高壓直流輸電線路微分欠壓保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)特性分析與整定

韓昆侖 ，蔡澤祥 ，徐 敏 ，賀 智

（1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

直流線路在直流輸電系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位[1-4]，現(xiàn)有直流輸電線路保護(hù)在以行波保護(hù)為主保護(hù)的基礎(chǔ)上采用微分欠壓保護(hù)作為其后備保護(hù)，以進(jìn)一步提高直流線路保護(hù)的可靠性[5-7]。

高壓直流輸電系統(tǒng)中電氣量的變化受直流控制系統(tǒng)作用影響顯著[8-9]，因而相關(guān)電氣量的響應(yīng)特性，特別是故障條件下，與交流系統(tǒng)相比具有很大的差異；同時(shí)直流線路微分欠壓保護(hù)作為直流輸電線路的后備保護(hù)，具有一定的延時(shí)動(dòng)作時(shí)間，因而與直流線路的主保護(hù)（行波保護(hù)）相比，其在故障條件下的響應(yīng)也有很大不同。由于在附加控制系統(tǒng)作用的故障條件下，難以采用解析化的手段對(duì)直流線路電氣量的傳播特性進(jìn)行研究，因此微分欠壓保護(hù)的整定缺乏系統(tǒng)、有效的方法。實(shí)際直流系統(tǒng)中廣泛采用的微分欠壓保護(hù)均由廠家推薦定值，運(yùn)行部門依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)定值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后投入使用[10-15]。對(duì)于微分欠壓保護(hù)中各判據(jù)的功能、參數(shù)計(jì)算的依據(jù)以及控制對(duì)保護(hù)判據(jù)的影響等均缺乏深入的認(rèn)識(shí)。另一方面，當(dāng)前對(duì)直流線路保護(hù)的研究多集中于新原理及方法[16-19]，受相關(guān)條件的限制暫難以推廣應(yīng)用。因此非常有必要對(duì)微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法進(jìn)行深入研究。

本文從微分欠壓保護(hù)中各特征量在不同故障類型下的動(dòng)態(tài)特性入手，分析了直流控制系統(tǒng)對(duì)保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響、保護(hù)中各特征量在不同故障條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的規(guī)律性，研究了保護(hù)中各判據(jù)的功能及邊界條件。本文還分析了微分欠壓保護(hù)作為后備保護(hù)，在動(dòng)作延時(shí)上與其他相關(guān)保護(hù)間的配合關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法。通過采用實(shí)際直流線路參數(shù)的整定算例驗(yàn)證了提出的整定計(jì)算方法具有良好的可靠性及靈敏性。本文方法能為現(xiàn)有直流線路相關(guān)保護(hù)的整定計(jì)算提供依據(jù)，具有重要的理論與實(shí)際價(jià)值。

1 直流線路微分欠壓保護(hù)的保護(hù)范圍及相關(guān)故障類型

直流輸電系統(tǒng)的兩極線路在整流側(cè)均配有微分欠壓保護(hù)，其保護(hù)范圍為本極直流線路的全長，對(duì)極線路、線路兩側(cè)的末端設(shè)備（平波電抗器、直流濾波器等）、換流器以及交流系統(tǒng)均屬于區(qū)外的范圍。

以正極線路上的保護(hù)為例，進(jìn)行保護(hù)整定研究需要考慮到的各類故障的分布如圖1所示，關(guān)于各類故障的具體描述如表1所示。

對(duì)兩極線路上的故障，主要研究各特征量隨故障點(diǎn)位置變化所呈現(xiàn)的規(guī)律及相互間的關(guān)系；對(duì)其他位置的故障，則重點(diǎn)研究故障時(shí)各特征量的響應(yīng)與區(qū)內(nèi)故障時(shí)其響應(yīng)間的關(guān)系。因此，各特征量在故障時(shí)的動(dòng)態(tài)特性分析是保護(hù)整定研究的重要基礎(chǔ)。

圖1 直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of HVDC transmission system

表1 各類型故障Tab.1 Different fault types

現(xiàn)以一實(shí)際高壓直流輸電系統(tǒng)的線路參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行正極線路微分欠壓保護(hù)特征量的動(dòng)態(tài)特性分析。線路相關(guān)參數(shù)如下：雙極額定傳輸功率為1800 MW，額定電壓為500 kV，額定電流為1.8 kA，直流輸電線路長度為960 km。

