交流繼電保護動作性能在多饋入直流系統中適應性仿真分析

李 寬，劉 震，牛健飛，李晨昊，李 娜

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200；3.國網山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

0 引言

在交直流混聯電網中，交流繼電保護與直流控制保護之間相互影響、相互耦合［1-3］。交流繼電保護的動作行為決定著交流電氣量的變化過程以及系統能否穩定過渡，從而影響到直流系統的控制策略以及能否正常換相；直流系統的控制保護行為決定著其等效的輸出故障特性，從而可能影響到交流保護的動作性能。開展多饋入直流系統的交直流繼電保護交互機理研究有助于梳理多直流落點系統中交流保護與直流控制保護之間的相互影響程度及相關影響因素，為交流保護的優化策略研究提供支撐，從而保障多饋入直流接入下的交直流混聯電網的安全穩定運行［4-7］。

山東電網是典型的特高壓交直流混聯大系統，但對于多饋入直流輸電系統中交流繼電保護適應性相關研究較少。鑒于此，提出研究多饋入直流輸電系統背景下交直流互聯大電網系統中的保護問題，重點分析了多饋入交直流混聯大電網工況下交流繼電保護動作特性，重點考察直流換相失敗期間交流發生線路故障的雙重故障情況下交流繼電保護的動作性能。

基于PSCAD/EMTDC 軟件搭建沂南、廣固、膠東三個直流輸電模型及其1 000 kV 交流線路模型、換流站周邊三至四層500 kV交流線路模型，其余500 kV、220 kV 等交流線路等值［8-10］。通過仿真分析論證多饋入直流輸電系統中，交流線路差動保護動作性能［11-12］、距離保護動作性能［13-14］和零負序方向元件動作性能［15］。

1 交流繼電保護元件模型建立

建立交流繼電保護元件模型，輸入數據均為仿真的故障錄波文件，錄波格式為Comtrade，錄波采樣頻率為1.2 kHz；模型的輸出為各保護元件的計算結果，以圖形形式輸出。

1.1 零序、負序方向元件建模

零序方向元件是基于故障后電流電壓零序分量的相位關系進行故障點方向判別的元件，用于有零序電流的不對稱故障檢測［16-17］。該方向元件有一靈敏角，當零序電壓超前零序電流的角度在靈敏角±90°范圍內時，認為是反方向，反之認為是正方向，其動作特性如圖1所示。

圖1 零序方向動作特性

根據零序分量角度差范圍識別，建立零序方向元件模型，零序方向為正方向時計算公式為

負序功率方向元件的原理與零序功率方向元件類似，由負序功率的正負判別故障方向，用于有負序電流的不對稱故障的方向判別，負序正方向計算公式為

正方向短路時，零序電壓超前于零序電流-100°，該角度滿足動作方程且距兩個邊界最遠，所以方向繼電器動作最靈敏；反方向短路時，零序電壓超前于零序電流80°，該角度不滿足動作方程且距兩個邊界最遠，所以方向繼電器最可靠不動作。

1.2 距離元件建模

距離元件是線路保護中最常用的元件之一。單側的距離元件可構成后備距離保護，通過通道配合的雙端距離元件可以構成縱聯主保護［18-19］。

距離元件根據故障后測量阻抗的大小和角度判別故障點位置。對于相間短路，測量阻抗公式為

式中：φ、φ′為相序，代表A、B、C三相，且φ≠φ′；Zk為測量阻抗；Uφφ′和Iφφ′分別為故障點相間電壓和相間電流。

對于單相接地故障，測量阻抗公式為

式中：h為線路零序補償系數，由輸電線路的零序阻抗和正序阻抗決定；Uφ、Iφ分別為故障相電壓和電流；I0為零序電流。

對于金屬性故障，公式（4）能夠正確測量故障點到保護安裝點的距離（阻抗），實際故障時須考慮過渡電阻的影響。

實際繼電保護裝置中，距離繼電器的動作范圍一般為一個圓或其他封閉曲線，如常用的方向圓動作特性為

式中：Zset為距離整定值。

式（5）對應的動作特性如圖2所示。

圖2 方向圓阻抗距離繼電器動作特性

實際繼電保護裝置中，并不直接計算測量阻抗Zk，而是將阻抗值的比較轉換為等效的電壓比較，具體實現方法又包括幅值比較和相位比較兩種方式。

為直觀顯示距離元件所受的影響，距離保護元件模型采用直接計算測量阻抗的方式，且假設動作特性為圖2所示的方向圓，通過觀察測量阻抗是否在動作圓內判斷距離元件是否動作。

1.3 縱聯電流差動元件建模

電流差動保護基于基爾霍夫電流定律，原理簡單，動作可靠，是超、特高壓輸電線路常用的主保護。差動保護實際應用中又包括穩態分相差動保護、零序差動保護和變化量分相差動保護三種，三者相互配合，能夠保證不同故障類型下均能可靠動作［20］。

穩態分相差動元件的動作方程為

式中：ICDφ為差動電流，ICDφ=，即為兩側電流矢量和的幅值；IRφ為制動電流，IRφ=，即為兩側電流矢量差的幅值；KR1為分相穩態差動的比率制動系數，一般小于1；Imk1為分相穩態差動門檻，實際裝置中門檻是浮動的。

零序差動元件的動作方程為

式中：ICD0為零序差動電流，ICD0=，即為兩側零序電流矢量和的幅值；IR0為零序制動電流，IR0=，即為兩側零序電流矢量差的幅值；KR2為零序差動的比率制動系數，一般小于1；Imk2為零序差動門檻，實際裝置中門檻是浮動的。

