適用于混合雙極直流系統的單端電氣量保護方法

高淑萍,宋曉辰,葉換飛,宋國兵

(1.西安科技大學電氣與控制學院,710054,西安;2.國網陜西省電力公司榆林供電公司,719000,陜西榆林;3.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安)

相對于交流輸電,高壓直流輸電的優點是輸電損耗小、傳輸容量大[1-3],但缺點是受端易換相失敗。模塊化多電平換流器高壓直流輸電(MMC-HVDC)系統能獨立控制有功與無功,不存在換相失敗的問題,且能對故障電網提供無功支撐[4-5]。結合二者的優點,混合高壓直流輸電系統是目前的研究熱點。根據拓撲結構的不同,混合高壓直流輸電系統可分為:混合雙端直流輸電系統[6-7]、混合多端直流輸電系統[8-11]、混合多饋入直流輸電系統[12]、混合雙極直流輸電系統[13-14]等。本文主要對第4種系統進行研究,該系統利用電壓源換流器(VSC)可對有功和無功快速控制的優點,改善系統的輸電性能,逆變側利用VSC的優點來減小電網換相換流器(LCC)換相失敗的概率。該結構尤其適用于具有季節性電能雙向流動需求的電網互聯工程。

直流輸電系統輸電線路較長,易受沿線架設環境的影響,故障率較高。故障發生后,需要在數毫秒內準確判別故障的存在,使得保護可靠動作。因此,研究直流線路快速保護非常有意義[6-8]。

目前,混合直流輸電系統的研究集中在對系統模型的構建、控制方式等方面,而對其線路保護的研究卻幾乎沒有,因此本文在傳統高壓直流和柔性直流線路保護方法的基礎上,尋求適合于混合雙極直流輸電系統的線路保護方法。在傳統高壓直流和柔性直流的線路保護方面:文獻[9]提出利用暫態諧波的幅值來進行故障識別;文獻[10]提出利用在分布參數模型的基礎上,通過兩端所測量的電流數據計算區內某點處的兩側電流和,構造出電流差動保護;文獻[11]提出利用小波變換,提取區內外暫態特征值的差異,從而判別故障;文獻[12]通過添加平波電抗器作為保護邊界,從而提出邊界保護原理;文獻[13]利用平波電抗器抑制突變的原理,通過比較行波波頭的陡度構造保護;文獻[14]利用行波在保護邊界的折反射構造保護,但是該保護對采樣率要求高,可靠性不高;文獻[15]利用平波電抗器對高頻信號衰減的特性,比較高頻信號的幅值,進行保護;文獻[16]通過對行波電流波頭極性的檢測,判斷區內外故障,進行線路保護;文獻[17]通過平波電抗器、直流濾波器等構成邊界,使信號暫態高頻量產生衰減作用,從而構造保護判據,最后搭建模型進行仿真驗證;文獻[18]提出基于小波多頻帶能量的暫態保護。單端量保護不需要進行信息交互,可以快速識別故障。暫態能量比值的線路保護方法利用線路特征信號的高低頻能量比值,具有較明顯的特征。因此,本文將重點研究暫態能量之比的單端電氣量保護方法對混合雙極直流輸電系統的適應性。

本文搭建了±500 kV混合雙極直流輸電系統模型,并設置了不同故障類型。根據直流線路區內外故障時的電壓特征信號高低頻能量不同,利用低頻能量與部分高頻能量和的比值構造保護判據,實現故障甄別。仿真結果表明,所提方法的數據采集時間窗長度為3 ms,具有較強耐過渡電阻的能力,適用于混合雙極直流輸電系統。

1 混合雙極直流輸電系統結構及控制策略

1.1 混合雙極直流輸電系統的結構

本文搭建了±500 kV混合雙極直流輸電系統,其結構及故障位置如圖1所示。正極采用LCC-HVDC,換流單元由1組12脈沖換流器組成;負極采用MMC-HVDC,每相由100個半橋子模塊級聯而成。

在圖1中:線路兩端分別用M、N表示,區內線路保護安裝點分別用a、c表示,整流側正極及負極出口的分壓器和分流器安裝位置分別用p、q表示;L代表平波電抗器;Z代表交流測等值阻抗;f1代表整流側正極區外故障,f2代表靠近整流側10%距離的區內故障,f3代表靠近整流站90%距離的區內故障,f4代表逆變側正極區外故障,f5、f6、f7、f8代表與正極對應的負極故障,f9代表區內雙極故障。

