楊志勇，楊炳元，任永峰，楊 帥，段曉旭

基于單端高頻電流量的MMC-MTDC輸電線路保護(hù)方案

楊志勇1，楊炳元1，任永峰1，楊 帥2，段曉旭1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010090)

為克服傳統(tǒng)高壓直流輸電線路保護(hù)利用單端電氣量無(wú)法可靠區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障的缺陷，提出一種通過(guò)廣義S變換提取直流線路故障電流高頻頻帶幅值特征的單端量保護(hù)新方法。該方法在配備有混合直流斷路器的直流線路發(fā)生故障時(shí)，利用1000～2500 Hz各采樣頻率電流橫差值在區(qū)外明顯小于區(qū)內(nèi)的特征，構(gòu)造了區(qū)內(nèi)、外故障判據(jù)。利用300～1000 Hz的特征頻率在單極接地故障時(shí)故障極特征頻率電流幅值比非故障極大，以及兩極短路故障時(shí)兩極的特征頻率電流幅值近似相等的特征，構(gòu)造了故障啟動(dòng)判據(jù)和選極判據(jù)。在RTDS仿真平臺(tái)搭建了風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站經(jīng)高壓直流外送的三端柔性直流輸電系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，所提方法能快速、可靠地識(shí)別故障類型和故障范圍。同時(shí)，仿真驗(yàn)證了基于混合直流斷路器的直流故障穿越方案的有效性。

廣義S變換；單端量保護(hù)；高頻頻帶；混合直流斷路器；直流故障穿越

0 引言

柔性直流系統(tǒng)具有有功功率和無(wú)功功率可解耦控制、諧波特性優(yōu)良及開(kāi)關(guān)器件損耗小等特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、新能源并網(wǎng)及電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[1-3]。隨著新能源發(fā)電量的不斷增長(zhǎng)，基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)(Modular Multilevel Converter based Multi-terminal Direct Current, MMC-MTDC)在高電壓和大容量的場(chǎng)合發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢(shì)，如南澳三端、張北四端和舟山五端柔直系統(tǒng)[4-6]。柔性直流系統(tǒng)由于具有低阻尼特性，直流側(cè)發(fā)生故障后故障發(fā)展極快，故障電流呈陡增態(tài)勢(shì)[7-8]，因此對(duì)直流保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性提出了更嚴(yán)格的要求。

目前直流輸電線路主保護(hù)多采用行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)，存在抗過(guò)渡電阻能力差、動(dòng)作速度緩慢、可靠性不高和靈敏性不足等問(wèn)題[9-11]，不能滿足柔性直流輸電線路對(duì)主保護(hù)的實(shí)際需求，故需研究適用于柔性直流線路快速的、可靠的保護(hù)技術(shù)。

