基于PSCAD的海上特高壓柔性直流線路保護的故障處理方法

2023-12-01 03:07:56雷翔勝王興華余夢澤劉寒軒

計算機測量與控制 2023年11期

關鍵詞：故障

雷翔勝，王興華，余夢澤，楊帆，劉寒軒

(1. 廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣州 510080；2. 南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102)

0 引言

亞洲柔性直流輸電技術在全球范圍內取得了零突破。三峽能源如東海上柔性直流輸電項目的第一臺海上風電機組，在風機葉片徐徐旋轉的同時，也標志著我國已經掌握了海上風電柔性直流輸電工程領域核心關鍵技術[1]。

柔性直流輸電在可再生能源并網、遠距離輸送與多區域系統互聯等方面具有十分重要的作用[2]，特別是在電力電子技術大力發展的背景下，它的應用前景更為廣闊。但隨著FDC技術的迅速發展，將加劇局部潮流、增大短路電流，且一定程度上危害了交流電網的安全[3]。因此，研究快速、可靠的保護機制尤為重要。

直流線路保護方法分為單端量保護方法和雙端量保護方法。其中，單端量保護方法只利用本端故障信息，無需與對端進行通信，不存在由于信息交互造成的時延問題，因此具有更快的動作速度，通常作為線路的主保護。而雙端量保護方案雖然存在不可避免的通信時延問題，在一定程度上動作速度會降低，但由于同時利用兩端故障信息，選擇性更高，通常作為線路的后備保護[4-6]。由此可見，實現單端量保護和雙端量保護的合理配置，對保障電網的安全運行具有重要意義。

文獻[7]對模塊化多電平換流器(MMC，modular multi-level converter)的拓撲結構及典型故障進行了分析，為今后FDC保護策略的研究奠定了基礎。文獻[8]針對FDC系統中的兼容性問題，設計了了一種基于波特率的動態自適應解碼算法，采用動態掃描方式，對信號的波特率進行識別，并根據需要調節相關的參數。文獻[9]介紹了一種用于可視化編程的FDC控制與保護系統，該系統具有硬件程序和軟件程序，可同時由多個操作員進行調試，使其能夠實現多路操作，并能獨立總線通信，大大提高了工作效率和實時性。文獻[10]根據行波原理，將Marti模型與MMC拓撲結構相結合，建立了一種基于Marti模型的縱聯行波差動保護，并通過PSCAD/EMTDC軟件對其進行了仿真驗證。文獻[11]通過對線路兩端邊界的暫態能量比的差別來判別區內、外故障，并根據正負極的暫態能量比確定故障極，該方案具有較強的耐受過渡電阻能力和抗干擾能力。文獻[12]為提高測量精度，提出了一種基于FDC線路的單端故障定位的新思路。文獻[13]研究了FDC系統的中高頻諧振現象，并對產生的呈現負阻尼的原因進行分析，建立了MMC的正序阻抗模型。仿真結果表明：降低系統延時、減小電流內環和功率外環的比例系數、改善控制均有效地減小了高頻諧振的發生。文獻[14]就海上風電經柔性直流網系統受端交流故障導致的直流過電壓特點進行了分析，對單極直流過電壓和雙極直流過電壓問題進行了研究，并針對不同問題提出了不同處理方案。文獻[15]針對海上風電FDC系統局部放電的異常現象，提出了一種基于回路補償的端間改進試驗方法。文獻[16]提出了一種具備故障穿越能力的海上風電-柔直并網系統，既能實現對直流母線電壓的靈活控制，又能提高電網的抗干擾性。文獻[17]提出了柔性電源模塊智能診斷方法，實現了電源模塊的多項功能和性能檢測，同時還可檢測電源模塊是否老化或異常，有效預測和避免了電源模塊失效的風險，提高了FDC系統的可靠運行。

本文研究了海上特高壓柔性直流線路的新原理、新的布線方式，分析了FDC系統中各個主要設備的工作特點和故障特點，提出了一種基于暫態等效的直流輸電系統故障分析方法；其次，研究并分析了多端FDC網絡的故障特點，提出了一種基于單端量保護的直流輸電系統；最后，基于PSCAD軟件對所提方法進行仿真驗證。所提方法能夠快速識別與隔離故障，從而保證電網的安全穩定運行。

