基于行波電流極性差異的交直流混聯系統縱聯方向保護方法

樊艷芳, 馬翼飛

(新疆大學電氣工程學院, 烏魯木齊 830047)

高壓交流、直流互聯并存已成為電網發展的常態,中國現已建成了世界上最大規模、最高電壓等級的交直流混聯電網[1-4]。縱聯方向保護具有靈敏度高、原理簡單、保護裝置容易實現的特點,已成為高壓交流輸電線路廣泛采用的一種快速保護[5-7]。但基于工頻故障分量的傳統縱聯方向保護在交直流混聯系統中存在適應性問題,研究能夠適用于交直流混聯系統的縱聯方向保護方法極為重要。

目前中外許多學者對交直流混聯系統受端交流側故障特征和工頻量縱聯方向保護的適應性進行了大量的研究[8-11]。區別于傳統的純交流系統,交直流混聯系統中交流側故障特征是交流側故障和直流側的“被擾動”共同作用的結果,當交流線路發生單相金屬性接地故障,可能會造成直流側逆變站發生換相失敗,與純交流系統故障特征單一來源的特點不同[12-14]。文獻[15-16]指出直流系統在正常運行和可控范圍內變化時,對交流側繼電保護基本無影響,而直流系統逆變側發生換相失敗時由于直流系統的快速調節作用,將會導致方向保護無法準確判別故障方向。文獻[17]中指出逆變站發生換相失敗后,直流系統向交流系統中注入的電流中含有的非整次諧波和非周期分量,是引起交流線路方向保護誤動作的主要原因之一。針對縱聯方向保護在交直流混聯系統中不適應的問題,文獻[18]通過分析交流系統零序電流受直流系統逆變側發生換相失敗的影響,增加零序方向元件和縱聯方向保護構成組合判據,可以有效地解決保護不正確動作的問題,但零序分量只在接地故障時存在。文獻[19]在分析電流故障初始行波與電壓故障行波中工頻分量初始波頭具有相同的極性基礎上,利用電壓故障行波工頻分量極性代替電壓故障初始行波的波頭極性,和電流故障初始行波的極性相比較進行故障方向判別,但該保護方案易受電容式電壓互感器傳變特性的影響。文獻[20]提出一種僅利用故障分量電流和正常運行時電流極性之間關系判別故障方向的行波保護,該原理可以避免交流系統繼電保護中 電容式電壓互感器傳變特性對保護造成的影響,但該保護動作的前提是準確的故障選相。

綜上所述,目前大多數對縱聯方向保護的研究難以適用于交直流混聯系統中。在傳統行波極性保護利用電壓和電流極性進行判斷的基礎上,現提出僅利用電流故障初始行波波頭之間極性差異構成縱聯保護,消除電容式電壓互感器無法準確傳輸寬頻帶電壓信息導致保護的低可靠性問題,且該原理利用高頻電流進行計算,避免交直流混聯系統頻率偏移的影響。結合新疆某地區交直流混聯系統,對本文提出的基于行波電流極性差異的縱聯方向保護方案進行仿真驗證。

1 傳統工頻量縱聯方向保護在交直流混聯系統中適應性分析

1.1 工頻量縱聯方向保護適應性分析

圖1所示為交直流混聯系統示意圖,和直流系統直接連接的交流線路一般電壓等級較高且需要保護裝置快速切除線路上的故障,由于縱聯方向保護具有工作原理簡單、動作速度快等優點,被廣泛用于高壓交流輸電。

G、ES分別為整流側、逆變側交流系統; E、H、M、N分別為整流側、逆變側交流線路;Ⅰ、Ⅱ為直流線路正、負極;f1、f2為區內、區外故障點圖1 交直流混聯系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of AC-DC hybrid system

工頻量縱聯方向保護的原理建立在如圖2所示故障分量網絡。

ΔUM、ΔIM、ΔUN、ΔIN為M側和N側故障分量電壓、電流;Uf1、Uf2分別為區內故障點f1、區外故障點f2的附加電壓;ZM、ZN、ZLM、ZLN分別為M側、N側系統阻抗和線路阻抗圖2 故障分量網絡Fig.2 Fault component network