近年來(lái)，關(guān)于柔性直流輸電線路保護(hù)的研究主要包括：文獻(xiàn)[12]對(duì)各類行波保護(hù)的主要原理和保護(hù)性能做了簡(jiǎn)要分析，提出行波保護(hù)存在波頭檢測(cè)依靠經(jīng)驗(yàn)、采樣頻率過(guò)高等問(wèn)題；文獻(xiàn)[13-14]基于全電流特征的縱聯(lián)保護(hù)新方法具有較高的可靠性，但保護(hù)動(dòng)作仍需要兩端電氣量通信，其快速性受到一定的限制；文獻(xiàn)[15-16]為解決直流輸電線路單極故障時(shí)傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)所產(chǎn)生的可能誤動(dòng)、速動(dòng)性低和靈敏度低等問(wèn)題，利用線路補(bǔ)償點(diǎn)計(jì)算電流構(gòu)造了差動(dòng)保護(hù)改進(jìn)判據(jù)；文獻(xiàn)[17]利用雙極故障的電流特征，給出了基于Pearson相關(guān)系數(shù)的故障區(qū)間判別方法和故障隔離方案，該保護(hù)方案具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)和耐受過(guò)渡電阻的能力；文獻(xiàn)[18]提出一種基于暫態(tài)電流故障分量相關(guān)系數(shù)的混合多端高壓直流輸電線路保護(hù)策略，只須測(cè)量T接匯流母線3個(gè)端口各自的暫態(tài)電流故障分量并計(jì)算相關(guān)系數(shù)即可準(zhǔn)確識(shí)別故障區(qū)間；文獻(xiàn)[19]通過(guò)對(duì)MMC-HVDC直流線路在不同位置發(fā)生各類故障時(shí)線路邊界電流波形的變化特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，提出基于邊界電流波形差異度的MMC-HVDC直流線路保護(hù)判據(jù)。廣義S變換能精確提取不同頻率成分的時(shí)幅特性[20-21]，文獻(xiàn)[22-23]利用高頻突變點(diǎn)確定故障時(shí)間，利用兩端突變電流極性區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障。為解決基于兩端電氣量的保護(hù)方案的快速性受限問(wèn)題，文獻(xiàn)[24-25]利用直流輸電線路故障后的暫態(tài)特征，構(gòu)造出能快速識(shí)別故障類型和故障位置的判據(jù)，提出無(wú)需雙端通信的單端直流保護(hù)。文獻(xiàn)[26]基于換流器電容放電特征，提出一種基于單端電氣量的保護(hù)方案，但其主保護(hù)可能存在檢測(cè)失敗的問(wèn)題。

本文通過(guò)RTDS搭建了MMC-MTDC模型，提出了一種基于單端高頻頻帶電流幅值特征保護(hù)新方法，并給出直流故障穿越方案。信號(hào)處理采用分辨率較高的廣義S變換，并利用其輸出的時(shí)頻矩陣，提取特征頻率電流的時(shí)模信息，構(gòu)造故障啟動(dòng)判據(jù)，來(lái)判斷故障時(shí)刻；提取高頻頻帶中各頻率橫差值的平均值和正負(fù)極特征頻率電流的最大值，構(gòu)造區(qū)內(nèi)、外故障判據(jù)和故障選極判據(jù)，來(lái)判斷故障類型。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提保護(hù)方案的快速性和可靠性，以及直流故障穿越策略的有效性。

1 系統(tǒng)拓?fù)浼肮收洗┰椒桨?/h2>

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站經(jīng)柔直送出系統(tǒng)拓?fù)?/p>

圖2 混合直流斷路器拓?fù)?/p>

圖3 故障點(diǎn)設(shè)置簡(jiǎn)圖

基于模型拓?fù)浜凸收宵c(diǎn)設(shè)置，直流系統(tǒng)故障穿越協(xié)調(diào)控制策略做以下設(shè)計(jì)：對(duì)于柔性直流輸電線路故障造成直流電壓跌落的問(wèn)題，可通過(guò)所提保護(hù)方法快速、可靠地判別故障類型和故障位置后發(fā)出DCCB開(kāi)斷指令，在MMC閉鎖前快速隔離直流故障，保證未故障線路快速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)；而對(duì)于可能引起的直流輸電線路過(guò)電壓?jiǎn)栴}，可通過(guò)投入卸荷電阻解決。

2 故障高頻分量特征分析

2.1 廣義S變換

在直流輸電線路發(fā)生故障后，將會(huì)有大量高頻電流分量從故障點(diǎn)向線路兩端進(jìn)行傳播，而高壓直流線路保護(hù)往往需要借助高頻分量信息構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，故本文采用具有較好時(shí)頻分析能力的廣義S變換分析故障暫態(tài)信號(hào)。

