羅澍忻，董新洲

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510080;2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué) 電機(jī)系)，北京 100084)

高壓直流輸電技術(shù)根據(jù)換相方式的不同，可以分為基于電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter，LCC)型、基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)型和兩者相結(jié)合的LCC-MMC混合型[1]?；贚CC的高壓直流輸電技術(shù)具有輸電容量大、輸電距離遠(yuǎn)、功率調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大容量輸電和異步電網(wǎng)互聯(lián)中[2]。

我國(guó)由于能源分布與電力需求的地域差異，大容量遠(yuǎn)距離輸電的需求較大，因此高壓直流輸電技術(shù)在我國(guó)有廣闊的應(yīng)用前景。自從1989年我國(guó)第一個(gè)±500 kV直流輸電工程(葛洲壩—南橋)投入運(yùn)行以來(lái)，基于LCC的高壓直流輸電在我國(guó)迅猛發(fā)展，形成了±500 kV、±660 kV、±800 kV和±1 100 kV等4個(gè)直流電壓等級(jí)[3]，輸電線路總長(zhǎng)度和輸電總?cè)萘恳堰_(dá)到世界第一。

高壓直流輸電線路距離長(zhǎng)，且跨越的環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致直流輸電線路故障發(fā)生的概率較大。直流輸電線路繼電保護(hù)承擔(dān)著快速檢測(cè)直流線路故障、保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重任。目前直流工程廣泛使用較為簡(jiǎn)單的低頻行波保護(hù)構(gòu)成線路主保護(hù)，由于保護(hù)原理不完善，在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)的情況，進(jìn)而導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖[4]。2006年至2011年，我國(guó)直流輸電工程由于直流線路原因?qū)е轮绷飨到y(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)66次，占總停運(yùn)次數(shù)的33.2%[5]。由于直流輸電系統(tǒng)的輸電容量較大，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極或雙極閉鎖時(shí)，大量輸送功率的損失將對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，對(duì)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響[6]。

因此，從保障電氣設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求出發(fā)，需要可靠的線路保護(hù)來(lái)保障直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 直流線路保護(hù)的作用和要求

1.1 直流系統(tǒng)線路故障特征

直流輸電線路發(fā)生故障時(shí)，線路上將產(chǎn)生故障初始行波；故障初始行波到達(dá)直流線路邊界后，將產(chǎn)生折射和反射行波；反射行波沿線路傳播，到達(dá)線路故障點(diǎn)后，在故障點(diǎn)處同樣會(huì)發(fā)生折射和反射；如此反復(fù)，形成故障暫態(tài)過(guò)程；隨著故障暫態(tài)的衰減，最終進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)。由于直流控制系統(tǒng)中定電流控制器[7]的存在，故障穩(wěn)態(tài)時(shí)電流低于負(fù)荷電流，不存在明顯的故障電流。

1.2 直流系統(tǒng)保護(hù)分類

直流控制保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)直流系統(tǒng)的故障，并根據(jù)不同故障類型采取不同的措施，保障直流系統(tǒng)中設(shè)備的安全。按照不同的保護(hù)區(qū)域劃分，直流保護(hù)系統(tǒng)可以分為5個(gè)保護(hù)區(qū)：換流器保護(hù)區(qū)、交流開(kāi)關(guān)場(chǎng)保護(hù)、接地極保護(hù)區(qū)、直流極線保護(hù)區(qū)和直流線路保護(hù)區(qū)[2]，如圖1所示。

圖1 高壓直流系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域劃分Fig.1 Division of HVDC system protection area

在每個(gè)保護(hù)區(qū)域中，對(duì)于每種故障類型都需要設(shè)置快速動(dòng)作、具有絕對(duì)選擇性的主保護(hù)，并配置延時(shí)出口的后備保護(hù)，以保證可靠地切除故障。后備保護(hù)大多不具有選擇性，因此不同保護(hù)區(qū)的保護(hù)范圍會(huì)出現(xiàn)重疊。其他保護(hù)區(qū)的后備保護(hù)，如直流極線保護(hù)區(qū)中的低電壓保護(hù)同樣能夠反映直流線路故障。

對(duì)于不同保護(hù)區(qū)域的故障，直流控制保護(hù)系統(tǒng)采取不同的故障處理措施。對(duì)于換流器和直流極線等故障，采取閉鎖和停運(yùn)故障極措施；對(duì)于直流線路故障，由于其多為瞬時(shí)性故障，采取的是故障重啟措施，通過(guò)熄滅故障點(diǎn)電弧來(lái)清除故障。

