相/序電壓幅值比較的交直流電網故障選相

陳靜，唐飛，廖清芬

（1.武漢大學電氣工程學院，武漢 430072；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，南京211103）

相/序電壓幅值比較的交直流電網故障選相

陳靜1，2，唐飛1，廖清芬1

（1.武漢大學電氣工程學院，武漢 430072；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，南京211103）

為彌補傳統選相元件在交直流混聯電網逆變站側交流出線短路故障時可能誤判的缺陷，研究了基于相/序電壓分量幅值比較的新型選相方案。根據故障邊界條件和序網結構，分析了不同短路類型下故障相、非故障相電壓與正序電壓幅值的相對大小規律，通過簡單的幅值比較即可快速篩選出故障相。該方案無需輔助判據，且不受換流站非線性響應特性的影響。我國某實際電網的仿真驗證了該算法的有效性。

交直流混聯電網；故障選相；受端系統；換相失敗；幅值比較

近幾十年來，我國直流輸電經歷了一個快速發展階段，利用直流輸電作異步聯網在技術、經濟和安全性等方面的優勢已在世界范圍內得到了證明[1]，根據國家電網特高壓骨干網架規劃，“十二五”期間華中電網相關的特高壓交流和超/特高壓直流聯絡線達近20回，電網結構和運行特性的復雜性使得安全控制難度顯著增加。電網保護通常采用單相重合閘，需要在輸電線短路后快速甄別出故障相，目前，常用的選相元件主要有相電流差突變量選相[2]和序電流分量選相[3]等，然而，直流換流站的非線性對現有繼電保護裝置產生了不利影響，當受端交流系統較弱時，逆變站側交流出線短路可能引起逆變器連續換相失敗[4]，進而導致直流閉鎖，使得單一的交流故障具有復故障的特征[5]。研究表明，交直流混聯電網受端交流系統發生故障時，其背側系統正、負序等值阻抗不再近似相等[6]，基于該前提的保護選相算法[7-9]將失效。

本文研究了適用于交直流混聯電網的新型選相判據，利用故障線路兩側的相電壓及序電壓分量幅值，通過簡單的線性運算和大小比較即可快速篩選出故障相，不受換流站響應特性的影響，且各類故障推算結果之間沒有重疊，改善了傳統的基于序分量相位差選相原理[10]需要輔助其它判據才能區分單相和兩相接地故障的缺陷，大大提高了可靠性。

1 相/序電壓幅值比較的選相方案

故障線路示意如圖1所示。

圖1 故障線路示意圖Fig.1Schematic diagram of faulted line

在非重載情況下，線路上各點序電壓相位差很小，即：θi(1)≈θf(1)，θi(2)≈θf(2)，θi(0)≈θf(0)。

1.1 ABC三相對稱短路

1.2 A相單相接地

由故障邊界條件和序網結構得節點i的A相各序電壓之間相位關系如下：

當線路電阻遠小于電抗時，各序電壓相位存在一個很小的角度偏差，但不影響相/序電壓幅值的相對大小關系，故分析中忽略線路電阻。根據序電壓的分布規律，距離短路點越遠，正序電壓越高，負序和零序電壓越低，所以保護安裝點的正序電壓幅值大于負序和零序電壓幅值。母線i序電壓疊加為相電壓的相量圖如圖2所示。

特征：故障相電壓幅值小于正序電壓幅值，非故障相電壓幅值大于正序電壓幅值。

1.3 BC兩相相間短路

由故障邊界條件和序網結構得：

圖2 A相接地電壓相量圖Fig.2Voltage phasor diagram of phase A to the ground short circuit fault

母線i序電壓疊加為相電壓的相量圖如圖3所示。

圖3 BC兩相相間短路電壓相量圖Fig.3Voltage phasor diagram of phase B to phase C short circuit fault

特征：無零序電壓，故障相電壓幅值小于正序電壓幅值，非故障相電壓幅值大于正序電壓幅值。

1.4 BC兩相接地短路

保護安裝點的正序電壓幅值大于負序和零序電壓幅值。母線i序電壓疊加為相電壓的相量圖如圖4所示。

圖4 BC兩相接地短路電壓相量圖Fig.4Voltage phasor diagram of phase B and C to the ground short circuit fault

特征：有零序電壓，故障相電壓幅值小于正序電壓幅值，非故障相電壓幅值大于正序電壓幅值。

1.5 其它故障類型

同理可知，以B相為基準時的B相單相接地、AC兩相相間和AC兩相接地，以及以C相為基準時的C相單相接地、AB兩相相間和AB兩相接地故障時，節點i的三相電壓幅值特征和以A相為基準時討論的情況完全類似。故障選相的流程如圖5所示。

圖5 故障選相流程圖Fig.5Flow chart of faulty phase selection

2 算例仿真

算例采用2012年華中-華北聯網數據，共含14926條母線、1855臺發電機、16383條交流線路和12條有效直流線路。分別取整流站側、逆變站側和普通交流線的不同位置設置不同類型短路故障，為驗證本文所提選相算法的有效性，分別采用相電流突變量方案、序分量方案和本文相/序分量幅值比較方案。

