基于電流斜率的多端柔性直流輸電線路保護方法

劉景睿，鄒貴彬

(山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250014)

0 引 言

目前，高壓直流線路保護主要以微分欠壓保護和行波保護為主保護，低壓保護和電流差動保護為后備保護[1]。行波保護和微分欠壓保護可以克服長線分布電容的影響。然而，對于高阻故障，其抗噪聲能力較差，并且靈敏度也較低[2]。電流差動保護動作時間相對較長。低壓保護雖然原理較為簡單，但缺乏足夠的理論依據，且選擇性較差[3]。

文獻[4]系統地闡述了行波保護的發展歷史、原理、存在的問題以及展望。文獻[5]通過對柔性直流輸電系統行波暫態特征的分析，發現線路區外故障時電流行波的能量遠高于行波差流的能量值，并提出了一種基于行波能量比的行波差動保護方案，克服了保護區外嚴重故障而引起的不平衡差動電流的影響。文獻[6]提出一種利用線路兩端故障電流反行波模量的差值來判斷是否發生故障并使用零模量選擇故障線路的方法，但是零模量在輸電線路上畸變較大，衰減嚴重，無法用于保護判斷。文獻[7]中在無損傳輸線模型的基礎上考慮了輸電線路基本參數的頻變特性，分析了直流線路故障行波產生色散的原因、特點及其在直流線路環境下的主要影響因素，進而分析了末端設備及故障行波色散對直流線路行波保護的影響。文獻[8]在傳統行波保護的基礎上，利用形態數學方法提取線路兩端初始行波波頭的信息，形成保護判據。

基于柔性直流系統自身獨特的結構特征，也發展出了諸多保護方法。文獻[9]中將故障分量模型的系統側等效為電容，使用時域算法辨識兩側等效電容，提出了一種辨識參數的柔性直流縱聯保護方案。文獻[10]基于直流線路兩端的大電容對高頻信號呈現低阻的特性，提出了一種全新柔性直流輸電保護原理，利用故障電流高、低頻的幅值比來確定區內區外故障。

下面通過分析柔性直流線路的故障特點，提出了一種基于故障電流斜率的新型保護方法，通過比較線路兩端的故障電流斜率來判斷區內區外故障。

1 故障暫態分析

1.1 仿真模型

所使用的仿真模型是基于±500 kV中國張北四端柔性直流輸電系統所搭建的±500 kV四端多電平柔性直流輸電系統模型，如圖1所示。

圖1 穩態運行四端MMC-MTDC仿真模型

500 kV的交流電網通過Yn/△連接的變壓器與換流站連接。系統采用對稱雙極結構，每個換流站有兩組MMC換流器，分別連接正極與負極。輸電線路采用架空線路形式，線路距地面28 m，兩極線間距為13.7 m，正常運行時，S1、S2、S3換流站的額定功率為1500 MW，S4換流站的額定功率為3000 MW。4個換流站的無功功率均為0。穩態運行情況下，換流站S1、S3作為逆變站，S2、S4為整流站。線路參數如表1所示。仿真步長為50 μs，即20 kHz。

表1 線路參數

1.2 故障電流的方向特征

當電力系統發生故障時，可用疊加原理將故障線路等效為正常運行線路和故障電源單獨作用的線路的疊加，以便更好地分析線路故障特征。

定義參考方向為母線到線路，并且將交流系統與換流站一起等效為直流電源，可得到直流線路簡圖，如圖2所示。此處整流側與逆變側僅用于指代線路兩端，若線路兩端相鄰換流站均是作整流站或逆變站運行，如圖1中的S1和S3、S2和S4，此理論依然適用。UR和UL分別為線路兩側的等效直流電壓，UR為逆變側電壓，UL為整流側電壓，通常情況下UL略大于UR。IL和IR分別為整流側與逆變側的電流，并且IL=-IR。