1.3 直流線路保護(hù)的作用

由于直流控制系統(tǒng)中的定電流控制器對(duì)于故障電流起著限制作用，使得直流線路故障后的穩(wěn)態(tài)電流不會(huì)顯著增大，能起到保護(hù)直流系統(tǒng)設(shè)備安全的作用，具有一部分繼電保護(hù)的功能，可以稱之為“影子保護(hù)系統(tǒng)”。但是，“影子保護(hù)系統(tǒng)”只是起到限制故障電流的作用，并無(wú)法清除故障，直流系統(tǒng)仍處于故障狀態(tài)。如果該故障狀態(tài)長(zhǎng)期存在，直流保護(hù)系統(tǒng)極線保護(hù)區(qū)中的低電壓保護(hù)將動(dòng)作，采取閉鎖故障極的措施，造成直流系統(tǒng)單極或雙極停運(yùn)[8]。

因此，直流輸電線路保護(hù)的作用是快速檢測(cè)出直流線路上故障的發(fā)生，并由直流控制系統(tǒng)進(jìn)行故障清除和重啟工作。直流線路保護(hù)動(dòng)作后，直流控制系統(tǒng)通過(guò)增大整流側(cè)的觸發(fā)角，將整流器變?yōu)槟孀兤鬟\(yùn)行，從而使線路向兩側(cè)快速放電，達(dá)到熄滅故障點(diǎn)電弧的目的。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，待故障點(diǎn)電弧完全熄滅后，將整流側(cè)換流器恢復(fù)為整流器工作狀態(tài)，進(jìn)行直流全壓或降壓再啟動(dòng)[2]。當(dāng)故障為瞬時(shí)性故障時(shí)，直流線路可恢復(fù)正常運(yùn)行；當(dāng)故障為永久性故障時(shí)，直流線路保護(hù)將再次動(dòng)作。此過(guò)程與交流線路的故障跳閘與自動(dòng)重合閘過(guò)程類似。通過(guò)直流線路保護(hù)的快速動(dòng)作，直流輸電系統(tǒng)可以在線路瞬時(shí)性故障時(shí)迅速恢復(fù)運(yùn)行，無(wú)需閉鎖整個(gè)直流系統(tǒng)，保障了直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 直流線路保護(hù)的要求

由于直流線路保護(hù)的動(dòng)作策略與其他保護(hù)區(qū)不同，為防止其他區(qū)域故障時(shí)直流控制保護(hù)系統(tǒng)錯(cuò)誤地進(jìn)行線路故障重啟，直流線路保護(hù)需要具有絕對(duì)的選擇性，且對(duì)于線路主保護(hù)和后備保護(hù)的動(dòng)作速度具有不同的要求：

a)直流線路主保護(hù)應(yīng)該在保證選擇性的前提下盡可能快速地檢測(cè)并切除故障。由于直流輸電系統(tǒng)的傳輸容量較大，快速切除故障可以縮短系統(tǒng)傳輸功率損失的時(shí)間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

b)直流線路后備保護(hù)應(yīng)該先于其他保護(hù)區(qū)域的后備保護(hù)動(dòng)作，防止直流系統(tǒng)發(fā)生不必要的停運(yùn)。因此，縮短直流線路后備保護(hù)的延時(shí)可以減少系統(tǒng)停運(yùn)的次數(shù)，提高直流系統(tǒng)的可靠性。

2 工程應(yīng)用的保護(hù)原理

2.1 基于低頻分量的行波保護(hù)

目前，世界上的直流輸電工程主要采用ABB、SIEMENS、南瑞和許繼等幾家公司的單端行波保護(hù)原理作為直流輸電線路的主保護(hù)。各個(gè)廠家采用的保護(hù)原理不盡相同，但都以反向行波作為基本故障判據(jù)，如式(1)所示。當(dāng)檢測(cè)到的反向行波大于設(shè)定的閾值時(shí)，即認(rèn)為直流線路發(fā)生了故障。

b(t)=IDZc-UD.