變化量分相差動元件的動作方程為

式中：ΔICDφ為變化量差流，ΔICDφ=，即為兩側電流變化量矢量和的幅值；ΔIRφ為變化量制動電流，ΔIRφ=ΔIMφ+ΔINφ，即為兩側電流表變化量標量和；KR3為分相變化量差動的比率制動系數，一般小于1；Imk3為分相變化量差動門檻，實際裝置中門檻是浮動的。

2 差動保護動作適應性分析

2.1 單交流系統故障工況

在山東電網特高壓交流線路1 000 kV 沂南—高鄉上設置短路故障，分別在距離沂南站側10%位置設置A 相短路故障和距離沂南站側50%位置設置BC相間短路故障，故障仿真分別如圖3和圖4所示。

圖3 沂南—高鄉發生A相接地故障沂南側差動動作特性

圖4 沂南—高鄉發生BC相短路故障沂南側差動動作特性

圖中IR為制動電流，ID為差動電流。發生A相接地故障時，A 相差動、零序差動可靠動作，B、C相差動可靠不動作；發生BC 兩相短路時，B、C 相差動可靠動作。

2.2 直流換相失敗+交流系統故障工況

設置故障類型為沂南換流站穩定運行至14.94 s時刻極Ⅰ高端換流閥（500 kV）發生脈沖丟失故障，脈沖丟失持續時間120 ms；然后在15 s時刻于沂南—密州輸電線路距離沂南側20%處設置C 相金屬性接地故障，故障時間0.1 s。故障仿真如圖5所示。

圖5 沂南—密州線差動動作特性

由圖5可知，單相接地故障時，故障相的差動電流遠大于制動電流，零序差動電流遠大于制動電流，故障相的穩態相差和零差保護均能可靠靈敏動作；從非故障相的制動電流中能看到明顯的波動，說明換流站脈沖丟失導致交流線路的短路電流中產生了較大的諧波。

3 距離保護動作適應性分析

3.1 單交流系統故障工況

僅考察距離Ⅰ段的動作特性，動作特性采用方向圓特性。其中沂南側保護相關定值為：線路正序阻抗定值4.3 Ω，接地距離Ⅰ段定值2.1 Ω，相間距離Ⅰ段定值3.4 Ω。在山東電網特高壓交流線路1 000 kV沂南—高鄉上設置短路故障，分別在距離沂南站側10%位置設置A相短路故障和距離沂南站側50%位置設置BC相間短路故障，故障仿真分別如圖6和圖7所示。

圖6 沂南—高鄉發生A相接地故障沂南側距離保護動作特性

圖7 沂南—高鄉發生BC兩相短路沂南側距離動作特性

由如6 可知，沂南側10%處A 相接地故障時，A相接地距離元件可靠進入動作圓內，B、C 相接地距離元件及相間距離元件均遠離動作圓，距離保護動作特性滿足要求。

由圖7可知，沂南側50%處BC相間短路故障時，BC 相間距離元件可靠進入動作圓內，AB、CA 相間距離元件及接地距離元件均遠離動作圓，距離保護動作特性滿足要求。

3.2 直流換相失敗+交流系統故障工況

設置故障類型為沂南換流站穩定運行至15.025 s時刻極Ⅰ高端換流閥（500 kV）發生脈沖丟失故障，脈沖丟失持續時間120 ms；然后在15 s 時刻于沂南—密州輸電線路距離沂南側20%處設置B 相金屬性接地故障，故障時間0.1 s。故障仿真如圖8所示。

圖8 沂南—密州線沂南側距離保護動作特性

由圖8 可知，接地距離動作特性中可看出線路20%處單相接地故障時，故障相測量阻抗能夠可靠進入動作圓，非故障相測量阻抗遠離動作圓，距離保護可靠動作。

4 零負序方向元件動作適應性分析

4.1 單交流系統故障工況

在山東電網特高壓交流線路1 000 kV 沂南—高鄉上設置短路故障，分別在距離沂南站側10%位置設置A相短路故障和距離沂南站側50%位置設置BC相間短路故障，故障仿真分別如圖9和圖10所示。

圖9 沂南—高鄉發生A相接地故障沂南側零負序方向元件動作特性

由圖9 和圖10 可知，區內單相接地故障零、負序方向元件均能靈敏可靠地判斷為正方向，兩相短路負序方向元件也能正確動作。

4.2 直流換相失敗+交流系統故障工況

設置故障類型為沂南換流站穩定運行至14.94 s時刻極Ⅰ高端換流閥（500 kV）發生脈沖丟失故障，脈沖丟失持續時間120 ms；然后在15 s 時刻于沂南—密州輸電線路距離沂南側20%處設置C 相金屬性接地故障，故障時間0.1 s。故障仿真如圖11所示。

圖11 沂南—密州線沂南側零負序方向元件動作特性

從圖11 仿真結果中可以看出，零負序方向元件均在正方向故障動作區內，且具有足夠的靈敏度。

5 結語

在發生單交流系統故障時，仿真分析表明，差動保護在不同故障情況下的制動特性不受影響，區內故障均能靈敏可靠動作；距離保護在不同故障情況下接地距離元件、相間距離元件的動作行為均正確；零序、負序方向元件的可靠性不受影響，能夠正確判斷正、反方向故障。

在發生直流換相失敗和交流系統故障時，換流閥換相失敗會造成交流側短路電流波形的畸變，但仿真結果表明，差動保護、距離保護、零負序方向元件的動作特性不受直流換相失敗影響。