雷翔勝，王興華，余夢(mèng)澤，楊 帆，劉寒軒

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510080；2. 南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，南京 211102)

0 引言

亞洲柔性直流輸電技術(shù)在全球范圍內(nèi)取得了零突破。三峽能源如東海上柔性直流輸電項(xiàng)目的第一臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組，在風(fēng)機(jī)葉片徐徐旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，也標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)掌握了海上風(fēng)電柔性直流輸電工程領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)[1]。

柔性直流輸電在可再生能源并網(wǎng)、遠(yuǎn)距離輸送與多區(qū)域系統(tǒng)互聯(lián)等方面具有十分重要的作用[2]，特別是在電力電子技術(shù)大力發(fā)展的背景下，它的應(yīng)用前景更為廣闊。但隨著FDC技術(shù)的迅速發(fā)展，將加劇局部潮流、增大短路電流，且一定程度上危害了交流電網(wǎng)的安全[3]。因此，研究快速、可靠的保護(hù)機(jī)制尤為重要。

直流線路保護(hù)方法分為單端量保護(hù)方法和雙端量保護(hù)方法。其中，單端量保護(hù)方法只利用本端故障信息，無(wú)需與對(duì)端進(jìn)行通信，不存在由于信息交互造成的時(shí)延問(wèn)題，因此具有更快的動(dòng)作速度，通常作為線路的主保護(hù)。而雙端量保護(hù)方案雖然存在不可避免的通信時(shí)延問(wèn)題，在一定程度上動(dòng)作速度會(huì)降低，但由于同時(shí)利用兩端故障信息，選擇性更高，通常作為線路的后備保護(hù)[4-6]。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)單端量保護(hù)和雙端量保護(hù)的合理配置，對(duì)保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

文獻(xiàn)[7]對(duì)模塊化多電平換流器(MMC，modular multi-level converter)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及典型故障進(jìn)行了分析，為今后FDC保護(hù)策略的研究奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)FDC系統(tǒng)中的兼容性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了了一種基于波特率的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)解碼算法，采用動(dòng)態(tài)掃描方式，對(duì)信號(hào)的波特率進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)相關(guān)的參數(shù)。文獻(xiàn)[9]介紹了一種用于可視化編程的FDC控制與保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件程序和軟件程序，可同時(shí)由多個(gè)操作員進(jìn)行調(diào)試，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多路操作，并能獨(dú)立總線通信，大大提高了工作效率和實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[10]根據(jù)行波原理，將Marti模型與MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合，建立了一種基于Marti模型的縱聯(lián)行波差動(dòng)保護(hù)，并通過(guò)PSCAD/EMTDC軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)線路兩端邊界的暫態(tài)能量比的差別來(lái)判別區(qū)內(nèi)、外故障，并根據(jù)正負(fù)極的暫態(tài)能量比確定故障極，該方案具有較強(qiáng)的耐受過(guò)渡電阻能力和抗干擾能力。文獻(xiàn)[12]為提高測(cè)量精度，提出了一種基于FDC線路的單端故障定位的新思路。文獻(xiàn)[13]研究了FDC系統(tǒng)的中高頻諧振現(xiàn)象，并對(duì)產(chǎn)生的呈現(xiàn)負(fù)阻尼的原因進(jìn)行分析，建立了MMC的正序阻抗模型。仿真結(jié)果表明：降低系統(tǒng)延時(shí)、減小電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)的比例系數(shù)、改善控制均有效地減小了高頻諧振的發(fā)生。文獻(xiàn)[14]就海上風(fēng)電經(jīng)柔性直流網(wǎng)系統(tǒng)受端交流故障導(dǎo)致的直流過(guò)電壓特點(diǎn)進(jìn)行了分析，對(duì)單極直流過(guò)電壓和雙極直流過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了研究，并針對(duì)不同問(wèn)題提出了不同處理方案。文獻(xiàn)[15]針對(duì)海上風(fēng)電FDC系統(tǒng)局部放電的異?，F(xiàn)象，提出了一種基于回路補(bǔ)償?shù)亩碎g改進(jìn)試驗(yàn)方法。文獻(xiàn)[16]提出了一種具備故障穿越能力的海上風(fēng)電-柔直并網(wǎng)系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線電壓的靈活控制，又能提高電網(wǎng)的抗干擾性。文獻(xiàn)[17]提出了柔性電源模塊智能診斷方法，實(shí)現(xiàn)了電源模塊的多項(xiàng)功能和性能檢測(cè)，同時(shí)還可檢測(cè)電源模塊是否老化或異常，有效預(yù)測(cè)和避免了電源模塊失效的風(fēng)險(xiǎn)，提高了FDC系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

