考慮信號(hào)展寬的西門子行波保護(hù)適應(yīng)性分析

戴文睿，李小鵬，林 圣

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

高壓直流輸電因其在遠(yuǎn)距離、大容量跨區(qū)輸電中的優(yōu)勢(shì)而在中國(guó)迅猛發(fā)展[1-2]。然而，在現(xiàn)有高壓直流輸電系統(tǒng)故障中輸電線路故障占比較高；且據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前輸電線路保護(hù)的正確動(dòng)作率僅有50%，其余故障由直流控制系統(tǒng)響應(yīng)動(dòng)作。這會(huì)引起不必要的系統(tǒng)停運(yùn)，造成巨大的設(shè)備損耗和經(jīng)濟(jì)損失[3]。

現(xiàn)有高壓直流線路保護(hù)體系由行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)和縱差動(dòng)保護(hù)等組成。行波保護(hù)是線路保護(hù)的主保護(hù)，其主要任務(wù)是快速切除嚴(yán)重的區(qū)內(nèi)故障，如金屬性接地故障[4-5]。微分欠壓保護(hù)和縱差動(dòng)保護(hù)作為行波保護(hù)的后備保護(hù)，主要任務(wù)是切除主保護(hù)未能切除的高阻故障。行波保護(hù)作為高壓直流輸電線路故障的第一道防線，其重要性不言而喻。因此，對(duì)現(xiàn)有工程中采用的輸電線路保護(hù)方案的適應(yīng)性進(jìn)行分析，進(jìn)而為改進(jìn)現(xiàn)有保護(hù)方案提供依據(jù)，顯得尤為迫切。

為分析和提高行波保護(hù)的適應(yīng)性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究[6-9]。文獻(xiàn)[6]對(duì)西門子公司和ABB公司的行波保護(hù)性能進(jìn)行了分析和對(duì)比，研究了兩種保護(hù)方案在不同的過(guò)渡電阻、故障距離等情況下的保護(hù)效果。文獻(xiàn)[7-8]從現(xiàn)階段行波保護(hù)缺乏成熟整定原則而存在誤整定等問(wèn)題出發(fā)，提出了高壓直流輸電線路行波保護(hù)的整定原則。文獻(xiàn)[9]分析了不同采樣頻率對(duì)直流線路行波保護(hù)判據(jù)的影響，并給出了行波保護(hù)采樣頻率選取的建議。以上研究對(duì)行波保護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行了分析，并從不同角度提高了其適應(yīng)性，但未充分考慮實(shí)際保護(hù)方案中的信號(hào)展寬環(huán)節(jié)對(duì)保護(hù)適應(yīng)性的影響。

基于實(shí)際工程所采用的行波保護(hù)邏輯，搭建了考慮信號(hào)展寬的西門子行波保護(hù)模型。在此基礎(chǔ)上分析不同類型的區(qū)內(nèi)外接地故障下西門子行波保護(hù)的適應(yīng)性，并對(duì)適應(yīng)性不足的原因進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，信號(hào)展寬一定程度上提高了西門子行波保護(hù)的可靠性，但保護(hù)判據(jù)中的電壓變化量判據(jù)較大地影響了其對(duì)于區(qū)內(nèi)高阻故障和區(qū)外低阻故障的選擇性。

1 西門子行波保護(hù)配置方案

1.1 直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有高壓直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，在輸電線路的邊界兩側(cè)分別安裝有分流器1和分流器2，濾波器的線路側(cè)安裝有分壓器。

1.2 考慮展寬的西門子公司行波保護(hù)配置方案

現(xiàn)有高壓直流輸電工程中，線路行波保護(hù)主要采用西門子公司和ABB公司的保護(hù)方案[10]。西門子公司和ABB公司的行波保護(hù)原理較有代表性，國(guó)內(nèi)廠家的行波保護(hù)原理大多與之類似。下面主要以西門子公司的保護(hù)方案作為研究對(duì)象。

西門子公司的行波保護(hù)方案利用分壓器1測(cè)得的電壓變化量Δud和電壓變化率dud/dt以及分流器2測(cè)得的直流電流變化量Δid作為主要判據(jù)，對(duì)線路故障后產(chǎn)生的劇烈電壓和電流的波動(dòng)進(jìn)行快速檢測(cè)。其具體的動(dòng)作判據(jù)如式(1)所示。

(1)

