含邊界元件的MMC-MTDC直流側單端量故障辨識方法

付 華 陳浩軒 李秀菊 陳潤晶

含邊界元件的MMC-MTDC直流側單端量故障辨識方法

付 華1陳浩軒1李秀菊2陳潤晶3

（1. 遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院 葫蘆島 125105 2. 國網葫蘆島供電公司 葫蘆島 125100 3. 國網丹東供電公司 丹東 118000）

直流側故障辨識是基于模塊化多電平換流器（MMC）的多端直流輸電（MTDC）系統急需解決的重大科學問題。分析直流線路的邊界特性與極間耦合特性，提出一種基于單端暫態能量的故障辨識方法。通過區內、外故障的暫態特征以及方向元件，構建故障線路選擇判據；并利用母線相連線路的方向元件和交流側故障的暫態特性，構造母線故障識別判據；再根據兩極低頻電流差異，設計故障極判別判據。該方法能快速辨識直流側故障，無需兩端通信，能夠滿足MMC-MTDC系統對辨識方法速動性與選擇性的要求。最后結合張北四端柔性直流系統的PSCAD仿真模型，驗證了所提方法在不同的故障類型、故障位置和過渡電阻下均能準確檢測到故障，且具備一定的抗過渡電阻能力。

故障辨識 模塊化多電平換流器 多端直流輸電 暫態能量 方向元件

0 引言

隨著分布式可再生新能源發展規劃的推進，傳統交流輸電在新能源發電并網和功率輸送方面存在諸多瓶頸[1]。基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統的運行方式經濟、靈活且損耗小[2-3]，在多交流電網互聯、遠距離負荷供電和海上風電功率外送等方面優勢突出[4-5]，為解決我國能源資源和負荷需求的逆向分布問題提供了有效的技術手段[6]。多端柔性直流系統端數多且線路阻尼小，線路故障后，多個換流站故障出力的疊加使得過電流現象突出，在幾毫秒內就能危及整個電網安全[7]，尤其未來電網更趨向于架空線路輸電，系統更易發生短路、閃絡等瞬時性故障[8]。因此快速而有選擇地辨識直流側故障是目前急需解決的關鍵技術之一。

目前相關的故障辨識研究集中在基于電壓源換流器的兩端柔性直流系統[9]，對基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的多端柔性直流系統的研究時間較短，有以下幾種故障辨識方法。文獻[10-11]提出基于直流線路電壓變化率的辨識方法，原理簡單、易于實現，但對高電阻故障的靈敏性較差且難以清晰區分故障電氣量邊界。文獻[12]提取線路首末兩端高頻電壓分量構成故障辨識方法。文獻[13]利用小波變換提取故障電流的模極值極性來判斷故障，具有較好的耐噪聲能力和抗過渡電阻能力，但該類方法依賴兩端通信，故障辨識速度有所降低。文獻[14]利用電流的行波時間常數構成區內、外故障判據，具有很強的穩定性和一定的抗過渡電阻能力。文獻[15]利用單端暫態量計算得到的等效電抗實現故障的辨識，保護速動性好，可靠性高，但提出的算法較為復雜。文獻[16]根據直流電抗器的電壓壓降提出故障辨識方法。文獻[17]利用區內、外暫態電流能量的差異，實現故障辨識，但上述方法的方向元件判據的可靠性與速動性較差。文獻[18]利用小波變換和模糊C均值算法提取故障特征量，但未考慮過渡電阻的影響。鑒于以上原因，亟需研究一種能適用于基于模塊化多電平換流器的多端直流（Modular Multilevel Converter-Multi-Terminal DC, MMC-MTDC）輸電直流側的新型故障辨識方法。

本文首先分析MMC-MTDC直流線路故障時的邊界特性和極間電流耦合特性；并基于上述特性，提出故障線路選擇、母線故障識別以及故障極判別的故障辨識方法及判據；最后在PSCAD搭建張北四端柔性直流系統模型，通過大量的仿真分析，證明了辨識方法的可行性。

1 MMC-MTDC直流線路故障特性

1.1 區內、外故障邊界特性分析

由于MMC-MTDC直流線路“低阻尼”特點[19]，發生故障后，故障電流迅速上升，其穩態值能達到數千安培[20-21]。在直流線路兩端加裝限流電抗器能有效限制故障電流上升[22]，繼而提高電網故障穿越能力[23-24]，同時，該裝置也成為直流線路的唯一物理邊界。圖1為裝設限流電抗器的張北四端柔性直流電網正極示意圖，其中a、b、c、d、e、g、h、i為各線路的電氣量測點。

