考慮信號展寬的西門子行波保護適應性分析

戴文睿，李小鵬，林 圣

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；3.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

高壓直流輸電因其在遠距離、大容量跨區輸電中的優勢而在中國迅猛發展[1-2]。然而，在現有高壓直流輸電系統故障中輸電線路故障占比較高；且據統計，目前輸電線路保護的正確動作率僅有50%，其余故障由直流控制系統響應動作。這會引起不必要的系統停運，造成巨大的設備損耗和經濟損失[3]。

現有高壓直流線路保護體系由行波保護、微分欠壓保護和縱差動保護等組成。行波保護是線路保護的主保護，其主要任務是快速切除嚴重的區內故障，如金屬性接地故障[4-5]。微分欠壓保護和縱差動保護作為行波保護的后備保護，主要任務是切除主保護未能切除的高阻故障。行波保護作為高壓直流輸電線路故障的第一道防線，其重要性不言而喻。因此，對現有工程中采用的輸電線路保護方案的適應性進行分析，進而為改進現有保護方案提供依據，顯得尤為迫切。

為分析和提高行波保護的適應性，國內外專家學者進行了大量研究[6-9]。文獻[6]對西門子公司和ABB公司的行波保護性能進行了分析和對比，研究了兩種保護方案在不同的過渡電阻、故障距離等情況下的保護效果。文獻[7-8]從現階段行波保護缺乏成熟整定原則而存在誤整定等問題出發，提出了高壓直流輸電線路行波保護的整定原則。文獻[9]分析了不同采樣頻率對直流線路行波保護判據的影響，并給出了行波保護采樣頻率選取的建議。以上研究對行波保護適應性進行了分析，并從不同角度提高了其適應性，但未充分考慮實際保護方案中的信號展寬環節對保護適應性的影響。

基于實際工程所采用的行波保護邏輯，搭建了考慮信號展寬的西門子行波保護模型。在此基礎上分析不同類型的區內外接地故障下西門子行波保護的適應性，并對適應性不足的原因進行了分析。分析結果表明，信號展寬一定程度上提高了西門子行波保護的可靠性，但保護判據中的電壓變化量判據較大地影響了其對于區內高阻故障和區外低阻故障的選擇性。

1 西門子行波保護配置方案

1.1 直流輸電系統整流側結構

現有高壓直流輸電系統整流側結構如圖1所示。

圖1 直流輸電系統整流側結構

由圖1可知，在輸電線路的邊界兩側分別安裝有分流器1和分流器2，濾波器的線路側安裝有分壓器。

1.2 考慮展寬的西門子公司行波保護配置方案

現有高壓直流輸電工程中，線路行波保護主要采用西門子公司和ABB公司的保護方案[10]。西門子公司和ABB公司的行波保護原理較有代表性，國內廠家的行波保護原理大多與之類似。下面主要以西門子公司的保護方案作為研究對象。

西門子公司的行波保護方案利用分壓器1測得的電壓變化量Δud和電壓變化率dud/dt以及分流器2測得的直流電流變化量Δid作為主要判據，對線路故障后產生的劇烈電壓和電流的波動進行快速檢測。其具體的動作判據如式(1)所示。

(1)

式中，下標set表示該判據下對應電氣量的閾值。

在保護裝置的實際配置中，保護的動作并不需要以上3個判據同時滿足，而是通過信號展寬、延時等環節來提高保護動作的可靠性。西門子公司行波保護的實際保護邏輯如圖2所示。圖2中：MAX為取數據窗內數據的最大值；NCM為比較器，將輸入值與判據閾值進行比較，若輸入值大于判據閾值則輸出1，反之輸出0；AND為與邏輯，兩個輸入均為1則輸出1，否則輸出0；PDF為保持器，當輸入從1變為0時，輸出仍然為1并保持設置時間后變為0；MOF為單穩觸發器，當輸入值出現一個上升沿時，輸出寬度為設置時間的高電平信號。某實際工程中，電壓變化量判據閾值為0.3 pu，電壓變化率判據閾值為0.14 pu/ms，電流變化量判據閾值為0.5 pu，pu為額定運行數值。

圖2 西門子行波保護邏輯

由圖2可知，在實際保護裝置中，將分壓器1采集到的直流電壓ud與兩個工頻信號周期前的直流電壓做差，得到直流電壓變化量Δud。將分壓器1采集到的直流電壓與0.15 ms前的直流電壓進行差分求導，得到直流電壓變化率dud/dt。當直流電壓變化率滿足保護判據，該判據出口信號會被展寬6 ms。在展寬期間，電壓變化率判據也滿足，則行波保護中的電壓信號出口，并展寬12 ms。在電壓信號展寬期間，電流判據滿足，則行波保護信號出口，判斷直流線路發生接地故障，進行直流線路故障恢復順序。

