄波如圖3所示。此時整流側(cè)相當于完全被短路，由式（5）可知，回路2中電流迅速降為0，即IDH、IDN迅速減??；回路1通過故障點形成相間短路，Y橋IYA、IYC增大，相應(yīng)地IYMAX增大，D橋?qū)ㄩy所在相電流同樣增大，IDMAX增大；此時，Y橋和D橋閥短路保護均動作。

圖3 K4故障電流回路及控保錄波Fig.3 K4 fault current loop,and control and protection recording wave

2.3 整流器橋臂短路故障特征分析

當導(dǎo)通狀態(tài)處于S1時，若此時VY1或VY2發(fā)生閥短路故障，顯然在S1階段無故障特征，Y橋閥短路保護不會立即動作。因此需要分析非導(dǎo)通閥發(fā)生閥短路故障后的電氣量特征。

2.3.1 橋臂VY3短路

當發(fā)生橋臂VY3短路即K23故障，故障后的電流回路及控保錄波如圖4所示。根據(jù)式（4）可知，在[-30°，150°]內(nèi)存在uab＞0，故若故障發(fā)生在[90°+α，150°]期間，此時上橋臂導(dǎo)通閥VY1與故障閥VY3形成AB相間短路，回路1中電流IYA、IYB和IYMAX增大，又由于AB相間短路同樣會使UdRY下降，相應(yīng)地UdR下降，由式（5）可知，回路2中電流IYC、IDH、IDMAX和IDN減?。蝗艄收习l(fā)生于[150°，150°+α]期間，由于uab＜0，此電壓恰為VY1與VY3的換相電壓，相當于提前進行換相，故該階段發(fā)生K23短路故障，并不會產(chǎn)生故障電流，Y橋閥短路保護不會立即動作。因此，當故障發(fā)生于[90°+α，150°]期間，故障角越接近150°，故障后A相和B相電流增大越不明顯，Y橋閥短路保護可能動作。

圖4 K23故障電流回路及控保錄波Fig.4 K23 fault current loop,and control and protection recording wave

但無論此階段保護是否動作，經(jīng)換相后，當閥導(dǎo)通狀態(tài)為S4時即處于[270°+α，330°+α]，由式（1）可知，由于此時有ucb＞0，K23短路將導(dǎo)致CB相間短路，短路電流使Y橋閥短路保護可靠動作，因此可依靠閥短路保護動作所處閥導(dǎo)通階段的三相電流的故障特征進行不同橋臂短路的定位。圖4（b）、（c）為仿真平臺所得結(jié)果，S1狀態(tài)時發(fā)生故障角為135°的K23故障，故障電流先增大至1.13 p.u.后減小并伴隨VY1與VY3換相，閥短路保護未動作，S1狀態(tài)之后的故障特征與理論分析一致。

2.3.2 橋臂VY4、VY5短路

當發(fā)生橋臂VY4短路即K24故障，故障后的電流回路及控保錄波如圖5所示。根據(jù)式（4）可知，在[30°，210°]內(nèi)存在uac＞0，故在S1導(dǎo)通階段，下橋臂故障閥VY4與導(dǎo)通閥VY2形成AC相間短路，回路1中電流IYA、IYC和IYMAX增大；此時Y橋換流變被VY4和 VY1短路，由式（5）可知，回路2中電流IDH、IDMAX和IDN減小，此階段Y橋閥短路保護動作。若發(fā)生K25故障，由分析可知其故障特征與K24故障特征一致。

圖5 K24故障電流回路及控保錄波Fig.5 K24 fault current loop,and control and protection recording wave

2.3.3 橋臂VY6短路

當發(fā)生橋臂VY6短路即K26故障時，故障后的電流回路及控保錄波如圖6所示。由式（4）可知，在[90°，270°]內(nèi)存在ubc＞0，故在 VY1、VY2導(dǎo)通階段，下橋臂故障閥VY6與導(dǎo)通閥VY2形成BC相間短路，回路1中電流IYB、IYC和IYMAX增大；BC相間短路導(dǎo)致整流側(cè)直流電壓下降，由式（5）可知，回路2中電流IDH、IDMAX、IDN減小。此階段Y橋閥短路保護動作。

圖6 K26故障電流回路及控保錄波Fig.6 K26 fault current loop,and control and protection recording wave

2.4 交流側(cè)相間短路故障特征分析

鑒于交流側(cè)三相對稱，此處以AB相間短路為例，故障后的電流回路及控保錄波如圖7所示。與K23故障類似，回路1中電流IYA、IYB和IYMAX增大，回路2中電流IDH、IDMAX和IDN減小，Y橋閥短路保護動作；閉鎖故障閥組和跳交流進線開關(guān)，由于此時回路1不包含橋臂，在閥組被閉鎖后，故障電流仍然存在，直至交流進線開關(guān)跳開后，故障電流才開始消失。

圖7 K1故障電流回路及控保錄波Fig.7 K1 fault current loop,and control and protection recording wave