一般規定系統運行時線路電流的正方向為從母線流向線路,因此當線路發生故障時有如下關系,當線路上f1點發生接地故障時,M側和N側保護安裝處滿足

(1)

當線路上f2點發生接地故障時,M側和N側保護安裝處滿足式

(2)

工頻量縱聯方向保護的正、反方向判據別式為

18°≤arg(ΔIθ/ΔUθ)≤180°

(3)

-162°≤arg(ΔIθ/ΔUθ)≤0°

(4)

式中:θ為A、B、C三相線路的其中一相;ΔIθ和ΔUθ分別為θ相的故障分量電流、電壓;arg為復數的相角,表示故障電流分量與電壓分量的相角差。

直流輸電系統的接入導致交流系統的故障特征較純交流系統有較大差異,尤其是直流逆變站發生換相失敗時,會導致逆變側交流系統工頻故障電流發生頻率偏移。由于目前工程中對工頻量的提取主要是利用傅里葉變換進行提取,又因為傅里葉變換只能提取基波,將其整數倍的諧波濾除,當逆變側工頻故障電流發生頻率偏移時,傅里葉級數并不能準確提取工頻故障電流,這便增加了保護的計算誤差。另外由于傅里葉變換多為全周傅里葉,需要一個工頻周期的數據窗進行保護計算,在不計算微機保護的動作情況下,保護動作時間最少為20 ms。

工頻量縱聯方向保護需利用傅里葉變換對故障電流進行工頻量的提取,而當工頻故障電流發生頻率偏移時,傅里葉變換無法準確提取工頻量故障電流信息,這便增加了保護的計算誤差,影響工頻量縱聯方向保護在交直流混聯系統中的適應性。

1.2 工頻量縱聯方向保護動作性能分析

結合故障仿真圖像對工頻量縱聯方向保護動作性能進行分析。搭建如圖1所示的交直流混聯系統模型,直流系統電壓為±800 kV,送、受端系統為500 kV,換流站為雙十二脈動結構。設置在1 s時f1點發生持續時間0.3 s的單相金屬性接地故障。

圖3為故障相電流頻率分布圖,從圖3可以看出,故障電流頻率偏移的情況較明顯。傳統傅式算法是針對提取到的工頻量進行處理,對該故障特征下的數據處理效果并不理想。

圖3 故障A相電流的頻率分布Fig.3 Frequency distribution of fault A phase currents

在圖1所示交直流混聯系統中逆變側交流線路設置f1發生A相金屬性接地故障,區內故障設置為線路MN的中段,區外故障設置在M端的反向故障,故障持續時間1 s。圖4和圖5分別為區內故障、區外故障時M側和N側方向保護的動作情況。

圖4 區內故障Fig.4 Internal fault

圖5 區外故障Fig.5 External fault

由圖4可看出,在發生區內故障時M側保護的方向元件在故障后第一個周期內不滿足動作條件,N端保護的判別結果波動較大,在區內故障時M端和N端的保護裝置都不穩定動作。由圖5可看出M端和N端都出現判斷為區內故障的情況,保護可能出現誤動。

由于直流系統的接入,在逆變站發生換相失敗時會導致逆變側工頻故障電流發生頻率偏移,基于工頻量的縱聯方向保護無法準確提取工頻故障電流,在發生區內故障時縱聯方向保護可能出現拒動、發生區外故障時縱聯方向保護可能會出現誤動。基于工頻量的縱聯方向保護在交直流混聯系統中存在適應性問題。

2 基于行波電流極性差異的縱聯方向保護方法

2.1 保護原理

圖6為逆變側交流線路故障期間的初始行波示意圖,故障行波由故障附加電源引起,行波從故障發生點向母線處傳播。

ΔiM和ΔiN為兩保護安裝處的電流初始行波;Δuf1和Δuf2為故障附加電源電壓的初始行波圖6 初始行波示意圖Fig.6 Schematic diagram of the initial traveling waves

電壓和電流極性比較判據原理可簡單理解為:當線路發生正方向故障時,電流和電壓初始行波極性相反,如式(5)所示;發生反方向故障時,電流和電壓具有相同的初始行波極性,如式(6)所示。