2 西門子行波保護適應性仿真分析

為分析現有工程中高壓直流輸電線路行波保護的適應性，根據某一實際工程搭建±800 kV直流輸電系統PSCAD仿真模型，額定電流為5 kA，線路全長1500 km。

在軟件中實現考慮信號展寬的西門子行波保護，對以下典型故障情況下的保護動作情況進行仿真分析。

1)設定0.6 s時，正極線路上距整流側500 km處發生過渡電阻為125 Ω的接地故障。故障發生45 ms內，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結果如圖3所示(圖中點劃線為展寬后信號，后同)。

圖3 線路區內故障仿真(過渡電阻125 Ω)

由圖3可知，在發生過渡電阻為125 Ω的區內接地故障后45 ms內，若不考慮各個判據滿足后信號的展寬，在故障后15 ms時，電壓變化率判據與電流變化量判據滿足，但電壓變化量判據不滿足，保護在此時拒動。而當電壓變化量判據在31.65 ms滿足時，電壓變化量判據與電流變化量判據在此時又無法滿足，導致行波保護判據無法同時滿足，保護拒動。在考慮各個判據滿足后的信號展寬后，在故障后15 ms時，電壓變化率判據和電流變化量判據均滿足，兩個環節的輸出均變為1。且在這兩個判據不滿足后，兩個環節的輸出仍分別保持6 ms的高電平輸出。在電壓變化率判據和電流變化量判據保持輸出1的6 ms內，電壓變化量判據得到滿足，行波保護判據得到滿足，保護準確動作。信號展寬實際上提高了保護動作的可靠性。

2)設定0.6 s時，正極線路上距整流側500 km處發生過渡電阻為175 Ω的接地故障。故障發生45 ms內，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結果如圖4所示。

圖4 線路區內故障仿真(過渡電阻175 Ω)

由圖4可知，在發生過渡電阻為175 Ω的區內接地故障后45 ms內，電壓變化率判據和電流變化量判據均得到滿足，而電壓變化量判據不滿足，導致行波保護無法啟動，保護拒動。在45 ms后，即使行波保護動作，也失去了其作為主保護應有的速動性。實際上，在45 ms后，由于故障初期得到滿足的電壓變化率判據和電流變化量判據均不滿足，使得行波保護依然拒動。

3)設定0.6 s時，整流側區外直流母線上發生金屬性接地故障。故障發生45 ms內，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結果如圖5所示。

由圖5可知，在整流側區外故障發生后的45 ms內，僅電壓變化率判據滿足，不滿足行波保護動作條件，保護不動作。在故障發生的45 ms后，由于控制系統對輸電系統的作用，電氣量將不會達到保護動作條件。

圖5 整流側金屬性故障仿真

4)設定0.6 s時，逆變區外直流母線上發生金屬性接地故障。故障發生45 ms內，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結果如圖6所示。

圖6 逆變側金屬性故障仿真

由圖6可知，在逆變側區外故障發生后的45 ms內，電壓、電流保護判據均滿足，滿足行波保護動作條件，保護誤動作。

為進一步說明現有行波保護在不同故障條件下，對于區內故障和區外故障的適應性。分別設置距整流側500 km、1000 km和1500 km距離下不同過渡電阻的區內故障,以及在整流側直流母線和逆變側直流母線上設置不同過渡電阻的區外故障，獲得行波保護的部分動作情況如表1所示。

根據表1可知，當輸電線路上距整流站500 km處發生125 Ω接地故障時，西門子公司行波保護可靠動作。當輸電線路上距整流站500 km處發生130 Ω接地故障時，西門子公司行波保護因為過渡電阻的增大可能不動作。在輸電線路上距整流站1000 km和1500 km發生接地故障時，行波保護拒動風險也可能隨過渡電阻增大而增加。

表1 不同故障位置時的仿真結果

線路區內的仿真結果說明，西門子公司行波保護對于區內高阻接地故障，容易因為過渡電阻的增大而拒動。且通過典型仿真案例可知，行波保護判據中的電壓變化量判據是西門子公司行波保護拒動的首要原因。當整流側直流母線發生最嚴重的金屬性故障時，西門子公司行波保護也不誤動，說明西門子公司行波保護對于整流側直流母線故障不會出現誤動。當逆變側直流母線發生50 Ω及以下過渡電阻故障時，若直流母線保護未在行波保護動作前切除故障，就可能引起西門子公司行波保護的誤動。

綜上所述，西門子公司行波保護對于區內高阻故障和逆變側區外較為嚴重的故障不能做到可靠動作。因此存在對區內高阻故障靈敏性不足，對逆變側區外故障可靠性不足的問題。

3 結 論

基于考慮信號展寬的西門子公司行波保護模型，分析了不同類型的區內外接地故障下西門子公司行波保護的適應性，并對其適應性不足的原因進行了分析。分析結果如下：

1)信號展寬一定程度上提高了西門子公司行波保護對區內高阻故障的可靠性，但提升效果一般；

2)保護判據中的電壓變化量判據較大程度地影響了其對于區內高阻故障和區外低阻故障的選擇性。