式中，下標(biāo)set表示該判據(jù)下對(duì)應(yīng)電氣量的閾值。

在保護(hù)裝置的實(shí)際配置中，保護(hù)的動(dòng)作并不需要以上3個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足，而是通過(guò)信號(hào)展寬、延時(shí)等環(huán)節(jié)來(lái)提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。西門子公司行波保護(hù)的實(shí)際保護(hù)邏輯如圖2所示。圖2中：MAX為取數(shù)據(jù)窗內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值；NCM為比較器，將輸入值與判據(jù)閾值進(jìn)行比較，若輸入值大于判據(jù)閾值則輸出1，反之輸出0；AND為與邏輯，兩個(gè)輸入均為1則輸出1，否則輸出0；PDF為保持器，當(dāng)輸入從1變?yōu)?時(shí)，輸出仍然為1并保持設(shè)置時(shí)間后變?yōu)?；MOF為單穩(wěn)觸發(fā)器，當(dāng)輸入值出現(xiàn)一個(gè)上升沿時(shí)，輸出寬度為設(shè)置時(shí)間的高電平信號(hào)。某實(shí)際工程中，電壓變化量判據(jù)閾值為0.3 pu，電壓變化率判據(jù)閾值為0.14 pu/ms，電流變化量判據(jù)閾值為0.5 pu，pu為額定運(yùn)行數(shù)值。

圖2 西門子行波保護(hù)邏輯

由圖2可知，在實(shí)際保護(hù)裝置中，將分壓器1采集到的直流電壓ud與兩個(gè)工頻信號(hào)周期前的直流電壓做差，得到直流電壓變化量Δud。將分壓器1采集到的直流電壓與0.15 ms前的直流電壓進(jìn)行差分求導(dǎo)，得到直流電壓變化率dud/dt。當(dāng)直流電壓變化率滿足保護(hù)判據(jù)，該判據(jù)出口信號(hào)會(huì)被展寬6 ms。在展寬期間，電壓變化率判據(jù)也滿足，則行波保護(hù)中的電壓信號(hào)出口，并展寬12 ms。在電壓信號(hào)展寬期間，電流判據(jù)滿足，則行波保護(hù)信號(hào)出口，判斷直流線路發(fā)生接地故障，進(jìn)行直流線路故障恢復(fù)順序。

2 西門子行波保護(hù)適應(yīng)性仿真分析

為分析現(xiàn)有工程中高壓直流輸電線路行波保護(hù)的適應(yīng)性，根據(jù)某一實(shí)際工程搭建±800 kV直流輸電系統(tǒng)PSCAD仿真模型，額定電流為5 kA，線路全長(zhǎng)1500 km。

在軟件中實(shí)現(xiàn)考慮信號(hào)展寬的西門子行波保護(hù)，對(duì)以下典型故障情況下的保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行仿真分析。

1)設(shè)定0.6 s時(shí)，正極線路上距整流側(cè)500 km處發(fā)生過(guò)渡電阻為125 Ω的接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護(hù)所用電氣量及保護(hù)動(dòng)作情況的仿真結(jié)果如圖3所示(圖中點(diǎn)劃線為展寬后信號(hào)，后同)。

圖3 線路區(qū)內(nèi)故障仿真(過(guò)渡電阻125 Ω)

由圖3可知，在發(fā)生過(guò)渡電阻為125 Ω的區(qū)內(nèi)接地故障后45 ms內(nèi)，若不考慮各個(gè)判據(jù)滿足后信號(hào)的展寬，在故障后15 ms時(shí)，電壓變化率判據(jù)與電流變化量判據(jù)滿足，但電壓變化量判據(jù)不滿足，保護(hù)在此時(shí)拒動(dòng)。而當(dāng)電壓變化量判據(jù)在31.65 ms滿足時(shí)，電壓變化量判據(jù)與電流變化量判據(jù)在此時(shí)又無(wú)法滿足，導(dǎo)致行波保護(hù)判據(jù)無(wú)法同時(shí)滿足，保護(hù)拒動(dòng)。在考慮各個(gè)判據(jù)滿足后的信號(hào)展寬后，在故障后15 ms時(shí)，電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)均滿足，兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸出均變?yōu)?。且在這兩個(gè)判據(jù)不滿足后，兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸出仍分別保持6 ms的高電平輸出。在電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)保持輸出1的6 ms內(nèi)，電壓變化量判據(jù)得到滿足，行波保護(hù)判據(jù)得到滿足，保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作。信號(hào)展寬實(shí)際上提高了保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

2)設(shè)定0.6 s時(shí)，正極線路上距整流側(cè)500 km處發(fā)生過(guò)渡電阻為175 Ω的接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護(hù)所用電氣量及保護(hù)動(dòng)作情況的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 線路區(qū)內(nèi)故障仿真(過(guò)渡電阻175 Ω)