ΔuΔi<0

(5)

ΔuΔi>0

(6)

式中:Δi和Δu分別為電流和電壓初始行波。

圖6中發生區內故障時,電流和電壓初始行波關系滿足

(7)

圖6中發生區外故障時,電流和電壓初始行波關系滿足

(8)

由式(7)可看出,當發生區內故障時,兩側保護測量的電流初始行波極性相同。由式(8)可看出,當發生區外故障時,兩側保護測量的電流初始行波極性相反。當發生區內故障時兩端保護裝置都判斷為正方向故障,保護動作;當發生區外故障時,一端保護裝置判斷為正方向故障,一端保護裝置判斷為反方向故障,保護閉鎖。

2.2 小波變換

小波變換具有的奇異點檢測性能,二進小波變換具有較強的時域頻域局部化分析能力,其模極大值點和行波的波頭具有一一對應的關系,故選取二進小波變換對電流突變信號的極性進行檢測。

二進小波變換分解算法為

(9)

式(9)中:V2 jf(n)為小波變換結果的逼近分量;W2 jf(n)為變換結果的小波分量;n為采樣的序號;f為小波變換的尺度;hk和gk為小波函數決定的小波系數。

(10)

小波模極大值可以理解為:存在任意的一個正整數ξ,當|n-n0|<ξ成立時,存在式n≠n0,使得|W2 jf(n0)|≥|W2 jf(n)|始終成立,則|W2 jf(n0)|可認為是小波變換的模極大值,n0為小波變換模極大值|W2 jf(n0)|所對應的采樣序號。

考慮到電容電壓互感器在傳輸頻帶較寬的電壓信號會有一定誤差,本方法僅利用電流初始行波的極性構成基于行波電流極性差異的縱聯方向保護,不需要電壓量的參與,避免電容電壓互感器的傳變特性對保護的影響。

2.3 保護算法的實現

保護的實現主要分為以下三個步驟。

(1)行波的提取。為了提高行波保護的準確性,采用400 kHz的高采樣頻率對故障后1 ms的電流行波進行采樣。

(2)考慮到三相故障電流行波之間存在耦合關系,可利用式(11)的凱倫貝爾變換對三相系統解耦并進行相模變換。

(11)

式(11)中:ia、ib、ic分別為A、B、C三相電流;iα、iβ、iγ、i0分別為A、B、C三相經過凱倫貝爾變換后對應的線模α、β、γ和0模電流。

(3)利用小波變換對電流故障行波進行分解,選取高頻子空間12.5～25 kHz,并求取α、β、γ模極大值提取電流初始行波的波頭極性。

根據式(11)可知,當發生A相接地故障時,三相信號經過凱倫貝爾變換后不存在γ線模,僅有α和β線模,而發生兩相故障和三相故障時各個線模都存在。本文方法可以根據三個線模是否都存在判斷是多相故障還是單相故障。

基于行波電流極性差異的縱聯方向保護利用電流的高頻段信息進行保護計算,避免了交直流混聯系統工頻量偏移對保護的計算影響,且避免了電容式電壓互感器電壓故障信息傳變特性對保護可靠性的影響。該保護僅利用故障后1 ms故障數據進行保護計算,大大提高了保護的計算速度。

3 仿真驗證

在前文理論分析的基礎上,依托新疆某地區交直流混聯系統網架結構,在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建交直流混聯系統模型進行仿真,模型參數如表1所示。

表1 仿真模型參數Table 1 Simulation model parameters

在逆變側交流線路設置不同類型的故障,對所提保護的動作性能進行仿真驗證。

3.1 區內故障

3.1.1 單相接地故障

在圖1中設置逆變側交流系統線路距離M側正方向40 km發生A相接地故障,故障發生時刻對應為0時刻,采樣頻率為400 kHz,選擇1 ms的數據窗,M端電流、電流小波變換和電流小波變換模極大值波形如圖7～圖9所示。

圖7 區內AG故障時M端電流Fig.7 The current of AG internal fault in M side

由圖7和圖8可看出,故障電流ia、ib、ic和經過小波變換的波形具有相同的變化趨勢。

圖8 區內AG故障時M端電流小波變換Fig.8 The current wavelet conversion of AG internal fault in M side