廣義S變換離散化表達(dá)式為

采樣信號(hào)經(jīng)離散形式的廣義S變換得到一個(gè)復(fù)矩陣，如式(2)所示。

2.2 邊界特性差異

直流輸電線路兩端安裝平波電抗器對(duì)提高電網(wǎng)故障穿越及生存能力具有重要的實(shí)踐意義和作用，其不僅能限制系統(tǒng)故障電流，而且對(duì)故障暫態(tài)高頻分量具有阻滯作用。因此，平波電抗器作為電網(wǎng)保護(hù)的邊界元件，能區(qū)別線路保護(hù)區(qū)內(nèi)、外故障，為保護(hù)的選擇性提供了保障。區(qū)外故障時(shí)，相對(duì)于區(qū)內(nèi)故障，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高頻阻滯邊界，高頻暫態(tài)分量經(jīng)高頻邊界大幅減小，通過(guò)設(shè)置匯流母線和L2線路發(fā)生兩極短路故障，給出了如圖4所示的區(qū)內(nèi)、外故障等效電路。因此，可根據(jù)上述區(qū)內(nèi)、外高頻分量幅值特性差異，來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。

圖4 區(qū)內(nèi)、外故障高頻邊界特性圖

2.3 線路對(duì)高頻信號(hào)的衰減作用

圖5 MMC簡(jiǎn)化等值電路

根據(jù)其等值電路，當(dāng)L2線路保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生兩極短路故障時(shí)，GSMMC1直流側(cè)的高頻等值阻抗可表示為

由式(3)可知，當(dāng)故障點(diǎn)距離保護(hù)安裝處越遠(yuǎn)或過(guò)渡電阻越大時(shí)，高頻等值阻抗越大，保護(hù)安裝處的高頻電流分量越?。划?dāng)線路足夠長(zhǎng)時(shí)，距離線路首端的距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的電流幅值越小，線路對(duì)高頻分量的衰減作用將大于邊界的衰減。

3 保護(hù)基本原理

3.1 特征頻率的選擇

以正負(fù)極特征頻率電流構(gòu)造故障啟動(dòng)判據(jù)，判據(jù)為

3.2 故障位置判別

由于平波電抗器具有阻滯高頻暫態(tài)分量的作用，當(dāng)直流線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，高頻電流分量橫差值大于直流側(cè)區(qū)外故障及匯流母線故障時(shí)的橫差值。本文利用1000～2500 Hz頻帶中各頻率下電流橫差值的平均值，實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)、外故障的可靠區(qū)分，保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為

3.3 故障選極

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造故障選極判據(jù)為

此判據(jù)門檻值的選擇要求能夠區(qū)分直流線路末端故障與匯流母線的區(qū)外故障即可。

表1 MMC-MTDC系統(tǒng)部分參數(shù)

4 仿真驗(yàn)證

圖6 保護(hù)算法流程圖

4.1 故障仿真結(jié)果

由于故障設(shè)置和保護(hù)安裝位置較多，本節(jié)仿真驗(yàn)證部分均為逆變站側(cè)保護(hù)安裝處部分故障判斷信息，首先給出幾種表現(xiàn)保護(hù)性能的故障仿真結(jié)果圖，其他故障仿真結(jié)果以表的形式給出。

4.1.1 L2線路末端故障仿真結(jié)果

表2 線路末端正極經(jīng)過(guò)渡電阻接地故障仿真結(jié)果

4.1.2近端故障仿真結(jié)果

圖9 直流匯集母線正極接地故障判別

圖10 直流匯集母線兩極短路故障判別

結(jié)果表明：當(dāng)臨近點(diǎn)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，即使是兩極短路故障，保護(hù)算法也能可靠識(shí)別出區(qū)外故障，不會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)。

4.1.3故障仿真結(jié)果分析

表3 區(qū)內(nèi)、外故障位置判別仿真結(jié)果

表4 故障判別仿真結(jié)果

4.2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站輸出容量對(duì)保護(hù)的影響

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電實(shí)現(xiàn)了可再生能源的可控制、可調(diào)度，有效避免了棄光、棄風(fēng)，提高了風(fēng)、光資源的利用率。但可再生能源輸出電能仍受季節(jié)、天氣等因素的影響，存在變化幅度較大的情況，并可能影響所提保護(hù)方案整定值的準(zhǔn)確性，需結(jié)合新能源跨區(qū)直流輸送特性進(jìn)行考慮。某風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站經(jīng)高壓直流外送的功率特性曲線，如圖11所示(功率值已按NEMMC額定容量進(jìn)行歸一化處理)。