綜上，基于第2節(jié)中不同閥短路故障特征的分析可知，利用Y橋和D橋均動作可識別12脈動換流器出線短路；利用閥短路保護動作后跳交流開關(guān)的時刻對應(yīng)故障橋的三相電流是否為零來識別交流相間短路。對于橋臂短路和6脈動換流器出線短路，需進一步分析S2導(dǎo)通階段時的Y橋三相電流故障特征，其分析結(jié)果與S1導(dǎo)通階段的結(jié)果如表1所示，表1中，一字線表示該階段無故障特征。結(jié)合第2.1和第2.3節(jié)分析可知，①若故障發(fā)生于S1狀態(tài)的初始階段，如圖3（a）和圖5（a）所示，由于閥短路保護動作，閉鎖故障閥的觸發(fā)脈沖，且控制系統(tǒng)為限制直流電流增大而增大整流側(cè)觸發(fā)角α，在二者共同作用下導(dǎo)致故障后VY3觸發(fā)脈沖被閉鎖，此時無法對K24、K25、K3進行進一步區(qū)分；②若故障發(fā)生于S1狀態(tài)的結(jié)束階段，如圖8所示，由于控保未能及時閉鎖閥VY3觸發(fā)脈沖，VY1與VY3成功換相，閥組進入S2狀態(tài)，此時可結(jié)合換相前后2個狀態(tài)的故障特征進一步判斷K24故障。

圖8 故障角為155°的K24故障錄波Fig.8 K24 fault recording wave with fault angle of 155°

表1 S1和S2狀態(tài)時不同位置的故障特征Tab.1 Fault characteristics at different positions in statesS1andS2

其余各狀態(tài)與S1、S2狀態(tài)具有類似的特征，限于篇幅，此處不再展開。

3 融合各橋控保動作情況和故障電流幅值特征的閥短路故障定位方法

3.1 閥短路故障特征的影響因素分析

實際工程中的閥短路保護在滿足動作條件后，延時500 μs即出口動作，而后控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的邏輯閉鎖故障閥組觸發(fā)脈沖，并對非故障閥組移相，后續(xù)還會執(zhí)行跳交流進線開關(guān)等操作[5]?；诘?節(jié)的分析可知，閥短路保護動作后控制系統(tǒng)的作用將對故障特征產(chǎn)生重要影響，因而需要進一步分析控制系統(tǒng)動作邏輯對故障特征的影響。

對于閉鎖脈沖而言，以S1狀態(tài)為例，當故障位置為K1時，由于其電流回路不包含橋臂，閥短路保護動作后，控制系統(tǒng)動作對其故障特征并無影響；若故障為K2、K3、K4，故障電流回路由故障閥和已導(dǎo)通的閥組成，由于晶閘管為半控器件，閉鎖脈沖信號對已導(dǎo)通閥無影響，因此故障后無論是否發(fā)生狀態(tài)切換，閉鎖脈沖對故障特征均無影響。

而對于觸發(fā)角α而言，由式（5）及圖（8）可知，若故障后存在狀態(tài)切換，閥短路保護動作并執(zhí)行移相操作后，控制系統(tǒng)增大觸發(fā)角α，換相后導(dǎo)通閥電流顯著減小。因此，為了避免保護動作后控制系統(tǒng)對故障后電氣量的作用，故障定位方案中應(yīng)取α角增大前對應(yīng)的電氣量。可通過判斷α角前后2個采樣點差值Δα是否大于設(shè)定的閾值以實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的選取，考慮閥短路保護動作后，α角按照預(yù)設(shè)邏輯由初始值15°左右增大至90°，由大量的錄波數(shù)據(jù)得出Δα取為20°較為適宜。此外，對于故障電流判據(jù)閾值的選擇，應(yīng)考慮躲過正常運行時可能出現(xiàn)的最大電流，本文將其整定為1.15 p.u.。參考現(xiàn)有方法，根據(jù)連續(xù)3個采樣點滿足判據(jù)實現(xiàn)故障的判斷[8]。

3.2 閥短路故障定位方案設(shè)計

基于第2節(jié)及第3.1節(jié)對閥短路故障后不同位置故障特征及影響因素的分析，建立整流站閥短路故障定位流程如圖9所示，其具體步驟如下。

圖9 閥短路故障定位方案Fig.9 Valve short-circuit fault location scheme

步驟1根據(jù)閥短路保護動作信號判斷是否進行故障定位，若存在閥短路保護動作，則進行步驟2。

步驟2根據(jù)閥短路保護動作類型判斷故障所在橋，若Y橋和D橋閥短路保護均動作，則判斷12脈動換流器出線發(fā)生短路故障；否則進入步驟3。

步驟3判斷是否為Y橋動作，若否，則判斷為D橋動作，后續(xù)流程與Y橋一致；若是Y橋動作，則繼續(xù)判斷交流開關(guān)信號跳變對應(yīng)時刻Y橋三相電流是否均為零，若否，則判定為交流側(cè)相間短路K1故障，若是，則進入第4步。

