交直流互聯(lián)系統(tǒng)對電流差動保護的影響分析及對策

申洪明，黃少鋒，費 彬

(華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206)

0 引 言

隨著高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)的迅速發(fā)展，交直流混合輸電電網(wǎng)在我國已逐步形成。HVDC 在實現(xiàn)遠距離、大容量、非同步電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有獨特優(yōu)勢［1～3］。但交直流互聯(lián)系統(tǒng)使得交流側(cè)故障過程中出現(xiàn)了許多新的電氣特征，這對交流電網(wǎng)的繼電保護產(chǎn)生了重大影響。

文獻［4］在電磁暫態(tài)框架下研究交直流系統(tǒng)相互影響機理和交流故障特征的變異機理，給出了暫態(tài)功率倒向的計算模型和方法;文獻［5］通過開關(guān)函數(shù)法分析了換相失敗情況下直流系統(tǒng)注入交流電網(wǎng)等值工頻及工頻變化量電流的特性;文獻［6］分析了換相失敗對突變量選相元件的影響;文獻［7 ～9］詳細分析了換相失敗對縱聯(lián)差動保護、距離保護和縱聯(lián)方向保護的影響;文獻［10］以一起誤動事故為例詳細分析了換相失敗對交流側(cè)繼電保護的影響，特別是對縱聯(lián)方向保護的影響。上述文獻雖然很好的分析了交直流互聯(lián)系統(tǒng)換相失敗對繼電保護的影響，但并沒有提出相應(yīng)的措施，而且對于連接開關(guān)站和逆變換流站的線路缺乏相應(yīng)研究。

本文首先詳細分析了僅發(fā)生交流側(cè)故障時直流系統(tǒng)等值工頻變化量電流的特征，然后將交直流互聯(lián)系統(tǒng)分成3 部分，詳細探討了僅發(fā)生交流側(cè)故障時對與直流系統(tǒng)直接相鄰的交流系統(tǒng)電流差動保護的影響。分析結(jié)果表明僅發(fā)生交流側(cè)故障時對穩(wěn)態(tài)量的電流差動保護影響最大。并提出了僅基于幅值判據(jù)的防范措施。最后基于PSCAD/EMTDC 仿真驗證了分析結(jié)果的正確性。

1 直流系統(tǒng)等值工頻變化量電流ΔIdc.eq1的暫態(tài)特性分析

圖1 為交直流互聯(lián)系統(tǒng)等值電路圖，對于逆變側(cè)受端交流系統(tǒng)而言，直流系統(tǒng)可以等效成一個由逆變站交流側(cè)母線電壓控制的受控電流源［8］。圖中idc.eq為考慮無功補償?shù)妊b置時流入交流系統(tǒng)的直流系統(tǒng)等值電流。

圖1 交直流互聯(lián)系統(tǒng)等效圖Fig.1 Equivalent diagram of AC/DC interconnected system

圖1 中idc為逆變器交流側(cè)等值電流，icap為流過交流濾波器及無功補償裝置的電流，ubus為交流母線電壓。當下標出現(xiàn)1 時，表示對應(yīng)的工頻分量，如idc1表示逆變器交流側(cè)等值工頻電流。

交流側(cè)故障發(fā)生后直流系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)主要分為不引發(fā)換相失敗和引發(fā)換相失敗兩類。當交流側(cè)故障引發(fā)換相失敗時，文獻［7 ～9］已經(jīng)對直流系統(tǒng)等值工頻變化量電流ΔIdc.eq1的暫態(tài)特性進行了詳細的研究，研究結(jié)果表明:換相失敗期間ΔIdc.eq1的幅值和相角都會發(fā)生顯著的變化，從而對交流側(cè)繼電保護產(chǎn)生不利影響。下面重點分析交流側(cè)故障不引發(fā)換相失敗時ΔIdc.eq1的暫態(tài)特性。

圖2 所示為正常穩(wěn)態(tài)時的A 相電壓及閥電流波形，其中相電流以流入交流系統(tǒng)為正，此時逆變器交流側(cè)等值工頻電流Idc1和交流相電壓U1的相位差φ 為［1］

圖2 正常運行的電壓電流波形Fig.2 Waveform of voltage and current under normal operation

式中:β 為越前觸發(fā)角;μ 為換相角。

顯然正常運行時，Idc1超前于相電壓U1，若以相電壓U1為基準，則Idc1位于第一象限。需要指出的是，由于直流受端一般靠近區(qū)域電網(wǎng)的負荷中心，因此逆變側(cè)通常采用全補償?shù)臒o功補償方式［5］，則正常運行工況下的Idc.eq1與U1可視為同相位。正常運行時的電壓電流關(guān)系矢量圖如圖3所示。