圖2 正常運行線路

當發生故障時，相當于在故障點并聯一個與故障前大小相等方向相反的電壓源，如圖3所示，Uf為故障點疊加電壓源，If為故障點處的故障電流。在此模型中忽略了線路阻抗和過渡電阻。ΔIR和ΔIL為發生故障后兩端電流的改變量，其方向和參考方向相同。

圖3 發生區內故障時的故障附加電路

當發生區外故障時，如圖4所示為其故障附加電路，整流側的故障電流IL突變方向與逆變側故障電流IR相反。

圖4 發生區外故障時的故障附加電路

根據上述理論分析，當發生內部故障時，線路兩端的故障電流突變方向相同；而發生外部故障時，線路兩端的故障電流突變方向相反。

2 保護方法

在故障發生后幾毫秒內對故障電流進行采樣，記采樣窗口內電流最大的時刻為Tm，記此時整流側與逆變側的故障電流分別為ImR和ImL，并以此計算線路兩端的故障電流斜率kR和kL。

整流側:

(1)

逆變側:

(2)

式中：I0為故障初始時刻的故障電流值；T0為故障時刻；kL和kR分別為故障線路兩端整流側和逆變側的故障電流斜率。若發生的是區內故障，kL和kR的極性相同；若發生的是區外故障，kL和kR的極性相反。

由下列判據實現區內、外故障的判別：

S=sgn(kR)·sgn(kL)=1

(4)

式中，sgn為符號函數。當滿足等式(4)的條件時，則說明發生的是區內故障，否則，則說明發生的為區外故障。具體的保護流程如圖5所示。

圖5 保護流程

在正常情況和受到小擾動或噪聲時，此判據有極高的選擇性，可以準確地判別線路區內、區外故障。但是當有大擾動，如非故障性雷擊時，線路電流也會產生較大的突變，此時電流會產生類似故障時的變化，有可能導致保護誤動，對此類干擾，尚待以后繼續研究，對所提保護方案提供補充。

3 仿真與分析

利用PSCAD搭建如圖1所示的柔性直流輸電網絡模型，并分別在圖示位置設置故障進行仿真。通過線路兩端的繼電保護裝置收集故障特征量，并對其分析處理。仿真設置了線路l1的單極接地故障、極間故障、線路l4極間故障、線路l2單極接地故障以及換流站S2入口交流側三相接地短路5種故障，分別通過仿真得到它們在線路l1兩端的故障電流波形并計算出故障電流斜率，以驗證所提出的基于電流斜率突變量的保護原理。

3.1 區內故障仿真

3.1.1 單極接地故障

以正極接地故障為例進行分析。故障位置設置在圖1中的f1處。分別設置故障位置距離繼電保護裝置R1210 km和R12100 km。圖6與圖7所示為線路兩端的故障電流波形。仿真結果如表2所示。

圖6 單極接地故障距R12 10 km的故障電流

圖7 單極接地故障距R12 100 km的故障電流

線路l1的總長度為205.9 km。從表2的結果中能夠看出，此保護方法能夠有效地識別故障線路。然而，在一般情況下，線路發生的常常不是金屬性短路，因此有必要研究存在過渡電阻時的保護動作情況。仍以正極接地故障為例進行分析，設置故障位置距保護裝置R12100 km，過渡電阻為100 Ω。仿真所得到的故障電流波形和仿真結果分別如圖8和表3所示。

表2 區內單極接地故障仿真結果

圖8 100 Ω過渡電阻單極接地故障的故障電流波形

表3 區內單極接地故障有100 Ω過渡電阻的仿真結果

從圖7、圖8和表2、表3中能夠看出，當過渡電阻增大時，故障電流的上升速度與幅值將減小，從而使計算獲得的故障電流斜率相應減小，加大了保護判斷難度，但保護仍然能夠準確地判斷出故障線路，說明基于電流突變量斜率的保護方法有一定的抗過渡電阻能力。