2 直流線路微分欠壓保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)特性

2.1 直流線路微分欠壓保護(hù)的特征量

微分欠壓保護(hù)作為直流線路行波保護(hù)的后備保護(hù)，配置于直流輸電線路整流側(cè)的兩極線路上，當(dāng)直流線路行波保護(hù)拒動(dòng)或退出運(yùn)行時(shí)，其可作為檢測(cè)直流線路故障的主要保護(hù)。微分欠壓保護(hù)動(dòng)作后，出口信號(hào)會(huì)啟動(dòng)直流線路再啟動(dòng)邏輯DFRS（DC Line Fault Recovery Sequence），若再啟動(dòng)次數(shù)超過預(yù)設(shè)的次數(shù)則閉鎖該極[20]。

典型的直流線路微分欠壓保護(hù)的動(dòng)作方程為：

由式（1）可知，典型的直流線路微分欠壓保護(hù)主要包含2個(gè)特征量：電壓變化率du/dt，其構(gòu)成的判據(jù)稱為微分判據(jù)；線路低電壓水平，其構(gòu)成的判據(jù)稱為低電壓判據(jù)。電壓變化率du/dt與行波保護(hù)中該特征量的構(gòu)成原理、計(jì)算方法及定值等均相同，可參見文獻(xiàn)[21]。此外，作為后備保護(hù)的微分欠壓保護(hù)還具有保護(hù)動(dòng)作延時(shí)t。

2.2 控制系統(tǒng)對(duì)微分欠壓保護(hù)特征量的影響

與傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)相比，直流系統(tǒng)的復(fù)雜之處在于其是在控制系統(tǒng)作用下運(yùn)行的，故障條件下電氣量的變化受控制系統(tǒng)影響顯著。同時(shí)，微分欠壓保護(hù)作為后備保護(hù)，其本身也具有一定的延時(shí)動(dòng)作時(shí)間。因此研究微分欠壓保護(hù)需要考慮故障發(fā)生后控制系統(tǒng)對(duì)電氣量以及保護(hù)特征量變化的影響。

電壓變化率du/dt主要用于檢測(cè)線路末端的電壓波動(dòng)情況，可判斷故障行波是否到達(dá)保護(hù)安裝處。故障條件下du/dt（標(biāo)幺值）與控制系統(tǒng)的響應(yīng)情況如圖2所示，圖中α為直流輸電系統(tǒng)換流器中晶閘管的觸發(fā)延遲角。

圖2 故障條件下du/dt與直流控制系統(tǒng)的響應(yīng)情況Fig.2 Responses of du/dt and DC control system to fault

從圖2可知，故障發(fā)生后，電壓變化率du/dt與控制系統(tǒng)相比具有更快的響應(yīng)速度，這是由于du/dt的響應(yīng)時(shí)間主要取決于其內(nèi)部各計(jì)算模塊的固有時(shí)間之和，而控制系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中除模塊本身的固有時(shí)間外，一般還設(shè)有一定的慣性時(shí)間常數(shù)以保證控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定的控制效果。由此，微分欠壓保護(hù)中的電壓變化率du/dt對(duì)各類故障及擾動(dòng)的響應(yīng)主要取決于其算法本身，受控制系統(tǒng)影響很小。

圖3 故障條件下的響應(yīng)情況Fig.3 Response of to fault

2.3 直流線路微分欠壓保護(hù)特征量的動(dòng)態(tài)特性

2.3.1 電壓變化率du/dt的動(dòng)態(tài)特性

微分欠壓保護(hù)中電壓變化率du/dt與直流線路行波保護(hù)采用了相同的構(gòu)成原理、計(jì)算方法及定值，因此關(guān)于其動(dòng)態(tài)特性的分析可參考文獻(xiàn)[21]，本文中僅給出相關(guān)的結(jié)論：du/dt對(duì)兩極線路上的故障（故障點(diǎn)d1和d2）的響應(yīng)程度明顯大于其對(duì)其他區(qū)外故障（故障點(diǎn) d3、d4、d5、d6）的響應(yīng)程度。

圖4（a）為本極與對(duì)極線路上距整流側(cè)20%線路全長處（圖1中的點(diǎn)d1和d2）分別發(fā)生故障時(shí)，本極線路低電壓水平的響應(yīng)情況。當(dāng)本極線路故障時(shí)，發(fā)生大幅度跌落且維持在很低的電壓水平，在故障發(fā)生初期電壓波動(dòng)幅度較大，而在后續(xù)的時(shí)段內(nèi)電壓波動(dòng)幅度減??；對(duì)極線路上發(fā)生故障時(shí)，本極線路低電壓水平也發(fā)生明顯的波動(dòng)，但與本極線路發(fā)生故障時(shí)相比，其幅度明顯減小，這主要是由于本極線路故障時(shí)，線路電壓受到故障中的線模和地模分量的共同影響，而對(duì)極線路故障時(shí)本極線路電壓僅受其中線模分量的影響。另外還可看出對(duì)極線路故障時(shí)，電壓發(fā)生波動(dòng)后在控制系統(tǒng)的作用下能夠逐漸恢復(fù)到正常水平。對(duì)比圖4（a）中的2條曲線，在兩極線路發(fā)生故障的初期，的波動(dòng)均較為劇烈，此時(shí)段內(nèi)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)難以進(jìn)行可靠的區(qū)分。