由圖4可知，在發(fā)生過(guò)渡電阻為175 Ω的區(qū)內(nèi)接地故障后45 ms內(nèi)，電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)均得到滿足，而電壓變化量判據(jù)不滿足，導(dǎo)致行波保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)，保護(hù)拒動(dòng)。在45 ms后，即使行波保護(hù)動(dòng)作，也失去了其作為主保護(hù)應(yīng)有的速動(dòng)性。實(shí)際上，在45 ms后，由于故障初期得到滿足的電壓變化率判據(jù)和電流變化量判據(jù)均不滿足，使得行波保護(hù)依然拒動(dòng)。

3)設(shè)定0.6 s時(shí)，整流側(cè)區(qū)外直流母線上發(fā)生金屬性接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護(hù)所用電氣量及保護(hù)動(dòng)作情況的仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在整流側(cè)區(qū)外故障發(fā)生后的45 ms內(nèi)，僅電壓變化率判據(jù)滿足，不滿足行波保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)不動(dòng)作。在故障發(fā)生的45 ms后，由于控制系統(tǒng)對(duì)輸電系統(tǒng)的作用，電氣量將不會(huì)達(dá)到保護(hù)動(dòng)作條件。

圖5 整流側(cè)金屬性故障仿真

4)設(shè)定0.6 s時(shí)，逆變區(qū)外直流母線上發(fā)生金屬性接地故障。故障發(fā)生45 ms內(nèi)，行波保護(hù)所用電氣量及保護(hù)動(dòng)作情況的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 逆變側(cè)金屬性故障仿真

由圖6可知，在逆變側(cè)區(qū)外故障發(fā)生后的45 ms內(nèi)，電壓、電流保護(hù)判據(jù)均滿足，滿足行波保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)誤動(dòng)作。

為進(jìn)一步說(shuō)明現(xiàn)有行波保護(hù)在不同故障條件下，對(duì)于區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障的適應(yīng)性。分別設(shè)置距整流側(cè)500 km、1000 km和1500 km距離下不同過(guò)渡電阻的區(qū)內(nèi)故障,以及在整流側(cè)直流母線和逆變側(cè)直流母線上設(shè)置不同過(guò)渡電阻的區(qū)外故障，獲得行波保護(hù)的部分動(dòng)作情況如表1所示。

根據(jù)表1可知，當(dāng)輸電線路上距整流站500 km處發(fā)生125 Ω接地故障時(shí)，西門子公司行波保護(hù)可靠動(dòng)作。當(dāng)輸電線路上距整流站500 km處發(fā)生130 Ω接地故障時(shí)，西門子公司行波保護(hù)因?yàn)檫^(guò)渡電阻的增大可能不動(dòng)作。在輸電線路上距整流站1000 km和1500 km發(fā)生接地故障時(shí)，行波保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)也可能隨過(guò)渡電阻增大而增加。

表1 不同故障位置時(shí)的仿真結(jié)果

線路區(qū)內(nèi)的仿真結(jié)果說(shuō)明，西門子公司行波保護(hù)對(duì)于區(qū)內(nèi)高阻接地故障，容易因?yàn)檫^(guò)渡電阻的增大而拒動(dòng)。且通過(guò)典型仿真案例可知，行波保護(hù)判據(jù)中的電壓變化量判據(jù)是西門子公司行波保護(hù)拒動(dòng)的首要原因。當(dāng)整流側(cè)直流母線發(fā)生最嚴(yán)重的金屬性故障時(shí)，西門子公司行波保護(hù)也不誤動(dòng)，說(shuō)明西門子公司行波保護(hù)對(duì)于整流側(cè)直流母線故障不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)。當(dāng)逆變側(cè)直流母線發(fā)生50 Ω及以下過(guò)渡電阻故障時(shí)，若直流母線保護(hù)未在行波保護(hù)動(dòng)作前切除故障，就可能引起西門子公司行波保護(hù)的誤動(dòng)。

綜上所述，西門子公司行波保護(hù)對(duì)于區(qū)內(nèi)高阻故障和逆變側(cè)區(qū)外較為嚴(yán)重的故障不能做到可靠動(dòng)作。因此存在對(duì)區(qū)內(nèi)高阻故障靈敏性不足，對(duì)逆變側(cè)區(qū)外故障可靠性不足的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

基于考慮信號(hào)展寬的西門子公司行波保護(hù)模型，分析了不同類型的區(qū)內(nèi)外接地故障下西門子公司行波保護(hù)的適應(yīng)性，并對(duì)其適應(yīng)性不足的原因進(jìn)行了分析。分析結(jié)果如下：

1)信號(hào)展寬一定程度上提高了西門子公司行波保護(hù)對(duì)區(qū)內(nèi)高阻故障的可靠性，但提升效果一般；

2)保護(hù)判據(jù)中的電壓變化量判據(jù)較大程度地影響了其對(duì)于區(qū)內(nèi)高阻故障和區(qū)外低阻故障的選擇性。