宋國兵，冉孟兵，靳幸福，齊 倩，劉 甜，萬 青

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.國網(wǎng)重慶市電力公司江北供電分公司，重慶 401147；3.國網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230022）

0 引言

電壓源換流器型直流輸電技術(shù)（Voltage Source Converter HVDC，VSC-HVDC）是一種以電壓源換流器、可控關(guān)斷裝置和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的新型的直流輸電技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的電流源換流器型直流輸電技術(shù)（Current Source Converter HVDC，CSC-HVDC）的部分缺陷（如易發(fā)生換相失敗、需要大量的濾波和無功補(bǔ)償裝置、換流站占地面積大、投資大等），在可再生能源并網(wǎng)、分布式電源接入、偏遠(yuǎn)孤立地區(qū)供電、城市電網(wǎng)增容與直流供電等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

現(xiàn)有針對VSC-HVDC 的研究比較多，但主要集中在其控制策略和保護(hù)策略的研究[4-9]。目前，VSC-HVDC 工程中現(xiàn)采用的保護(hù)僅借鑒CSC-HVDC的保護(hù)策略，以行波保護(hù)作為主保護(hù)，電流差動(dòng)保護(hù)作為后備保護(hù)，而未考慮到VSC-HVDC 自身的特點(diǎn)[10-11]。近年來，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)對于VSC-HVDC的繼電保護(hù)原理的研究報(bào)道。

文獻(xiàn)[12]分析了輸電線路的固有頻率特性，提出一種直流輸電線路縱聯(lián)頻率保護(hù)。區(qū)外故障時(shí)，直流線路固有頻率主頻與線路全長相關(guān)；區(qū)內(nèi)故障時(shí)，固有頻率主頻與故障線路長度相關(guān)，非中點(diǎn)故障時(shí)兩端得到的頻率差為一很大值。據(jù)此形成保護(hù)原理。文獻(xiàn)[13]提出一種基于頻變參數(shù)電纜線路的電流差動(dòng)保護(hù)新原理。提出一種計(jì)算沿線電流分布的新方法，由兩端電氣量分別計(jì)算線路中點(diǎn)電流，并由此構(gòu)造差動(dòng)判據(jù)。文獻(xiàn)[14]基于模型識別思想，提出一種VSC-HVDC 直流輸電線路方向元件，通過模型的模型誤差、識別的電感值和電容值與實(shí)際值的差異構(gòu)成方向判據(jù)。文獻(xiàn)[15]分析了直流輸電線路故障電流特征，提出一種利用電流突變量極性的VSC-HVDC 縱聯(lián)保護(hù)。文獻(xiàn)[12-15]提出的方法需要兩端電氣量，不具有快速性。文獻(xiàn)[16]針對高壓直流輸電線路，提出一種僅利用單端電流實(shí)現(xiàn)直流輸電線路全線速動(dòng)的保護(hù)原理，該原理采用線路極電流，靈敏度不高，同時(shí)需要數(shù)字濾波，降低了可靠性。可以看出，現(xiàn)有的研究原理存在著靈敏度不高、需要兩端電氣量配合、數(shù)據(jù)需經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)字處理等問題，從而導(dǎo)致了直流輸電線路保護(hù)的可靠性不高。因此，研究適用于VSC-HVDC 直流輸電線路的簡單可靠的繼電保護(hù)原理十分重要。

本文在分析三相兩電平VSC-HVDC 直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性和零模網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種僅利用單端電流量的直流輸電線路保護(hù)原理。該原理能可靠識別直流線路單極故障，算法簡單、靈敏度高。