圖4 不同故障條件下的響應(yīng)情況Fig.4 Responses ofto different faults

圖4（b）為其他區(qū)外位置（故障點(diǎn) d3、d4、d5、d6）發(fā)生故障時(shí)，本極線路低電壓水平的響應(yīng)情況。與圖4（a）對(duì)比可見，此類故障條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與本極線路上發(fā)生故障時(shí)非常接近。

從圖5可以看出，本極線路故障的初期，線路電壓udl劇烈波動(dòng)并伴隨著極性的反復(fù)更替；而對(duì)極線路故障的初期，本極線路電壓udl短時(shí)跌落后，即在控制系統(tǒng)作用下逐漸恢復(fù)正常水平。依據(jù)此特征，考慮在故障初期對(duì)微分欠壓保護(hù)采用附加條件進(jìn)行閉鎖，即躲開該時(shí)段造成的影響，以后續(xù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行判據(jù)的整定計(jì)算。閉鎖保護(hù)的條件包括以下2種。

圖5 兩極線路故障時(shí)的變化Fig.5 Variation ofresponding to faults of two polar lines

a.波動(dòng)閉鎖條件。設(shè)定電壓udl波動(dòng)的上、下限，當(dāng)電壓波動(dòng)幅度超出此范圍時(shí)觸發(fā)閉鎖信號(hào)，以躲開此階段。

b.電壓返回條件。設(shè)定電壓udl的返回值，當(dāng)電壓高于此值時(shí)觸發(fā)閉鎖信號(hào)，此信號(hào)還可以使保護(hù)免受系統(tǒng)運(yùn)行中的暫態(tài)擾動(dòng)的影響。

在前文分析的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)生于本極及對(duì)極線路上不同位置的故障進(jìn)行分析，同時(shí)考慮上述閉鎖判據(jù)后，得到了兩極線路故障條件下本極線路低電壓水平（標(biāo)幺值）隨故障位置變化的動(dòng)態(tài)特性曲線，如圖6所示，圖中p為故障點(diǎn)與整流側(cè)的距離與線路全長的百分比。

圖6 兩極線路不同位置發(fā)生故障時(shí)的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation of responding to fault of two polar lines for different fault locations

2.3.3 過渡電阻對(duì)保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)特性的影響

一般情況下故障點(diǎn)處會(huì)存在一定數(shù)值的過渡電阻，對(duì)保護(hù)特征量造成一定的影響。以線路低電壓水平（標(biāo)幺值）為例分析過渡電阻對(duì)保護(hù)特征量的影響，如圖7所示。

圖7 過渡電阻對(duì)的影響Fig.7 Influence of transition resistance on

圖 7（a）、（b）分別為本極與對(duì)極線路上距整流側(cè)50%線路全長處發(fā)生故障時(shí)，本極線路低電壓水平的響應(yīng)情況?？梢钥闯觯^渡電阻值對(duì)的響應(yīng)程度有一定的影響，從而影響保護(hù)特征量的靈敏度；但在區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障下響應(yīng)的趨勢(shì)則不受過渡電阻影響。因此在進(jìn)行保護(hù)整定時(shí)要留有適當(dāng)?shù)脑６纫赃m應(yīng)一定程度過渡電阻的影響。

3 直流線路微分欠壓保護(hù)邏輯與功能分析

在分析了直流線路微分欠壓保護(hù)各特征量動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)各判據(jù)的功能及相互間的邏輯關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析。直流線路微分欠壓保護(hù)各判據(jù)間的基本邏輯關(guān)系如圖8所示。

圖8 直流線路微分欠壓保護(hù)邏輯圖Fig.8 Logic diagram of differential under-voltage protection

電壓變化率du/dt能夠?qū)蓸O線路上的故障與線路故障以外的各類區(qū)外故障可靠地區(qū)分開。因此，由電壓變化率du/dt所構(gòu)成的保護(hù)判據(jù)的主要功能為判別故障是否發(fā)生在輸電線路上。

閉鎖信號(hào)及返回信號(hào)相互配合，用以輔助低電壓判據(jù)躲開故障初期電壓的劇烈波動(dòng)帶來的影響，同時(shí)還能使保護(hù)免受直流系統(tǒng)運(yùn)行中非故障擾動(dòng)的影響。

