李曉華, 吳嘉琪,2, 丁曉兵, 吳立珠, 張冬怡, 蔡澤祥

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市 510640; 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司, 湖北省武漢市 430050; 3. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市 510623)

采用波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略

李曉華1, 吳嘉琪1,2, 丁曉兵3, 吳立珠1, 張冬怡1, 蔡澤祥1

(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市 510640; 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司, 湖北省武漢市 430050; 3. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市 510623)

結(jié)合近幾年來(lái)南方電網(wǎng)多次出現(xiàn)的變壓器空投涌流引起直流50 Hz保護(hù)動(dòng)作事件,仿真研究了勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流及故障電流波形特征差異性,在不降低保護(hù)靈敏度的原則下,提出了一種基于波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略,并在高壓直流PSCAD/EMTDC控制保護(hù)仿真模型的基礎(chǔ)上結(jié)合優(yōu)化改進(jìn)策略自定義創(chuàng)建直流50 Hz保護(hù)閉鎖模型,從交流系統(tǒng)強(qiáng)度變化、換流變壓器空載合閘角變化、換流變壓器鐵芯剩磁變化三個(gè)角度對(duì)所提出的優(yōu)化策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,所提出的基于波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略能正確地實(shí)現(xiàn)直流50 Hz保護(hù)的閉鎖和解鎖,在不影響直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下很好地解決了變壓器空投涌流引起直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)的問(wèn)題。

變壓器; 勵(lì)磁涌流; 和應(yīng)涌流; 故障電流; 波形識(shí)別; PSCAD/EMTDC; 直流50 Hz保護(hù)

0 引言

直流50 Hz保護(hù)是交直流系統(tǒng)相互配合的基本保護(hù)[1]。近年來(lái),出現(xiàn)的直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)情況值得關(guān)注,即高壓直流輸電系統(tǒng)一極換流變壓器空載投入時(shí),導(dǎo)致與之并聯(lián)的另一極換流變壓器出現(xiàn)復(fù)雜性和應(yīng)涌流[2-8]。

復(fù)雜性和應(yīng)涌流中存在大量正序二次諧波分量,經(jīng)換流器以及直流輸電線路的傳遞放大作用,引起對(duì)側(cè)直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)[9-10],嚴(yán)重影響了直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際工程中和應(yīng)涌流引發(fā)的保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題從直流規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理上進(jìn)行了主動(dòng)規(guī)避,也有采取相應(yīng)的涌流抑制策略[11-14],但是工程中存在的離散性問(wèn)題,使得涌流的抑制效果并不好,為了進(jìn)一步減小和應(yīng)涌流對(duì)直流50 Hz保護(hù)的影響,提高直流系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性,從保護(hù)的角度尋求一種直流50 Hz保護(hù)有效的優(yōu)化改進(jìn)策略顯得尤為重要。

文獻(xiàn)[15]針對(duì)和應(yīng)涌流引起變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題提出了一種通過(guò)判斷差動(dòng)電流的基波幅值變化過(guò)程的變壓器和應(yīng)涌流識(shí)別方法;文獻(xiàn)[16]根據(jù)一臺(tái)變壓器空載合閘時(shí)另一臺(tái)變壓器要經(jīng)過(guò)一段延時(shí)才能產(chǎn)生和應(yīng)涌流的特點(diǎn),提出了利用時(shí)差法對(duì)和應(yīng)涌流進(jìn)行鑒別。兩種方法均采用差動(dòng)電流特征作為判斷依據(jù),理論上可行,但是電流采集相對(duì)繁瑣,且并沒(méi)有在實(shí)際直流控制保護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行仿真論證。

換流變壓器和應(yīng)涌流特性已經(jīng)突破了原有直流50 Hz保護(hù)預(yù)期的邊界,但是到目前為止,直流50 Hz保護(hù)沒(méi)有專門針對(duì)和應(yīng)涌流問(wèn)題而設(shè)置有效的識(shí)別閉鎖判據(jù)?；谝陨夏康?本文通過(guò)分析勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流以及故障電流的波形特征差異性,提出了一種基于波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略,并在PSCAD/EMTDC中自定義建模仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明該策略能有效地識(shí)別出和應(yīng)涌流,實(shí)現(xiàn)直流50 Hz保護(hù)的閉鎖及和應(yīng)涌流過(guò)后的保護(hù)開(kāi)放,對(duì)解決工程中直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題有一定參考。

