多端直流線路保護研究

施世鴻，賈紅舟，倫振堅

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州市510663)

0 引 言

直流輸電具有大容量、遠距離的輸電優勢［1-4］，在我國“西電東送”戰略中發揮了重要作用。近年來，國家電網公司和南方電網公司都已有多個直流輸電工程投入建設和商業運行。傳統的雙端直流輸電工程僅能實現點對點直流功率傳輸。當多個交流系統需要直流互聯、有多電源供電和多落點受電需求、征地條件無法滿足原有雙端系統擴容時，多端直流輸電系統(multi-terminal DC，MTDC)具有明顯優勢［5-7］。多端直流輸電系統是由多個換流站(3個及以上)及其相互連接的各直流輸電線路所組成的高壓直流輸電系統。目前高壓直流換流閥主要是基于單控器件的電流源型換流器(current source converter，CSC)，隨著電力電子器件的發展，基于全控器件的電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)以及模塊化多電平的全控器件(modular multilevel converter，MMC)已應用到柔性直流輸電系統中［8-9］。根據采用的換流閥器件，MTDC 可 以 分 為3 類［10］:CSC 型MTDC、VSC 型MTDC、混合型MTDC(既含有CSC，又含有VSC)。

MTDC 最顯著的特點是能夠實現多電源供電、多落點受電，單線路故障不影響其他正常系統的運行，可提供更為靈活的運行方式。隨著電力電子技術、控制保護技術和直流斷路器技術的進一步發展，MTDC將得到快速發展，將有更多的MTDC 工程應用到電網中。控制保護技術作為制約MTDC 發展的重要因素，受到國內外學者的廣泛關注［10-16］。文獻［5-7］綜述了MTDC 技術的現狀和發展方向。文獻［10］對包含電流源和電壓源換流器的混合型多端直流系統的控制保護策略進行了物理模擬和數字仿真。文獻［11］對利用GTO 換流閥的三端直流工程的現場測試進行了報道。文獻［12-15］對MTDC 的控制保護策略進行了研究。文獻［16］對多端直流的故障定位和隔離進行了研究，其原理是基于每個分支的兩端都需要裝設電流互感器，而多端系統直流線路接線復雜，勢必要設置多個電流互感器，開關站建設成本增加，通訊更為復雜。本文針對MTDC 的線路特點，對雙端直流線路保護原理的適用性及存在的問題進行了探討，并且提出了一種故障支路判別元件，對多端直流線路故障的保護動作和恢復運行進行了探討。

1 多端直流接線形式

多端直流系統的接線形式有串聯型、并聯型和混合型3 種。因并聯接線方式易于控制，具有更大的調節范圍、絕緣配合簡單、經濟性高等優點，目前投運的工程多采用該方式。并聯連接的多端直流系統，其接線形式又可以分為環網式和放射式2 種，分別如圖1、2 所示。

圖1 環網式接線Fig.1 Ring connection

圖2 放射式接線Fig.2 Distributed connection

若忽略直流線路壓降，則各換流站運行在相同的直流電壓下，只要選擇一個換流站控制維持整個系統的運行電壓，其他換流站則通過控制本站的直流電流來實現直流功率分配。

對于并聯環網型接線，當某直流線路發生永久性故障退出時，通過隔離故障線路，可利用其他線路的過負荷能力，變成放射式使各站繼續運行。對于并聯放射式接線，當某直流線路故障時，可通過隔離故障線路及相關換流站，使正常部分換流站繼續運行。由此可見，多端直流輸電系統的故障支路快速準確判定和隔離，對多端直流的安全穩定運行具有重要作用。

2 直流線路保護原理在多端直流線路保護的適用性研究

2.1 雙端直流線路保護原理

傳統雙端直流線路保護的配置見表1。配置了行波保護和低電壓保護作為主保護，用于金屬性接地故障的保護。配置縱聯電流差動保護作為后備保護，用于金屬性接地故障和高阻接地故障。同時還配置了金屬回線橫差保護和縱差保護用于金屬回線的保護。

表1 直流線路保護配置Tab．1 Protection configurations of DC line

2.1.1 行波保護

行波保護的判據如式(1)所示:

