高壓直流輸電保護(hù)定值整定流程的研究

高本鋒 張學(xué)偉 劉辛?xí)?董沛毅 張?jiān)茣?馬玉龍 趙書(shū)強(qiáng)

高壓直流輸電保護(hù)定值整定流程的研究

高本鋒1張學(xué)偉1劉辛?xí)?董沛毅1張?jiān)茣?馬玉龍2趙書(shū)強(qiáng)1

（1. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206 2. 國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 北京 102209）

由于高壓直流輸電的強(qiáng)非線(xiàn)性，其保護(hù)定值的整定難以通過(guò)解析計(jì)算進(jìn)行，目前工程實(shí)際中多采用經(jīng)驗(yàn)值結(jié)合仿真驗(yàn)證的方法。這種方法工作量大、整定效率低且容易遺漏某些故障情況。實(shí)際工程中已發(fā)生多次因保護(hù)定值設(shè)置不合理而導(dǎo)致的事故。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文從保護(hù)定值整定的角度出發(fā)，系統(tǒng)梳理了現(xiàn)有高壓直流輸電保護(hù)的特點(diǎn)，將其按照保護(hù)原理分為：線(xiàn)路保護(hù)、差動(dòng)類(lèi)保護(hù)、過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)、開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)、其它類(lèi)保護(hù)。針對(duì)線(xiàn)路保護(hù)與差動(dòng)類(lèi)保護(hù)用于檢測(cè)特定故障的特點(diǎn)，提出基于故障特征量的整定流程。對(duì)于過(guò)負(fù)荷類(lèi)、開(kāi)關(guān)類(lèi)和其它類(lèi)保護(hù)，歸納總結(jié)了其整定流程。研發(fā)了高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)，其具有定值自動(dòng)整定、定值查詢(xún)與對(duì)比等功能，提高了高壓直流輸電保護(hù)定值整定的自動(dòng)化程度。

高壓直流輸電 保護(hù)定值 整定流程 PSCAD/EMTDC

1 引言

高壓直流輸電因其輸電距離遠(yuǎn)、輸送容量大以及控制靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)成為我國(guó)電網(wǎng)中的重要組成部分。目前，我國(guó)在建與投運(yùn)的高壓直流輸電線(xiàn)路共計(jì)24條，其中國(guó)家電網(wǎng)公司16條，南方電網(wǎng)公司8條。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)將發(fā)展成為以特高壓為骨干輸電網(wǎng)架，西電東送容量超過(guò)1.5億kW的巨型交直流電網(wǎng)。隨著高壓直流輸電系統(tǒng)規(guī)模的快速增長(zhǎng)，其發(fā)生故障的頻率也逐漸增大，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)帶來(lái)的影響也越來(lái)越嚴(yán)重[1]。

高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，其可控性高，快速調(diào)整潮流分布能力強(qiáng)，對(duì)于提高系統(tǒng)暫態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有重要作用[2]。其中，保護(hù)定值的合理性是控制保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵。與交流繼電保護(hù)定值整定不同，由于控制系統(tǒng)的作用，高壓直流輸電系統(tǒng)的故障響應(yīng)特性復(fù)雜，高壓直流輸電保護(hù)定值整定中使用的故障極限值難以通過(guò)解析化的故障分析算法得到。實(shí)際工程中已多次出現(xiàn)因定值設(shè)置不合理導(dǎo)致的事故，如2001年天廣工程直流線(xiàn)路行波保護(hù)誤動(dòng)[3]，2007年高肇直流因接地極過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作不當(dāng)引起雙極閉鎖[4]，2007年興安工程接地極不平衡保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致雙極閉鎖[5]等。

目前，高壓直流輸電保護(hù)定值整定主要以已有類(lèi)似工程定值為基礎(chǔ)，通過(guò)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證定值合理性并確定定值?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于高壓直流輸電保護(hù)的研究多集中于保護(hù)新方法[6]，保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)分析[7,8]，保護(hù)軟硬件配置[9]等，缺乏關(guān)于保護(hù)定值整定的研究。文獻(xiàn)[10]以“整定預(yù)備量”為基礎(chǔ)，提出了一種僅適用于部分保護(hù)的定值整定方法，沒(méi)有形成針對(duì)所有保護(hù)的整定流程。

