特高壓交直流互聯(lián)系統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)研究

王奇 蘇浩輝 唐浩 毛建維

摘? ?要：特高壓交直流（UHVAC-DC）互聯(lián)系統(tǒng)的迅速發(fā)展使得諧波變得更加不穩(wěn)定。研究了有功電流差動(dòng)保護(hù)方法在UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用。分析了特高壓直流（UHVDC）輸電對(duì)傳統(tǒng)電流保護(hù)方法有效性的負(fù)面影響，介紹了有功電流差動(dòng)保護(hù)方法的原理，表明該方法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化和不穩(wěn)定諧波的影響較小。同時(shí)，在PSCAD平臺(tái)上進(jìn)行了仿真，探討了該方法在AC輸電線路各種故障類(lèi)型情況下的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明，有功電流差動(dòng)保護(hù)可以提高UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)的保護(hù)靈敏度。

關(guān)鍵詞：特高壓交直流;基波電流;差動(dòng)保護(hù);特征諧波;

中圖分類(lèi)號(hào)：TM433? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003—6199（2020）02—0062—05

Abstract：The rapid development of UHVAC-DC interconnected system makes harmonics more unstable. This paper mainly studies the application of active current differential protection in UHVAC-DC interconnected system. The negative influence of UHVDC transmission on the effectiveness of traditional current protection method is analyzed. The principle of active current differential protection method is introduced. It shows that the method has less influence on the variation of system parameters and unstable harmonics. On this basis，the simulation is carried out on the PSCAD platform，and the application of this method in AC transmission line under various fault types is discussed. The simulation results show that active current differential protection can improve the protection sensitivity of UHVAC-DC interconnected system.

Key words：UHVAC-DC;fundamental current;differential protection;characteristic harmonics;

由于我國(guó)能源和用戶(hù)負(fù)荷分布的不利，國(guó)家電網(wǎng)大力發(fā)展適用于長(zhǎng)距離大容量輸電的特高壓交直流（UHVAC-DC）技術(shù)[1]，以滿足清潔能源輸送、電力供應(yīng)的迫切需要。隨著UHVAC-DC互聯(lián)電網(wǎng)的建成，電網(wǎng)大規(guī)模優(yōu)化資源配置能力顯著提高[2]。同時(shí)，電網(wǎng)的集成化特征越來(lái)越突出使得發(fā)送端與接收端、AC端與DC端耦合更加緊密[3]。文獻(xiàn)[4]提出了用有功功率代替電流的縱向差動(dòng)保護(hù)方法。該方法不受分布容量和無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行條件的影響，對(duì)數(shù)據(jù)同步的要求相對(duì)較低，并在變壓器上的應(yīng)用得到了廣泛的研究。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)縱向差動(dòng)保護(hù)方法對(duì)電壓死區(qū)很敏感，在發(fā)生金屬故障時(shí)靈敏度較低。

基于提取單相瞬時(shí)有功電流的原理，對(duì)UHVAC-DC系統(tǒng)的AC線路在發(fā)生故障時(shí)的有功差動(dòng)電流進(jìn)行了分析。研究了一種分頻有功瞬時(shí)基波電流差動(dòng)保護(hù)方法及其整定原理。從根本上避免了分布式電容電流和無(wú)功補(bǔ)償電流的影響，不需要借助電阻參數(shù)且計(jì)算量小，從而滿足UHV輸電線路對(duì)差動(dòng)保護(hù)的選擇性和靈敏度的要求。

1? ?UHVDC換相失效對(duì)AC保護(hù)的影響

典型的UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)模型如圖1所示。當(dāng)AC系統(tǒng)與DC系統(tǒng)相連接時(shí)，AC保護(hù)操作發(fā)生在AC故障引起的DC通信故障和相應(yīng)的控制操作后的暫態(tài)期間[6]。同時(shí)，AC系統(tǒng)在運(yùn)行特性上變化較大，并產(chǎn)生干擾AC電網(wǎng)的非特征諧波，進(jìn)而影響了基于基波電流相量的傳統(tǒng)AC線路保護(hù)運(yùn)行性能[7]。