圖1 張北四端口柔性直流電網正極模型圖

圖2 故障f1直流線路等效電路

1.2 極間電流耦合特性分析

當兩極線路中的某極發生單極接地故障時，由于極間線路的耦合效應，健全極也將感應出故障行波，并產生較大的暫態故障分量。文獻[26]根據雙極直流線路的無損模型，給出了正極和負極電流耦合式，即

表1 輸電線路單位長度參數

Tab.1 Parameter of unit length of transmission line

圖3為仿真模型中的線路發生正極接地故障時，兩極電流的耦合情況。可以看出，兩極電流在低頻下的差異要大于高頻下的差異，與理論分析一致。

圖3 故障極與健全極電流頻譜

2 故障辨識方法及判據

通過第1節對區內、外故障邊界特性和極間線路耦合特性的分析，提出含有故障線路選擇、母線故障識別以及故障極判別的故障辨識方法。線路發生故障后，線路電流迅速增大，與正常運行電流有著顯著的區別。為確保判據能在故障發生瞬間啟動，采用電流變化率作為辨識方法啟動判據，表達式為

2.1 暫態能量的提取

為防止穩態工頻量的干擾，除選擇最低頻帶之外，將頻帶最低的重構信號依照式（4）求解出的低頻暫態能量作為判據。此外，為確保故障瞬間的高頻暫態量被充分利用，選擇最高頻帶的重構信號依照式（4）求解出的高頻暫態能量作為判據。

2.2 故障線路選擇

由1.1節可知，正向區外測點的高頻暫態電流分量低于區內測點的高頻暫態電流分量。結合2.1節暫態能量定義，提出排除正向區外故障的判據為

圖4 故障f3線路等效電路

圖5 故障f2線路等效電路

綜上所述，提出含方向元件的故障線路選擇判據，即

2.3 母線故障識別

母線或交流側故障時，與母線直接相連線路的方向元件均為反向。由于換流器內部元件對高頻電壓有較大的阻滯，所以在交流側故障時近母線測點的高頻電壓能量值要低于母線故障時的能量值。據此提出母線故障識別判據，即

2.4 故障極判別

由于兩極線路存在耦合，某極發生故障，另一極（健全極）也將感應出較大的高頻暫態電流能量，僅利用故障線路選擇判據將無法區分故障極。根據1.2節得出的結論，提出故障極判別判據。

3 仿真實驗

3.1 仿真系統參數

在 PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建如圖1所示的張北四端MMC型直流電網，換流站采用雙環矢量控制方式，其中豐寧站采用定直流電壓控制方式，其余換流站均采用定功率控制方式。為限制故障暫態電流，需要在線路配置限流電抗器，較大的電抗值能有效降低故障電流，但會使直流系統的動態特性惡化；較小的電抗值，易造成換流站閉鎖。同時，短線路的阻抗小，其故障回路的阻抗值小于長線路故障回路的阻抗值。為限制故障電流，短線路配置的限流電抗器電抗值應大于長線路的電抗值，且線路line1、2、3的長度差值不大，所以線路line1、2、3的限流電抗器的取值可保持一致。綜合考慮，線路line4首末兩端配置300mH的限流電抗器，其余線路配置200mH的限流電抗器。仿真系統主要參數見表2。

表2 仿真系統主要參數

Tab.2 Main parameters of the simulation system

采樣頻率過低時，提取的高頻量頻帶較低，使高頻能量判據的抗過渡電阻能力和可靠性有所下降，如方向判據的高頻電壓能量比值會隨著采樣頻率的降低而減小，從而降低了其可靠性。采樣頻率過高時，雖會增強高頻量判據的性能，但所提取的低頻量頻帶較高，使兩極低頻電流分量的差異過小，無法滿足故障極判別判據的要求。根據小波包變換原理可知，當采樣頻率過高時，可進行多層次變換來滿足低頻量判據的需求，但過多的變換層次將使判據動作速度過慢，所以變換層次不宜過多。綜合考慮工程實際等因素，結合小波包變換原理和香農采樣定理，確定仿真算例中的采樣頻率為20kHz，進行四層小波包變換，低頻量頻帶范圍為625~1 250Hz，高頻量頻帶范圍為9 375~10 000Hz。

