許婷葦，趙麗平，林 圣，葉 燁

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著交直流輸電及其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)逐步形成交直流深度耦合的格局，帶來了復(fù)雜的故障暫態(tài)特性，也給基于單一量測量信息的繼電保護帶來了嚴(yán)重影響[1-3]。

在一些可能會導(dǎo)致閥的觸發(fā)異常的故障發(fā)生時，如交流系統(tǒng)不對稱故障、閥故障、閥基電子設(shè)備故障時,直流線路電流中會出現(xiàn)100 Hz分量，引起100 Hz保護動作，導(dǎo)致直流系統(tǒng)降功率運行甚至閉鎖。已有研究指出，交流系統(tǒng)不對稱故障期間，若能維持閥的正常換相，100 Hz保護不動作有利于系統(tǒng)穩(wěn)定[4]。但按照目前實際工程中的保護策略及整定方式還不能區(qū)分兩類故障，可能會帶來因交流系統(tǒng)不對稱故障導(dǎo)致不必要的直流閉鎖。例如，在天廣直流“6·23事故”中，交流線路故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)100 Hz分量增大，進而導(dǎo)致100 Hz保護誤動作，高壓直流輸電系統(tǒng)誤停運[5]。

由于交直流混聯(lián)系統(tǒng)的相互影響，導(dǎo)致基于單一量測量的保護的響應(yīng)存在一定的盲目性[6]。如交流系統(tǒng)不對稱故障時，會在交流側(cè)產(chǎn)生負序分量，經(jīng)換流器傳變后在直流側(cè)產(chǎn)生100 Hz分量，從而可能引起直流100 Hz保護誤動作。若此情況下，將交流側(cè)測量信息與直流側(cè)測量信息進行關(guān)聯(lián)分析，則可準(zhǔn)確識別出故障區(qū)域，從而避免100 Hz保護誤動作。

下面分析了交流不對稱故障導(dǎo)致100 Hz保護誤動作原因，在此基礎(chǔ)上，提出了故障區(qū)域識別方案。仿真結(jié)果表明，所提方案不受故障類型、故障位置、過渡電阻、故障初始角以及噪聲干擾的影響。

1 100 Hz保護誤動機理分析

1.1 整流站交直流區(qū)域故障分布

整流站交直流區(qū)域故障分布如圖1所示，以換流變壓器與換流器的連接線為界，將整流站劃分為整流站直流區(qū)域與交流區(qū)域。圖中：L1—Ln為整流站區(qū)外n條送電交流線路；S1—Sn分別為遠端的等效送電交流電源；f1-Lh和f2為整流站交流區(qū)域故障；f3和f4為整流站直流區(qū)域故障。

圖1 整流站交直流區(qū)域故障分布

1.2 交流不對稱故障導(dǎo)致100 Hz保護誤動原因

近年來，工程現(xiàn)場曾出現(xiàn)由于交流不對稱故障導(dǎo)致直流100 Hz保護誤動作而閉鎖直流系統(tǒng)的事件，對直流系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重的影響。為避免在交流系統(tǒng)不對稱故障期間100 Hz諧波保護誤動作，首先應(yīng)著手于其誤動作的機理，即分析交流不對稱故障導(dǎo)致直流側(cè)100 Hz諧波分量增加的原因，從而提出對應(yīng)的解決措施。

交流不對稱故障使得交流母線處基頻負序分量增加[7]，以下分析了換流器對交直流側(cè)諧波的傳變作用，闡述交流不對稱故障導(dǎo)致100 Hz保護誤動的機理?；谡{(diào)制理論，使用換流器開關(guān)函數(shù)模型，以模擬換流器的非線性過程，從而得到交流電氣量經(jīng)換流器變換后的直流電氣量。

直流場的電壓可由式(1)表示。

udc=uaSua+ubSub+ucSuc

(1)

式中：ua、ub、uc分別為三相交流電壓瞬時值；udc為直流電壓瞬時值；Sua、Sub、Suc為三相電壓開關(guān)函數(shù)。開關(guān)函數(shù)可由式(2)表示。

(2)

式中，ω1=50 Hz。

當(dāng)交流場三相電壓不對稱時，可將三相不對稱電壓經(jīng)序分量分解為

(3)

式中，m為諧波次數(shù)。

將式(2)、式(3)代入式(1)可得

(4)