本文研究了海上特高壓柔性直流線路的新原理、新的布線方式，分析了FDC系統(tǒng)中各個(gè)主要設(shè)備的工作特點(diǎn)和故障特點(diǎn)，提出了一種基于暫態(tài)等效的直流輸電系統(tǒng)故障分析方法；其次，研究并分析了多端FDC網(wǎng)絡(luò)的故障特點(diǎn)，提出了一種基于單端量保護(hù)的直流輸電系統(tǒng)；最后，基于PSCAD軟件對(duì)所提方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。所提方法能夠快速識(shí)別與隔離故障，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 海上特高壓柔性直流線路

1.1 故障分析

由于直流電網(wǎng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)[18]，以最常見(jiàn)的正極接地故障為例，故障時(shí)間設(shè)定在3.5 s，故障類型為金屬性故障，金屬性故障是指直接接地故障，其特性是故障電阻很小。故障點(diǎn)設(shè)在Line12的末尾。在故障發(fā)生時(shí)間之前和之后，所測(cè)得的正電極線路的電壓和電流的波形如圖1(a)和(b)所示。

圖1 發(fā)生正極接地故障時(shí)的電壓電流波形

結(jié)果表明：在直流輸電線路出現(xiàn)故障后，短路電流會(huì)迅速增加，盡管限流電抗器可以有效地抑制電流的增長(zhǎng)，但在極短的時(shí)間里，電流仍然超過(guò)了額定值的數(shù)倍，同時(shí)系統(tǒng)的電壓也會(huì)大幅下降[19]。當(dāng)采用穩(wěn)態(tài)電壓和電流的電量值作為保護(hù)準(zhǔn)則時(shí)，嚴(yán)重的短路現(xiàn)象將會(huì)對(duì)換流器等核心設(shè)備的安全工作產(chǎn)生較大影響，所以在常規(guī)的交流保護(hù)方式中，采用故障電壓和電流穩(wěn)態(tài)成分的保護(hù)策略是不適合于柔性直流電網(wǎng)的。

為了更好地了解故障瞬時(shí)的電氣量特性，在圖2中，得到了在故障發(fā)生之前和之后的數(shù)秒內(nèi)的瞬時(shí)電壓和電流的波形。

圖2 發(fā)生正極接地故障時(shí)的暫態(tài)電壓電流波形

從圖2可以看出，在短時(shí)瞬態(tài)過(guò)程中，存在著大量的電壓、電流的波形變化特征，尋找并合理地運(yùn)用這些特征，是快速進(jìn)行故障識(shí)別的關(guān)鍵[20]。為此，本文對(duì)電力系統(tǒng)的故障后電壓和電流的瞬態(tài)特性進(jìn)行了研究，并提出了一種適合于FDC系統(tǒng)運(yùn)行特性的直流線路保護(hù)方案。

1.2 故障提取與建模

柔性直流電網(wǎng)的設(shè)備構(gòu)成和故障發(fā)展過(guò)程與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比具有較大差異，分析柔性直流電網(wǎng)運(yùn)行特性和故障特征對(duì)直流線路保護(hù)新原理的提出具有重要意義，且對(duì)故障時(shí)暫態(tài)電氣量信息的利用是保護(hù)方案建立的關(guān)鍵[21-24]。因此，介紹了柔性直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的構(gòu)成和運(yùn)行特性，分析了直流線路故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)特征和暫態(tài)特征，結(jié)合柔性直流電網(wǎng)暫態(tài)運(yùn)行特性，建立了直流線路故障分析暫態(tài)等效模型，從而為保護(hù)方案的構(gòu)建提供理論基礎(chǔ)[25]。