2.1 逆變側交流出線短路

短路故障位于直流線“陜東南郊330—豫靈寶500”逆變站側出線：豫靈寶500（M側）—豫陜州500（N側）。典型工況下，該直流單極運行，受端落地功率750 MW。M/N側保護的選相結果如表1所示（1表示選相正確，0表示錯誤，電氣量均為標幺值）：

序號分別表示：1—線路5%處AG故障；2—線路50%處AG故障；3—線路95%處AG故障。由上述選相結果可知，逆變側出口交流線發生單相短路接地故障后，逆變站側（M側）保護相電流突變量和序分量選相元件均判定為ABC三相故障，選相有誤，原因在于短路故障后，豫靈寶500逆變站僅有一回交流線送出，與交流系統聯系薄弱，逆變器連續換相失敗后直流閉鎖，類似于三相斷線故障，M側的負序和零序電流均為零，因此，基于序電流的選相判據失效。而本文研究的基于相/序分量的選相判據未受影響。對于故障線路的交流側（N側），在故障瞬間，三種選相方案均有效。在逆變站側交流出線發生其余類型短路故障時，相/序電壓幅值比較方案與其余兩種傳統方案的選相結果比較如表2所示。

AG-0.01表示A相帶0.01pu的過渡電阻接地。分析上述結果可知，由于逆變站直流閉鎖，M側相電流突變量和序電流選相判據在非對稱故障情況下均失效，N側選相不受影響。而相/序電壓幅值比較方案在兩側均能正確選相。

表1 豫靈寶500（M）至豫陜州500（N）單相接地短路故障選相Tab.1Faulty phase selection of single phase to the ground short circuit fault in Yulingbao-Yushanzhou

表2 豫靈寶（M）至豫陜州（N）各類短路故障選相Tab.2Faulty phase selection under different types of short circuit fault in Yulingbao-Yushanzhou

2.2 整流站側交流出線短路

整流站交流出線短路故障表現為直流電壓、電流和輸送功率的下降[11]，一般不會造成直流閉鎖，以鄂江陵整流站側交流出線“鄂江陵—鄂興隆”中點發生不同類型故障時，相/序電壓幅值及選相結果如表3所示。

驗證結果表明，整流站側交流出線發生各種類型短路故障時，線路兩側的相/序電壓幅值比較方案均能有效選出故障相。

表3 鄂江陵—鄂興隆各短路故障選相結果Tab.3Faulty phase selection under different types of short circuit fault in Ejiangling-Exinglong

3 結論

直流線路輸送容量大、損耗低，調控速度快，但大規模交直流互聯卻給傳統電網的繼電保護帶來了新的挑戰[12]。本文對換流站交流出線的短路故障選相進行了研究，提出了基于相/序電壓分量幅值比較的選相方案，在實際電網中仿真驗證，并與兩種已有的選相方案作對比，得到的主要結論如下。

（1）若逆變站側交流出線短路而造成連續換相失敗后閉鎖，本文選相方案不受影響，逆變站側及交流側均能有效選相。而逆變站側的電流分量選相元件（相電流差突變量選相、序電流分量選相等）在各種故障瞬間均會誤判為三相短路。

（2）整流站側交流出線短路一般不會造成換相失敗，故障線路兩側感受的相/序電壓分量特征與普通交流線短路相同，故整流站側與交流側均能正確選相。

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Faulty Phase Selection Criterion in AC/DC Hybrid Power System Based on the Comparison of Phase/Sequence Voltage Amplitude

CHEN Jing1，2，TANG Fei1，LIAO Qing-fen1
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Electric Power Research Institute，Jiangsu Electric Power Compang，Nanjing 211103，China）

In order to tackle the deficiency that the conventional phase selection component may mal-operate when short-circuit fault occurs at AC outlet of inverter side in a AC/DC hybrid grid，.a novel faulty phase selection algorithm which is based on the comparison of phase/sequence voltage amplitude has been proposed in this paper.In this paper，on the basis of boundary conditions of contingency and the sequence network topology，the quantitative relationship of the faulty phase，non-fault phase voltage amplitudes and the positive sequence voltage amplitude have been analyzed. Hence the faulty phase can be rapidly identified via simple amplitude comparison.This algorithm is without auxiliary criterion and is free of the non-linear characteristic of the convertor stations.The simulated illustration of a certain grid in China validates the effectiveness of proposed algorithm.

AC/DC hybrid power system；faulty phase selection；receiving terminal；commutation failure；voltage amplitude comparison

TM8

A

1003-8930（2013）04-0029-05

陳靜（1988—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。Email：chenjing1902@126.com

2012-07-23；

2012-08-10

國家自然科學基金項目（51077103）；國家高技術研究發展863計劃（2011AA05A119）；國家電網公司大電網重大專項資助項目課題（SGCC-MPLG029-2012）

唐飛（1982—），男，博士研究生，研究方向為電力系統運行與控制、電力信息技術。Email：tangfei@whu.edu.cn

廖清芬（1975—），女，博士，副教授，研究方向為電力系統運行與控制。Email：qfliao@whu.edu.cn