1 海上特高壓柔性直流線路

1.1 故障分析

由于直流電網的對稱結構[18]，以最常見的正極接地故障為例，故障時間設定在3.5 s，故障類型為金屬性故障，金屬性故障是指直接接地故障，其特性是故障電阻很小。故障點設在Line12的末尾。在故障發生時間之前和之后，所測得的正電極線路的電壓和電流的波形如圖1(a)和(b)所示。

圖1 發生正極接地故障時的電壓電流波形

結果表明：在直流輸電線路出現故障后，短路電流會迅速增加，盡管限流電抗器可以有效地抑制電流的增長，但在極短的時間里，電流仍然超過了額定值的數倍，同時系統的電壓也會大幅下降[19]。當采用穩態電壓和電流的電量值作為保護準則時，嚴重的短路現象將會對換流器等核心設備的安全工作產生較大影響，所以在常規的交流保護方式中，采用故障電壓和電流穩態成分的保護策略是不適合于柔性直流電網的。

為了更好地了解故障瞬時的電氣量特性，在圖2中，得到了在故障發生之前和之后的數秒內的瞬時電壓和電流的波形。

圖2 發生正極接地故障時的暫態電壓電流波形

從圖2可以看出，在短時瞬態過程中，存在著大量的電壓、電流的波形變化特征，尋找并合理地運用這些特征，是快速進行故障識別的關鍵[20]。為此，本文對電力系統的故障后電壓和電流的瞬態特性進行了研究，并提出了一種適合于FDC系統運行特性的直流線路保護方案。

1.2 故障提取與建模

柔性直流電網的設備構成和故障發展過程與傳統電網相比具有較大差異，分析柔性直流電網運行特性和故障特征對直流線路保護新原理的提出具有重要意義，且對故障時暫態電氣量信息的利用是保護方案建立的關鍵[21-24]。因此，介紹了柔性直流電網關鍵設備的構成和運行特性，分析了直流線路故障時的穩態特征和暫態特征，結合柔性直流電網暫態運行特性，建立了直流線路故障分析暫態等效模型，從而為保護方案的構建提供理論基礎[25]。

1.2.1 換流器

換流器是柔性直流電網組成中的核心設備，其功能是實現交直流電氣量的變換，使電能在交流側和直流側之間傳輸。由全控型電力電子器件IGBT構成的電壓源型換流器具有不需要裝設無功補償裝置、能實現功率快速解耦獨立控制、無換相失敗風險等諸多優勢[26]，在直流換流器中得到了廣泛應用。以張北柔性直流輸電工程為例，該工程采用半橋子模塊多電平換流器，具有響應速度快、輸出波形質量好、損耗小、可拓展性強等特點。在采用MMC的情況下，線路直流側的故障發展可分成兩個階段，第一個階段是MMC閉鎖之前的直流電容器放電，這一階段的故障電流主要來自于子組件的電容放電；第二個階段為MMC閉鎖，在交流端由反向并聯二極管供電，使其進入非控制整流相位[27]。本文提出了一種基于短路電流瞬態行波的保護準則，該方法僅限于第一階段，在這種情況下，換流器可以被簡化成RLC級聯，其表達式如下：

(1)

(2)

(3)

上式中，c為換流器中子模塊電容的取值，Larm為換流器中橋臂電抗器的取值，n為每個橋臂子模塊的數量，ΣRon為各橋臂導通子模塊IGBT的導通電阻，R0為橋臂電阻；Rs、Ls和Cs分別為在等值RLC串聯電路中，電阻、橋臂電抗器和故障后參與放電的子模塊電容的等效值。由此，得到了換流器等效阻抗復頻率域的簡化公式：

(4)