圖8和圖9(a)可看出α模的電流波形出現極值拐點時,經過小波變換模極大值分解可得到α模的電流波形也出現極值拐點;同樣圖8和圖9 (b)可得,β模變化情況與α模相同;圖8中,由于γ模的電流波形是一條直線沒有出現變化,沒有極值拐點,因此圖9 (c)所示γ模的小波變換模極大值沒有模極大值點。α模和β模的模極大值在第一個極性后面出現相同或者相反的極性,但該保護僅需取第一個模極大值的極性,且第一個模極大值后面出現的模極大值較小,不影響保護裝置對行波電流極性的判斷。

N端電流小波變換模極大值波形如圖10所示。

圖10 區內AG故障時N端電流小波變換模極大值Fig.10 The current wavelet transform modulus maxima of AG internal fault in N side

由圖9和圖10可知,單相接地故障時M、N側α模具有相同的正極性,β模具有相同的負極性,沒有γ模,經過兩端保護可判斷為區內故障。

3.1.2 多相故障

在距離M端正方向40 km處設置AB相間故障,M、N端波形圖11和圖12所示。

圖11 區內AB相間故障時M端波形Fig.11 The waveform of AB internal phased fault in M side

圖12 區內AB相間故障時N端波形Fig.12 The waveform of AB internal phased fault in N side

由圖11和圖12可知線路發生AB相間故障時,M端和N端的α模具有相同的負極性,β模具有相同正極性,γ模具有相同的正極性,因此兩側保護能夠判斷為區內多相故障。

其他類型區內故障的判斷結果如表2所示。

表2 區內其他類型多相故障的判斷結果Table 2 Results of other types of internal multiphase faults

表2可看出,在發生兩相接地故障和三相相間故障時M端和N端保護測量的電流α模、β模、γ模具有相同的極性,保護能夠判斷為區內多相故障。

3.2 區外故障

在距離M端反方向20 km處設置區外A相接地故障時,M端和N端電流小波模極大值波形如圖13和圖14所示。

圖13 區外A相接地故障時M端波形Fig.13 The waveform of AG external fault in M side

圖14 區外A相接地故障時N端波形Fig.14 The waveform of AG external fault in N side

由圖13和圖14可以看出當在M端反方向發生A相接地故障時,M端和N端的電流初始行波模極大值中,α模和β模具有相反的極性,γ模都不存在,因此兩側保護裝置經過通訊可以判斷為區外單相故障,保護不動作。

區外多相故障的判別結果如表3所示。

表3 區外多相故障的判斷情況Table 3 Results of the external multiphase faults

由表3可知,當在線路M端反方向發生區外故障時,M端和N端保護的電流初始行波模極大值中,α模、β模和γ模具有相反的極性,因此兩側保護裝置經過通訊可以判斷為區外多相故障,保護不動作。

綜上所述,基于行波電流極性差異的縱聯方向保護利用故障電流的高頻信息進行保護計算,消除了工頻故障電流頻率偏移帶來的影響,并且避免了電容式電壓互感器對電壓故障信息傳變特性對保護可靠性的影響。且保護原理可以區分單相故障和多相故障,不再需要選相元件參與保護的運行。

4 結論

通過理論分析與仿真驗證可以得到以下結論。

(1)基于工頻量的縱聯方向保護在交流側故障電流發生頻率偏移時,傅里葉變換無法準確提取工頻故障電流,會帶來較大的計算誤差,可能造成區內故障時保護拒動,區外故障時保護誤動的情況。

(2)在傳統行波極性保護利用電壓和電流極性進行判斷的基礎上,提出基于行波電流極性差異的縱聯方向保護方法,利用兩端保護安裝處的電流故障初始行波波頭之間極性差異進行判別,避免電容式電壓互感器無法準確傳輸電壓故障行波的問題。

(3)該保護方法只需故障發生后1 ms的數據窗,判斷速度快,不受故障類型的影響;利用高頻信號構建保護,消除交直流混聯系統頻率偏移的影響;能夠分辨單相故障和多相故障,不需要選相元件的參與。