在AC-DC互聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)AC系統(tǒng)發(fā)生故障并觸發(fā)DC系統(tǒng)換相故障時(shí)，由于變換器的非線性特性，AC電網(wǎng)會(huì)受到DC系統(tǒng)非特征諧波的嚴(yán)重干擾[8]。尤其是頻率在50 Hz左右的次諧波和間諧波的干擾不能通過(guò)傳統(tǒng)保護(hù)方法的單周期或半周期傅里葉算法濾除[9]。因此，基波電流相量的提取存在較大的計(jì)算誤差。

2? ?有功電流差動(dòng)保護(hù)原理

2.1? ?單相有功電流的提取方法

圖1中UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)的等效電路，如圖2所示。

其次，利用低通濾波器（LPF）得到ip（t）的基波有功電流的幅值[12]，其中包含基波頻率最小的AC分量。因此，圖3中LPF的截止頻率應(yīng)小于50 Hz。

2.2? ?分相差動(dòng)有功電流分析

為了簡(jiǎn)化分析，忽略了線路阻抗。在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生內(nèi)部接地故障時(shí)，輸電線路可等效于圖4中的電路，其中r為過(guò)渡電阻，ir為故障電流。

在M側(cè)，假設(shè)基波電壓相位為ωt，則故障電流為：

其中，ILM為感應(yīng)電流幅值，ICM電容電流幅值，IrM為流過(guò)M側(cè)的基本故障電流幅值。當(dāng)使用圖3所示的提取對(duì)iM進(jìn)行處理時(shí)，可以得到如下公式：

其中，iph和iqh分別表示在p軸和q軸上頻率為基頻的兩倍的諧波分量。當(dāng)使用截止頻率小于100Hz的濾波器進(jìn)行處理時(shí)，可以得到p軸上的DC分量[13]，即iaqM。iaqM的幅值與M側(cè)基本故障電流幅值相同：

同樣，P軸上的DC分量，即iapM，也可以用N側(cè)相同的變換得到：

同樣，當(dāng)發(fā)生外部故障時(shí)，可以得到M側(cè)和N側(cè)的差動(dòng)有功電流，如下所示：

當(dāng)δMN≈0，公式（12）可以改寫(xiě)為：

2.3? ?分相差動(dòng)有功電流保護(hù)的判據(jù)和整定原理

當(dāng)UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)的接收端在最大操作條件或電壓測(cè)量點(diǎn)發(fā)生金屬接地故障時(shí)，M側(cè)和N側(cè)之間的電壓差不一定接近于0，因此差動(dòng)有功電流不一定是接近于0。針對(duì)傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)，提出了一種帶制動(dòng)系數(shù)的有功電流差動(dòng)保護(hù)方法，以增強(qiáng)對(duì)外部故障或內(nèi)部故障診斷的選擇性。標(biāo)準(zhǔn)如下：

操作閾值Iap0的設(shè)置原則是在發(fā)生最嚴(yán)重的外部故障時(shí)，避免電流不平衡[15]。制動(dòng)系數(shù)Kap的設(shè)定原則是在最大運(yùn)行工況和外部故障最嚴(yán)重的情況下避免產(chǎn)生有功電流。

3? ?實(shí)驗(yàn)仿真

3.1? ?PSCAD中的仿真模型

根據(jù)廣州至深圳±800 kV的UHVDC輸電工程的系統(tǒng)參數(shù)，在PSCAD平臺(tái)上采用單極接地回路運(yùn)行方式建立了仿真模型。

（1）AC子系統(tǒng)模型：為了使發(fā)送端和接收端的電網(wǎng)等效簡(jiǎn)化，采用恒壓模擬了整流側(cè)和逆變器側(cè)的電網(wǎng)，并用等效內(nèi)阻反映了系統(tǒng)的實(shí)際強(qiáng)度。

（2）DC輸電線路模型：UHVAC-DC線路的額

定DC電壓為800 kV，在最大運(yùn)行工況下實(shí)際電壓可達(dá)825 kV。DC線路長(zhǎng)1000 km，額定電流3 kA，額定傳輸功率3200 MW。