步驟4取故障開始至滿足Δα大于20°對應(yīng)時刻之間的Y橋三相電流IYA、IYB，和IYC，根據(jù)對應(yīng)的IYA、IYB和IYC及脈沖觸發(fā)信號PULSE確定所處閥組狀態(tài)Si以決定后續(xù)流程；此處以S1為例敘述，確定閥組狀態(tài)為S1后則進入步驟5。

步驟5判斷狀態(tài)S1中IYA是否存在連續(xù)3個點滿足IYA＞1.15 p.u.，若否，則判定為Y橋橋臂VY6短路K26故障；若是，則進入步驟6。

步驟6判斷狀態(tài)S1中IYB是否存在連續(xù)3個點滿足IYB＞-1.15 p.u.，若是，則可確定為Y橋橋臂VY3短路K23故障；若否，則進入步驟7。

步驟7判斷所取故障數(shù)據(jù)中觸發(fā)脈沖PULSE是否發(fā)生變化，若否，則確定故障為Y橋橋臂VY4短路K24故障、VY5短路K25故障或6脈動換流器出線短路K3故障；若是，則進一步根據(jù)PULSE信號判斷S2狀態(tài)中是否存在連續(xù)3個點滿足IYA＞1.15 p.u.，若是，則判斷為K24故障，若否，則可確定為K25或K3故障。

4 基于實際控保系統(tǒng)的閥短路故障定位驗證

采用本文所提故障定位方案，基于RTDS與直流控保系統(tǒng)的閉環(huán)仿真平臺，針對S1～S6狀態(tài)下不同位置發(fā)生的閥短路故障進行仿真驗證。限于篇幅，以S2狀態(tài)下Y橋不同位置和S1～S2狀態(tài)下D橋不同位置的閥短路故障為例，其結(jié)果如附錄表A1和表A2所示。在附錄表A1和表A2中，K2Y1～K2Y6、K2D1～K2D6分別為Y橋和D橋?qū)?yīng)6個橋臂短路；VSCPY、VSCPD分別為Y橋和D橋閥短路保護動作，其值為1表示動作；IYA、IYB、IYC和IDA、IDB、IDC分別為Y橋和D橋換流變閥側(cè)三相電流，其值為各狀態(tài)下電流標幺值的范圍；IACSW為跳交流開關(guān)時刻對應(yīng)三相電流，其值用1或0表示跳交流開關(guān)時對應(yīng)三相電流是否均為0。由于在S1和S2狀態(tài)下，K2Y2、K2Y3和K2D2、K2D3無故障特征，附錄表A1和表A2中 K2Y2(S3)、K2Y3(S4)和K2D2(S3)、K2D3(S4)對應(yīng)三相電流特征分別為Y橋和D橋?qū)?yīng)位置在S3和S4狀態(tài)的故障特征，表中一字線為該階段無故障特征。

由附錄表A1和表A2可知，當且僅當12脈動換流器出現(xiàn)短路會導(dǎo)致VSCPY和VSCPD為1，Y橋或D橋交流側(cè)相間短路時IACSW為0，據(jù)此特征可識別12脈動換流器出線短路和交流側(cè)相間短路；對于橋臂短路和6脈動換流器短路，根據(jù)各橋三相電流與設(shè)定的各相閾值比較加以區(qū)分。仿真平臺所得結(jié)果與理論分析一致，說明本文所提定位方法可有效識別整流站區(qū)內(nèi)閥短路故障。

5 結(jié)論

本文基于實際控保系統(tǒng)閥短路保護動作邏輯及換流器各導(dǎo)通狀態(tài)下不同位置閥短路故障時Y橋或D橋測點三相電流的故障特征，提出整流站區(qū)內(nèi)閥短路故障定位方法，主要結(jié)論如下。

（1）理論分析了4種典型區(qū)內(nèi)閥短路故障的特點，其中僅12脈動換流器出口短路會導(dǎo)致Y橋和D橋閥短路保護均動作；換流器故障后的短路電流在閥組閉鎖后，隨導(dǎo)通閥電流過零點關(guān)斷后消失，而交流側(cè)相間短路故障電流需要控制系統(tǒng)執(zhí)行跳交流進線開關(guān)后才會消失，從而可識別出交流側(cè)相間短路。

（2）換流器各閥導(dǎo)通狀態(tài)下不同橋臂短路和6脈動換流器出口短路的故障特征存在異同，可通過結(jié)合相鄰導(dǎo)通狀態(tài)的故障特征實現(xiàn)進一步的區(qū)分。

（3）通過仿真平臺驗證了融合控保數(shù)據(jù)，以及提取各閥導(dǎo)通狀態(tài)下各橋電流幅值特征實現(xiàn)整流站區(qū)內(nèi)閥短路故障定位方法的有效性。