結果表明：這種簡化的等值模型在故障發生后2 ms內，其錯誤率在5%以下，滿足了研究的需要。

1.2.2 直流輸電線路

保護測試設備設在直流線路的前端，當直流線路的某個節點出現故障時，行波通過故障點傳輸至保護測試設備，造成線路的行波衰減和失真，這一問題可用式(5)來說明：

Um(s)=T(s)·UF(s)

Im(s)=T(s)·IF(s)

(5)

式中，UF(s)、IF(s)分別為故障點處電壓、電流首行波復頻域表達式；Um(s)、Im(s)分別為直流線路首端電壓、電流首行波復頻域表達式；T(s)為線路傳遞函數，其表達式如式(6)所示：

T(s)=e-γ(s)x

(6)

式中，γ(s)的實部是衰減系數，虛部是相移系數，它們分別表示了在直流線路上傳輸時，故障首行波的衰減與失真；x是在保護測量設備上從失效點到所述防護測量設備的距離。為了便于計算，對該電路的傳輸函數作了簡單的處理，其結果如式(7)所示：

(7)

式中，e-sT為故障首行波在直流線路傳播過程中的時延；Ka為線路衰減比例系數，表示故障首行波在直流線路傳播過程中的衰減；Ta為線路色散時間常數，表示故障首行波在直流線路傳播過程中的畸變。Ka和Ta的表達式如式(8)所示：

Ka=1-kax

Ta=τax

Ka=1

(8)

式中，Ka和Ta分別為單位長度的衰減系數和畸變系數。通過上述等價的傳輸函數，可以保持基本的行波延時、衰減和畸變，從而大大簡化了運算量。

1.2.3 直流斷路器

從理論上可以看出，直流斷路器主支路的阻抗值非常低，所以在等值模式下可以忽略不計。

1.2.4 限流電抗器

限流電抗器設在直流線路的兩端，當進行模型等值時，它的復頻域表示為sL。

通過對直流輸電系統各個關鍵設備的工作特點及傳輸線的傳播特點進行分析，得出了兩端FDC系統的故障分析暫態等值模型，表達式如式(9)：

(9)

通過以上分析可知，柔性直流電網直流側故障發展速度極快，快速識別故障信息是直流線路故障隔離的關鍵。直流線路單端量保護方案僅需本端故障信息，能夠保證保護動作的快速性，通常作為線路的主保護。而現有的直流線路保護方案存在靈敏度受過渡電阻影響較大、保護門檻整定依賴于仿真、缺乏理論依據等問題[28-30]。針對以上問題，本章通過研究直流線路故障首行波的傳播特征，在下文提出了相應的保護方案。

2 保護方案設計

2.1 啟動單元

柔性直流輸電技術在快速發展的同時也面臨許多挑戰，直流線路發生故障后，急劇上升的故障電流會對系統運行的可靠性造成嚴重影響，為了在短時間內對故障電流進行切除，保障系統的穩定運行，研究滿足快速可靠的柔性直流輸電線路保護原理尤為重要[31-35]。在直流線路出現故障時，故障電壓成分會迅速增加，在此根據限流電抗器一個模式的故障電壓建立了一個正向區內外的故障判據，同時，啟動判據也是以一個模式的故障電壓為依據，設定為額定電壓的10%，即50 kV，起動判據如式(10)：

|Δu1|>0.1Udc

(10)

式中，|Δu1|為限流電抗器一個模式的故障電壓絕對值。圖3示出了在區域的端部F1點出現由500 Ω的過渡電阻正電極接地失效時，限流器的一個模式故障電壓波形，并將故障時間設定在3.5 s。

圖3 限流電抗器故障電壓波形

從圖3可以看出，在正常工作狀態下，一模式的故障電壓為0時，保護不會起動，而一旦出現故障，故障行波到達線路前端保護測試設備，即使是在高電阻故障的情況下，一模式的故障電壓絕對值也能在很短的時間內達到額定電壓的10%，從而保證了故障啟動的可靠性。

