柔性直流輸電線路故障分析與保護綜述

李寧　時洪剛　李鵬

【摘? 要】近年來，柔性直流輸電技術以線損小、輸送距離遠、輸送容量大、無需同步運行、可以快速調(diào)節(jié)功率等巨大優(yōu)勢，在跨區(qū)域送電、各大電網(wǎng)互聯(lián)、分布式能源接入、孤島供電以及大城市供電等領域得到了廣泛的應用，我國電網(wǎng)逐漸呈現(xiàn)出“強直弱交”的特性。輸電線路暴露在空氣中，工作條件惡劣，是整個輸電系統(tǒng)中發(fā)生故障概率最高的元件，直流線路發(fā)生故障會危害電氣設備的安全運行，中斷功率的正常傳輸，直流系統(tǒng)閉鎖、停運會引發(fā)系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定問題甚至造成大停電。所以完善柔性直流輸電線路故障處理，對保障設備安全、提高供電可靠性、維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。

【關鍵詞】柔性直流輸電;故障分析;保護

1柔性直流輸電故障產(chǎn)生

雖然在當前階段智能電網(wǎng)建設當中，柔性直流輸電技術作為“主力軍”，擁有多個方面的突出價值，但是在應用過程中也表現(xiàn)出缺陷。首先，相比于傳統(tǒng)的輸電線路，柔性直流輸電線路的損耗較大。在相關的數(shù)據(jù)對比中也可發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)輸電線路的單站損耗約為0.8%，而柔性直流輸電線路的單站損耗能夠超過1.5%，其中尤以三電平拓撲的vsc線路最為顯著，其單站損耗高達2.2%;其次，柔性輸電線路的容量相對較小，受到小容量的影響，其內(nèi)部的關斷器件所形成的電壓和電流的額定值全部偏低，且遠低于晶閘管的額定值。目前投產(chǎn)的柔性直流輸電工程最大容量不足1000MW，僅為傳統(tǒng)輸電線路的六分之一。受到缺陷因素的影響，柔性輸電線路的固有頻率也相對特殊，其所發(fā)生的故障也多是由于其固有頻率所導致的。在以往的故障發(fā)生時，柔性輸電線路的故障位置所存有的行波會形成異動，并在系統(tǒng)側與故障位置之間進行循環(huán)反射，這種反射過程被稱為“故障行波”。故障行波是柔性輸電線路中一種獨特的諧波，并且具有固定頻率，這個固定頻率可以有衰減系數(shù)、波速度、故障距離以及反射系數(shù)計算求得。

2柔性直流輸電線路故障定位

2.1行波法

行波定位法通過檢測故障行波波頭和波速用以計算故障距離實現(xiàn)故障定位，理論上不受線路類型、過渡阻抗、故障類型的影響，具有很高的測量精度。無論是雙端還是單端行波定位法，其定位的準確性與行波波頭的識別度密切相關。傳統(tǒng)的行波法有A、B、C、D、E、F六種，其中A、D、E型在工程得到了很好的發(fā)展和應用。在此基礎上學者們引進不同的數(shù)學方法，如小波變換、數(shù)學形態(tài)學、Hilbert-Huang變換、獨立分量法等，發(fā)展出各種各樣的數(shù)字故障信號處理方法，從而提高了行波波頭識別和行波波速確定的準確性。

2.2故障分析法

故障分析法是通過測量點采集到的電壓、電流信息進行分析計算，求出與故障距離間的函數(shù)關系，從而找到故障發(fā)生位置。該方法對采樣頻率要求不高，原理簡單實用，可靠性高。根據(jù)采用的電路模型不同，故障識別分析法又可以進一步細分為集中參數(shù)法和分布參數(shù)法。隨著近年來人工智能算法在電力系統(tǒng)應用的不斷發(fā)展，越來越多學者運用智能算法來分析和處理故障信息，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法模擬退火算法等等。

3柔性直流系統(tǒng)的故障隔離技術

3.1直流斷路器隔離

采用直流斷路器進行故障隔離可以提高柔性直流電網(wǎng)的供電可靠性，從而實現(xiàn)最小范圍且具有選擇性的故障切除，是目前最為合適的直流故障隔離措施。從技術層面區(qū)分，直流斷路器主要分為機械式斷路器、固態(tài)斷路器和混合式斷路器。機械式斷路器未采用電力電子器件，以交流斷路器滅火技術為基礎，將交流斷路器的機械開斷單元應用于直流拓撲結構開斷中。固態(tài)式直流斷路器的開關器件則全部由半導體器件組成，雖然其開斷速度快，但是單個固態(tài)式開關承受的電壓電流等級較低，若在高電壓等級中使用則造價昂貴且通態(tài)損耗高，故目前較多應用于中低壓領域?；旌鲜街绷鲾嗦菲魇怯蓹C械開關和電力電子開關元件組合而成的。世界首臺500kV混合式高壓直流斷路器在3ms內(nèi)開斷電流高達25kA，其技術指標可滿足未來張北柔性直流輸電工程的需要。隨著電力電子技術的發(fā)展，直流斷路器將越加成熟與先進，有助于提升柔性直流電網(wǎng)設備控制的安全性和友好性。