式中:UdH、IdLH分別為直流線路的直流電壓和直流電流;Δ1、Δ2、Δ3分別為電壓微分、電壓變化量、電流變化量的整定值。當上述3個條件同時滿足時，則判定為直流線路故障。保護動作啟動線路重啟動邏輯，若多次重啟動不成功，則閉鎖直流。主要用于金屬性接地故障的保護，不適用高阻接地故障。

2.1.2 低電壓保護

低電壓保護的判據如式(2)所示:

當上述2個條件同時滿足，則保護動作啟動線路重啟動邏輯，若多次重啟動不成功，則閉鎖直流。其中Δ1定值與行波保護相同，但電壓微分上升沿的延時比行波保護略長，速度比行波保護略慢，但可靠性比行波保護略高。該原理也主要用于金屬性接地故障的保護，不適用于高阻接地故障。

2.1.3 縱聯電流差動保護

縱聯電流差動保護的判據如式(3)所示:

式中:IdLH為直流線路本側直流電流;IdLH_OST為直流線路對側直流電流。理論上，縱聯差動保護能保證絕對的選擇性，但實際上該差動保護判據只是兩側電流的簡單加和，未考慮線路分布電容電流，在暫態過程中判據不成立，因此需要設置長延時躲過暫態過程，導致動作速度慢。作為線路保護的后備保護，主要用于高阻接地故障的保護。

2.1.4 金屬回線橫差保護

金屬回線橫差保護的判據如式(4)所示:

式中:IdLH_OP為金屬回線的直流電流;Δa為橫差保護整定值。該保護主要用于在單極金屬回線運行模式下，發生在直流線路以及金屬回線上的接地故障。該保護不需要對側的數據，可在通信中斷的情況下，作為線路保護的后備保護。

2.1.5 金屬回線縱差保護

金屬回線縱差保護的判據如式(5)所示:

式中:IdLH_OP為金屬回線本側直流電流;IdLH_OP_OST為金屬回線對側直流電流;Δb為縱差保護整定值。該保護主要用于單極金屬回線運行模式下，金屬回線的接地故障。與縱聯電流差動保護一樣，需要設置長延時躲過故障的暫態過程，保護動作速度慢。

2.2 多端直流線路保護的適用性

2.2.1 多端直流系統模型

多端直流系統模型如圖3 所示，為簡單起見，且不失一般性，采用四端模型，其中換流站1 與換流站2 為整流站，整流站3 和整流站4 為逆變站。T1 和T2 為多端直流線路的T 接點，可在T 接點設置開關站或與相應的換流站合并設置開關站。L1、L2、L3、L4 和L5 分別為支路AT1、BT1、CT2、DT2、T1T2 的長度。SW11、SW12、SW21、SW22、SW31、SW32、SW41、SW42 為多端直流線路的開斷設備，可選擇直流斷路器、交流斷路器或快速直流開關。選擇直流斷路器，可實現不停電隔離故障，但成本昂貴。選用交流斷路器和快速直流開關成本較低，但需要短時停電。可根據工程實際，考慮技術經濟綜合比較選擇，F1、F2、F3 為假設線路故障點。

圖3 多端直流系統模型Fig.3 MTDC model

2.2.2 保護原理的適用性

對于多端直流，行波保護和低電壓保護只需要采集本站的數據，縱聯電流差動保護除采集本站數據外，還需要采集其他各站的數據。從上節保護原理判據可知，當發生線路金屬性接地時，行波保護與低電壓保護的判據條件滿足。判斷為區內故障，但無法判別故障支路。同理，當發生高阻接地故障時，縱聯差動保護經過長延時可動作，但也僅能判別是區內還是區外故障，無法判別故障支路。

保護動作后，對各換流站同時啟動線路重啟動邏輯，如瞬時性故障，重啟動后可自動恢復運行，如永久性故障，多次重啟動失敗后，閉鎖直流。需要沿線查找判別故障點后，動作相應開關設備隔離故障，恢復正常部分的系統運行。因此對多端直流線路保護，在應用雙端直流線路保護原理的基礎上，需要增加故障支路判別元件，從而快速定位隔離故障分支，恢復正常系統運行。