1 直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)事件及影響

近幾年來(lái),南方電網(wǎng)出現(xiàn)了多起因變壓器空載合閘而導(dǎo)致的直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)事件,嚴(yán)重影響了高壓直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[9-10]。以某雙回雙極系統(tǒng)為例,梳理直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)典型情況,如表1所示。

變壓器充電涌流引發(fā)的直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)事實(shí)表明:①換流變壓器涌流特性已突破了原有直流50 Hz保護(hù)預(yù)期的邊界,可引發(fā)功率回降,甚至直接導(dǎo)致直流閉鎖,嚴(yán)重犧牲了直流輸送功率;②換流站臨近電廠主變空投、換流站換流變壓器空投都會(huì)導(dǎo)致直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng),保護(hù)動(dòng)作情況、嚴(yán)重程度取決于直流結(jié)構(gòu)、參數(shù),運(yùn)行工況等;③實(shí)際造成直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)的是和應(yīng)涌流。

表1 直流50 Hz保護(hù)動(dòng)作典型情況Table 1 Typical cases of 50 Hz protection action

2 現(xiàn)場(chǎng)直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)解決方案

直流50 Hz保護(hù)動(dòng)作特性見(jiàn)附錄A圖A1(a),所對(duì)應(yīng)的實(shí)際直流工程中的直流50 Hz保護(hù)典型邏輯如附錄A圖A1(b)所示。采集直流線路電流IDCN經(jīng)過(guò)6階50 Hz帶通濾波器及最大峰值保持器保持25 ms后,得到直流線路電流中的50 Hz分量IDCN-50 Hz。當(dāng)50 Hz保護(hù)投入信號(hào)及保護(hù)使能信號(hào)均置1,如果保護(hù)判據(jù)滿足式(1),同時(shí)在時(shí)間上滿足:延遲時(shí)間達(dá)到切換時(shí)間定值T50 Hz-SS,保護(hù)信號(hào)出口進(jìn)行控制系統(tǒng)切換;延遲時(shí)間達(dá)到功率回降時(shí)間定值T50 Hz-RB,保護(hù)信號(hào)出口進(jìn)行功率回降;延遲時(shí)間達(dá)到動(dòng)作時(shí)間定值T50 Hz-TR,信號(hào)出口進(jìn)行極閉鎖[17]。

IDCN-50 Hz>IFUND+KFUNDIDCN

(1)

式中:IFUND為最小啟動(dòng)電流,一般取0.02左右;KFUND為比率系數(shù),一般取0.05左右。

實(shí)際直流工程從保護(hù)定值的角度進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化改進(jìn),如溪洛渡直流工程針對(duì)送端換流站近區(qū)大型變壓器和應(yīng)涌流引起的直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題,直接取消了直流50 Hz保護(hù)的降功率段并將動(dòng)作段延時(shí)T50 Hz-TR改為3 s。

該措施在防止保護(hù)誤動(dòng)上能起到一定作用。但簡(jiǎn)單修改延時(shí),以犧牲直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行為代價(jià)來(lái)防止直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)的方法，并不是最佳方案。因此，迫切需要利用和應(yīng)涌流的特征構(gòu)造新的閉鎖判據(jù)。

3 直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略

3.1 電流特征差異性分析

附錄A圖A2為極1換流變壓器空載合閘、極2換流變壓器正常運(yùn)行的等效電路圖,其中換流變壓器網(wǎng)側(cè)等效電源電壓為Us,等效電阻為Rs,等效電感為L(zhǎng)s，相比于換流變壓器漏抗可以忽略;極1換流變壓器T1的原邊等效電阻為R1,電感為L(zhǎng)1;極2換流變壓器T2的原邊等效電阻為R2,電感為L(zhǎng)2;線圈匝數(shù)為N;is為系統(tǒng)電流,i1為流過(guò)換流變壓器T1的電流,i2為流過(guò)換流變壓器T2的電流。

根據(jù)圖A2等效電路列寫動(dòng)態(tài)時(shí)域方程,經(jīng)方程積分變換得到換流變壓器T1和T2的磁通變化量矩陣形式:

