交流側故障與換相失敗時序問題的分析

陳穎，李袖，李卓男

（國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010020）

交流側故障與換相失敗時序問題的分析

陳穎，李袖，李卓男

（國網內蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010020）

計算交流側故障與換相失敗之間的時間間隔是研究換相失敗對交流繼電保護影響的基礎。該文基于數學形態梯度提取逆變側直流電流在換相失敗期間的局部特征，進而利用不同的局部特征給出了一種統一的計算交流故障與換相失敗時序的方法。并利用新的計算原則提出了一種防止由于暫態功率倒向而導致非故障線路縱聯方向保護誤動的措施。基于PSCAD/EMTDC搭建了仿真模型，仿真實驗結果驗證了分析結論的正確性。

數學形態學；交流側故障；換相失敗；功率倒向；繼電保護

隨著高壓直流輸電HVDC（high voltage direct current）的迅速發展，交直流混合輸電電網在我國已逐步形成。HVDC在實現遠距離、大容量、非同步電網互聯等方面具有獨特優勢[1]。但直流系統故障會給交流系統帶來新的暫態特性[5]，給交流電網保護帶來不利影響，嚴重時會引起交流系統不正確動作[2-10]。換相失敗作為直流系統最常見的故障之一，研究交流保護在其故障期間的動作性能意義重大。

2003年6 月27日廣東電網發生的北涌乙線以及2005年12月15日的衡東甲乙線保護動作都屬于換相失敗引起的誤動事故。事故發生的原因是由于換相失敗引起的功率倒向問題。文獻[3]在電磁暫態框架下研究交直流系統相互影響機理和交流故障特征的變異機理，給出了暫態功率倒向的計算模型和方法；并指出研究交流側故障到換相失敗的發生是研究換相失敗對繼電保護影響的前提，但沒有給出兩者時間間隔的計算方法；文獻[8]提到交流側故障到換相失敗之間的時間間隔一般不大于10ms，但此數據并不精確，而且太過于保守。

本文首先對交流故障與換相失敗之間的時序問題進行了說明，然后對換相失敗期間直流電流的局部特征進行了詳細的分析，引入數學形態梯度獲取換流橋直流側發生短路的時刻，對影響梯度計算的情形進行了詳細的研究并給出相應的解決措施，進而給出了交流故障與換相失敗之間的時間間隔的計算原則，根據分析結果給出了防止由于暫態功率倒向引起的非故障線路誤動的措施。最后利用PSCAD/EMTDC驗證了分析結果的準確性。

1 換相失敗對繼電保護的影響及數學形態學

1.1 換相失敗對繼電保護影響

傳統的繼電保護設計一般忽略2個小概率事件疊加的復故障。而在交直流互聯系統中，若受端電網故障引起直流換相失敗，則相當于出現了復故障。圖1表示的是交流系統故障引起換相失敗時的時序關系。其中時間t2可位于t3之后。

從繼電保護的角度看，分析故障發生時刻t0到換相失敗時刻t1的時間間隔Δt是必要的，一般分為3種情況[3]。

（1）Δt大于保護判別時間，此時保護判別所用的電氣量完全由交流故障決定。

（3）Δt位于兩者之間，則保護判別用的數據窗有部分是換相失敗前的，有部分是換相失敗后的，即數據窗存在突變的數據。

文獻[3-4]指出，當采樣數據窗全部為換相失敗后的數據時，工頻變化量電流幅值最大，此時對保護的影響最大，非常有可能引起區外誤動，區內拒動的發生，因此分析換相失敗后數據窗內的數據以得到工頻變化量的電流特性，是分析換相失敗對交流保護影響的關鍵。所以為了分析換相失敗對繼電保護的影響以及解決數據窗跨擾動前后時保護判別的可靠性，計算Δt的大小非常有必要。但現階段關于Δt的分析計算尚未有明確的方法，本文從數學形態學出發，探討性地給出Δt的計算方法。

1.2 數學形態學

數學形態學一般只需要進行加、減法和取極值等運算，是一種具有計算簡單、并行快速等特點的數學分析方法，且在進行信號處理時只取決于待處理信號的局部形狀特性。文獻[11-15]對數學形態學的基本概念進行了詳細的介紹，此處不再累述，只給出基本形態梯度的定義為

式中：(f⊕b)(x)和(f⊙b)(x)表示利用結構元素b（x）對f（x）的膨脹和腐蝕運算，其表達式為

基于上述分析，可明確實現地理信息生成與地圖制圖一體化概念模型的步驟：（1）強化制圖數據內部的數據質量，面向制圖與空間數據建立起共同的數據標準；（2）數據生產平臺的建立應以符號化為基礎；（3）數據管理與生產流程均需與生產目標相適應。