圖1 系統結構及故障

1.2 混合雙極直流輸電系統的控制策略

對于正極LCC-HVDC,整流側為定直流電流控制,附加觸發角控制、低壓限流控制。逆變側為定直流電流控制和定關斷角控制,附加低壓限流部分,見圖2。圖中:Iref1為整流側基準電流,Iref2為逆變側基準電流;Idr為整流側反饋電流,Idi為逆變側反饋電流;α為觸發滯后角,β為觸發越前角,γ為關斷角,γref為給定關斷角。

圖2 LCC控制框圖

對于負極MMC-HVDC,控制方式為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制通過控制VSC換流器交流側的相位和幅值,對整個系統的功率進行調控,其整個控制結構比較簡單,但是受系統參數影響大。本文采用的是直接電流控制,分為外環電壓控制和內環電流控制,解耦后再觸發脈沖生成電路,產生脈沖控制信號[19-21],見圖3。圖中:ia、ib、ic為三相交流電流,uac為交流側ac相電壓,udc為直流側電壓;uabc為交流側abc三相的相電壓;iq為q軸交流電流,id為d軸直流電流,Uq1為q軸交流電壓,Ud1為d軸直流電壓。盡管正極采用的是LCC-HVDC,逆變側存在換相失敗的問題,但是負極MMC-HVDC的控制方式可以減小正極換相失敗的概率。

圖3 MMC控制框圖

2 直流線路的故障特征

當直流側發生的故障時,主要會發生單極接地故障和雙極短路故障。若發生了單極接地故障,系統往往可以繼續保持單極運行,或者降壓運行,以此保證有功功率的傳輸。影響故障特征的因素包括兩個方面:第一個方面是受擾后電網絡中的儲能及其重新分配過程,即電磁暫態過程,該過程與網架結構有關,網架結構中的輸電線路并無差異,故模型相同;第二方面的特征為電源對擾動的響應過程,該過程是一個動態過程,穩態特性取決于電源的靜特性,動態過程取決于電源出口測點的電氣量以及電源控制器對其響應所做的調節過程,該工程MMC和LCC明顯不同。需要說明的是,由于MMC和LCC對擾動的響應速度比過去的交流電網中的同步電機電源更快,因此導致了兩個過程的混疊,即變流器對擾動的響應與網架的電磁暫態過程有重合。本文選取的特征信號為電壓信號,故障發生時刻為1 s,持續時長為0.1 s。當發生各種故障時,在保護測量點處測量得到的故障波形圖如圖4所示。

(a)正常運行電壓波形

從圖4可以看出,正極故障和負極故障的電壓波形迥然不同,且極間故障的特征也有別于單一輸電方式的雙極故障特征。造成差異的起始部分是網架結構(線路、濾波器、模塊電容、電感等)及參數決定的電磁暫態過程,故障特征的差異是由MMC和LCC換流器帶來的。故障起始過程有差別,這是因為雖然線路一樣,但換流器拓撲不一樣,所以故障初瞬不一樣;故障調節過程有差別,是換流器的控制策略帶來的動特性不同。由此可見,正負極采用的輸電方式、控制策略影響了直流線路的故障特征。由于單極故障特征存在差異,導致了非故障極所感應的電壓與電流也與傳統單一直流輸電方式存在差異。因此,有必要研究暫態能量之比的方法是否仍然適用于混合雙極直流輸電系統,即不僅需要研究這種故障特征差異下,故障極能否正確動作,還需要研究非故障極能否可靠不動作。

3 保護原理及算法

3.1 邊界保護的原理

本文搭建的高壓混合雙極直流輸電模型采用平波電抗器作為保護的邊界,平波電抗器的作用是抑制故障發生時故障分量的變化,防止換相失敗,減少諧波。直流電抗器的電感選取越大,對高頻分量的抑制效果就越好,但若過大,容易在運行時產生過電壓,系統控制性能變差,因此本文選取L=0.01 H。阻抗的計算公式為

Z=jωL

(1)

式中:ω為角頻率;L為電感。由此可知,當L一定時,Z隨著ω的增大而增大,因此直流電抗器對高頻的抑制效果明顯。

3.1.1 區內故障 若線路發生區內故障,以區內正極故障f2為例,故障附加網絡圖如圖5所示。當線路發生區內故障時,行波從故障點流經線路兩側,遇到障礙物會發生折射和反射,最終經地形成回路[22]。

