一種混合雙極直流輸電線路保護新原理

高淑萍，朱航艦，張保會，宋國兵

(1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.國網(wǎng)銅川供電公司，陜西 銅川 727031；3.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

中國直流輸電(line commutated converter high voltage direct current，LCC-HVDC)發(fā)展較早[1]，其在很多方面優(yōu)于交流輸電[2-3]。而電壓源換流器型高壓直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)在某些方面又優(yōu)于直流輸電[4-8]。為綜合利用兩者的優(yōu)點，對混合直流輸電系統(tǒng)(Hybrid-HVDC)的研究慢慢增多[9-10]。如Skagerrak 4 HVDC Light工程，使得以水電為主的挪威和風電、火電為主的丹麥兩國的電網(wǎng)都可以接入更多的可再生能源，提高用電效率，具有很好的發(fā)展前景[11-14]。

孫天甲首先對HVDC系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因進行了分析，提出相應的保護方案[15]。潘偉明提出一種利用電流電壓信號的極性差別來識別故障的單端保護方法[16]。董鑫將故障測距與行波保護方案相結合，提出一種新的保護方案[17]。孫飛等首先引入相關系數(shù)概念，進而求出故障后的電壓信號的相關系數(shù)，從而對故障位置進行判斷[18]。齊國強等使用希爾伯特黃算法，提取信號的相位信息，對故障進行區(qū)分[19]。蔣靈通等分析VSC-HVDC直流線路故障時電流信號波頭的故障特性，進一步得出兩端保護方法[20]。高本鋒等以基于行波幅值的高壓直流輸電線路保護方案為對象，研究故障位置、過渡電阻等影響行波特性的幾種因素對保護方案的影響，并提出行波保護整定流程[21]。李小鵬等介紹一種利用S變換提取電壓、電流行波并計算兩段的波阻抗的縱聯(lián)保護方法[22]。薛士敏等以Marti線路模型為研究對象，綜合利用線路行波保護和縱差保護，形成一種新的MMC-HVDC保護方法[23]。周家培等通過研究直流電抗器電壓大小和方向的差異，利用差異特征構成的柔性直流電網(wǎng)邊界保護方案[24]。由文獻[15-24]可以看出，目前針對混合直流輸電線路的保護研究還比較少。基于此，文中針對電壓不對稱的混合雙極直流輸電的線路保護進行研究。

1 電壓不對稱的混合雙極直流輸電系統(tǒng)結構及故障特征分析

1.1 電壓不對稱的混合雙極直流輸電系統(tǒng)

圖1是電壓不對稱的混合雙極直流輸電系統(tǒng)結構，該系統(tǒng)正極采用LCC換流器，電壓等級是+500 kV；負極采用VSC換流器，電壓等級是-200 kV。其正極整流側采用定直流電流控制，逆變側采用定關斷角控制；負極整流側采用定直流電壓和定交流電壓控制，逆變側采用定直流電流和定交流電壓控制，通過兩端共同采用定交流電壓控制，發(fā)揮VSC-HVDC對交流母線電壓的調節(jié)能力來減少正極LCC-HVDC的換相失敗，使得系統(tǒng)具有更快速的故障自清除能力，提高整個系統(tǒng)的運行特性[25]。

圖1 電壓不對稱的混合雙極直流輸電系統(tǒng)

1.2 電壓不對稱的混合雙極直流輸電系統(tǒng)的故障特性分析

對圖1所示的直流輸電系統(tǒng)設置故障，f1、f2分別是正、負極區(qū)內接地故障；f3、f4分別是正極整流側、逆變側區(qū)外接地故障；f5、f6分別是雙極接地、雙極短路故障。

根據(jù)疊加定理可知，輸電系統(tǒng)在正極線路上發(fā)生短路接地故障，即f1，相當于在正常的網(wǎng)絡上增加一個負電源，其網(wǎng)絡故障附加狀態(tài)如圖2(a)所示。圖2是該系統(tǒng)發(fā)生上述6種故障時的故障附加狀態(tài)。

規(guī)定電流正方向為母線指向線路。圖2中：ipr，upr和ipi，upi分別為正極整流側和逆變側的電流、電壓；inr，unr和ini，uni分別為負極整流側和逆變側的電流、電壓。

根據(jù)上述故障附加狀態(tài)圖，以區(qū)內故障f1，可得整流側和逆變側暫態(tài)電壓、電流見式(1)和(2)。

(1)

(2)

夾角余弦值輸入的2個值符號相反時，夾角會很大，則呈負相關，用-1表示；反之，符號相同時，則呈正相關，用1表示。即區(qū)內故障f1的整流側暫態(tài)電壓和電流的夾角余弦值為-1，逆變側暫態(tài)電壓與電流的夾角余弦值為-1[26]。其余5種故障類型的整流側與逆變側暫態(tài)電壓與電流的夾角余弦值也可同理求得。不同故障類型的暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流夾角的余弦值判別結果見表1。