(1)

式中：Zc為線路的波阻抗；b(t)為計(jì)算得到的反向行波；UD、ID為保護(hù)測(cè)量點(diǎn)的電壓、電流。

當(dāng)線路整流側(cè)的反向行波變化量大于設(shè)定的閾值時(shí)，即認(rèn)為直流線路發(fā)生了故障，保護(hù)不經(jīng)延時(shí)出口，其動(dòng)作時(shí)間與故障行波的大小有關(guān)，一般在幾毫秒之內(nèi)[9]。

該保護(hù)的采樣率為10 kHz，利用的信號(hào)頻帶范圍是故障行波信息的低頻分量，本質(zhì)上是一種突變量保護(hù)，在工程應(yīng)用中出現(xiàn)了高阻接地故障下靈敏度低[10-11]、雷擊干擾時(shí)可靠性較差[12]等問(wèn)題。

2.2 微分欠壓保護(hù)

在現(xiàn)有直流工程中，微分欠壓保護(hù)[13]與行波保護(hù)一起構(gòu)成直流線路主保護(hù)。保護(hù)檢測(cè)整流側(cè)兩極的電壓，當(dāng)電壓微分大于設(shè)定值，且電壓幅值在一定時(shí)間窗內(nèi)低于一定水平時(shí)，判斷為線路故障，該時(shí)間窗一般為20 ms[9]。微分欠壓保護(hù)使用的是電壓突變量信息，對(duì)于線路末端故障和區(qū)外故障的區(qū)分度不高，保護(hù)需要設(shè)置較大的定值，在高阻接地故障時(shí)存在靈敏性不足的問(wèn)題[14]。

2.3 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)原理基于基爾霍夫電流定律，利用線路兩端電流之差構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，是一種具有絕對(duì)選擇性的保護(hù)算法。由于直流控制系統(tǒng)電流裕度特性的作用，在故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，線路兩端的電流差一般為0.1倍額定電流。因此，實(shí)際工程中的電流差動(dòng)保護(hù)定值設(shè)定為0.02～0.05倍額定電流[15]。該保護(hù)原理并沒(méi)有考慮線路分布電容電流的影響，在區(qū)外故障暫態(tài)過(guò)程中容易引起誤動(dòng)。由于線路互耦的影響，區(qū)內(nèi)故障時(shí)，非故障極也會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)差動(dòng)電流。

為了避免故障暫態(tài)電流引起保護(hù)誤動(dòng)，工程應(yīng)用中通過(guò)增加縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)來(lái)躲避故障暫態(tài)過(guò)程分布電容電流，一般延時(shí)為0.5 s以上[16]。在這段延時(shí)期間，直流系統(tǒng)極線保護(hù)區(qū)中的低電壓保護(hù)有可能動(dòng)作從而閉鎖故障極，造成直流系統(tǒng)停運(yùn)[17]。

3 直流線路保護(hù)理論研究現(xiàn)狀

3.1 行波單端量保護(hù)

針對(duì)工程應(yīng)用中行波保護(hù)原理所存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用故障行波高頻信息構(gòu)造了不同的保護(hù)算法。文獻(xiàn)[18]為提高行波保護(hù)的靈敏性，采用了小步長(zhǎng)采樣的方法。文獻(xiàn)[19-20]利用線路邊界和故障點(diǎn)對(duì)故障行波的折反射特性，采用反向行波及后續(xù)折反射行波構(gòu)造了保護(hù)判據(jù)，提高了保護(hù)在高阻接地下的靈敏性。

該類保護(hù)原理普遍采用了較高頻率的采樣率，一般需要100 kHz以上的采樣率，以滿足提取更加細(xì)致的行波故障信息的需求。目前，實(shí)際直流工程中的采樣率為10 kHz，無(wú)法滿足保護(hù)原理的需求，此類保護(hù)原理仍停留在理論研究階段。

3.2 縱聯(lián)方向保護(hù)

縱聯(lián)方向保護(hù)作為一種高可靠性的保護(hù)原理，在交流輸電線路中得到了廣泛的應(yīng)用。借鑒交流線路保護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于直流線路保護(hù)也開(kāi)展了縱聯(lián)方向保護(hù)的相關(guān)研究。根據(jù)所利用故障信息頻帶的不同，直流線路縱聯(lián)方向保護(hù)可分為行波縱聯(lián)保護(hù)和暫態(tài)量縱聯(lián)保護(hù)。

