±500 kV高壓直流輸電線路單端電氣量暫態保護

金恩淑，馬仲濤，張振洋，馬淑婧

（1.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012；2.阜陽市供電公司，安徽阜陽263000）

0 引 言

作為再次新興輸電方式的直流輸電，由于其輸送容量大、建造成本低、線路損耗小、適應各種惡劣環境、無同步運行問題等優點，被廣泛應用于遠距離大容量輸電系統中。我國幅員遼闊，能源中心與負荷中心呈逆向分布，為直流輸電提供了廣闊的應用空間。迄今為止，中國直流輸電工程數量已位居世界前列［1-3］。

直流輸電線路輸送距離長，所處環境惡劣，50%以上系統故障發生在線路上，而線路保護正確動作率僅為50%左右，因此研究直流輸電線路保護是提高直流輸電系統安全性與穩定性的有效途徑。目前，直流輸電線路主要配置有行波保護及電流差動保護。行波保護動作迅速，能實現全線速動，但耐過渡電阻能力差且易受到噪聲雷擊等干擾；電流差動保護專為切除高阻接地故障而配置，但該保護需要避免由于區外故障引起的線路電壓變化而導致的線路分布電容充放電電流造成的誤動作，動作延時較長，導致換流站內保護可能先于線路差動電流保護動作而使整個系統停運［4-9］。

基于上述問題，國內外學者進行了大量的研究。文獻［10］提出了一種利用電流突變特性的線路縱聯保護原理，該原理根據區內外故障時整流與逆變側電流突變特性，構成了全線速動保護，但未考慮故障極對正常極的影響，可能將正常極誤切。文獻［11］提出了單端小波能量保護原理，該原理利用小波變換分解電壓信號，通過比較高頻信號與低頻信號能量的大小來區分區內外故障，但未考慮故障極對健全極的耦合影響，可能導致非故障極保護誤動。文獻［12］提出了一種暫態能量保護原理，該原理利用兩端的電壓與電流故障分量乘積之差的極性來判別故障位置，能滿足直流線路對保護性能的要求，但需測量兩端的電流與電壓量，數據繁多。

本文通過研究直流輸電線路電流及電壓高頻小波能量暫態特性，提出了一種單端電氣量暫態保護新方法。該方法采用單端信息、不依靠通信，動作更迅速；考慮耦合因素，不會誤動；且利用小波變換提取高頻分量，不受過渡電阻影響。

1 暫態特性分析

圖1為雙極直流輸電系統圖，M+代表整流側正極，M-代表整流側負極。

圖1 雙極直流輸電系統圖Fig.1 HVDC transmission system diagram with two electrodes

1.1 電壓高頻分量暫態特性分析

直流輸電線路兩側均裝有平波電抗器與直流濾波器，由于二者組成的邊界特征阻抗不等于輸電線路波阻抗，即直流線路邊界處波阻抗不連續，因此其組合構成了直流輸電線路事實的物理邊界，如圖2所示，圖中U1為換流器出口電壓，U2為U1通過邊界元件傳變至直流線路的保護安裝處的電壓。

圖2 平波電抗器與直流濾波器構成的邊界圖Fig.2 Boundary diagram consisting of the smoothing reactor and DC filter

電壓U1和U2之間的傳遞函數Z（jω）為：

式中ZD（jω）為直流濾波器阻抗，ZL（jω）為平波電抗器阻抗。

由式（1）可得邊界元件傳遞函數Z（jω）的幅頻特性如圖3所示。

圖3 Z（jω）的幅頻特性Fig.3 Amplitude frequency characteristic of Z（jω）

由圖3可知，當頻率處于低頻段0＜f＜100 Hz時，Z（jω）的幅值約為 1；高頻段（f＞2 kHz）除了兩個諧振點以外，其他頻段的Z（jω）基本為0，可見邊界元件對高頻信號有很強的阻滯效果［13］。由于物理邊界對高頻信號的阻滯作用，使得區外故障時，電壓高頻分量較小，而區內故障時，電壓高頻分量較多。

1.2 電流暫態特性分析

圖4為正極直流輸電系統簡化圖。為方便定性推導電流突變特性，將整流站與逆變站等效為恒定電源。Um和Un分別為整流側與逆變側母線電壓，Im和In分別為整流側與逆變側線路電流。

圖4 正極直流輸電系統簡化圖Fig.4 Simplified diagram of positive electrode HVDC transmission system

1.2.1 整流側故障

整流側故障時，利用故障分量法將故障后系統等效為故障前系統和故障引入的故障分量系統的疊加［14］。故障分量系統如圖5所示，其中 ΔIm和 ΔIn分別整流側與逆變側線路電流的故障分量。