式中：Df和Db分別是f和b的定義域；max和min分別為從數據中取得極大值和極小值。

本文定義了一種新的形態梯度，表達式為式中，(f°b)(x)，(f?b)(x)分別表示灰度開和閉運算，具體表達式為

自定義的形態梯度能準確提取梯度值發生突變的時刻。對于結構元素的選取，需要一次次的試探和證明。若大小選取合適，則能有效屏抑類別內的細節差異，且不會弱化類別間的邊界[14]，但是形狀越復雜長度越長，需要的計算量會快速增加。本文選取一種長度為6，與水平方向成0°的扁平結構元素，利用此結構元素能準確提取出信號中形態梯度發生突變的時刻。在此結構元素下，信號的變化速度越大，其形態梯度值越大，反之越小。

2 分析方法的基本原理

2.1 換相失敗直流電流局部特性的研究

圖2給出了直流系統逆變側換流器示意，閥v4，v6，v2為上排閥，閥v1，v3，v5為下排閥。

圖3給出了換相失敗期間直流電流與閥電流波形曲線，其中圖3（a）是逆變側發生換相失敗后直流電流的變化曲線，圖3（b）中曲線表示的是D橋V3的電流波形，實線表示V6的電流波形；圖3（c）中曲線表示的是Y橋V1的電流波形，實線表示的是Y橋V4的電流波形。換相失敗的顯著表現是引起直流側短路：如圖3（b）中時V3與V6在t=0.506 s同時導通，造成了D橋直流側短路，即圖3（a）中“1”所示；圖3（c）中V1與V4在t=0.517 s時同時導通，造成了Y橋直流側短路狀態，與圖3（a）中的“3”相對應。顯然，直流電流在“1”和“3”處發生了突變，而交流側故障開始“0”到直流側發生短路“1”這段時間內直流電流變化較為緩慢，這是由于逆變側直流電壓幅值在此期間下降有限，同時平波電抗器抑制了直流電流的上升速度，致使故障開始時刻“0”處直流電流的變化速度有限。

因此換相失敗期間，直流電流在“1”、“3”處的速度變化明顯，所以在這兩點處會產生較大的形態梯度值。從計算Δt的角度來看，需要檢測“1”出現的時刻，表1列出了在不同交流故障條件下，“1”被檢測的時刻。其中KAB80（1，1）表示發生AB相經80Ω過渡電阻接地故障，其他表示的含義與此類似。

綜上所述，計算交流側故障到發生換相失敗之間的時間間隔Δt的關鍵是檢測“1”發生的時刻。但檢測“1”的時刻需要考慮直流紋波引起的梯度變化的影響。

2.2 直流紋波的影響

當直流系統正常運行或者交流側故障對直流系統影響不大時，逆變側直流電流仍不是恒定不變的，而是存在一定的波動，即直流電流在各個時刻都存在一定的形態梯度值。圖4（a）給出了直流系統正常運行時直流電流的波形，圖4（b）表示的是其形態梯度值。通過圖4（b）可看出，雖然直流電流在每個時刻都產生了形態梯度值，但數值都較小；圖4（c）表示的是交流側故障恰好未引發換相失敗時的直流電流波形。由于此時交流側故障對直流系統影響不大，因此交流側電壓降十分有限[13]，再考慮到平波電抗器的作用，導致直流電流的變化趨勢非常平緩，因此其形態梯度值也較小，如圖4（d）所示；圖4（e）表示的是換相失敗時直流電流的形態梯度值，通過圖4（e）可看出此時直流電流存在幾個較大的形態梯度值。

為了解決直流紋波帶來的影響，可通過設定一個梯度門檻值Gres來提取直流電流中突變較大的點，將不大于Gres點的梯度值的信息剔除。這樣就可以提取換相失敗的時刻。

2.3 Δt的計算原則

根據上面的分析可以得出Δt的計算原則，交流側故障開始后，利用數學形態學對直流電流進行形態梯度的檢測，并記錄交流側故障時刻t0，然后分如下情形對Δt進行計算：

（1）情形1：如果利用式（3）檢測出的第1個大于門檻值的點對應的時刻t，那么記錄當前檢測點的時刻為t1，此時取Δt=t1-t0；

（2）情形2：如果在一個周期內都沒有檢測出梯度大于閾值Gres的點，那么此時Δt=∞，表明沒有換相失敗的發生。

2.4 Δt對保護的影響研究

近年來，交直流互聯電網廣東橫東甲、乙線保護誤動事故和北涌乙線保護誤動事故都是由于換相失敗引起的功率倒向造成縱聯方向保護的誤動。傳統功率倒向的一般防止措施是啟動元件動作一段時間后（30～40ms）后尚未跳閘，就認為是外部故障，隨后如果功率方向變為正方向，此時需要經過延時動作以躲過功率倒向的影響。但在交直流互聯系統中，功率倒向一般發生在30ms以內，所以傳統的防止功率倒向的方法在交直流互聯系統中已經不再適用，因此造成了縱聯方向保護在交直流互聯系統中適用性不足。本文從Δt的觀點出發，給出防止非故障線路由于功率倒向而誤動的措施。顯然如果交流側故障沒有引發換相失敗，那么仍然可以采用傳統的策略來防止功率倒向引起的保護誤動作。