本文根據(jù)保護(hù)原理對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)行分類(lèi)。針對(duì)不同類(lèi)型保護(hù)的特點(diǎn)，分別提出相應(yīng)的整定流程，并通過(guò)典型保護(hù)的整定過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明不同整定流程的應(yīng)用。依據(jù)整定流程，結(jié)合PSCAD/ EMTDC仿真程序，本文開(kāi)發(fā)了高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定值自動(dòng)整定、定值對(duì)比、工程參數(shù)查詢(xún)等功能。

2 高壓直流輸電保護(hù)的分類(lèi)方法

高壓直流輸電系統(tǒng)保護(hù)項(xiàng)目繁多且遍布系統(tǒng)的各個(gè)位置，單獨(dú)討論每個(gè)保護(hù)的整定方法工作量大且效率較低。將保護(hù)進(jìn)行分類(lèi)可以歸納出同類(lèi)型保護(hù)的通用整定流程，提高整定效率，同時(shí)可以明確保護(hù)配合關(guān)系，便于進(jìn)行定值的調(diào)整。因此，合理的保護(hù)分類(lèi)方法是定值整定流程的基礎(chǔ)。

現(xiàn)有對(duì)高壓直流輸電保護(hù)分類(lèi)的方法為保護(hù)分區(qū)，即按照保護(hù)配置的位置進(jìn)行劃分。這種分類(lèi)方法比較直觀(guān)，但除了位置接近以外，同一保護(hù)分區(qū)內(nèi)的保護(hù)共同點(diǎn)較少，進(jìn)行定值整定時(shí)，無(wú)法形成通用的整定流程。 而按照保護(hù)原理進(jìn)行分類(lèi)則可歸納出適用于各類(lèi)保護(hù)的整定流程。

2.1高壓直流輸電保護(hù)分區(qū)

高壓直流輸電保護(hù)分區(qū)的原則為:影響單12脈動(dòng)換流器正常運(yùn)行的故障退出故障換流器；影響單極正常運(yùn)行的故障退出故障極；雙極保護(hù)區(qū)的故障退出雙極，但要采取措施盡量避免雙極故障退出運(yùn)行，保證運(yùn)行的可靠性[11]。現(xiàn)有工程一般依照上述分區(qū)原則對(duì)高壓直流輸電保護(hù)進(jìn)行分區(qū)，如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電保護(hù)分區(qū)圖Fig.1 Protection zone of HVDC

由圖1可知，保護(hù)分區(qū)簡(jiǎn)明，覆蓋各個(gè)區(qū)域。但保護(hù)分區(qū)的方法僅僅是對(duì)保護(hù)項(xiàng)目的初步分類(lèi)，每個(gè)保護(hù)區(qū)內(nèi)仍然存在著保護(hù)原理各異、整定方法不同的情況，例如極保護(hù)區(qū)中，極母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)、極過(guò)負(fù)荷保護(hù)和中性母線(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)的整定方法有明顯差異，無(wú)法形成統(tǒng)一的整定流程。為解決這一問(wèn)題，本文提出根據(jù)保護(hù)原理分類(lèi)的方法。

2.2基于保護(hù)原理的分類(lèi)方法

按照以保護(hù)原理進(jìn)行分類(lèi)的原則，在詳細(xì)分析所有高壓直流輸電保護(hù)的保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，將高壓直流輸電保護(hù)分為五類(lèi):線(xiàn)路保護(hù)，差動(dòng)類(lèi)保護(hù)，過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)，開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)及其它類(lèi)保護(hù)，如表1所示。