(2)

式中:T為一個(gè)周期時(shí)間。

設(shè)換流變壓器T2處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程,假設(shè)其空載運(yùn)行,其鐵芯磁通Φ2很小,接近為0。與換流變壓器T2并聯(lián)的換流變壓器T1在某時(shí)刻空載合閘,因磁通飽和產(chǎn)生勵(lì)磁涌流i1,其中含有大量衰減的非周期分量,不妨設(shè)為正值,則其鐵芯磁通Φ1>0。經(jīng)式(2)推出磁通變化量ΔΦ1和ΔΦ2均為負(fù),即兩臺(tái)換流變壓器鐵芯中的磁通每個(gè)周期都向負(fù)方向產(chǎn)生一定的偏移。

因此換流變壓器T1鐵芯磁通Φ1逐漸減小,勵(lì)磁涌流i1也隨之逐漸減小,與此同時(shí)換流變壓器T2鐵芯磁通以負(fù)方向逐漸增加進(jìn)入飽和區(qū),和應(yīng)涌流i2逐漸增大且與勵(lì)磁涌流i1方向相反。因?yàn)閕1的減小以及i2的反向增大導(dǎo)致ΔΦ2逐漸增大,當(dāng)ΔΦ2為0時(shí),和應(yīng)涌流i2增加到最大,隨后ΔΦ2為正,和應(yīng)涌流i2慢慢衰減。而對(duì)于故障電流,在故障瞬間存在電流沖擊,瞬間增大減小,最后保持直至故障恢復(fù)。

勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流、故障電流波形及其基波分量有效值仿真情況如附錄A圖A3至圖A5所示。

從圖A4(a)可以看出,和應(yīng)涌流的產(chǎn)生過(guò)程包括暫態(tài)增大階段和逐漸衰減階段,即其幅值先逐漸增加到最大值,后再緩慢衰減至穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)和應(yīng)涌流進(jìn)行快速傅里葉變換分析,發(fā)現(xiàn)其基波分量也是先增大到最大而后逐漸減小至穩(wěn)定,如圖A4(b)所示。與此相比,圖A3中的勵(lì)磁涌流及其基波分量均持續(xù)衰減至穩(wěn)定。而當(dāng)發(fā)生換流器交流側(cè)故障瞬間,存在電流沖擊,換流變壓器網(wǎng)側(cè)電流基波分量先有較大突變,接著保持不變,最后恢復(fù),如圖A5所示。結(jié)合上述分析及文獻(xiàn)[1-4]可總結(jié)出勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流以及故障電流波形特征之間的差異性如表2所示。

表2 3種波形特征差異性比較Table 2 Feature difference comparison of three waves

3.2 波形識(shí)別基本原理

表2中的3種電流波形特征差異性比較分析表明:單純從間斷角的有無(wú)、二次諧波含量大小難以區(qū)分勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流和故障電流。但是三者電流波形變化趨勢(shì)不盡相同,可作為識(shí)別依據(jù)以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)涌流下直流50 Hz保護(hù)閉鎖。本文擬利用換流變壓器網(wǎng)側(cè)電流的變化過(guò)程來(lái)識(shí)別出和應(yīng)涌流,即采集換流變壓器網(wǎng)側(cè)電流并經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換處理后取基波分量求取其幅值變化速率(利用數(shù)值差分求取)。對(duì)于數(shù)字保護(hù),可定義換流變壓器網(wǎng)側(cè)電流iA基波幅值變化速率:

(3)

式中:Ib(t)和Ib(t+Δt)分別為t和t+Δt時(shí)刻的電流基波分量幅值;Δt為采樣間隔。

根據(jù)式(3),仿真求解出勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流及故障電流基波分量有效值變化率的情況如圖1所示。

顯然R(t)可以反映換流變壓器網(wǎng)側(cè)電流的變化規(guī)律。若找到一個(gè)定值Rref,對(duì)于和應(yīng)涌流,在其暫態(tài)增加過(guò)程中總有|R(t)|Rref,在衰減過(guò)程中總保持有R(t)<0;對(duì)于故障電流,在其發(fā)生時(shí)刻存在有|R(t)|>Rref,在故障過(guò)程中總保持有R(t)≈0;對(duì)于正常電流,在整個(gè)過(guò)程中總有|R(t)|=0。