a)行波縱聯(lián)方向保護(hù)。文獻(xiàn)[21]根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障時(shí)電流行波極性的變化特征，使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)提取電流行波的初始極性信息，構(gòu)成故障方向判據(jù)。文獻(xiàn)[22]使用小波變換提取線路兩側(cè)電壓、電流突變量的極性，構(gòu)成縱聯(lián)方向保護(hù)。文獻(xiàn)[23]利用正向故障時(shí)反向行波幅值大于正向行波，而反向故障時(shí)只存在正向行波的特征構(gòu)成縱聯(lián)行波方向保護(hù)。文獻(xiàn)[24]采用波形比較的方法，通過(guò)比較線路兩端線路行波的相似性來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。文獻(xiàn)[25-26]針對(duì)同塔雙回線路的情況，分析了同塔線路上的電壓、電流的耦合關(guān)系，利用單回線路的模量行波構(gòu)造了行波變化量積分判據(jù)。

b)基于故障暫態(tài)量的方向保護(hù)。文獻(xiàn)[27]利用區(qū)內(nèi)外故障時(shí)線路兩端的電流突變量積分極性差異構(gòu)造故障方向判據(jù)。文獻(xiàn)[28-29]引入電壓突變量信息，利用電壓、電流的突變量極性判斷故障方向。文獻(xiàn)[30]利用正、反向行波在故障后的能量積分幅值來(lái)判斷正、反方向故障，構(gòu)成暫態(tài)能量縱聯(lián)方向保護(hù)。文獻(xiàn)[31-32]通過(guò)計(jì)算線路兩端故障分量的突變能量差來(lái)確定區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。文獻(xiàn)[33]根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障無(wú)功功率的方向特性，提出了一種基于無(wú)功能量方向的保護(hù)原理。還有研究利用線路兩端直流分量的計(jì)算電阻[34]，測(cè)量波阻抗的相位特征[35]，特定頻率范圍的阻抗變化值[36]，換流器觸發(fā)角以及電壓、電流二次諧波的特征[37]來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障。相比于行波保護(hù)，故障暫態(tài)量保護(hù)利用的是故障暫態(tài)分量中的較低頻帶故障信息，故障判據(jù)使用的是較長(zhǎng)的時(shí)間窗，保護(hù)的可靠性相對(duì)較高。

縱聯(lián)方向保護(hù)只需線路對(duì)端的故障方向信息，對(duì)于通信通道的要求較低，工程實(shí)用性較高。行波和暫態(tài)量縱聯(lián)保護(hù)利用的是故障信號(hào)的較高頻帶信息，同樣對(duì)于采樣率的要求較高。而且，高頻的故障信號(hào)容易受雷擊干擾的影響，如何設(shè)計(jì)可靠的雷擊閉鎖元件也是此類保護(hù)在工程應(yīng)用時(shí)需要考慮的問(wèn)題。同時(shí)，直流控制系統(tǒng)的控制特性會(huì)對(duì)故障后的暫態(tài)電壓、電流產(chǎn)生影響，一般直流控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于故障的響應(yīng)速度約為5 ms[38]。對(duì)于使用較長(zhǎng)時(shí)間窗數(shù)據(jù)的暫態(tài)量方向保護(hù)算法，需要考慮到直流控制系統(tǒng)對(duì)于算法的影響，防止控制系統(tǒng)造成保護(hù)算法出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

3.3 距離保護(hù)

直流線路距離保護(hù)可以分為行波距離保護(hù)和基于線路參數(shù)模型的距離保護(hù)。

a)行波距離保護(hù)。文獻(xiàn)[39]利用單端數(shù)據(jù)，使用相關(guān)法求出行波初始波頭與故障點(diǎn)反射波頭的時(shí)間差，結(jié)合行波波速度計(jì)算出故障距離。文獻(xiàn)[40]使用小波變換提取故障初始行波與故障點(diǎn)反射行波，能更加精確地測(cè)得故障距離。文獻(xiàn)[41]通過(guò)波頭極性比較識(shí)別出故障點(diǎn)的反射行波，消除了對(duì)端母線反射波的影響。文獻(xiàn)[42-43]提出了一種行波測(cè)距式距離保護(hù)與線路邊界特性相結(jié)合的混合保護(hù)算法，解決了行波測(cè)距式距離保護(hù)在近端故障條件下，由于初始行波與反射行波之間時(shí)間較短而導(dǎo)致的測(cè)距不精確的情況。

b)基于輸電線路模型的距離保護(hù)。該原理利用單端量或者雙端量計(jì)算出故障距離，從而判斷故障是否發(fā)生在直流線路上，構(gòu)成直流線路距離保護(hù)。文獻(xiàn)[44]利用線路分布參數(shù)模型，使用本端測(cè)量的電壓、電流瞬時(shí)值推算得到整定點(diǎn)處的電壓、電流瞬時(shí)值，利用線路電阻-電感模型得到時(shí)域方程，利用多點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用最小二乘法計(jì)算得到故障距離。文獻(xiàn)[45]在文獻(xiàn)[44]的基礎(chǔ)上考慮了線路頻變參數(shù)的影響，更加貼近于實(shí)際工程狀況，使測(cè)距結(jié)果更加準(zhǔn)確。