考慮到故障產生的高頻量往往集中在故障瞬間且在時域上具有快速衰減的特點，為精確提取高頻暫態量，故障發生時刻的電氣量不能忽略。據此，數據分析窗選取故障辨識判據啟動前0.05ms（每個采樣點相隔0.05ms）至啟動后的0.95ms（共1ms）。

3.2 辨識方法判據閾值的選取

表3 各線路正向測點的高頻暫態電流能量

Tab.3 High-frequency transient current energy at the forward measuring points of each line

表4 不同位置故障下的高頻暫態電壓能量

Tab.4 High-frequency transient voltage energy under different position faults

綜上，各保護判據閾值選取的結果見表5。

表5 各保護整定的判據閾值

Tab.5 Criterion thresholds for each protection setting

3.3 區內故障仿真

針對線路line2的BF2-1動作情況進行考察，分別設置區內單極、雙極故障。

3.3.1 單極接地故障

3.3.2 雙極短路故障

3.4 區外故障仿真

針對線路line2的BF2-1動作情況進行考察，分別設置直流母線故障、區外線路故障以及交流故障。

3.4.1 直流母線故障

圖8 故障f6判據動作情況

3.4.2 區外線路故障

圖9 故障f7、f8判據動作情況

3.4.3 交流系統故障

3.5 辨識方法性能分析

不同的故障類型、故障位置以及過渡電阻均存在對辨識方法性能的影響。針對BF2-1，表6和表7給出了線路line2和母線Bus2在不同故障場景下判據的動作情況。

表6 直流線路不同場景下判據動作情況

Tab.6 Criterion actions in different scenarios of DC line

表7 直流母線不同場景下判據動作情況

由表7可知，在不同的故障類型和過渡電阻下，母線故障判據依然能夠正確識別母線故障且具有較強抗過渡電阻能力。

4 結論

針對MMC-MTDC直流側的線路和母線，提出故障線路選擇、母線故障識別和故障極判別等判據，并結合PSCAD/EMTDC平臺對張北四端柔性直流模型進行仿真驗證，結論如下：

1）僅利用單端電氣量提出故障辨識方法，無需雙端數據通信，就能實現故障的辨識。

3）分析了故障類型、故障位置和過渡電阻對故障辨識方法性能的影響。結果表明，所提方法具備較高的可靠性和一定的抗過渡電阻能力。

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MMC-MTDC DC Side Single-Ended Quantity Fault Identification Method with Boundary Elements

Fu Hua1Chen Haoxuan1Li Xiuju2Chen Runjing3

（1. Faculty of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China 2. State Grid Huludao Power Supply Company Huludao 125100 China 3. State Grid Dandong Power Supply Company Dandong 118000 China）

DC-side fault identification is the major scientific issue that needs to be solved urgently for multi-terminal DC transmission (MTDC) system based on modular multilevel converter(MMC). This paper proposed a fault identification method based on the single-ended transient energy by analyzing the boundary characteristic and inter-pole coupling characteristic of the DC line.The fault line selection criterion was constructed by the transient characteristic of the internal fault and external fault and the directional element. And the bus fault identification criterion was achieved by the directional element of the bus-connected lines and the transient characteristic of AC-side fault.Then, the fault pole discrimination criterion was designed by the low-frequency current difference between two poles. The proposed method could quickly identify the DC-side fault without communication, which could satisfy the speed and selectivity requirement of the MMC-MTDC system. At last, the Zhangbei four-port flexible DC system is built in PSCAD and the accuracy of the proposed method is verified by simulation results of different fault type, fault location and transition resistance, as well as proving that the method has certain ability resisting transition resistance.

Fault identification, modular multilevel converter, multi-terminal direct current transmission, transient energy, directional element

TM721

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191704

國家自然科學基金（51974151, 71771111）和遼寧省重點實驗室基金（LJZS003）資助項目。

2019-12-06

2020-03-12

付 華 女，1962年生，博士，教授，研究方向為電力系統故障辨識。E-mail：fxfuhua@163.com

陳浩軒 男，1995年生，碩士研究生，研究方向為電力系統故障辨識。E-mail：307498701@qq.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）