2.2 故障識別與驅動單元

由于直流輸電系統存在著很低的阻尼，所以在直流輸電線路出現故障后，MMC的子模塊會迅速放電，從而使故障線路的電流迅速增加，使短路電流的幅度在短期內提高[35]。在單極性接地故障時，由于極線與正極線間的電磁耦合，使正常極線上的電流有一定的起伏，但振幅比故障極線要小得多。在出現雙極性短路時，由于正、負兩個方向都是同一回路，所以電流的波動幅度基本一致。

從正向電流理論中可以看出，正極線在正向失效時，電流升高，正極端線的電流值是正的，而在逆向失效時，正極端線的電流值是負值；在負極線上，其故障電流的變化規律與正極線的情況相反。根據上述結果，通過對故障電流首波采樣點電流值的正負差，可以準確地判斷出故障的方向，同時，也可以根據故障電流的不同，建立正、負兩種故障電流的方向判斷。根據故障極辨識準則，在故障發生后0.3 ms內，將全部取樣點的電流值相加，以此來判斷故障電流的正、負故障方向判據。

通過對前、后兩種不同類型的短路電流電抗器的一模式故障電壓差別進行分析，給出了一模式的故障電壓突變點和第一次峰點的時間差PTV，表達式如式(11)：

PTV=tm-t0

(11)

式中，tm和t0分別表示限流電抗器一模式故障電壓首個峰值點時刻和突變點時刻。在正向區內、外故障中，PTV的初始峰值與區域內的差別很大，而正向區外故障的PTV要遠大于區域內的故障，根據PTV的大小，可以準確地判斷出正向區內、外部的故障。

由分析可知：取PTV大小0.87 ms，可靠系數Krel為2，由此可得保護門檻PTVth=0.435 ms。總而言之，在線路出現正向失效的情況下，在第一次峰值PTV超過0.435 ms的情況下，防護判定為正向區域外部失效，0.435 ms以內的判定為正向區域內部失效。

直流線路的單端保護方案，包括故障啟動判據、故障極識別判據、方向識別判據、正向區域故障識別判據等4個部分組成，整個保護方案流程圖見圖4，圖中Isum，p為正極故障電流，Isum，n為負極故障電流。

圖4 單端量保護方案流程圖

3 仿真與測試

3.1 PSCAD仿真參數設定

快速有效的直流輸電線路保護方案是多端柔性直流電網發展的關鍵，針對現有的直流線路保護方案存在抗過渡電阻能力差、保護門檻整定依賴于仿真、缺乏理論依據等問題，通過對故障暫態特征進行分析，提出了一種基于限流電抗器一模式故障電壓首峰值時間的單端量保護方案[36]。首先，分析了故障行波在直流線路上的傳播特征，利用時頻域轉換的思想，分別推導出了正向區內外故障時限流電抗器一模式故障電壓解析表達式，并給出了首峰值時間的理論解，結果表明：正向區外故障時的首峰值時間值遠大于區內故障時的首峰值時間，據此差異構建了正向區內外故障識別判據。

此外，分析了故障電流行波的變化特征，結果表明：不同故障類型時故障電流變化特征存在顯著差異，且正向和反向故障時故障電流變化特征相反，據此構建了故障極和故障方向識別判據。

在張北四端撓曲直流輸電工程的結構參數的基礎上，建立了一個模型，將取樣頻率設定為100 kHz，模擬時的失效時間設定為3.5 s。由于系統的結構是對稱的，并且模擬結果與理論推導相一致，因此本文將通過一個直流線路Line12換流站S1的保護來模擬該保護方案的可行性。與上述分析相符，故障方向辨識準則中的保護臨界值Ith是依據區域內終端F1點出現的500 Ω過渡電阻正極接地故障而調整的，設定為1 kA，正向區域內外失效準則的防護閾值PTVth設定為0.435 ms。

3.2 仿真結果及分析

3.2.1 故障方向判定及分析

在故障發生后，首先確定故障的極點和方向，通過模擬試驗，證明了所提出的各種故障情況下所提出的保護策略的正確性。圖5分別為正極接地故障、負極接地故障、雙極短路故障3種情況下的正、負故障電流變化波形。

圖5 3種類型故障時故障電流波形

3.2.2 靈敏度判定及分析

定義保護靈敏度系數為：

(12)