由于測(cè)距算法不可避免地存在測(cè)距誤差，距離保護(hù)無(wú)法區(qū)分線路區(qū)內(nèi)末端和區(qū)外近端故障，因此不能保護(hù)線路全長(zhǎng)，只能與其他保護(hù)原理配合使用。

3.4 邊界保護(hù)

直流輸電線路具有明顯的邊界，由平波電抗器和直流濾波器(用于濾除直流側(cè)的12、24和36次諧波)組成，如圖2所示。由于直流線路邊界的存在，線路區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障具有不同的暫態(tài)特征，故可以利用故障后的暫態(tài)分量來(lái)構(gòu)成直流線路單端量保護(hù)算法。

圖2 高壓直流輸電線路邊界Fig.2 Boundaries of HVDC transmission lines

利用線路邊界的原理一般為：直流線路故障時(shí)，保護(hù)處可以測(cè)量到故障產(chǎn)生的信息(如高頻電壓、電流分量等)；區(qū)外故障時(shí)，由于線路邊界的阻隔作用，直流線路保護(hù)不能檢測(cè)到相應(yīng)的信息。這種保護(hù)原理簡(jiǎn)單，而且區(qū)內(nèi)外故障區(qū)分度明顯。

現(xiàn)有研究利用線路邊界對(duì)于電壓變化率[46]、行波梯度[47]、高頻分量信號(hào)的衰減特性[48-50]、直流電流的諧波特性[51-54]、直流濾波器支路諧振電流特征[55]構(gòu)成單端量保護(hù)。

文獻(xiàn)[47]利用線路邊界對(duì)于反向行波電壓梯度的衰減作用構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，與現(xiàn)有直流工程中的行波保護(hù)原理類似。文獻(xiàn)[48]根據(jù)線路邊界對(duì)高頻分量的阻隔特性，當(dāng)直流線路上的高頻能量大于一定閾值時(shí)，判斷為線路故障。文獻(xiàn)[49-50]通過(guò)計(jì)算不同頻帶的能量分布，根據(jù)高、低頻能量大小判斷故障區(qū)位。文獻(xiàn)[51]利用邊界濾波器的特性，通過(guò)檢測(cè)線路電流的12、24和36次諧波在1個(gè)周波內(nèi)的脈沖數(shù)來(lái)識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障。文獻(xiàn)[52-54]根據(jù)直流濾波器的頻率響應(yīng)特性，使用位于濾波器諧振頻率范圍內(nèi)的諧波分量作為故障判據(jù)。文獻(xiàn)[55]使用直流濾波器支路的電流作為故障判據(jù)，當(dāng)濾波器支路電流的諧波分量大于閾值時(shí)，判斷為區(qū)內(nèi)故障。濾波器支路的電流不受負(fù)荷電流的影響，保護(hù)的靈敏性得到了提高。

此外，還有利用線路邊界的特性構(gòu)造縱聯(lián)保護(hù)算法。文獻(xiàn)[56]利用區(qū)內(nèi)外故障時(shí)線路兩端12次諧波電流方向的不同，構(gòu)造波形相似性判據(jù)。文獻(xiàn)[57]根據(jù)線路邊界在諧振頻率處的阻抗特性，利用區(qū)內(nèi)外故障時(shí)該頻率下阻抗角的不同，構(gòu)造方向判據(jù)。文獻(xiàn)[58]利用平波電抗器兩側(cè)50～500 Hz頻段的暫態(tài)能量比值，構(gòu)成方向保護(hù)。