式(4)代表交流場諧波電壓經(jīng)換流器傳變后對應(yīng)的直流場諧波電壓。

由式(4)可得，直流側(cè)100 Hz諧波電壓為

(5)

由式(5)可得，交流場負序基頻電壓和正序3次諧波電壓將在直流場傳變出100 Hz分量，且由于負序基頻電壓幅值較大而起主要作用。

綜上，交流側(cè)發(fā)生不對稱短路故障時，交流場負序基頻電壓與直流場100 Hz分量呈正相關(guān)，是造成直流100 Hz保護誤動的原因。因此，為了辨識是由于交流側(cè)發(fā)生不對稱短路故障產(chǎn)生的100 Hz諧波電流，可通過引入交流母線處負序基頻電壓，并判斷其與直流二次諧波電壓的相關(guān)程度，形成基于站域信息的直流100 Hz保護優(yōu)化方案。

2 故障區(qū)域識別方案

2.1 故障區(qū)域識別判據(jù)

引入R表示交流場負序基頻電壓與直流場100 Hz分量的相關(guān)度系數(shù)。

(6)

當(dāng)交流區(qū)域發(fā)生不對稱故障時，換流母線負序分量增加，經(jīng)換流器的傳變作用后在直流側(cè)產(chǎn)生100 Hz分量，換流母線負序電壓與直流100 Hz分量相關(guān)性高，波形形態(tài)相近，由式(6)可知R較小；當(dāng)直流區(qū)域故障時，直流100 Hz分量是由于三相開關(guān)函數(shù)波形不對稱所引起的[9]，換流母線負序分量與直流100 Hz分量相關(guān)性低，R較大。因此，判斷R

2.2 啟動判據(jù)

保護算法啟動步驟采用電壓故障分量啟動元件來實現(xiàn)[8]，其對故障檢測的原理為

max(|ΔuA|,|ΔuB|,|ΔuC|)>Δuset

(7)

式中：ΔuA、ΔuB與ΔuC分別為交流母線三相電壓所對應(yīng)的故障分量；Δuset為保護算法啟動門檻值，通常為0.01～0.1倍算法啟動時刻所用電壓的額定值。將保護算法啟動時刻定義為交流母線電壓故障分量最大值大于算法啟動門檻值的時刻。

3 仿真驗證與分析

3.1 仿真模型與參數(shù)

在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建送端連接有3條交流線路的±800 kV交直流系統(tǒng)仿真模型，模型中3條送電交流線路L1—L3的長度分別為40 km、40 km、20 km。

3.2 典型故障仿真分析

3.2.1 整流站交流區(qū)域故障

在模型上設(shè)置交流線路L1上點f1-L1處A相發(fā)生金屬性接地故障，故障位于距離換流母線20 km處，仿真圖形如圖2所示。

由圖2中仿真結(jié)果可知，計算開始檢測到故障后5 ms數(shù)據(jù)窗長內(nèi)的數(shù)據(jù)，可得R=1.589 4<5，可判斷出該故障為整流站交流區(qū)域故障。

圖2 交流區(qū)域故障仿真波形

3.2.2 整流站直流區(qū)域故障

在模型上設(shè)置換流變壓器閥側(cè)f3處A相發(fā)生金屬性接地故障，仿真圖形如圖3所示。

圖3 直流區(qū)域故障仿真波形

由圖3中仿真結(jié)果可知，計算開始檢測到故障后5 ms數(shù)據(jù)窗長內(nèi)的數(shù)據(jù)，可得R=48.200 2>5，可判斷出該故障為整流站直流區(qū)域故障。

3.3 適應(yīng)性分析

3.3.1 不同故障類型和位置下的適應(yīng)性分析

為驗證所提故障識別方法在不同故障類型與不同故障位置下的適應(yīng)性，分別在模型上設(shè)置不同故障類型與不同故障位置的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對故障進行識別，得到的仿真結(jié)果如表1所示。其中：f1-L1代表交流線路L1上發(fā)生的故障，f2表示換流變壓器網(wǎng)側(cè)發(fā)生的故障，均為整流站交流區(qū)域故障；f3表示換流變壓器閥側(cè)故障，f4表示換流器直流側(cè)出口故障，均為整流站直流區(qū)域故障。表中的故障位置代表f1-L1距離換流母線的距離；f1-L1、f2、f3的過渡電阻均為15 Ω，故障初始角均為0°；f4的過渡電阻為15 Ω。