1.2.1 換流器

換流器是柔性直流電網(wǎng)組成中的核心設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)交直流電氣量的變換，使電能在交流側(cè)和直流側(cè)之間傳輸。由全控型電力電子器件IGBT構(gòu)成的電壓源型換流器具有不需要裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置、能實(shí)現(xiàn)功率快速解耦獨(dú)立控制、無(wú)換相失敗風(fēng)險(xiǎn)等諸多優(yōu)勢(shì)[26]，在直流換流器中得到了廣泛應(yīng)用。以張北柔性直流輸電工程為例，該工程采用半橋子模塊多電平換流器，具有響應(yīng)速度快、輸出波形質(zhì)量好、損耗小、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。在采用MMC的情況下，線路直流側(cè)的故障發(fā)展可分成兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是MMC閉鎖之前的直流電容器放電，這一階段的故障電流主要來(lái)自于子組件的電容放電；第二個(gè)階段為MMC閉鎖，在交流端由反向并聯(lián)二極管供電，使其進(jìn)入非控制整流相位[27]。本文提出了一種基于短路電流瞬態(tài)行波的保護(hù)準(zhǔn)則，該方法僅限于第一階段，在這種情況下，換流器可以被簡(jiǎn)化成RLC級(jí)聯(lián)，其表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

上式中，c為換流器中子模塊電容的取值，Larm為換流器中橋臂電抗器的取值，n為每個(gè)橋臂子模塊的數(shù)量，ΣRon為各橋臂導(dǎo)通子模塊IGBT的導(dǎo)通電阻，R0為橋臂電阻；Rs、Ls和Cs分別為在等值RLC串聯(lián)電路中，電阻、橋臂電抗器和故障后參與放電的子模塊電容的等效值。由此，得到了換流器等效阻抗復(fù)頻率域的簡(jiǎn)化公式：

(4)

結(jié)果表明：這種簡(jiǎn)化的等值模型在故障發(fā)生后2 ms內(nèi)，其錯(cuò)誤率在5%以下，滿足了研究的需要。

1.2.2 直流輸電線路

保護(hù)測(cè)試設(shè)備設(shè)在直流線路的前端，當(dāng)直流線路的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，行波通過(guò)故障點(diǎn)傳輸至保護(hù)測(cè)試設(shè)備，造成線路的行波衰減和失真，這一問(wèn)題可用式(5)來(lái)說(shuō)明：

Um(s)=T(s)·UF(s)

Im(s)=T(s)·IF(s)

(5)

式中，UF(s)、IF(s)分別為故障點(diǎn)處電壓、電流首行波復(fù)頻域表達(dá)式；Um(s)、Im(s)分別為直流線路首端電壓、電流首行波復(fù)頻域表達(dá)式；T(s)為線路傳遞函數(shù)，其表達(dá)式如式(6)所示：

T(s)=e-γ(s)x

(6)

式中，γ(s)的實(shí)部是衰減系數(shù)，虛部是相移系數(shù)，它們分別表示了在直流線路上傳輸時(shí)，故障首行波的衰減與失真；x是在保護(hù)測(cè)量設(shè)備上從失效點(diǎn)到所述防護(hù)測(cè)量設(shè)備的距離。為了便于計(jì)算，對(duì)該電路的傳輸函數(shù)作了簡(jiǎn)單的處理，其結(jié)果如式(7)所示：

(7)

式中，e-sT為故障首行波在直流線路傳播過(guò)程中的時(shí)延；Ka為線路衰減比例系數(shù)，表示故障首行波在直流線路傳播過(guò)程中的衰減；Ta為線路色散時(shí)間常數(shù)，表示故障首行波在直流線路傳播過(guò)程中的畸變。Ka和Ta的表達(dá)式如式(8)所示：

Ka=1-kax

Ta=τax

Ka=1

(8)

式中，Ka和Ta分別為單位長(zhǎng)度的衰減系數(shù)和畸變系數(shù)。通過(guò)上述等價(jià)的傳輸函數(shù)，可以保持基本的行波延時(shí)、衰減和畸變，從而大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算量。

1.2.3 直流斷路器

從理論上可以看出，直流斷路器主支路的阻抗值非常低，所以在等值模式下可以忽略不計(jì)。

1.2.4 限流電抗器

限流電抗器設(shè)在直流線路的兩端，當(dāng)進(jìn)行模型等值時(shí)，它的復(fù)頻域表示為sL。

通過(guò)對(duì)直流輸電系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的工作特點(diǎn)及傳輸線的傳播特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出了兩端FDC系統(tǒng)的故障分析暫態(tài)等值模型，表達(dá)式如式(9)：