圖11 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電站高壓直流外送功率特性曲線

4.3 直流系統(tǒng)故障穿越仿真結(jié)果

圖13 兩極短路直流系統(tǒng)故障特征

5 結(jié)論

本文利用廣義S變換對(duì)保護(hù)安裝處電流信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，通過(guò)對(duì)本模型直流故障高頻頻帶特征的梳理，利用平波電抗器的作用，提出了一種基于單端高頻電流幅值的保護(hù)新方法，并得到以下結(jié)論。

1) 當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，MMC-MTDC直流系統(tǒng)波形質(zhì)量高，諧波特性優(yōu)良。而當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的300～2500 Hz的高頻頻帶，其中特征頻率一般處于300～1000 Hz和1000～2500 Hz范圍內(nèi)電流幅值相對(duì)較小。

2) 所提保護(hù)為單端信息量保護(hù)，利用了平波電抗器阻滯高頻分量的作用、1000～2500 Hz的電流分量橫差值和300～1000 Hz的正負(fù)極特征頻率電流分量，實(shí)現(xiàn)了直流線路全線的保護(hù)，克服了傳統(tǒng)保護(hù)利用單端電氣量無(wú)法可靠區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障的缺陷，且不需考慮雙端通信和信息同步帶來(lái)的問(wèn)題。

3) 仿真驗(yàn)證表明，該保護(hù)方案能快速、可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，實(shí)現(xiàn)故障選極；直流故障穿越方案可以在MMC閉鎖前隔離直流故障，對(duì)未故障線路無(wú)較大影響。本文所研究?jī)?nèi)容對(duì)MMC-MTDC系統(tǒng)主保護(hù)的研究具有一定的參考意義。

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Transmission line protection scheme of MMC-MTDC based on single terminal high frequency current

YANG Zhiyong1, YANG Bingyuan1, REN Yongfeng1, YANG Shuai2, DUAN Xiaoxu1

(1. School of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;2. Inner Mongolia Electric Power Economic Research Institute, Hohhot 010090, China)

A new single terminal protection that extracts the amplitude characteristics of the high frequency band of the DC line fault current through a generalized S-transform is presented to overcome the defect of traditional HVDC transmission line protection. That problem is where the single terminal relaying cannot differentiate between internal and external faults. The research shows that when the DC line equipped with a hybrid DC circuit breaker fails, the transverse current difference of sampling frequency from 1000 Hz to 2500 Hz is obviously smaller when the external fault occurs than when the internal fault occurs. Fault criteria are established. The current amplitude of the characteristic frequency of the fault pole is greater than that of the non-fault in the case of single pole-to-ground fault. The current amplitude of the characteristic frequency of the two poles is approximately equal when a two poles short circuit occurs. The fault starting and pole selection criteria are built using a characteristic frequency from 300 Hz to 1000 Hz. On the RTDS simulation platform, a three terminal flexible HVDC system model of wind-solar-storage hybrid power generation station transmitted through HVDC is built. The simulation results show that the fault type and area can be identified rapidly and reliably. The effectiveness of the proposed DC fault ride-through scheme based on a hybrid DC circuit breaker is verified using an RTDS simulation experiment.

generalized S-transform; single ended protection; high frequency band; hybrid DC circuit breaker; DC fault ride through

10.19783/j.cnki.pspc.211155

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51967016，51567020)

This work supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51967016 and No. 51567020).

2021-08-24；

2021-11-11

楊志勇(1995—)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)高壓直流輸電、繼電保護(hù)；E-mail: 990445769@qq.com

楊炳元(1967—)，男，通信作者，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行分析，繼電保護(hù)；E-mail: yangbingyuan@ imut.edu.cn

任永峰(1971—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電運(yùn)行與控制、儲(chǔ)能技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: renyongfeng@vip.sina.com

(編輯 姜新麗)