3.2交流斷路器隔離

交流斷路器隔離柔性直流輸電線路故障可采用基于“握手原則”的保護方案，具體過程如下：當控制保護系統(tǒng)檢測到直流側發(fā)生故障后，全部換流器立刻閉鎖，確保開關器件不過流，從發(fā)生故障起至全部換流器閉鎖，檢測延時及保護裝置動作所需時間為5-10ms;換流器閉鎖后，直流側故障電流開始逐漸衰減，保護系統(tǒng)將向所有交流斷路器發(fā)送跳閘信號，以切斷交流側向故障點提供的短路電流;當直流側故障電流衰減到零時，再利用直流隔離開關切除直流故障線路，從而實現(xiàn)交流斷路器對直流故障的隔離。隨后再根據(jù)“握手原則”識別故障線路，通過解鎖換流站和重合交流斷路器，使未故障部分繼續(xù)運行。

4柔性直流輸電線路故障保護

4.1行波保護方法

由電路疊加原理可知，直流線路發(fā)生故障時，可等效為在故障點處疊加一個與故障點處正常情況下的電壓大小相同，極性相反的電壓源，從而產(chǎn)生含有豐富故障信息的故障行波。與基于工頻電氣量的保護相比，行波保護通過提取故障行波波頭、電壓電流突變量等暫態(tài)信息完成故障識別，有著動作速度快，精度高等優(yōu)點。同時，行波保護應用在直流系統(tǒng)中相比在交流系統(tǒng)中具有更多的優(yōu)勢。交流系統(tǒng)當故障發(fā)生于電壓初相角為0時（即電壓過零時刻），則故障附加電壓為零，不會有故障行波產(chǎn)生，因而保護不會動作，存在動作死區(qū)。直流系統(tǒng)中的直流電壓沒有初相角的問題，因此不會有上述問題產(chǎn)生。另外，交流系統(tǒng)的不同母線結構對行波的傳輸影響較大，直流系統(tǒng)由于沒有線路換位，分支系數(shù)的影響，結構簡單，因此更易分析線路中的故障行波特征。綜上所述，鑒于行波保護的諸多優(yōu)點，行波保護成為直流輸電線路保護的重要研究方向之一。

4.2縱聯(lián)差動保護方法

縱聯(lián)差動保護利用雙端電氣量差異構成保護，理論上具有絕對的選擇性。傳統(tǒng)的縱聯(lián)電流差動保護僅簡單將直流線路兩端電流相加，未考慮線路分布電容對電流的影響，區(qū)外故障、啟動過程等任何會導致電壓變化的過程都可能導致保護誤動，為防止保護誤動，需要經(jīng)過較長延時躲過暫態(tài)過程，因此動作速度較慢。縱聯(lián)差動保護中的行波差動原理，具有不受故障暫態(tài)過程，分布電容影響的優(yōu)勢。有研究提出將行波差動原理應用到直流線路保護中，并用反行波線模量構造差動判據(jù)，用零模量判定故障極。但行波差動保護易受行波色散、插值計算誤差等影響，由此產(chǎn)生的不平衡電流可能導致保護誤動。針對行波差動保護存在的問題，還有研究通過分析不同位置故障的行波波形差異，提出一種利用行波能量閉鎖的行波差動保護原理，該原理可有效克服傳統(tǒng)行波差動保護的缺陷，可靠識別區(qū)內(nèi)外故障，但需要較長的時間窗。

4.3基于直流系統(tǒng)結構特征的保護方法

傳統(tǒng)高壓直流系統(tǒng)中，在整流側和逆變側安裝有平波電抗器和直流濾波器，兩部分共同成為了直流線路兩端的邊界。直流線路邊界對高頻信號具有明顯的濾波作用。針對這一特性，國內(nèi)外很多研究提出了利用區(qū)內(nèi)外故障時保護安裝處的高低頻信號差異構成保護判據(jù)，即邊界保護。

5結束語

文章闡述了柔性直流輸電的故障類型和保護分區(qū)，結合現(xiàn)階段的故障隔離技術，介紹了直流斷路器和換流器的應用狀況。為快速隔離故障，詳細介紹了線路保護中的行波保護、縱聯(lián)差動保護和其他新型保護。隨著電力電子技術的成熟和對繼電保護技術的深入研究，柔性直流輸電存在的缺陷將逐一得到解決，未來柔性直流電網(wǎng)將更加安全可靠、清潔綠色。

參考文獻：

[1]宋國兵，李德坤，靳東暉，冉孟兵，靳幸福，郭潤生.利用行波電壓分布特征的柔性直流輸電線路單端故障定位[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，3715：83-88.