(9)

通過(guò)以上分析可知，柔性直流電網(wǎng)直流側(cè)故障發(fā)展速度極快，快速識(shí)別故障信息是直流線路故障隔離的關(guān)鍵。直流線路單端量保護(hù)方案僅需本端故障信息，能夠保證保護(hù)動(dòng)作的快速性，通常作為線路的主保護(hù)。而現(xiàn)有的直流線路保護(hù)方案存在靈敏度受過(guò)渡電阻影響較大、保護(hù)門(mén)檻整定依賴于仿真、缺乏理論依據(jù)等問(wèn)題[28-30]。針對(duì)以上問(wèn)題，本章通過(guò)研究直流線路故障首行波的傳播特征，在下文提出了相應(yīng)的保護(hù)方案。

2 保護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 啟動(dòng)單元

柔性直流輸電技術(shù)在快速發(fā)展的同時(shí)也面臨許多挑戰(zhàn)，直流線路發(fā)生故障后，急劇上升的故障電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性造成嚴(yán)重影響，為了在短時(shí)間內(nèi)對(duì)故障電流進(jìn)行切除，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，研究滿足快速可靠的柔性直流輸電線路保護(hù)原理尤為重要[31-35]。在直流線路出現(xiàn)故障時(shí)，故障電壓成分會(huì)迅速增加，在此根據(jù)限流電抗器一個(gè)模式的故障電壓建立了一個(gè)正向區(qū)內(nèi)外的故障判據(jù)，同時(shí)，啟動(dòng)判據(jù)也是以一個(gè)模式的故障電壓為依據(jù)，設(shè)定為額定電壓的10%，即50 kV，起動(dòng)判據(jù)如式(10)：

|Δu1|>0.1Udc

(10)

式中，|Δu1|為限流電抗器一個(gè)模式的故障電壓絕對(duì)值。圖3示出了在區(qū)域的端部F1點(diǎn)出現(xiàn)由500 Ω的過(guò)渡電阻正電極接地失效時(shí)，限流器的一個(gè)模式故障電壓波形，并將故障時(shí)間設(shè)定在3.5 s。

圖3 限流電抗器故障電壓波形

從圖3可以看出，在正常工作狀態(tài)下，一模式的故障電壓為0時(shí)，保護(hù)不會(huì)起動(dòng)，而一旦出現(xiàn)故障，故障行波到達(dá)線路前端保護(hù)測(cè)試設(shè)備，即使是在高電阻故障的情況下，一模式的故障電壓絕對(duì)值也能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定電壓的10%，從而保證了故障啟動(dòng)的可靠性。

2.2 故障識(shí)別與驅(qū)動(dòng)單元

由于直流輸電系統(tǒng)存在著很低的阻尼，所以在直流輸電線路出現(xiàn)故障后，MMC的子模塊會(huì)迅速放電，從而使故障線路的電流迅速增加，使短路電流的幅度在短期內(nèi)提高[35]。在單極性接地故障時(shí)，由于極線與正極線間的電磁耦合，使正常極線上的電流有一定的起伏，但振幅比故障極線要小得多。在出現(xiàn)雙極性短路時(shí)，由于正、負(fù)兩個(gè)方向都是同一回路，所以電流的波動(dòng)幅度基本一致。

從正向電流理論中可以看出，正極線在正向失效時(shí)，電流升高，正極端線的電流值是正的，而在逆向失效時(shí)，正極端線的電流值是負(fù)值；在負(fù)極線上，其故障電流的變化規(guī)律與正極線的情況相反。根據(jù)上述結(jié)果，通過(guò)對(duì)故障電流首波采樣點(diǎn)電流值的正負(fù)差，可以準(zhǔn)確地判斷出故障的方向，同時(shí)，也可以根據(jù)故障電流的不同，建立正、負(fù)兩種故障電流的方向判斷。根據(jù)故障極辨識(shí)準(zhǔn)則，在故障發(fā)生后0.3 ms內(nèi)，將全部取樣點(diǎn)的電流值相加，以此來(lái)判斷故障電流的正、負(fù)故障方向判據(jù)。