圖3 正常運行時的電壓、電流相量圖Fig.3 Phase diagram of voltage and current under normal operation

當交流側(cè)故障發(fā)生時，由于逆變側(cè)直流電壓隨交流電壓的降低而減少，因此直流電流必然有一個逐漸增大的過程，與此同時由于電流增大和換相電壓的降低使換相角μ 也隨之增大［1］。逆變器通常采用定γ 角控制，將有:

式(2)中:Δμ 為換相角的變化值;β′ 為換相失敗后的越前觸發(fā)角。

由式(1)、(2)可得故障發(fā)生后Idc.1超前相電壓的角度為

因此，Idc1超前相電壓的角度將增大，因而在相角方面，此時Idc1將逆時針轉(zhuǎn)過Δμ/2 的電角度。由于沒有引發(fā)換相失敗，所以直流電流變化有限，Δμ 數(shù)值理應(yīng)較小;與此同時，由于換流母線電壓降低，無功補償電流Icap.1也將相應(yīng)減小，因此Idc.eq1轉(zhuǎn)過的角度也較小;在幅值方面，由于沒引發(fā)換相失敗時換流母線壓降十分有限［11］，所以低壓限流環(huán)節(jié)VDCOL 仍然將直流電流穩(wěn)定在額定值附近，因此Idc.eq1的幅值變化不大。綜上所述可以看出，僅發(fā)生交流側(cè)故障時Idc.eq1的幅值和相角變化都不大，所以造成了等值工頻變化量電流ΔIdc.eq1較小，如圖4 所示。由于對交流母線電壓U1擾動很小，所以可以認為U1的相角不變。圖4中I′

dc.eq1表示僅發(fā)生交流側(cè)故障時直流系統(tǒng)等值工頻電流。理論上講，I′dc.eq1的幅值在故障暫態(tài)過程中可能大于或小于Idc.eq1，下面分情況進行討論:

圖4 未發(fā)生換相失敗時ΔIdc.eq1 的變化Fig.4 Change of ΔIdc.eq1 under AC faults without causing commutation failure

需要指出的是，對于繼電保護Ⅰ段而言，通常要求動作速度在30 ms 以內(nèi)，對于未引發(fā)換相失敗的交流故障，由于直流控制的作用將呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，但在保護I 段時間內(nèi)，一般大于即屬于上述情形(1)，如圖5所示。其中圖5 是CIGRE HVDC 標準模型中設(shè)置B 相在0.5 s 發(fā)生150 Ω 過渡電阻接地故障得到的，t0為故障時刻。

圖5 等值工頻電流的變化曲線Fig.5 Change curve of equivalent power frequency current

2 交直流互聯(lián)系統(tǒng)對電流差動保護的影響分析

圖6 交直流互聯(lián)系統(tǒng)圖Fig.6 The diagram of AC/DC interconnected network

圖6 表示的是簡化的交直流互聯(lián)系統(tǒng)圖，為了便于說明問題，將交直流互聯(lián)系統(tǒng)分為3 部分:HVDC 系統(tǒng)，交流系統(tǒng)1 和交流系統(tǒng)2。對于交流系統(tǒng)2 而言，通常線路T2 很短，一般用來連接開關(guān)站和換流站;而在交流系統(tǒng)1 中T1 為長距離的輸電線路［8］。對于T1，T2 而言，在區(qū)外故障時顯然電流差動保護能準確判斷，因此主要考慮區(qū)內(nèi)故障受直流饋入的影響。在僅發(fā)生交流側(cè)故障時，由于ΔIdc.eq1很小，因此對交流系統(tǒng)1 而言，此時HVDC 系統(tǒng)與正常運行時差異不大，因此當交流系統(tǒng)1 中發(fā)生F1 內(nèi)部故障時，此時電流差動保護影響不大;考慮到T2 為短線路，所以此時兩側(cè)同步問題并不突出，因此一般都要配置差動保護作為短線路的主保護。但在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，對于交流系統(tǒng)2 而言，如果發(fā)生F2 內(nèi)部故障，此時兩側(cè)感受到的電氣量差異很大，此時對差動保護的影響就會十分突出，下面重點分析交流系統(tǒng)2僅發(fā)生內(nèi)部故障時對電流差動保護的影響。

2.1 故障分量的電流差動保護的影響分析

為了分析交流系統(tǒng)2 電流差動保護在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中的動作行為，將圖6 等效為圖7，如圖7所示。