1 VSC-HVDC 結(jié)構(gòu)特征及零模網(wǎng)絡(luò)

1.1 VSC-HVDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為VSC-HVDC 系統(tǒng)的原理圖。

圖1 VSC-HVDC 輸電系統(tǒng)Fig.1 VSC-HVDC transmission system

圖中K 側(cè)為整流側(cè)，M 側(cè)為逆變側(cè)。系統(tǒng)兩側(cè)換流站均采用VSC 結(jié)構(gòu)，它由換流站、換流變壓器、換流電抗器、交流濾波器、直流側(cè)電容器和直流電纜等部分組成。uKp、uKn為K 端所測的正、負(fù)極電壓；iKp、iKn為K 端所測的正、負(fù)極電流；uMp、uMn為M 端所測的正、負(fù)極電壓；iMp、iMn為M端所測的正、負(fù)極電流。

1.2 VSC-HVDC 系統(tǒng)零模網(wǎng)絡(luò)

文獻(xiàn)[17]構(gòu)造了一種適用于直流輸電線路的相模解耦矩陣為

式中：xp、xn為直流線路正、負(fù)極電氣量；x1、為對應(yīng)的模量。

根據(jù)式(1)，零模電流可定義為

式中，ip、in分別為正極、負(fù)極電流。

由零模電流的定義可知，直流系統(tǒng)的零模電流和交流系統(tǒng)的零序電流具有類似的性質(zhì)，零模電流在正負(fù)極的流通方向相同，必須經(jīng)過接地點(diǎn)形成回路。直流系統(tǒng)零模網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和變壓器的接線方式、中性點(diǎn)的接地方式以及直流系統(tǒng)的接地點(diǎn)位置有關(guān)。

柔性直流輸電系統(tǒng)中一端換流站如圖2所示。變壓器通常會(huì)選擇Y0/Y 或者Y0/Δ接法，靠近交流系統(tǒng)側(cè)繞組多采用Y0 接法，靠近換流器側(cè)多采用Y 或者Δ接法，起到隔斷零序分量在換流器與交流系統(tǒng)之間傳遞通路的作用[18]。

圖2 VSC-HVDC 系統(tǒng)的主變壓器接線方式Fig.2 Connection type of main transformer in VSC-HVDC system

由文獻(xiàn)[1]可知，換流站主要由換流器及其控制系統(tǒng)組成，換流器沒有接地支路，控制系統(tǒng)只控制器件關(guān)斷。因此換流站在零模網(wǎng)絡(luò)里表現(xiàn)為阻抗。

根據(jù)以上分析得到VSC-HVDC 系統(tǒng)的零模網(wǎng)絡(luò)如圖3。

圖3 VSC-HVDC系統(tǒng)零模網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Zero-mode network of VSC-HVDC system

圖中，各參數(shù)以直流系統(tǒng)為基準(zhǔn)計(jì)算。Zst、ZRL分別為送端、受端換流器零模阻抗；ZSI、ZS2分別為送端、受端交流系統(tǒng)等效零模阻抗；zT11、zTI2、zr2l、ZT22為換流變壓器等效零模阻抗。

2 故障分析

2.1 交流線路故障分析

以逆變側(cè)（M端）交流線路故障為例，圖4給出其零模網(wǎng)絡(luò)。

圖4 交流線路故障零模網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Zero-mode network when an AC line fault occurs

從圖4nj以看出，零模網(wǎng)絡(luò)里直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)是分離的，交流線路故障時(shí)，故障電流只會(huì)在交流系統(tǒng)里流通，直流線路沒有零模電流。

2.2 直流線路單極故障分析

直流線路正極金屬接地后的物理過程如F:故障瞬間，故障點(diǎn)電壓降為零.由于電容的電壓支撐特性，負(fù)極（非故障極）與之對應(yīng)的電保持不變;故障暫態(tài)過程中，首端極線路電壓下降，正極電容幵始放電，由于柔性直流輸電一端釆用直流電壓控制，為了保持正負(fù)極相對電壓不變的趨勢，負(fù)極電壓絕對值逐漸增大，負(fù)極電容幵始充電；故障穩(wěn)定后，正扱線路電壓為零，正極電容電荷基本放完，負(fù)極線路電壓為兩倍的額定值。