線路邊界保護(hù)作為一種具有良好選擇性的保護(hù)原理，理論上可以作為直流線路的主保護(hù)?，F(xiàn)有的研究一般只考慮了線路邊界的頻率特性，并沒(méi)有考慮線路對(duì)于不同頻率信號(hào)的衰減特性。對(duì)于長(zhǎng)距離線路而言，線路對(duì)于信號(hào)高頻分量的衰減可能大于線路邊界所產(chǎn)生的衰減，線路遠(yuǎn)端故障與區(qū)外故障較難區(qū)分。而且，在工程應(yīng)用中，邊界保護(hù)缺少統(tǒng)一的整定計(jì)算依據(jù)，整定依賴于大量的仿真分析，邊界保護(hù)的整定方法仍需進(jìn)一步研究。

3.5 考慮線路分布電流的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

為了消除故障暫態(tài)過(guò)程中分布電容電流對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究，對(duì)差動(dòng)保護(hù)算法進(jìn)行改進(jìn)。

文獻(xiàn)[59]采用集中參數(shù)的線路模型，對(duì)輸電線路的充電電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，提高了電流差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。并通過(guò)引入電流制動(dòng)量，減小了外部故障時(shí)不平衡電流的影響，提高了保護(hù)的可靠性。文獻(xiàn)[60]使用一個(gè)簡(jiǎn)單的指數(shù)函數(shù)來(lái)等效線路的衰減，起到了部分補(bǔ)償分布電容電流的作用。文獻(xiàn)[61]基于線路Bergeron分布參數(shù)模型，使用線路兩端的電壓、電流采樣值推算得到線路中點(diǎn)的電流，消除線路分布電容對(duì)故障暫態(tài)電流的影響，并且設(shè)置高、低2個(gè)電流定值提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏性。文獻(xiàn)[62]利用波形比對(duì)的方法解決線路兩端數(shù)據(jù)不同步的問(wèn)題，并使用分布參數(shù)線路模型補(bǔ)償分布電流的影響。文獻(xiàn)[63]利用低頻段下線路沿線電壓近似呈線性分布的特性，通過(guò)計(jì)算沿線分布電容電流對(duì)差流進(jìn)行補(bǔ)償。

有學(xué)者研究通過(guò)引入閉鎖判據(jù)的方法，來(lái)加速差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作。文獻(xiàn)[64]利用直流分量、基波和二次諧波分量的能量比值構(gòu)造閉鎖判據(jù)，能夠可靠閉鎖區(qū)外故障，縮短了保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。文獻(xiàn)[65]引入交流電壓作為輔助判據(jù)，屏蔽差動(dòng)保護(hù)中的延時(shí)邏輯，加速差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作。

相比于傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)算法，這些方法在一定程度上補(bǔ)償了故障暫態(tài)過(guò)程中的分布電容電流，減小了區(qū)外故障時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)差動(dòng)電流。但是，這些保護(hù)算法并沒(méi)有考慮線路頻變參數(shù)的影響。由于線路參數(shù)頻變特性的存在，長(zhǎng)距離直流輸電線路故障仍存在較大的故障差動(dòng)電流，差動(dòng)保護(hù)仍需設(shè)置延時(shí)來(lái)躲避區(qū)外故障。而且，工程應(yīng)用中，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)需要線路兩端較大的通信數(shù)據(jù)量，需要高速的通信通道來(lái)傳遞電壓、電流數(shù)據(jù)，保護(hù)的延時(shí)較長(zhǎng)。因此，差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，只能作為線路的后備保護(hù)使用。

4 今后的研究方向

4.1 直流線路保護(hù)體系的建立

目前工程應(yīng)用中的直流保護(hù)技術(shù)不成熟，其采用單一的主保護(hù)原理，且缺乏可靠的后備保護(hù)原理，對(duì)于高阻接地等故障不能可靠動(dòng)作，需要由控制系統(tǒng)通過(guò)閉鎖故障極來(lái)切除故障。因此，為滿足直流輸電系統(tǒng)對(duì)于線路保護(hù)的要求，可以借鑒交流線路保護(hù)雙重化的原則，采取多套不同的保護(hù)原理共同構(gòu)成線路主保護(hù)和后備保護(hù)，構(gòu)造一個(gè)完備的高可靠性保護(hù)體系，充分發(fā)揮不同原理保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，避免單一原理的缺陷。

4.2 高可靠性的暫態(tài)量方向保護(hù)

直流故障的穩(wěn)態(tài)特征不明顯，這是直流線路故障區(qū)別于交流線路故障的主要特點(diǎn)，也是直流保護(hù)原理設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因此，直流線路保護(hù)更多的是利用故障后的暫態(tài)電壓、電流信息構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。