綜上所述,若勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流、故障電流及正常電流滿足式(4)判據(jù),則可判別為勵(lì)磁涌流;若滿足式(5)判據(jù),則可判別為和應(yīng)涌流;若滿足式(6)判據(jù),則可判別為故障電流;若滿足式(7)判據(jù),則可判別為正常電流。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Rpos和Rneg分別為R(t)的正向和負(fù)向最大峰值。

圖1 電流基波分量有效值變化率Fig.1 Change rate of root mean square of current fundamental component

4 直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略仿真驗(yàn)證

4.1 直流50 Hz保護(hù)閉鎖仿真模型

為驗(yàn)證基于波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略可信性,結(jié)合此策略在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件中建立直流50 Hz保護(hù)閉鎖仿真模型[18-19](A相)如附錄A圖A6所示,其中自定義編程模型IM對(duì)應(yīng)的閉鎖邏輯如圖2虛線框所示。

4.2 直流50 Hz保護(hù)閉鎖仿真模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化改進(jìn)策略的可靠性,分別改變金中直流PSCAD/EMTDC控制保護(hù)模型交流系統(tǒng)、換流變壓器空載合閘角、換流變壓器剩磁,以創(chuàng)造不同的直流運(yùn)行條件,模擬不同嚴(yán)重程度涌流、故障類型,進(jìn)行仿真分析,其中故障分別設(shè)為換流閥短路、換流器交流側(cè)相間短路、換流器交流側(cè)相對(duì)地短路故障。

圖2 直流50 Hz保護(hù)閉鎖仿真模型邏輯Fig.2 Logic of simulation model for direct current 50 Hz protection blocking

4.2.1交流系統(tǒng)強(qiáng)弱變化的影響

保持極2單極大地運(yùn)行方式,直流輸送功率為1 600 MW,換流變壓器剩磁為0,換流變壓器空載合閘角為0°,分別改變交流系統(tǒng)阻抗幅值依次為4.582 28,6.907,9.907,19.907,29.907,34.367,39.904,44.907,49.907 Ω。統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果如附錄A表A1所示。

4.2.2換流變壓器空載合閘角變化的影響

保持極2單極大地運(yùn)行方式,直流輸送功率為1 600 MW,換流變壓器剩磁為0,系統(tǒng)阻抗分別為4.582 28 Ω和49.907 Ω,分別改變換流變壓器空載合閘角為0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°,360°。統(tǒng)計(jì)的仿真結(jié)果如附錄A表A2和表A3所示。

4.2.3換流變壓器剩磁變化的影響

保持極2單極大地運(yùn)行方式,直流輸送功率為1 600 MW,換流變壓器空載合閘角為0°,系統(tǒng)阻抗為4.582 28 Ω,分別改變極1換流變壓器剩磁為0,0.4,0.8,1.0(標(biāo)幺值)。變壓器的勵(lì)磁電流大約為0.2%的額定電流,且最大剩磁電流大約為80%的勵(lì)磁電流?？紤]到變壓器剩磁大小取決于變壓器切除角,且變壓器剩磁較難測(cè)量,計(jì)算最大剩磁電流為0.001 048 kA,剩磁基準(zhǔn)值取0.001 048 kA。仿真驗(yàn)證結(jié)果如附錄A表A4所示。

不同直流工程的整定值Rref和N可能有所差異,對(duì)于金中直流工程,結(jié)合控制保護(hù)模型仿真測(cè)試結(jié)果總結(jié)得出:N取1,Rref取100較為合理。在金中直流控制保護(hù)模型中進(jìn)行仿真,即極1換流變壓器進(jìn)行空載合閘,極2正常運(yùn)行(極1換流變壓器上會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流,極2換流變壓器上會(huì)產(chǎn)生和應(yīng)涌流)。各種仿真情況下閉鎖信號(hào)的正確性表明:直流50 Hz保護(hù)閉鎖模型能有效地識(shí)別勵(lì)磁涌流、和應(yīng)涌流及故障電流,間接地驗(yàn)證了基于波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略的合理性。