通過(guò)對(duì)前、后兩種不同類型的短路電流電抗器的一模式故障電壓差別進(jìn)行分析，給出了一模式的故障電壓突變點(diǎn)和第一次峰點(diǎn)的時(shí)間差PTV，表達(dá)式如式(11)：

PTV=tm-t0

(11)

式中，tm和t0分別表示限流電抗器一模式故障電壓首個(gè)峰值點(diǎn)時(shí)刻和突變點(diǎn)時(shí)刻。在正向區(qū)內(nèi)、外故障中，PTV的初始峰值與區(qū)域內(nèi)的差別很大，而正向區(qū)外故障的PTV要遠(yuǎn)大于區(qū)域內(nèi)的故障，根據(jù)PTV的大小，可以準(zhǔn)確地判斷出正向區(qū)內(nèi)、外部的故障。

由分析可知：取PTV大小0.87 ms，可靠系數(shù)Krel為2，由此可得保護(hù)門(mén)檻PTVth=0.435 ms?？偠灾?，在線路出現(xiàn)正向失效的情況下，在第一次峰值PTV超過(guò)0.435 ms的情況下，防護(hù)判定為正向區(qū)域外部失效，0.435 ms以內(nèi)的判定為正向區(qū)域內(nèi)部失效。

直流線路的單端保護(hù)方案，包括故障啟動(dòng)判據(jù)、故障極識(shí)別判據(jù)、方向識(shí)別判據(jù)、正向區(qū)域故障識(shí)別判據(jù)等4個(gè)部分組成，整個(gè)保護(hù)方案流程圖見(jiàn)圖4，圖中Isum，p為正極故障電流，Isum，n為負(fù)極故障電流。

圖4 單端量保護(hù)方案流程圖

如圖4：保護(hù)測(cè)量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，若滿足|Δu1|>0.1Udc，則判定有故障發(fā)生。若|Isum，p|>1.5|Isum，n|，則為正極接地故障：通過(guò)正極故障方向識(shí)別判據(jù)識(shí)別故障方向，當(dāng)Isum，p>Ith時(shí)為正向故障，當(dāng)Isum，p<-Ith時(shí)為反向故障。若|Isum，n|>1.5|Isum，p|，則為負(fù)極接地故障：通過(guò)負(fù)極故障方向識(shí)別判據(jù)識(shí)別故障方向，當(dāng)Isum，n<-Ith時(shí)為正向故障，當(dāng)Isum，n>Ith時(shí)為反向故障。若0.5|Isum，n|<|Isum，p|<1.5|Isum，n|，則為雙極短路故障：利用正極和負(fù)極故障方向識(shí)別判據(jù)識(shí)別故障方向，當(dāng)Isum，p>Ith且Isum，n<-Ith時(shí)為正向故障，當(dāng)Isum，p<-Ith且Isum，n>Ith時(shí)為反向故障。當(dāng)識(shí)別故障方向?yàn)檎较驎r(shí)，再進(jìn)行正向區(qū)內(nèi)外故障的識(shí)別，當(dāng)PTV小于保護(hù)門(mén)檻值時(shí)，則為區(qū)內(nèi)故障，給斷路器發(fā)送跳閘信號(hào)，將故障隔離。

3 仿真與測(cè)試

3.1 PSCAD仿真參數(shù)設(shè)定

快速有效的直流輸電線路保護(hù)方案是多端柔性直流電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵，針對(duì)現(xiàn)有的直流線路保護(hù)方案存在抗過(guò)渡電阻能力差、保護(hù)門(mén)檻整定依賴于仿真、缺乏理論依據(jù)等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)故障暫態(tài)特征進(jìn)行分析，提出了一種基于限流電抗器一模式故障電壓首峰值時(shí)間的單端量保護(hù)方案[36]。首先，分析了故障行波在直流線路上的傳播特征，利用時(shí)頻域轉(zhuǎn)換的思想，分別推導(dǎo)出了正向區(qū)內(nèi)外故障時(shí)限流電抗器一模式故障電壓解析表達(dá)式，并給出了首峰值時(shí)間的理論解，結(jié)果表明：正向區(qū)外故障時(shí)的首峰值時(shí)間值遠(yuǎn)大于區(qū)內(nèi)故障時(shí)的首峰值時(shí)間，據(jù)此差異構(gòu)建了正向區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)。