圖5給出了直流線路故障時(shí)的零模網(wǎng)絡(luò)。

圖5 直流線路故障的零模網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Zero-mode network when a DC line fault occurs

從前面的分析可知，正極接地故障發(fā)生后，故障點(diǎn)正、負(fù)極電壓分別為

結(jié)合式(I)和式(3)，正極故障時(shí)，故障點(diǎn)處的零模電壓為

結(jié)合圖5和式(4)可知，直流線路正極故障后，零模電IR源始終存在于直流網(wǎng)絡(luò)里，保護(hù)安裝處有零模電流流過。

類似的，負(fù)極故障后的物理過程與正極故障相反。

直流線路負(fù)極接地故障后，故障點(diǎn)處的正、負(fù)極電壓分別為

結(jié)合式(1)和式(5)可知，負(fù)極故障時(shí)故障點(diǎn)處的等效零模電壓源為

觀察圖5并結(jié)合式(6)，直流線路負(fù)極故障時(shí)，零模電壓源始終為正，保護(hù)安裝處的零模電流不為零。

因此根據(jù)保護(hù)安裝處的零模電流的幅值即町判別出單極故障。

2.3 直流線路極間故障分析

直流線路發(fā)生極間故障時(shí)，故障點(diǎn)處的1丨:極電壓下降，負(fù)極電壓上升，止：負(fù)極電壓的變化始終對稱，結(jié)合式⑴可知，故障點(diǎn)處的零模電壓始終為零。因此，極間故障時(shí)，直流線路上測到的零模電流兒乎為零。

根據(jù)以上分析可得出結(jié)論：交流線路故障時(shí)，直流線路的零模電流幾乎為零；直流線路單極故障時(shí)，零模電流不為零，并且幅值可觀；直流線路極間故障時(shí)，零模電流幾乎為零。利用此特征可以提出保護(hù)判據(jù)，判別直流線路單極故障。

3 保護(hù)判據(jù)及整定

3.1 保護(hù)判據(jù)

由上一節(jié)的分析可知，利用零模電流可以實(shí)現(xiàn)直流輸電線路單極故障的識別。零模電流的il?算，可釆用從一段數(shù)據(jù)獲得的零模電流積分的方法，積分?jǐn)?shù)據(jù)窗長度任意取，建議取為5 ms。

在獲得零模電流的基礎(chǔ)上，可由如下判據(jù)實(shí)現(xiàn)直流輸電線路單極故障的識別，如式（7）。

式中：N為5 ms 內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；iKpk、iKnk分別為K 端正、負(fù)極電流采樣值；I0set為設(shè)定門檻值。

式(7)滿足時(shí)，表示直流線路發(fā)生單極故障。

3.2 門檻電流整定

門檻電流的整定應(yīng)躲過正常工作情況下的最大不平衡電流和區(qū)外故障時(shí)可能出現(xiàn)的最大不平衡電流。正常工作情況下的不平衡電流主要取決于電流互感器的傳變誤差，按0.1In整定，In為額定直流電流；區(qū)外故障情況下的不平衡電流主要由直流電容參數(shù)不一致決定，按0.1CdU/dt整定，C為額定直流電容，dU/dt為區(qū)外故障情況下直流電容電壓可能出現(xiàn)的最大變化率，根據(jù)仿真獲得。綜上兩點(diǎn)，門檻電流按式（8）整定。

4 相關(guān)問題討論

4.1 零模電流的提取及互感器的影響

上一節(jié)的判據(jù)給出了一種零模電流的提取方法，即以正負(fù)極電流的代數(shù)和乘以系數(shù)作為零模電流。實(shí)際上由圖3VSC 系統(tǒng)的零模網(wǎng)絡(luò)可以看出，直流線路的零模電流與直流電容的零模電流為同一量，因此結(jié)合零模電流的定義，實(shí)際中也可用并聯(lián)電容對地支路電流（圖1中K 側(cè)電容支路流入大地的電流，其值與正負(fù)極并聯(lián)電容電流之和相等）乘以系數(shù)作為零模電流。