圖7 等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit

圖7 中ZLM表示M 側(cè)保護安裝處到故障點F的阻抗;ZLN表示N 側(cè)保護安裝處到故障點F 的阻抗;ZSN表示系統(tǒng)N 的系統(tǒng)阻抗。

輸電線路中電流差動保護在實際應(yīng)用中為了確保在外部故障時保護不誤動，通常采用具有制動特性的保護判據(jù)。同時為了克服全電流差動保護在重負荷高阻抗情況下靈敏度不足的問題，還利用故障分量電流實現(xiàn)差動保護，其判據(jù)如下

式中:ΔIM，ΔIN分別表示M 側(cè)和N 側(cè)工頻電流的故障分量;k 表示制動系數(shù)，k 的取值并無一個確定的值。但由于基于故障量的電流差動保護消除了負荷分量的影響，因此為了提高保護的靈敏性，相對于穩(wěn)態(tài)量而言可以將制動系數(shù)降低;但同時考慮到故障量的計算可能引入誤差，為了確保保護不誤動，又需要將制動系數(shù)在穩(wěn)態(tài)量的基礎(chǔ)上提高一些，根據(jù)現(xiàn)場制動系數(shù)的整定情況，k 一般可取0.3 ～1.0。僅發(fā)生交流側(cè)故障時雖然沒有引發(fā)換相失敗，但也會引起直流系統(tǒng)相應(yīng)控制的調(diào)節(jié)，即HVDC 系統(tǒng)表征出了類似于故障的擾動源。由于換流站電力電子器件的非線性及直流控制保護系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)，在此暫態(tài)過程中，直流系統(tǒng)電氣量處于時刻變化之中，但對于一個給定的時間窗，總可以將其分解為基波和各次諧波分量之和，即ΣIdceq.n，因此若將直流系統(tǒng)視作一個外部故障電源，且僅就其中的工頻量進行分析，則整個受端網(wǎng)絡(luò)仍可以視為線性的，它在故障時的暫態(tài)響應(yīng)仍然可以按照疊加原理求得，因此可以把圖7 分解成圖8 所示的3 種系統(tǒng)狀態(tài)的疊加。圖中表示故障前短路點處空載電壓，顯然與相電壓U1同相位，IL表示正常運行下的負荷電流。

圖8 疊加等效電路圖Fig.8 Superposition circuit diagram

由圖8 可以得到:

對于動作量ΔId而言，由于是短線路，并且ΔIdc.eq1較小，所以一般情況下(ZLN+ ZSN)ΔIdc.eq1對于制動量ΔIr而言，由于Rg數(shù)值較為可觀(短線路下發(fā)生故障并沒有引發(fā)換相失敗，意味著過渡電阻比較大)，所以此時2RgΔIdc.eq1不能忽略，此時(5)、(6)進一步化簡為

通過式(7)可以看出，在故障形式一定的情形下，此時動作量一般比較穩(wěn)定，波動較小;通過第1部分的分析可知，由于交流側(cè)發(fā)生故障但未引發(fā)換相失敗的暫態(tài)過程中一 般 大 于因此ΔIdc.eq1與U1之間的夾角一般小于90°，另外由于隨著Idc.eq1逆時針轉(zhuǎn)動的過程中增大，所以制動量也會逐漸增大，一旦大于動作量，就會引發(fā)保護的拒動。

2.2 穩(wěn)態(tài)量的電流差動保護的影響分析

由故障分析理論可知，故障分量加上負荷分量即穩(wěn)態(tài)量。此時穩(wěn)態(tài)量的動作量跟故障分量的動作量相同，而制動量增加了2IL，此時基于穩(wěn)態(tài)量的電流差動保護可以寫為

式中:k1表示制動系數(shù)，一般取0.5 ～0.7。

與故障分量判據(jù)相比，穩(wěn)態(tài)量判據(jù)只是在制動量中增加了2IL。通過第1 節(jié)的分析可知，ΔIdc.eq1的幅值較小，所以ΔIM幅值較小，同時考慮到大過渡電阻情況下ΔIN大小也非常有限，因此負荷電流的加入會大大增加制動量的大小，非常容易造成動作量小于制動量，造成保護的拒動。

2.3 減少保護區(qū)內(nèi)故障拒動的措施

傳統(tǒng)的電流差動保護實際上利用了電流的幅值和相角特征來識別區(qū)內(nèi)故障和其他工況。在交直流互聯(lián)系統(tǒng)而言，保護一側(cè)連接等值直流系統(tǒng)，另一側(cè)連接的是交流系統(tǒng)，無論交流側(cè)故障是否引發(fā)了換相失敗，由于直流控制的原因，此時兩側(cè)電流的幅值差異很大，而且與故障位置無關(guān)。另一方面，無論是正常運行還是區(qū)外故障，兩側(cè)電流的幅值幾乎相等，即IM/IN≈1?？紤]到測量誤差等因素的影響，可以取K = IM/IN∈(0.95，1.05)。當幅值的比值K 位于該區(qū)間以外時，則判為區(qū)內(nèi)故障。即新的差動保護的判別邏輯如圖9 所示。