行波保護(hù)與微分欠壓保護(hù)為直流輸電線(xiàn)路的主保護(hù)。這兩種保護(hù)的動(dòng)作特性與原理相似，且明顯區(qū)別于其它保護(hù)，因此將兩者歸為一類(lèi)。差動(dòng)類(lèi)保護(hù)占高壓直流輸電保護(hù)總數(shù)的30%，其速動(dòng)段均為所在保護(hù)區(qū)域的主保護(hù)，并且各個(gè)差動(dòng)保護(hù)的原理相同，因此將所有差動(dòng)保護(hù)歸為一類(lèi)。過(guò)負(fù)荷保護(hù)的目的都是保護(hù)設(shè)備免受過(guò)負(fù)荷造成的損傷，保護(hù)原理相似，因此歸為一類(lèi)。高壓直流輸電系統(tǒng)中各個(gè)開(kāi)關(guān)保護(hù)均與開(kāi)關(guān)設(shè)備本身的特性相關(guān)，因此可歸為一類(lèi)。剩余的保護(hù)項(xiàng)目原理各異，且多為后備保護(hù)，動(dòng)作可能性小，統(tǒng)一歸為其它類(lèi)保護(hù)。

表1 保護(hù)分類(lèi)表Tab.1 The classification of protections

3 高壓直流輸電保護(hù)定值整定流程

根據(jù)不同類(lèi)型保護(hù)的動(dòng)作特性，分別制定相應(yīng)的整定流程，共包括四種:基于故障特征量的整定流程，過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程，開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程和其它類(lèi)保護(hù)整定流程。

3.1基于故障特征量的整定流程

故障特征量指系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，存在明顯變化趨勢(shì)，并且能夠快速反映故障特征的電氣量。在交流輸電系統(tǒng)中，短路電流、短路電壓、零序電流、差動(dòng)電流等均屬于故障特征量。交流保護(hù)就是以這些故障特征量為依據(jù)構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，并計(jì)算保護(hù)定值。這種交流保護(hù)整定方法主要適用于針對(duì)特定故障設(shè)立的保護(hù)，其突出特點(diǎn)是故障嚴(yán)重程度直接影響定值。

參考交流保護(hù)的整定方法，將故障特征量應(yīng)用于高壓直流輸電保護(hù)整定中，提出基于故障特征量的整定流程。該整定流程適用于線(xiàn)路保護(hù)與差動(dòng)類(lèi)保護(hù)。

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，典型的故障特征量包括直流電壓幅值、直流電流、直流電壓變化率和差動(dòng)電流等。保護(hù)分類(lèi)中，線(xiàn)路保護(hù)與差動(dòng)類(lèi)保護(hù)是針對(duì)特定故障設(shè)置的保護(hù)。線(xiàn)路保護(hù)用于檢測(cè)直流輸電線(xiàn)路上發(fā)生的接地故障，通過(guò)測(cè)量直流線(xiàn)路電壓與直流線(xiàn)路電流構(gòu)成判據(jù)；差動(dòng)類(lèi)保護(hù)用于檢測(cè)所在區(qū)域的接地故障，通過(guò)測(cè)量差動(dòng)電流構(gòu)成判據(jù)?；诠收咸卣髁康恼鞒倘鐖D2所示。

基于故障特征量的整定流程中，影響因素分析與仿真條件制定是核心，主要研究方法為PSCAD/ EMTDC時(shí)域仿真。影響因素分析包括兩個(gè)方面，分析故障特征量在同一類(lèi)型故障期間的變化趨勢(shì)與歸納故障特征量在不同類(lèi)型故障下的變化規(guī)律。通過(guò)影響因素分析，找出影響保護(hù)定值的故障，確定這些故障的基本信息，如故障位置、接地電阻和系統(tǒng)運(yùn)行方式等。依據(jù)故障對(duì)保護(hù)定值的影響程度制定仿真條件。一般嚴(yán)重故障對(duì)定值影響小，輕微故障對(duì)定值影響大，因此制定仿真條件時(shí)重點(diǎn)考慮輕微故障。由于直流系統(tǒng)非線(xiàn)性的特點(diǎn)，定值校驗(yàn)不宜采用靈敏度系數(shù)計(jì)算等方法，可采用定值代入仿真模型，驗(yàn)證動(dòng)作情況的方法。保證區(qū)內(nèi)故障正確動(dòng)作，區(qū)外故障正確不動(dòng)作即可。