如果交流側故障引發了換相失敗故障，當數據窗全部為換相失敗信息時，如圖1中數據窗1所示，此時所計算出的結果非常容易引起非故障線路誤動，而當數據窗位于其他位置時，保護方向元件可以做到正確識別[5]。對于情形1而言，由于能準確計算Δt的大小，所以當保護數據窗計算Δt時間后，此時數據窗內的數據全部為換相失敗后的數據，如果此后計算的功率方向由負變為正方向，保護不需要立即動作，而要閉鎖一段時間，考慮到反方向元件要有足夠的時間發出高頻閉鎖信號，可以閉鎖40～50ms；對于情形2，由于交流側故障尚未引發換相失敗，傳統的防止功率倒向的措施仍然有效。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

基于CIGRE直流輸電標準測試系統搭建了仿真模型，如圖5所示，故障時間為0.5 s，持續時間為0.05 s。采樣頻率為4 000 Hz，梯度門檻值Gres取為0.015 p.u.。其中線路全長為100 km，線路參數為：R1=0.025×10-3Ω/m，x1=0.3×10-3Ω/m；R0= 0.075×10-3Ω/m，x0=0.9×10-3Ω/m。

3.2 仿真分析

3.2.1 情形1的仿真結果分析

圖6表示的故障類型是在交流母線處發生了A相接地故障，過渡電阻為80Ω。通過圖6（b）可以看出，直流電流的局部點“1”、“2”和“3”的形態梯度都能檢測出來。根據Δt的計算原則可得出此時Δt=0.507-0.500=0.007 s。圖6（c）表示的是D橋V3與V6的電流波形，通過圖6（c）可以看出V3與V6共同導通的時刻也為0.507 s，與計算結果相同。圖6中橫坐標表示采樣點數，采樣點0表示故障開始時刻0.5 s。

3.2.2 情形2的仿真結果分析

圖7表示的故障類型是在交流母線處發生了A相接地故障，過渡電阻為100Ω。通過圖7（b）可以看出，由于直流電流的形態梯度值都不大于設定的門檻值，梯度值都被置為0。根據Δt的計算原則可以得出此時Δt=∞，即故障不會引起換相失敗。

4 結語

形態學的引入為分析換相失敗對交流電網繼電保護的影響提供了新的發展空間，而且形態學只需做加減和取極值運算，因此算法簡單快速。本文根據換相失敗期間直流電流的局部特性和定義的數學形態梯度，給出了計算交流側故障和換相失敗之間時間間隔的方法，解決了交直流互聯系統中換相失敗的時序問題，這為數據窗的自適應調整、增強縱聯方向保護的適用性和分析換相失敗對繼電保護的影響打下了堅實的基礎。同時考慮到直流側的保護與控制與交流側繼電保護之間理應存在配合關系，所以廣域信息的應用是未來交直流互聯系統中的一個發展趨勢。

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Analysisof Time Sequence Between AC Faultand Commutation Failure

CHENYing，LIXiu，LIZhuonan
（Electric PowerResearch Institute，StateGrid East InnerMongolia Electric PowerCompany Limited，Hohhot 010020，China）

The calculation of time intervalbetween AC faultand commutation failure is a basis for studying the effectof commutation failure on the AC relay protection.After the extractions of local features of DC currentduring commutation failure in the inverter side，by using themorphologicalgradient，a unified calculationmethod of the time sequence be?tween AC faultand commutation failure is proposed based on different local features.In addition，a countermeasure is put forward to prevent themal-operation ofdifferential directional protection on un-faulted line caused by transientpow?er converse.A model is builtbased on EMTDC/PSCAD，and the simulation results show the validity of the calculation method.

mathematicalmorphology；AC fault；commutation failure；power converse；relay protection

TM774

A

1003-8930（2017）03-0116-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.019

陳穎（1988—），女，碩士，工程師，研究方向為特高壓直流、電力系統穩定分析。Email：chenyingnm1988@163.com

2015-09-02；

2016-06-14

李袖（1985—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統穩定。Email：297163093@qq.com

李卓男（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統穩定。Email：277360727@qq.com