圖9 新的保護判別邏輯Fig.9 New protection logic

新的判別邏輯不僅限于交流系統(tǒng)2，對任何位置的受端系統(tǒng)都成立。新的判據(jù)可能無法做到在任何工況下都能準確動作，但至少比單一的利用傳統(tǒng)保護判據(jù)的性能有所提高。

3 仿真驗證

3.1 模型說明

利用PSCAD/EMTDC 搭建如圖7 所示的仿真模型，圖中直流系統(tǒng)采用國際大電網(wǎng)會議CIGRE的HVDC 標準模型，受端交流系統(tǒng)短路比SCR =4.4，線路MN 全長為20 km，參數(shù)為:r1=0.025e－3(Ω/m)，x1=0.3e－3(Ω/m);r0=0.075e －3(Ω/m)，x0=0.9e－3(Ω/m)。采樣頻率4 000 Hz，所有故障均設(shè)置在0.5 s 發(fā)生，持續(xù)時間為0.05 s。為了在最極端的情況下保證保護動作的可靠性，穩(wěn)態(tài)量判據(jù)和故障量判據(jù)的制動系數(shù)分別取為0.7 和1。

3.2 基于故障量的仿真分析

圖10 故障分量仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of current differential protection based on fault component

圖10 是在線路中點經(jīng)120 Ω 過渡電阻發(fā)生A相接地故障下形成的仿真分析圖。圖10(a)表示的是動作量和制動量的大小;圖10(b)表示的是動作量和制動量的比值;圖10(c)表示的是故障后的大小。由圖10(c)可以看出，此時所以ΔIdc.eq1與之間的夾角小于90°，因此制動量隨著數(shù)據(jù)窗的移動越來越大，如圖10(a)虛線所示。同時由于動作量幾乎保持不變，從而使得兩者的比值越來越小，如圖10(b)中在0.525 s 后兩者的比值將小于1，可能低于整定的制動系數(shù)而造成保護的拒動。

3.3 穩(wěn)態(tài)量的仿真分析

圖11 是在線路15 km 處發(fā)生經(jīng)150 Ω 過渡電阻A 相接地故障時計及負荷分量的動作電流Id與制動量Ir的實際值及兩者的比值。由圖11(a)可以看出此時制動量遠大于動作量，從而使得制動系數(shù)遠小于整定值0.7，如圖11(b)所示，因此將造成保護的拒動。

圖11 穩(wěn)態(tài)量仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of current differential protection based on steady component

圖12 穩(wěn)態(tài)量仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of current differential protection based on steady component

圖12 是在線路15 km 處發(fā)生經(jīng)100 Ω 過渡電阻A 相接地故障形成的仿真圖形，此時恰好未引發(fā)換相失敗故障。由圖12(a)可以看出此時制動量仍遠大于動作量，從而使得制動系數(shù)遠小于整定值0.7，從而造成保護的拒動。

通過圖11 與圖12 的仿真結(jié)果可以看到，交流側(cè)發(fā)生故障但未引起換相失敗時，對于與直流系統(tǒng)直接相連的輸電線路，穩(wěn)態(tài)量差動保護的制動量要遠大于動作量，容易導致保護拒動。

3.4 防范措施的仿真分析

圖13(a)、(b)故障類型與圖11，12 相同。此時兩側(cè)電流幅值的比值IM/IN?(0.95，1.05)，所以判為內(nèi)部故障，新的判據(jù)能可靠動作。

圖13 幅值判據(jù)仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of the amplitude criterion

4 結(jié) 論

本文對交直流互聯(lián)系統(tǒng)下輸電線路電流差動保護進行了詳細的分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)僅發(fā)生交流側(cè)故障，即使未引發(fā)換相失敗，也會對電流差動保護的穩(wěn)態(tài)量判據(jù)和故障量判據(jù)產(chǎn)生影響，其中對穩(wěn)態(tài)量判據(jù)的影響最為嚴重。因此在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中采用差動保護作為短線路的主保護并不可靠。

(2)隨著數(shù)據(jù)窗的移動，基于故障量的電流差動保護中的動作量變動不大，但制動量可能會增大，導致保護的靈敏性逐漸降低。僅利用兩側(cè)幅值作為新的輔助判據(jù)，可以有效的提高差動保護的動作性能。

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