（3）變壓器模型：變壓器由兩個(gè)6脈沖變換器串聯(lián)組成的12脈沖變換器對(duì)變壓器進(jìn)行了仿真，如表1所示。

在UHVDC系統(tǒng)中，平滑電抗器的感抗值設(shè)為0.29 mH。位于變流器側(cè)的AC濾波器電路如圖7所示。

圖7中，a為第3次諧波調(diào)諧的三階高通濾波器，b為第11次諧波調(diào)諧的二階高通濾波器，c為并聯(lián)電容器，廣州和深圳變電站的AC濾波器參數(shù)分別如表2和表3所示。

（4）UHVDC控制器模型：整流器和逆變器由PI控制器通過(guò)恒流控制，其參數(shù)根據(jù)CIGRE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

3.2? ?仿真結(jié)果與分析

（1）故障相位跟蹤：當(dāng)電壓測(cè)量點(diǎn)附近發(fā)生金屬接地故障時(shí)，電壓波形會(huì)嚴(yán)重失真。此時(shí)SPLL能否克服電壓暫降、諧波等因素的影響，不斷準(zhǔn)確地跟蹤電壓相位對(duì)于后續(xù)有功電流的提取至關(guān)重要。例如，當(dāng)金屬接地故障發(fā)生在L側(cè)測(cè)量時(shí)，如圖2所示，故障相位電壓波形和SPLL相位角如圖8所示。

從圖8可以看出，故障發(fā)生時(shí)相位電壓波形發(fā)生突變，由此產(chǎn)生高頻諧波分量，而SPLL仍能及時(shí)跟蹤相位信息。

（2）正常工況狀態(tài)下的不平衡有功電流：為了保證有功電流差動(dòng)保護(hù)在處理外部故障時(shí)的選擇性，采用了制動(dòng)系數(shù)的保護(hù)判據(jù)。用Kap表示制動(dòng)系數(shù)，即運(yùn)行電流與制動(dòng)電流之比。

在最大運(yùn)行工況條件下，當(dāng)終端N或L處發(fā)生最嚴(yán)重的金屬故障時(shí)K的變化曲線如圖9所示。其中，Kap的最大值為0.19。

（3）無(wú)功補(bǔ)償裝置的影響：無(wú)功補(bǔ)償裝置是UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。變壓器在正常運(yùn)行過(guò)程中消耗了大量的無(wú)功功率。當(dāng)DC系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，DC系統(tǒng)需要從AC系統(tǒng)中吸收大量的無(wú)功功率。因此，變電站通常配備大量的無(wú)功補(bǔ)償裝置。當(dāng)使用傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)時(shí)，由于無(wú)功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的電流可認(rèn)為是不平衡電流，因此，可計(jì)算補(bǔ)償電流（感應(yīng)電流）。綜上所述，提出的有功電流差動(dòng)保護(hù)方法不受有功電流與無(wú)功電流空間關(guān)系的影響，如圖10所示。

（4）過(guò)渡電阻對(duì)靈敏度的影響：將傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)方法與本文提出的方法在同一傳輸線上進(jìn)行靈敏度比較。以單相接地故障為例，兩種方法的靈敏度曲線如圖11所示。

從圖11可以看出，所提方法的靈敏度始終高于傳統(tǒng)方法。即使在過(guò)渡電阻達(dá)到700 時(shí)，所提方法仍具有足夠的靈敏度來(lái)區(qū)分內(nèi)部和外部故障;而傳統(tǒng)方法在過(guò)渡電阻僅為300 時(shí)無(wú)法區(qū)分。

4? ?結(jié)? ?論

分析了UHVDC接線對(duì)接收端電流的影響。針對(duì)這一問(wèn)題，研究了有功電流差動(dòng)法在UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)保護(hù)中的應(yīng)用。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為兩點(diǎn)：（1）原理簡(jiǎn)單，可避免無(wú)功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的電容電流和補(bǔ)償電流的影響;（2）不需要系統(tǒng)阻抗參數(shù)，即比傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)方法更具有適用性。最后仿真結(jié)果表明，有功電流差動(dòng)保護(hù)可以提高UHVAC-DC互聯(lián)系統(tǒng)的保護(hù)靈敏度。

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