圖5 區內故障附加網絡圖

圖5中:ZL為線路平波電抗器等效阻抗;ZRe、ZIn分別為換流器等效阻抗的實部和虛部;Uf為故障時故障附加網絡電壓源。uf為故障發生時產生的行波,其由故障點流經線路兩側分為u1f和u2f,在遇到平波電抗器時,行波在線路上發生了折射和反射,分為u1f′、u1b和u2f′、u2b。當發生區內故障,行波在傳播過程中遇到平波電抗器,會發生能量衰減,即

Ea>Ep

(2)

式中Ea與Ep分別表示a與p處行波電壓的高頻暫態能量。同理,在負極整流側處可得

Eb>Eq

(3)

當發生區內故障時,故障信息中包含豐富的高頻和低頻信息,行波流經保護安裝處a、c,然后流經邊界元件的平波電抗器。平波電抗器對于高頻具有抑制阻礙作用,經過后的故障電流包含的低頻信息居多,高頻能量衰減,而測量點a得到的信息是原始的高低頻信息。由此可見,區內故障時保護測量處得到的高頻分量多。其他的區內故障與之類似,不再贅述。

3.1.2 整流側直流線路區外故障 整流側區外故障行波圖如圖6所示。

圖6 整流側直流出口處區外故障行波圖

由圖6可知,行波在線路傳播時,流經p處到達平波電抗器,發生折射與反射。由此可見,發生區外故障時,行波經p點過平波電抗器發生能量衰減,到達區內a點時,a與p處行波暫態能量的關系為

Ea

(4)

同理,在負極整流側處可得

Eb

(5)

當發生區外故障時,行波先流經p處,之后經過平波電抗器,其后到達保護安裝處。由此可見,在保護安裝處測量得到的高頻信息較少。其他的區外故障與之類似,可得到相同的結論,故不再贅述。

3.2 小波包變換算法

本文利用邊界元件處高低頻暫態能量進行故障判別,需要對信號的高頻成分進行分解。小波變換只會對信號的低頻成分進行分解,而小波包分解彌補了這一缺陷,是對信號的近似系數與細節系數都進行分解。

(6)

(7)

式中S為最大分解層數。

采用卷積定理,將式(7)轉換到頻域

(8)

在小波包的定義式中,有

(9)

式中h(k)與g(k)為小波濾波器組。

在式(9)中,令t=2-jx,然后兩端分別做傅立葉變換,得到

(10)

(11)

考慮到H(ω)的定義,并結合式(8)(11)可得

轉換到時域,得到

(12)

(13)

利用小波包變換,得到不同頻段下的小波包系數,由此得到小波包能量

(14)

式中:xj,k表示小波包系數,j=0,1,2,…,2i-1,k=1,2,…,N;N表示離散采樣點數;Ei,j表示故障信號通過小波包分解得到的第i層第(i,j)個節點的能量。

3.3 小波包變換參數

本文采用100 μs的采樣周期,即10 kHz的采樣頻率。在實際的工程中,采樣頻率達到2 kHz以上就可以提取有用的故障信息。小波包分解的層數為3,各節點是按照頻率從高到低分布,共分解為8個節點。通過奈奎斯特采樣定律可知,采樣信號最高頻率是5 kHz,將其分解為8個頻段,各節點的頻率段分布如表1所示。

表1 小波包分解第3層各節點對應的頻率段

4 基于能量分布的單端電氣量保護

本文利用混合雙極直流輸電線路兩側固有的平波電抗器,構造了一種基于邊界元件暫態能量之比的單端電氣量保護方案。通過對保護安裝處提取的電壓特征信號進行小波包變換,獲得各節點的小波包分解系數,利用式(14)得到各頻段暫態能量。由于電感通低頻阻高頻的特性,所以利用低頻能量與部分高頻能量和的比值構造出保護判據,識別區內外故障進行故障選極。

4.1 保護啟動

根據故障后的電壓變化量幅值構造出啟動判據

|ΔU|>0.1Un

(15)

式中:ΔU是正負極的電壓變化量;Un是電壓額定值。如果保護安裝處測量的數據滿足式(15),則保護啟動;如果不滿足,則保護不啟動。

4.2 故障判據

通過3.1小節分析可得,保護測量點得到的電壓高頻能量大,區外故障時測量點得到的電壓高頻能量較小,導致高低頻能量的比值不同。由此,構造保護判據

(16)

式中:Ka、Kb分別表示正極、負極的高低頻能量之比;ELa表示在正極保護安裝處a測量得到的電壓信號經小波包3層變換后的第2個節點能量;EΣHa表示在正極保護安裝處a測量得到的數據經小波包3層變換得到的第3層后6節點能量之和;Kset為保護設定的門檻值。