表1 不同故障類型和位置下的仿真結(jié)果

根據(jù)表1結(jié)果可知，在整流站交流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同類型和不同位置的故障時，R均小于5，可得出故障發(fā)生在交流區(qū)域，屬于交流區(qū)域故障；而在直流區(qū)域不同類型的故障發(fā)生時，R均大于5，從而可得出故障發(fā)生在直流區(qū)域，屬于直流區(qū)域故障。因此可知，無論故障發(fā)生于整流站交流區(qū)域還是直流區(qū)域，所提方法均能夠準(zhǔn)確識別。

3.3.2 不同過渡電阻下的適應(yīng)性分析

為驗證所提故障識別方法在不同過渡電阻下的適應(yīng)性，分別在模型上設(shè)置不同過渡電阻的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對故障進行識別，得到的仿真結(jié)果如表2所示。以A相接地故障為例，其中f1-L1處發(fā)生的故障在距離換流母線10 km處，故障初始角均為0°。

根據(jù)表2結(jié)果可知，在整流站交流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同過渡電阻下的故障時，R均小于5，此時判斷發(fā)生的故障為整流站交流區(qū)域故障；在整流站直流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同過渡電阻下的故障時，R均大于5，此時判斷發(fā)生的故障為整流站直流區(qū)域故障。因此可知，無論故障發(fā)生于整流站交流區(qū)域還是直流區(qū)域，所提方法均能夠準(zhǔn)確識別。

表2 不同過渡電阻下的仿真結(jié)果

3.3.3 不同故障初始角下的適應(yīng)性分析

為驗證所提故障識別方法在不同故障初始角下的適應(yīng)性，分別在模型上設(shè)置不同故障初始角下的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對故障進行識別，得到的仿真結(jié)果如表3所示。以A相接地故障為例(過渡電阻設(shè)置為15 Ω)，f1-L1處發(fā)生的故障在距離換流母線10 km處。

表3 不同故障初始角下的仿真結(jié)果

根據(jù)表3結(jié)果可知，在整流站交流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同故障初始角下的故障時，R均小于5，此時判斷發(fā)生的故障為整流站交流區(qū)域故障；在整流站直流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同故障初始角下的故障時，R均大于5，此時判斷發(fā)生的故障為整流站直流區(qū)域故障。因此可知，無論故障發(fā)生于整流站交流區(qū)域還是直流區(qū)域，所提方法均能夠準(zhǔn)確識別。

3.3.4 噪聲干擾下的適應(yīng)性分析

為驗證所提故障識別方法在噪聲干擾下的適應(yīng)性，在模型上設(shè)置不同程度噪聲干擾下的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對故障進行識別，以A相接地故障為例(過渡電阻設(shè)置為15 Ω)，f1-L1處發(fā)生的故障在距離換流母線10 km處，故障初始角為0°，在所得仿真數(shù)據(jù)中加入信噪比為50 dB、40 dB和30 dB的噪聲。

由于所加的噪聲是隨機數(shù)，因此通過1000次仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入大于40 dB的噪聲時，故障識別準(zhǔn)確率大于97%；當(dāng)加入小于40 dB的噪聲時，故障識別準(zhǔn)確率大于95%。

4 結(jié) 論

基于換流母線電壓基頻負序分量與直流線路電壓二次諧波分量的相關(guān)系數(shù)構(gòu)建了基于站域信息的整流站故障區(qū)域識別方案，通過理論分析和仿真驗證，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)整流站交流區(qū)域故障時，換流母線基頻負序電壓與直流線路電壓二次諧波分量相關(guān)性高；而當(dāng)整流站直流區(qū)域故障時，換流母線基頻負序電壓與直流線路電壓二次諧波分量相關(guān)性低。

2)提出了基于交流母線電壓基頻負序分量幅值與直流線路電壓二次諧波分量幅值的相關(guān)系數(shù)R的故障區(qū)域識別方法。當(dāng)R小于門檻值kset時，判斷發(fā)生的故障為整流站交流區(qū)域故障，否則判斷故障為整流站直流區(qū)域故障。故障識別時間小于7 ms。

3)所提故障區(qū)域判別方案不受故障類型、故障位置、過渡電阻、故障初始角以及噪聲干擾的影響。