縱聯(lián)方向保護(hù)使用線路兩端的信息，其可靠性高、選擇性好，且只需要傳遞故障方向信息，數(shù)據(jù)通信量少，在高壓交流輸電線路保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。在高壓直流線路保護(hù)中，建議采用縱聯(lián)方向保護(hù)與單端行波保護(hù)共同構(gòu)成直流線路的主保護(hù)，兩者互為補(bǔ)充，充分發(fā)揮行波保護(hù)動(dòng)作速度快、縱聯(lián)保護(hù)和縱聯(lián)方向保護(hù)可靠性高的特點(diǎn)，可以大幅度提高保護(hù)的可靠性。利用故障暫態(tài)信息構(gòu)成的故障方向元件將是今后研究的重點(diǎn)。

4.3 保護(hù)裝置獨(dú)立配置

現(xiàn)有的直流線路保護(hù)系統(tǒng)作為直流控制保護(hù)系統(tǒng)的一部分，與控制系統(tǒng)集成一體化，整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。在實(shí)際運(yùn)行中，由于直流控制保護(hù)系統(tǒng)本身的各種硬件和軟件故障而導(dǎo)致的直流閉鎖事件也時(shí)有發(fā)生[66]。而從功能上來(lái)說(shuō)，直流線路保護(hù)相對(duì)于整個(gè)直流控制保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單元?？紤]到保護(hù)的高可靠性要求，可以借鑒交流線路保護(hù)的思路，將直流線路保護(hù)獨(dú)立配置，保護(hù)裝置的出口接入到現(xiàn)有的直流控制保護(hù)系統(tǒng)中。特別是在直流斷路器技術(shù)[67]實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用時(shí)，可以由保護(hù)裝置直接出口動(dòng)作直流斷路器跳閘切除線路故障，不必通過(guò)直流控制系統(tǒng)改變觸發(fā)角來(lái)切除線路故障。

4.4 保護(hù)算法實(shí)用化研究

現(xiàn)有的保護(hù)算法大多停留在理論研究階段，尚未在實(shí)際直流工程中得到應(yīng)用，保護(hù)算法的實(shí)用化需要進(jìn)一步研究。

各類保護(hù)原理在工程應(yīng)用方面都存在一定的問(wèn)題。利用高頻信息的行波和暫態(tài)量保護(hù)原理，對(duì)于采樣率的要求較高，目前的直流控制保護(hù)系統(tǒng)的采樣率大多為10 kHz，無(wú)法滿足保護(hù)原理的采樣要求?？梢酝ㄟ^(guò)單獨(dú)開(kāi)發(fā)滿足采樣率要求的直流線路保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。同時(shí)，保護(hù)還需考慮故障信息受雷擊干擾、直流控制系統(tǒng)影響等因素。邊界保護(hù)需重點(diǎn)研究整定計(jì)算依據(jù)、線路參數(shù)對(duì)故障信號(hào)的影響等工程應(yīng)用可能存在的問(wèn)題。差動(dòng)保護(hù)則應(yīng)側(cè)重于縮短保護(hù)延時(shí)方面的研究。

5 結(jié)論

本文首先分析了基于LCC的高壓直流輸電系統(tǒng)線路保護(hù)的作用及系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)的要求，對(duì)工程應(yīng)用的線路保護(hù)原理和理論研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并提出高壓直流線路保護(hù)今后的發(fā)展方向：

a)建立一套完整的直流線路保護(hù)體系，該體系由多套不同原理的主保護(hù)和可靠的后備保護(hù)組成，充分發(fā)揮不同原理的保護(hù)算法在不同場(chǎng)合下的優(yōu)勢(shì)。

b)建議將利用故障暫態(tài)信息構(gòu)成的縱聯(lián)方向保護(hù)與現(xiàn)有工程中的行波保護(hù)共同構(gòu)成直流線路的主保護(hù)，作為單端行波保護(hù)的補(bǔ)充，提高直流線路保護(hù)的可靠性。

c)未來(lái)直流線路保護(hù)的發(fā)展可以借鑒交流線路保護(hù)的模式，采用保護(hù)裝置獨(dú)立配置的方式。在直流斷路器實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用后，保護(hù)裝置可以直接動(dòng)作于斷路器，不需要通過(guò)換流器來(lái)切除故障。

d)線路保護(hù)原理的實(shí)用化仍需進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)原理的工程應(yīng)用。