由圖1可以看出，正常運(yùn)行狀態(tài)下，K 側(cè)并聯(lián)電容對地支路電流非常小，單極故障后其值變化明顯，因此利用電容對地支路電流提取零模電流具有更高的靈敏度，能夠降低互感器飽和的影響。

另外，利用對地支路電流提取零模電流不再需要分別測量正負(fù)極電流，有效避免了正負(fù)極電流互感器參數(shù)不一致造成的誤差影響。

4.2 原理適用范圍

本文提出原理的保護(hù)范圍為整流側(cè)換流變壓器到逆變側(cè)換流變壓器之間，除了直流輸電線路外還包括兩端換流站。鑒于直流斷路技術(shù)一直是電力工程領(lǐng)域的研究難題，現(xiàn)有的直流工程大都利用換流站控制或斷開交流線路來切除直流線路故障[19]。并且VSC-HVDC 主要采用電纜輸電，電纜線路故障都是永久性故障，不需要重合閘。因此，本文提出的原理具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

另外，雙極直流輸電線路在實(shí)際運(yùn)行中，大部分故障為單極故障，解決輸電系統(tǒng)對單極故障的識別問題具有重要意義。

5 仿真驗(yàn)證與分析

仿真采用在PSCAD 上搭建的雙閉環(huán)串級PI 控制[20]VSC-HVDC 輸電系統(tǒng)仿真模型，模型原理圖如圖1所示。額定電壓為±60 kV，系統(tǒng)容量為60 MW。本文仿真中采用電纜線路，線路長度為300 km。正極和負(fù)極的并聯(lián)大電容取為1 000 μF。系統(tǒng)在0 s時(shí)開始啟動(dòng)，在2 s 時(shí)發(fā)生故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。采樣頻率為1 kHz，I0set按額定直流電容的0.1 倍選取，取為50 A。仿真中的零模電流按式（7）計(jì)算，數(shù)據(jù)窗長取5 ms。

5.1 交流線路故障仿真結(jié)果

圖6給出了K 側(cè)區(qū)外交流A 相金屬接地故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)處得到的極電流和零模電流。圖中顯示的為1.5 ～2.5 s 的數(shù)據(jù)，故障發(fā)生在500 采樣點(diǎn)處，圖7～圖9類似。

圖6 K 側(cè)交流A 相金屬接地故障時(shí)K 側(cè)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.6 Result of protection operation when an A phase metal ground fault occurs at K side

由圖6可以看出，K 側(cè)區(qū)外交流A 相金屬接地故障時(shí)，雖然極電流有很大程度的變化，但正負(fù)極電流的變化方向相反，零模電流幾乎為零，小于整定的門檻值，單極故障保護(hù)判據(jù)不滿足。

表1給出了K 側(cè)發(fā)生各種類型的區(qū)外交流故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)的動(dòng)作情況。

表2給出了M 側(cè)發(fā)生各種類型的區(qū)外交流故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)的動(dòng)作情況。

表1和表2表明，K 側(cè)和M 側(cè)區(qū)外發(fā)生各類故障時(shí)，零模電流基本為零，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整定的門檻值，保護(hù)均可靠不動(dòng)作。對于區(qū)外交流線路的故障，本原理不會(huì)誤動(dòng)。

表1 VSC-HVDC 線路K 側(cè)區(qū)外故障保護(hù)動(dòng)作情況Table 1 Result of protection operation when different types of AC line fault occur at K side

表2 VSC-HVDC 線路M 側(cè)區(qū)外故障保護(hù)動(dòng)作情況Table 2 Result of protection operation when different types of AC line fault occur at M side

5.2 直流線路單極故障仿真結(jié)果

圖7給出了距K 側(cè)150 km 處發(fā)生正極金屬性接地故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)處得到的極電流和零模電流幅值。