4 直流線路微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算

通過對(duì)直流線路微分欠壓保護(hù)中各特征量的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，分析了微分欠壓保護(hù)各判據(jù)所具有的功能，在此基礎(chǔ)上得到的直流線路微分欠壓保護(hù)整定的基本方法如下。

a.電壓變化率du/dt判據(jù)的整定應(yīng)躲開除線路故障以外的各種區(qū)外故障，即分別躲開平波電抗器閥側(cè)故障、交流系統(tǒng)母線三相短路故障時(shí)特征量du/dt的響應(yīng)值[21]，可按式（2）進(jìn)行整定計(jì)算，可按式（3）進(jìn)行靈敏性校驗(yàn)。為便于表達(dá)，令λ=du/dt。

其中，λset為電壓變化率的整定值；λmin為本極線路故障時(shí)電壓變化率可能出現(xiàn)的最小值；λmax為需要躲開的各種區(qū)外故障條件下電壓變化率的最大值；Krel為可靠系數(shù)，主要考慮計(jì)算誤差、裕度等因素的影響；靈敏度系數(shù)Ksen一般不小于1.3。

c.由于直流輸電線路微分欠壓保護(hù)為后備保護(hù)，因此其具有保護(hù)延時(shí)t。延時(shí)定值主要從以下兩方面考慮。

①與直流線路行波保護(hù)及直流線路縱差保護(hù)進(jìn)行配合，延時(shí)應(yīng)長于行波保護(hù)的固有動(dòng)作時(shí)間而短于直流線路縱差保護(hù)的延時(shí)。

②與直流過流保護(hù)進(jìn)行配合。線路故障發(fā)生時(shí)，線路電流突增后在控制系統(tǒng)的作用下迅速減小，突增的電流可能啟動(dòng)換流器區(qū)的直流過流保護(hù)。直流過流保護(hù)通常采用具有反時(shí)限特性的多段定值設(shè)置，因而微分欠壓保護(hù)的延時(shí)應(yīng)短于直流線路故障可能引起的線路電流突增最大值在直流過流保護(hù)中對(duì)應(yīng)段的延時(shí)，即微分欠壓保護(hù)的延時(shí)應(yīng)同時(shí)滿足：

其中，tint為行波保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間；tdcll為縱差保護(hù)延時(shí)；tdoc為線路故障引起線路電流突增的最大值在直流過流保護(hù)中對(duì)應(yīng)段的延時(shí)。綜合考慮保護(hù)間的配合關(guān)系，延時(shí)t可設(shè)為20～100 ms，考慮適當(dāng)?shù)脑６?，則延時(shí)t可設(shè)為90 ms。

5 基于EMTDC仿真的直流線路微分欠壓保護(hù)整定算例

依據(jù)直流輸電線路微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法，本文結(jié)合一實(shí)際直流系統(tǒng)的參數(shù)（具體見第1節(jié)）進(jìn)行整定計(jì)算，微分欠壓保護(hù)的采樣頻率使用其實(shí)際值6 kHz。在本算例中：電壓變化率du/dt的可靠系數(shù)取1.1；低電壓水平的可靠系數(shù)取0.75，其波動(dòng)閉鎖限值取0.2 p.u.，電壓返回限值取0.45 p.u.。

a.電壓變化率du/dt的整定。

該判據(jù)整定計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)是根據(jù)其動(dòng)態(tài)特性分析的結(jié)論（參見第2.3.1節(jié)及第4節(jié)），在仿真模型上設(shè)置所需的故障條件，然后進(jìn)行故障仿真計(jì)算而得到的。du/dt在各種故障類型下用于整定計(jì)算的響應(yīng)值（標(biāo)幺值）如表2所示。

表2 du/dt整定計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.2 Setting calculation data of du/dt

表3 整定計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.3 Settings calculation data of

表3 整定計(jì)算數(shù)據(jù)Tab.3 Settings calculation data of

故障點(diǎn) 故障位置 udl 響應(yīng)值d1 區(qū)內(nèi) 0.253 d2 區(qū)外 0.528

6 結(jié)論

進(jìn)行保護(hù)整定計(jì)算研究的基礎(chǔ)是微分欠壓保護(hù)中各保護(hù)特征量在不同故障類型下的動(dòng)態(tài)特性，本文提出的直流輸電線路微分欠壓保護(hù)的整定計(jì)算方法是對(duì)直流線路保護(hù)整定工作的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，其與直流線路行波保護(hù)整定方法構(gòu)成有機(jī)的整體，使直流線路保護(hù)整定工作更具層次性，對(duì)直流輸電線路保護(hù)可靠性的進(jìn)一步提升具有重要意義。