3 多端直流線路故障支路判別方法

在各分支的T 接點處若設置高壓直流電流互感器，則可容易實現各故障支路的分區判別，但這需要增加多臺高壓直流光學電流互感器，成本高昂。本文在T 接點處不設置電流互感器，僅靠各換流站側接收到的故障行波構造故障支路判據。

2.所有專業工種都必須結合工種和施工現場地形特點，加強崗前培訓，系統掌握有關安全知識，并通過考核合格后持證上崗。

令v 為故障行波傳播速度，設t1，t2，t3，t4分別為故障行波到達A、B、C、D 這4個換流站所需要的時間。但對于保護裝置來說，故障發生的時刻未知，因此t1，t2，t3，t4無法獲得，但各站接收到的故障行波的時間差值是可以計算得到。

構造函數:

(1)當故障發生在AT1 支路，假設x 為故障點距離換流站1 的距離，有:

代入式(6)得:

(2)當故障點發生在BT1 支路，假設x 為故障點距離換流站2 的距離，有:

代入式(6)得:

(3)當故障點發生在其他支路時，有:

代入式(6)得:

因此可得判據:

同理構造函數:

可得判據:

綜合式(15)和式(17)，可得如表2 所示故障支路判據。

表2 故障支路判據Tab．2 Criterion of fault branch

該故障支路判據簡單，計算量小，在線路保護動作判定區內故障后投入，能可靠判定故障支路，有利于快速故障隔離。

4 多端直流線路保護動作及恢復運行

多端直流具有運行方式靈活，單一故障不影響其他正常系統功率輸送等特點。保護動作的首要原則是切除和隔離故障，保證非故障系統繼續運行。當發生直流線路故障后，式(1)～(5)保護判據判定發生故障，經式(15)和(17)判定故障支路，采取以下保護動作行為。

(1)線路故障重啟動。線路故障重啟動邏輯，可以有效的消除瞬時性故障。任一換流站線路保護動作應向其他整流站發送線路保護動作信號。各整流站收到該信號后，執行再啟動邏輯。再啟動邏輯的控制時序為:繼電保護檢測到區內故障時，相應極的所有整流站的觸發脈沖強制移相到120° ～150°，將整流站轉變為逆變站運行，將直流線路的能量快速釋放，經過一段去游離時間以確保故障點電弧熄滅，再解除強制移相并重啟動。如一次重啟動失敗，則表示故障依然存在，再進行多次全壓重啟動或一次降壓重啟動，經過設定的重啟動次數仍失敗，則判定為永久故障，閉鎖直流。其中去游離時間應確保多端直流的各換流站整定一致。

(2)直流閉鎖。為避免投旁通對后造成直流側短路，影響其他換流站的運行。多端直流可采用如下閉鎖控制:整流站快速移相轉變為逆變站運行，逆變站調整觸發角將直流電流降低，待直流電流接近于零時，閉鎖觸發脈沖，這有別于雙端直流直接投旁通對的閉鎖方法。

(3)故障隔離與恢復運行。直流閉鎖后，應快速隔離故障，然后恢復正常系統運行。通過第3 節所述的故障支路判別方法可確定故障支路。故障隔離的控制方法為:判定永久性故障并且直流閉鎖后，發遠跳命令將故障支路兩側的快速直流開關拉開，如圖4中的F1 點故障，則將SW11 和SW12 拉開，將故障點隔離;此時直流系統已閉鎖，無故障電流流通，采用交流斷路器或直流快速開關均能可靠斷開隔離故障點;將換流站2、3、4 重新啟動;原四端直流轉變為三端直流繼續運行。

5 結 論

(1)雙端直流線路保護原理在并聯型的多端直流系統中仍然適用，但為快速隔離故障恢復正常系統的運行，需增加故障支路判別方法。

(2)表2 所示的故障行波的故障支路判別方法，判據簡單、速度快，能可靠判別故障支路。

(3)多端直流的保護動作經線路故障重啟動，可消除瞬時性故障。對于永久性故障，采用逆變側降電流的直流閉鎖方法，避免了投旁通對給系統造成的沖擊。通過判別故障支路，采用快速直流開關或交流斷路器等較廉價設備可替換直流斷路器實現故障隔離，恢復正常系統運行。

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