圖5 故障分量系統圖（整流側故障）Fig.5 Fault component system diagram（rectifier fault）

由圖5可知，ΔIm的方向為線路流向母線，與系統正常運行電流Im的方向相反，電流突變為負向。

1.2.2 直流線路內部故障

圖6為直流線路內部故障時的故障分量系統圖。由圖6可知，ΔIm方向為母線流向線路，與正常運行電流Im方向相同，其電流突變為正向［15］。

圖6 故障分量系統圖（直流線路內部故障）Fig.6 Fault component system diagram（internal fault）

逆變側發生故障時，分析方法與上述相同，在此不加以贅述，分析結果表明，整流側的電流ΔIm突變為正向。

綜上所述，當整流側保護的反向發生故障時，整流側電流突變為負向；當其正向發生故障時，整流側電流突變為正向。

2 直流輸電系統單端線路保護方案

2.1 區內外故障判別

由于小波變換具有可以迅速準確迅速將信號投影到不同尺度上且明顯的表現出高頻信號的特性的特點，因此本文利用小波變換對電壓高頻信號進行提取。

對電壓進行小波變換，提取高頻分量，計算其小波能量，小波能量代表其高頻信號的多少，根據電壓高頻分量暫態特性，通過比較高頻分量小波能量的大小判別區內外故障。

本文采用dB3小波對電壓進行3層次小波變換，采樣頻率f為20 kHz，小波變換后第1層次（5 kHz＜f＜10 kHz）即為所需要的高頻信號。故障發生后高頻信號的暫態特性存在時間短，因此需適當選取時間窗長度，取為5 ms。定義某尺度下信號的小波能量為該尺度小波變換系數平方沿時間軸的積分，即：

式中E為小波能量；W（k）為小波變換系數；N為時間窗內采樣點個數［6］。

區外故障時，電壓高頻分量少，其小波能量小；區內故障時，電壓高頻分量多，其小波能量大，利用上述特征可實現區內外故障判別，其判別式為：

式中Kn為門檻值，按躲過區外故障時正極小波能量峰值整定，本文取為100。

若滿足式（3），則判斷為內部故障；否則為區外故障或無故障。

2.2 故障極選取

在判別區內外故障后，進行故障極選取。根據電流暫態特性，本極內部故障時，為保護正向故障，則電流突變量為正值；相鄰極故障時，為保護背側故障，則電流突變量為負值。利用上述特征可實現故障極的選取，其判據式為：

式中M為時間窗5 ms內采樣點個數，Iset為門檻值，按躲過故障極對健全極影響進行整定，取為0.2IN，IN為線路額定電流。

若滿足式（4），則判斷為故障極，否則為正常極。

2.3 線路單端電氣量暫態保護策略

根據上述分析，可得出直流輸電線路單端電氣量暫態保護新方法，其流程圖如圖7所示。

圖7 流程圖Fig.7 DC line protection flow chart

3 仿真驗證

運用PSCAD仿真軟件，參照CIGRE HVDC標準測試系統模型，建立圖1所示的±500 kV雙極直流輸電系統仿真模型。其控制系統參照模型主要包括定電流控制、定電壓控制及定功率控制。由于控制系統從接收到調節指令至一次電流量發生變化的固有時間延遲在5 ms以上。因為本文時間窗長度選為5 ms，可忽略控制系統的影響［16］。輸送功率為1500 MW，額定電流為1.5 kA，輸送距離為1 000 km，兩極直流線路采用同桿并架，均為4分裂導線，數據采樣頻率為20 kHz，故障發生時刻為1 s。

3.1 區外故障

事例1：逆變側發生金屬性接地故障。圖8為事例1即區外故障時保護動作情況圖。

圖8 逆變側故障保護動作情況圖Fig.8 Result of relay protection operation（inverter fault）

圖8表示的分別為正、負極高頻信號小波能量、電流、保護動作信號。由圖8可知，逆變側故障時，正極與負極小波能量均增大，經過邊界后高頻信號被大量濾除，故其小波能量未能超過檻值Kn；由于故障發生在保護正向，正極與負極電流皆為正向突變。最終正負極保護皆可靠不動作。

3.2 區內故障

事例2：正極線路末端經300Ω過渡電阻接地故障。圖9為事例2保護動作情況。由圖9可知，正極末端經300Ω過渡電阻接地時，正極與負極高頻信號未經過邊界元件濾除，其小波能量幅值很大，均超過檻值Kn；故障發生在正極，正極電流突變量為正值，對負極來說，相當于背側故障，負極突變量為負值。因此正極保護在10.8 ms時正確動作，負極保護可靠不動作。

圖9 線路末端經300Ω過渡電阻接地故障保護動作圖Fig.9 Result of relay protection operation when the end of line ground faultwith 300Ωresistance

事例3：正極與負極同時故障，且正極發生經300 Ω過渡電阻故障，負極金屬性接地故障。

圖10為事例3保護動作情況。由圖10可知，故障發生后，皆為區內故障，正極與負極高頻信號小波能量均超過檻值Kn；正極與負極電流突變量均為正向且超過檻值Iset。負極保護于2.5 ms時動作，正極保護于4.6 ms時動作，二者皆為正確動作。

圖10 正負極發生不同類型故障時保護動作圖Fig.10 Result of relay protection operation when the positive and negative occur different types of faults at the same time

4 結束語

利用直流輸電線路兩端的平波電抗器與直流濾波器組成的邊界元件對高頻信號的阻滯作用以及故障電流突變特性構成了高壓直流輸電線路單端電氣量暫態保護新方法。該方法原理簡單，故障特征明顯、不依賴通信、動作速度快、耐過渡電阻能力強。大量仿真結果表明：在各種工況下，該方法均能快速、靈敏、可靠判別區內外故障及選取故障極。利用該方法增加了單極運行的可能，提高了系統的穩定性，有一定的實用價值。