選取區內故障的保護整定值時,保證其可以避開所有的區外故障即可。由大量仿真數據可知,發生區內外故障時,能量比存在明顯的分界。因此,在一定的裕值下,選取Kset=3。

最終,保護的判據設置如下:

區內正極故障,Ka<3 &Kb>3;

區內負極故障,Ka>3 &Kb<3;

區內雙極故障,Ka<3 &Kb<3;

區外故障,Ka>3 &Kb>3。

4.3 保護流程

保護算法流程如圖7所示,先判斷是否發生故障,保護是否啟動,若是,則對測量得到的數據進行小波包變換,求取各節點能量,求取高低頻能量比,從而判別區內外故障以及進行故障選極。

圖7 保護算法流程

此外,雷擊的數據采集時間窗長度是微秒級,而本文方法的數據采集時間窗長度是毫秒級。理論上,本文方法受雷擊影響小,未來會專門研究雷擊影響問題。

5 仿真驗證與分析

本文選擇的電纜長度是200 km,電壓等級是±500 kV,故障發生時刻是3 s,持續時間是0.1 s,數據窗長度是3 ms,采樣周期是100 μs。

5.1 區內故障

當線路發生區內故障時,在不同接地故障和過渡電阻下,正極的高低頻能量比Ka與負極的高低頻能量比Kb如表2所示。

表2 區內故障時的Ka和Kb

圖8是區內正極故障時不同過渡電阻下的Ka、Kb。可以看出,保護安裝處a測量得到的Ka均小于3,保護安裝處b測量得到的Kb均大于3。區內正極故障保護判據的有效性得到了驗證。

圖8 區內正極故障時不同過渡電阻下的Ka和Kb

圖9是區內負極故障時不同過渡電阻下的Ka、Kb。可以看出,保護安裝處a測量得到的Ka均大于3,保護安裝處b測量得到的Kb均小于3。區內負極故障保護判據的有效性得到了驗證。

圖9 區內負極故障時不同過渡電阻下的Ka和Kb

圖10是雙極故障(f9)時不同過渡電阻的Ka、Kb。可以看出,在保護安裝處a測量得到的Ka均小于3,在保護安裝處b測量得到的Kb均小于3。區內雙極故障保護判據的有效性得到了驗證。

圖10 雙極故障時不同過渡電阻的Ka和Kb

5.2 區外故障

保護判據的整定是按躲過最嚴重的區外故障來進行的,區外金屬性接地與區內高阻接地故障最接近,因此若保護能成功避開區外金屬性接地故障,即可保證可以躲過其他區外故障。當發生區外故障時,過渡電阻取0.01 Ω,發生f1、f4、f5、f8時的Ka為5.31、10.94、13.89、17.06,Kb為4.76、9.86、5.15、9.30。可以看出,在保護安裝處a測量得到的Ka均大于3,在保護安裝處b測量得到的Kb均大于3。區外故障保護判據的有效性得到了驗證。

5.3 故障選極

對于線路而言,一極故障,則另外一極也將受到影響。當發生單極故障時,故障極線路保護啟動,保護元件動作,故障極被隔離,系統實現單極運行。當線路發生雙極故障時,保護動作,系統無法繼續工作。因此,區內故障最嚴重的就是雙極故障。通過PSCAD搭建混合雙極直流輸電模型,對保護判據進行驗證,結合5.1、5.2小節,可得仿真驗證結果,如表3所示。

表3 仿真驗證結果

6 結 論

本文利用混合雙極直流輸電系統特有的邊界結構,構造了一種基于信號暫態高低頻能量比的直流線路故障判別方法。通過PSCAD/EMTDC仿真平臺搭建混合雙極高壓直流輸電系統,模擬不同工況下的故障情形,提取電壓特征信號,進行小波包變換,得到各節點的暫態能量。利用特定低頻能量與部分高頻能量和的比值構造出保護判據,從而識別區內外故障以及進行故障選極。實驗結果顯示:

(1)在不同的工況下,甚至在區內故障短路接地電阻為1 000 Ω時,本文方法仍可以準確識別故障,滿足保護的可靠性;

(2)數據窗長度只有3 ms,滿足繼電保護的速動性;

(3)本文方法保護的是直流線路全長,滿足保護的靈敏性;

(4)本文方法可以快速識別故障,并自動進行故障選極,滿足了保護的選擇性。

本文方法具有較強的耐過渡電阻能力,保護的可靠性、速動性、靈敏性和選擇性都得到了滿足,且具有較高的精度,可以準確識別故障。