3.1.2 雙極接地故障

設置故障f2如圖1所示，分別設置距離保護安裝處R1210 km和100 km的故障進行分析。仿真所得到的故障電流波形和仿真結果分別如圖9、圖10和表4所示。

圖9 雙極接地故障距R12 10 km的故障電流

圖10 雙極接地故障距R12 100 km的故障電流

表4 區內雙極接地故障仿真結果

從圖9、圖10以及表4可以得出，當發生雙極短路故障時，所提出的保護方法能夠準確地識別出故障。

下面研究在有過渡電阻的情況下，此保護方案是否能夠準確識別故障。仍以l1雙極短路故障為例進行分析，設置故障位置距保護裝置R12100 km，過渡電阻為100 Ω。仿真所得到的故障電流波形和仿真結果分別如圖11和表5所示。

圖11 100 Ω過渡電阻雙極接地故障的故障電流波形

表5 區內雙極接地故障有100 Ω過渡電阻的仿真結果

從圖11和表5所示結果能夠得出，即使雙極短路故障有一定的過渡電阻，所提出的保護方案也能夠準確地判別出故障。

3.2 區外故障仿真

3.2.1 單極接地故障

故障設置位置如圖1中的f3所示。以線路l2發生正極接地故障為例分析發生區外單極接地故障時保護的動作情況。圖12和表6分別為發生故障后線路l1兩端的故障電流波形以及故障仿真的結果。

圖12 發生區外正極接地故障f3后l1兩端故障電流

表6 區外單極接地故障仿真結果

從圖12和表6的結果中能夠得到：當發生區外單極接地故障時，非故障線路l1兩端故障電流突變方向相反，因此計算出的線路兩端故障電流斜率符號不同；并且其突變速率也小于發生區內故障時，計算出的電流斜率甚至小于門檻值kset，因此能夠準確識別故障。

3.2.2 雙極短路故障

如圖1中的f4所示，以線路l4發生雙極短路故障為例分析區外發生雙極短路故障時的保護動作情況。圖13和表7分別為發生故障后非故障線路l1兩端的電流波形和仿真結果。

圖13 發生區外雙極接地故障f4后l1兩端故障電流

表7 區外雙極接地故障仿真結果

從圖13和表7中能夠得到：發生區外雙極短路故障后，非故障線路兩端的故障電流突變方向相反，相較于發生區外單極接地故障，其故障電流斜率更大，但根據保護方法仍能有效地判別出故障區域。

3.2.3 交流側故障

如圖1中f5所示，以換流站S2入口發生交流系統三相對地短路為例研究發生交流側故障時，所提保護的動作情況。圖14和表8分別為交流側三相接地后線路l1兩端故障電流波形以及仿真結果。

圖14 發生交流側三相接地故障f5后l1兩端故障電流

表8 交流側三相接地故障仿真結果

從圖14和表8中能夠看出，當發生交流側故障時，非故障線路兩端故障電流突變方向相反，遵循所提出的保護方法，并且計算出kR和kL遠小于保護門檻值kset，因此在交流側發生故障時，保護方法能夠有效地判別出故障。

4 結 論

上面從柔性直流輸電線路故障判別和保護方案幾個方面，簡要分析了國內外柔性直流輸電線路故障判別與保護方案的研究現狀。通過理論分析，發現當故障發生在保護區域外時，線路兩端的故障電流突變方向是相反的，而發生內部故障時，線路兩端的故障電流突變方向是相同的。基于這一發現，提出了一種基于電流斜率的縱聯保護方法。大量仿真結果表明，該保護方案能夠有效地區分保護區內、區外的故障，并且在有一定過渡電阻存在的情況下也能夠準確地判別出故障。同時，這種保護方法簡單并且易于實現。但對于過渡電阻較大的故障，由于故障電流上升速度與幅值均減小，可能導致保護不能有效識別故障，可靠性較低，并且對于非故障雷擊等大擾動，保護可能誤動。針對這些問題，可以考慮引入行波原理以及小波變換等信號處理手段，即使有較大的過渡電阻存在時，也能夠通過檢測電流行波奇異值進行故障識別。關于抗干擾問題還需要未來進行更多研究。