此外，分析了故障電流行波的變化特征，結(jié)果表明：不同故障類型時(shí)故障電流變化特征存在顯著差異，且正向和反向故障時(shí)故障電流變化特征相反，據(jù)此構(gòu)建了故障極和故障方向識(shí)別判據(jù)。

在張北四端撓曲直流輸電工程的結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)模型，將取樣頻率設(shè)定為100 kHz，模擬時(shí)的失效時(shí)間設(shè)定為3.5 s。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，并且模擬結(jié)果與理論推導(dǎo)相一致，因此本文將通過(guò)一個(gè)直流線路Line12換流站S1的保護(hù)來(lái)模擬該保護(hù)方案的可行性。與上述分析相符，故障方向辨識(shí)準(zhǔn)則中的保護(hù)臨界值Ith是依據(jù)區(qū)域內(nèi)終端F1點(diǎn)出現(xiàn)的500 Ω過(guò)渡電阻正極接地故障而調(diào)整的，設(shè)定為1 kA，正向區(qū)域內(nèi)外失效準(zhǔn)則的防護(hù)閾值PTVth設(shè)定為0.435 ms。

3.2 仿真結(jié)果及分析

3.2.1 故障方向判定及分析

在故障發(fā)生后，首先確定故障的極點(diǎn)和方向，通過(guò)模擬試驗(yàn)，證明了所提出的各種故障情況下所提出的保護(hù)策略的正確性。圖5分別為正極接地故障、負(fù)極接地故障、雙極短路故障3種情況下的正、負(fù)故障電流變化波形。

圖5 3種類型故障時(shí)故障電流波形

從圖5仿真結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)于正向F1點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生正極接地故障時(shí)，正負(fù)極故障電流滿足|Isum，p|>1.5|Isum，n|，根據(jù)故障極識(shí)別判據(jù)識(shí)別故障極為正極；利用正極故障方向識(shí)別判據(jù)進(jìn)行故障方向的識(shí)別，滿足Isum，p>Ith，從而識(shí)別為正方向故障。當(dāng)發(fā)生負(fù)極接地故障時(shí)，滿足|Isum，n|>1.5|Isum，p|，識(shí)別故障極為負(fù)極；根據(jù)負(fù)極故障方向識(shí)別判據(jù)Isum，n<-Ith，也識(shí)別為正方向故障。當(dāng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，滿足0.5|Isum，n|<|Isum，p|<1.5|Isum，n|，識(shí)別故障極為正極和負(fù)極，同時(shí)滿足正極和負(fù)極故障方向識(shí)別判據(jù)，即Isum，p>Ith，同樣識(shí)別為正方向故障。

3.2.2 靈敏度判定及分析

定義保護(hù)靈敏度系數(shù)為：

(12)

常規(guī)的直流線路單端保護(hù)方案具有較低的抗過(guò)渡電阻性能，尤其是在直流線路區(qū)域終端出現(xiàn)高阻接地故障時(shí)，將會(huì)極大地降低保護(hù)方案的可靠性和敏感性，從而使其難以識(shí)別出高阻故障。為檢驗(yàn)所提出的保護(hù)方法在抵抗過(guò)渡電阻性能上優(yōu)于常規(guī)保護(hù)方法，以區(qū)內(nèi)末端M點(diǎn)發(fā)生經(jīng)0 Ω、100 Ω、300 Ω、500 Ω過(guò)渡電阻正極接地故障為例，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。限流電抗器一模故障電壓仿真波形如圖6所示，故障判別結(jié)果如表1所示。

圖6 不同電阻限流電抗器故障電壓波形

表1 不同過(guò)渡電阻時(shí)的仿真結(jié)果

圖7 不同故障位置時(shí)的識(shí)別結(jié)果

從圖6和表1中可以看出，隨著過(guò)渡電阻的增大，故障電壓的幅度逐漸減小，這是常規(guī)單端保護(hù)方式耐過(guò)渡電阻性能差的主要原因，同時(shí)，在0.05 ms的第一峰時(shí)刻不變，靈敏度系數(shù)也一直很高。由此可以看出，基于第一峰時(shí)間的保護(hù)準(zhǔn)則，其敏感性和可靠性均不會(huì)受到過(guò)渡電阻的影響，有效地克服了常規(guī)單端保護(hù)方案在遠(yuǎn)端高阻接地時(shí)的敏感性下降以及保護(hù)拒動(dòng)現(xiàn)象，能較好地識(shí)別遠(yuǎn)端高阻故障，使保護(hù)的可靠性和敏感性得到了極大的改善。