圖7 距K 側(cè)150 km 處發(fā)生正極金屬性接地故障時(shí)K 側(cè)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.7 Result of protection operation when a positive metal ground fault occurs 150 km away from K side

由圖7可知，距K 側(cè)150 km 處正極金屬性接地時(shí)，正、負(fù)極電流均正向突變，零模電流急劇增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于門檻值，從而保護(hù)判定為單極故障。

圖8給出了距K 側(cè)150 km 處發(fā)生負(fù)極金屬性接地故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)處得到的極電流和零模電流幅值。

由圖8可知，距K 側(cè)150 km 處負(fù)極金屬性接地時(shí)，正、負(fù)極電流均負(fù)向突變，零模電流幅值遠(yuǎn)大于門檻值，從而保護(hù)判定為單極故障。

圖8 距K 側(cè)150 km 處發(fā)生負(fù)極金屬性接地故障時(shí)K 側(cè)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.8 Result of protection operation when a negative metal ground fault occurs 150 km away from K side

表3給出了直流線路不同位置發(fā)生正極金屬性接地故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)的動(dòng)作情況。

由表3可看出，直流線路任一點(diǎn)發(fā)生正極金屬性故障，保護(hù)都能作出正確的判斷，正確動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)故障切除。

表3 VSC-HVDC 直流線路不同位置正極金屬接地故障保護(hù)動(dòng)作情況Table 3 Result of protection operation when positive fault occurs at different distance

表4給出了區(qū)內(nèi)150 km 處正極經(jīng)不同過渡電阻接地故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)的動(dòng)作情況。

表4 VSC-HVDC 直流線路150 km 處正極經(jīng)不同過渡電阻接地保護(hù)動(dòng)作情況Table 4 Result of protection operation when positive fault occurs with different transition resistance 150 km away from K side

表4表明，對于單極線路高阻接地故障，本保護(hù)原理仍然能準(zhǔn)確識別并動(dòng)作。

5.3 直流線路極間故障仿真結(jié)果

圖9給出了距K 側(cè)150 km 處發(fā)生極間金屬性故障時(shí)，K 側(cè)保護(hù)安裝處的極電流和零模電流幅值。

從圖9可看到，直流線路發(fā)生極間故障時(shí)，與區(qū)外交流線路故障類似，正負(fù)極電流對稱變化，零模電流幾乎為零，保護(hù)不動(dòng)作。

圖9 距K 側(cè)150 km 處發(fā)生極間金屬性接地故障時(shí)K 側(cè)保護(hù)動(dòng)作特性Fig.9 Result of protection operation when a bipolar fault occurs 150 km away from K side

大量仿真結(jié)果表明：直流線路單極故障時(shí)，零模電流變化非常明顯，繼電保護(hù)能在很短的時(shí)間內(nèi)可靠動(dòng)作；對于各種類型的交流線路故障以及直流線路極間故障，零模電流幾乎為零，保護(hù)可靠不動(dòng)作。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了本保護(hù)原理能夠靈敏、快速地動(dòng)作直流線路單極接地故障，并且?guī)缀醪皇苓^渡電阻影響。

6 結(jié)論

本文在分析三相兩電平VSC-HVDC 的結(jié)構(gòu)特性和零模網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于VSC-HVDC 的單端電氣量保護(hù)。具有以下特點(diǎn)：

（1）該原理僅利用一端的電流即可識別區(qū)內(nèi)單極故障，具有高耐過渡電阻能力，且能夠快速可靠動(dòng)作。

（2）該算法在時(shí)域進(jìn)行，對采樣率要求低，算法簡單，計(jì)算量小，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，進(jìn)一步提高保護(hù)動(dòng)作速度。

（3）本原理的保護(hù)范圍是兩端換流變壓器之間的范圍，主要保護(hù)范圍為直流輸電線路。

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