常規的直流線路單端保護方案具有較低的抗過渡電阻性能，尤其是在直流線路區域終端出現高阻接地故障時，將會極大地降低保護方案的可靠性和敏感性，從而使其難以識別出高阻故障。為檢驗所提出的保護方法在抵抗過渡電阻性能上優于常規保護方法，以區內末端M點發生經0 Ω、100 Ω、300 Ω、500 Ω過渡電阻正極接地故障為例，進行仿真驗證。限流電抗器一模故障電壓仿真波形如圖6所示，故障判別結果如表1所示。

圖6 不同電阻限流電抗器故障電壓波形

表1 不同過渡電阻時的仿真結果

圖7 不同故障位置時的識別結果

從圖6和表1中可以看出，隨著過渡電阻的增大，故障電壓的幅度逐漸減小，這是常規單端保護方式耐過渡電阻性能差的主要原因，同時，在0.05 ms的第一峰時刻不變，靈敏度系數也一直很高。由此可以看出，基于第一峰時間的保護準則，其敏感性和可靠性均不會受到過渡電阻的影響，有效地克服了常規單端保護方案在遠端高阻接地時的敏感性下降以及保護拒動現象，能較好地識別遠端高阻故障，使保護的可靠性和敏感性得到了極大的改善。

3.2.3 保護線路全長能力仿真分析

為了檢驗所提出的保護方案在整個線路長度上的有效性，通過一個正電極的金屬性接地故障實例進行了模擬，分別設定了從線路全長的5%，50%，100%(也就是凡點)的范圍內，限流電抗器的一模式故障電壓模擬波形，以及故障識別的結果如圖7與表2所示。

表2 不同故障位置時的識別結果

從圖7和表2可以看出，在區域不同部位發生故障時，PTV的值都要比保護閾值小得多，而且這些保護都能準確地識別出區域內、外的故障，并且靈敏度系數很高。另外，隨著故障位置與線路頭端的距離越近，PTV的誤差越小，并逐漸接近0，這是因為故障位置離導線頭越近，線路失真對線路畸變的影響越小。而在3.1節的理論推導中，忽略線路失真效應(即不考慮線路色散時間常數Ta)時，第一峰理論值為0，而在接近故障點時，模擬結果接近0，驗證了模擬的有效性。

以上結果表明：故障類型不會影響到PTV，不管是在DC區域內還是在正向區外，都能用本文提出的方法對區域內、外的故障進行可靠的識別。

4 結束語

柔性直流電網在遠距離、大功率傳輸、清潔能源消納等領域有著明顯的優越性，但是，柔性直流電網的直流側故障危害巨大，存在著嚴重的過流問題，影響了電力系統的正常工作和系統的穩定性。本文對直流輸電線路的新原理、新的布線方式進行了研究，對FDC電力系統中各主要設備的工作特點、故障特點進行了分析，并提出了一種基于暫態等效的直流輸電系統故障分析方法；研究并分析了多端FDC網絡的故障特點，提出了一種基于單端量保護的直流輸電系統，能夠迅速地識別和隔離故障，有利于FDC系統的安全、穩定運行。

1)在故障方向判定中，正極短路故障、負極短路故障及雙極短路故障可根據判定原則準確做出判斷，驗證了本文方案的準確性。

2)在靈敏度分析中，本文提出的保護方案不受過渡電阻的干擾，靈敏度系數Ksen= 8.7，保證了此方案的抗干擾性和靈敏性。

3)在保護線路全長分析中，分別設定了故障點在線路全長的5%、50%、100%和區外故障進行驗證，準確地判別了區域內、外的故障，且PTV與靈敏度系數達到預期。

盡管在動作速度、可靠性、靈敏度和選擇性上都能滿足保護動作的要求，但是受工作環境的限制，提出的保護方案在工程環境驗證及抗干擾能力分析等方面仍需進一步的研究。在仿真驗證中，這些資料都是從實驗室模擬模型中得到的，對于保護方案在實際工程中的運用，尚需進一步的探討與檢驗。