3.2.3 保護(hù)線路全長(zhǎng)能力仿真分析

為了檢驗(yàn)所提出的保護(hù)方案在整個(gè)線路長(zhǎng)度上的有效性，通過(guò)一個(gè)正電極的金屬性接地故障實(shí)例進(jìn)行了模擬，分別設(shè)定了從線路全長(zhǎng)的5%，50%，100%(也就是凡點(diǎn))的范圍內(nèi)，限流電抗器的一模式故障電壓模擬波形，以及故障識(shí)別的結(jié)果如圖7與表2所示。

表2 不同故障位置時(shí)的識(shí)別結(jié)果

從圖7和表2可以看出，在區(qū)域不同部位發(fā)生故障時(shí)，PTV的值都要比保護(hù)閾值小得多，而且這些保護(hù)都能準(zhǔn)確地識(shí)別出區(qū)域內(nèi)、外的故障，并且靈敏度系數(shù)很高。另外，隨著故障位置與線路頭端的距離越近，PTV的誤差越小，并逐漸接近0，這是因?yàn)楣收衔恢秒x導(dǎo)線頭越近，線路失真對(duì)線路畸變的影響越小。而在3.1節(jié)的理論推導(dǎo)中，忽略線路失真效應(yīng)(即不考慮線路色散時(shí)間常數(shù)Ta)時(shí)，第一峰理論值為0，而在接近故障點(diǎn)時(shí)，模擬結(jié)果接近0，驗(yàn)證了模擬的有效性。

以上結(jié)果表明：故障類型不會(huì)影響到PTV，不管是在DC區(qū)域內(nèi)還是在正向區(qū)外，都能用本文提出的方法對(duì)區(qū)域內(nèi)、外的故障進(jìn)行可靠的識(shí)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

柔性直流電網(wǎng)在遠(yuǎn)距離、大功率傳輸、清潔能源消納等領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)越性，但是，柔性直流電網(wǎng)的直流側(cè)故障危害巨大，存在著嚴(yán)重的過(guò)流問(wèn)題，影響了電力系統(tǒng)的正常工作和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文對(duì)直流輸電線路的新原理、新的布線方式進(jìn)行了研究，對(duì)FDC電力系統(tǒng)中各主要設(shè)備的工作特點(diǎn)、故障特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了一種基于暫態(tài)等效的直流輸電系統(tǒng)故障分析方法；研究并分析了多端FDC網(wǎng)絡(luò)的故障特點(diǎn)，提出了一種基于單端量保護(hù)的直流輸電系統(tǒng)，能夠迅速地識(shí)別和隔離故障，有利于FDC系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1)在故障方向判定中，正極短路故障、負(fù)極短路故障及雙極短路故障可根據(jù)判定原則準(zhǔn)確做出判斷，驗(yàn)證了本文方案的準(zhǔn)確性。

2)在靈敏度分析中，本文提出的保護(hù)方案不受過(guò)渡電阻的干擾，靈敏度系數(shù)Ksen= 8.7，保證了此方案的抗干擾性和靈敏性。

3)在保護(hù)線路全長(zhǎng)分析中，分別設(shè)定了故障點(diǎn)在線路全長(zhǎng)的5%、50%、100%和區(qū)外故障進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確地判別了區(qū)域內(nèi)、外的故障，且PTV與靈敏度系數(shù)達(dá)到預(yù)期。

盡管在動(dòng)作速度、可靠性、靈敏度和選擇性上都能滿足保護(hù)動(dòng)作的要求，但是受工作環(huán)境的限制，提出的保護(hù)方案在工程環(huán)境驗(yàn)證及抗干擾能力分析等方面仍需進(jìn)一步的研究。在仿真驗(yàn)證中，這些資料都是從實(shí)驗(yàn)室模擬模型中得到的，對(duì)于保護(hù)方案在實(shí)際工程中的運(yùn)用，尚需進(jìn)一步的探討與檢驗(yàn)。