表1 不同故障時的故障區(qū)域的判別

因此，根據(jù)區(qū)內、外故障時，整流側和逆變側暫態(tài)電壓和電流夾角余弦值的不同，可以實現(xiàn)區(qū)內、外故障的判別。

1.3 故障選極

由于故障極上暫態(tài)電壓、電流的變化量遠遠大于正常極上的暫態(tài)電壓、電流，正極能量E1與負極能量E2的求解見式(3)和(4)。

(3)

(4)

2 保護方法

2.1 利用小波變換提取暫態(tài)分量

小波變換因既可對信號進行多尺度細化，分析信號的任意細節(jié)，又在時域和頻域都具有良好的局部特征能力，而被廣泛應用。

因此，文中利用小波變換對正、負極暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流進行六尺度分解。

2.2 保護方法的實現(xiàn)步驟

圖3是電壓不對稱的混合雙極直流輸電線路保護流程。

圖3 保護方法實現(xiàn)流程

3 仿真驗證

利用PSCAD軟件，建立如圖1所示的電壓不對稱的混合雙極直流輸電系統(tǒng)，仿真時，故障發(fā)生時刻為1.5 s，持續(xù)時間0.02 s，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 kHz，故障位置為f1～f6，其采樣點的個數(shù)為500。

3.1 區(qū)內故障仿真結果

圖4是故障位置f1處仿真結果。

圖4 f1仿真結果

綜上可得，upr和ipr極性相反其余弦值為-1，upi和ipi極性相反其余弦值為-1，與表1所得判別結果相符，所以其整流側與逆變側的余弦值相同(均為-1)，判斷故障地點在區(qū)內；k1=216，kset=100，k1>kset，故判斷為正極區(qū)內故障。

圖5是故障位置f2處的仿真結果。

圖5 f2仿真結果

綜上可得，其整流側與逆變側的余弦值相同(均為-1)，判斷故障地點在區(qū)內；k2=489，kset=100，k2>kset，故判斷為負極區(qū)內故障。

圖6是故障位置f5處的仿真結果。

圖6 f5仿真結果

同理可得，其正極整流側與逆變側的余弦值相同(均為-1)，負極整流側與逆變側的余弦值相同(均為-1)，所以判斷故障地點在區(qū)內判斷故障地點在區(qū)內；E1=3×55，E2=9×104，Eset1=Eset2=100，E1>Eset1，E2>Eset2，故判斷為雙極故障。

圖7是故障位置f6處的仿真結果。

圖7 f6仿真結果

同理可得，其正極整流側與逆變側的余弦值相同(均為-1)，負極整流側與逆變側的余弦值相同(均為-1)，所以判斷故障地點在區(qū)內；E1=4.5×105，E2=1.1×105，Eset1=Eset2=100，E1>Eset1，E2>Eset2，故判斷為雙極故障。

3.2 區(qū)外故障仿真結果

圖8是故障位置f3處的仿真結果。

圖8 f3仿真結果

綜上可得，其整流側與逆變側的余弦值不同(一側為1，另一側為-1)，故判斷為區(qū)外故障。

圖9是故障位置f4處的仿真結果。

圖9 f4仿真結果

綜上可得，其整流側與逆變側的余弦值不同(一側為-1，另一側為1)，故判斷為區(qū)外故障。

3.3 經(jīng)過渡電阻時仿真結果

考慮到過渡電阻會使得暫態(tài)分量變得很小而難以檢測或者區(qū)分開來，文中對經(jīng)故障電阻情況進行仿真。故障f1～f6在過渡電阻下的仿真結果見表2。

由表2可得，在過渡電阻為350 Ω時都可以準確地區(qū)分故障。

表2 經(jīng)過渡電阻的仿真結果

4 結 論

1)根據(jù)對PSCAD搭建的電壓不對稱的混合雙極直流輸電模型的故障特性的分析，得出區(qū)內故障時，整流側和逆變側暫態(tài)電壓及電流的夾角余弦值都為-1；區(qū)外故障時，整流側和逆變側暫態(tài)電壓及電流的夾角余弦值為-1和1。

2)發(fā)生區(qū)內故障時，故障極的暫態(tài)電壓和電流積的能量大于非故障極。

3)根據(jù)大量數(shù)據(jù)仿真驗證，結果表明，所提保護方法可以準確識別區(qū)內與區(qū)外故障，發(fā)生區(qū)內故障時，能夠啟動保護和正確選極；同時文中所提保護方法在不同過渡電阻、不同故障類型下都能適用。