5 直流50 Hz保護(hù)與保護(hù)閉鎖模塊配合問(wèn)題

傳遞到對(duì)側(cè)引起直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)的是和應(yīng)涌流正序二次諧波分量,因此只需將保護(hù)閉鎖模塊的SY出口信號(hào)經(jīng)延時(shí)接到直流50 Hz保護(hù)使能端就能實(shí)現(xiàn)直流50 Hz保護(hù)在和應(yīng)涌流出現(xiàn)情況下閉鎖以及在涌流躲過(guò)后開(kāi)放的功能。直流50 Hz保護(hù)與保護(hù)閉鎖模塊的配合情況如圖3所示,其中,IM-A,IM-B,IM-C分別表示A,B,C三相保護(hù)閉鎖模塊,其各自動(dòng)作邏輯如圖2(b)所示,延時(shí)Td為直流50 Hz保護(hù)閉鎖后延時(shí)到開(kāi)放的時(shí)間(可參考涌流衰減時(shí)間極值整定)。

圖3 直流50 Hz保護(hù)與保護(hù)閉鎖模塊配合示意圖Fig.3 Schematic diagram of direct current 50 Hz protection coordinating with protection blocking module

6 結(jié)語(yǔ)

南方電網(wǎng)中直流輸送功率所占比例較大,換流變壓器涌流導(dǎo)致直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)會(huì)引發(fā)直流功率回降,對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)損失較大。為了防止換流變壓器和應(yīng)涌流引起直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng),本文提出了一種基于波形識(shí)別的直流50 Hz保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)策略,在不修改原保護(hù)定值、不降低保護(hù)靈敏度的情況下,能有效地識(shí)別和應(yīng)涌流,防止直流50 Hz保護(hù)誤動(dòng)。同時(shí)該優(yōu)化改進(jìn)策略不僅限應(yīng)用于直流50 Hz保護(hù),還可推廣應(yīng)用于所有受變壓器空投涌流影響的交直流保護(hù)。本文策略采用固定延時(shí)的方式開(kāi)放保護(hù),并不是最佳方案,后續(xù)會(huì)采用自動(dòng)開(kāi)放的方法進(jìn)一步完善,并于實(shí)際工程運(yùn)用中加以提升。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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OptimizationandImprovementStrategyforDirectCurrent50HzProtectionUsingWaveformRecognition

LIXiaohua1,WUJiaqi1,2,DINGXiaobing3,WULizhu1,ZHANGDongyi1,CAIZexiang1

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou510640, China;2. Maintenance Company of State Grid Hubei Electric Power Company, Wuhan430050, China;3. Power Dispatching and Communication Center of China Southern Power Grid Co. Ltd., Guangzhou510623, China)

Combined with direct current (DC)50Hz protection action events caused by transformer inrush current occurred in China southern power grid in recent years, the waveform characteristics difference of inrush current, sympathetic inrush current and fault current are simulated and studied. Under the principle of without reducing sensitivity of the protection, an optimization and improvement strategy for DC50Hz protection based on waveform recognition is proposed. A DC50Hz protection lockout model is designed and developed in the PSCAD/EMTDC control and protection simulation model based on the optimization and improvement strategy. The proposed strategy is verified by means of simulation from the change of the alternating current system strength, no-load closing angle of converter transformer and core remanence of converter transformer. The results show that the proposed strategy can realize the blocking and unlocking of DC50Hz protection correctly, which solves the misoperation problem of DC50Hz protection caused by inrush current of the transformer without affecting the safety and stability of the DC system, and it has some reference significance to the research work and protection design.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51677073).

transformer; inrush current; sympathetic inrush current; fault current; waveform recognition; PSCAD/EMTDC; direct current50Hz protection

2017-02-18;

2017-08-21。

上網(wǎng)日期: 2017-09-22。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51677073)。

李曉華(1975—),女,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)故障分析與繼電保護(hù)、高壓直流輸電運(yùn)行。E-mail： eplxh@scut.edu.cn

吳嘉琪(1990—),男,通信作者,碩士研究生,主要研究方向:高壓直流輸電與新型輸電技術(shù)。E-mail: WJQ1071822286@gmail.com

丁曉兵(1979—),男,高級(jí)工程師,主要研究方向:電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行。E-mail: imdxb@126.com

(編輯萬(wàn)志超)