圖2 基于故障特征量整定流程圖Fig.2 Setting process diagram based on fault feature

根據(jù)影響因素分析確定的仿真條件具有通用性，即不同工程中同一種保護(hù)的整定可使用相同的仿真條件。因此，應(yīng)用該整定流程對(duì)多個(gè)工程進(jìn)行整定時(shí)，同一種保護(hù)的影響因素分析只需進(jìn)行一次，減少了工作量，顯著提高整定效率。

3.2過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程

過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)屬于設(shè)備保護(hù)的一種，主要保護(hù)換流器、接地極和直流濾波器等一次設(shè)備免受過(guò)電流或過(guò)電壓造成的損傷。過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程如圖3所示。

圖3 過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程圖Fig.3 Setting process diagram of overload protection

過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)的定值由一次設(shè)備參數(shù)與設(shè)備耐受過(guò)負(fù)荷能力決定。因此，收集廠(chǎng)家提供的一次設(shè)備參數(shù)與設(shè)備耐過(guò)負(fù)荷能力對(duì)于過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)的整定尤為關(guān)鍵。過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)一般設(shè)置多段，以滿(mǎn)足各種保護(hù)配合要求，包括各過(guò)負(fù)荷保護(hù)間的配合與作為后備保護(hù)時(shí)，與對(duì)應(yīng)主保護(hù)之間的配合。根據(jù)設(shè)備不同時(shí)間耐過(guò)負(fù)荷能力，按照反時(shí)限特性與各段保護(hù)設(shè)置目的分別整定各段定值。過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)的定值應(yīng)能夠躲過(guò)高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行中可能產(chǎn)生的擾動(dòng)。特別是避免在交流系統(tǒng)擾動(dòng)引發(fā)換相失敗時(shí)，保護(hù)誤動(dòng)導(dǎo)致直流閉鎖[12]。

由于過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)并不是用來(lái)檢測(cè)特定故障，因此校驗(yàn)定值時(shí)不采用設(shè)置區(qū)內(nèi)故障驗(yàn)證保護(hù)能否正確動(dòng)作的方法，而是驗(yàn)證能否躲過(guò)區(qū)外故障造成的擾動(dòng)。若無(wú)法躲過(guò)擾動(dòng)，則根據(jù)故障錄波適當(dāng)調(diào)整定值與延時(shí)設(shè)置。校驗(yàn)無(wú)誤動(dòng)后即可確定定值。

3.3開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程

高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流開(kāi)關(guān)設(shè)備主要用于直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換、故障的清除，以及檢修隔離等目的[13]。發(fā)出跳閘指令后，保護(hù)通過(guò)檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電流判斷開(kāi)關(guān)是否跳閘失敗，電流大于定值且滿(mǎn)足延時(shí)要求時(shí)認(rèn)定為跳閘失敗。在確認(rèn)跳閘失敗后向開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)送重合閘指令以保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)備免受損傷。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)設(shè)備的特性不同，其定值整定也應(yīng)靈活應(yīng)對(duì)。

開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定過(guò)程中，定值整定主要以開(kāi)關(guān)設(shè)備特性為依據(jù)，延時(shí)設(shè)置則以保護(hù)配合要求與開(kāi)關(guān)操作時(shí)間為依據(jù)。收集開(kāi)關(guān)設(shè)備參數(shù)是開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定的基礎(chǔ)，主要包括:開(kāi)關(guān)開(kāi)斷能力、開(kāi)關(guān)承受開(kāi)斷失敗能力、開(kāi)關(guān)操作時(shí)間。由于開(kāi)關(guān)設(shè)備具有轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行方式的特殊作用，還應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作順序，避免因定值與延時(shí)設(shè)置不合理導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作。開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程歸納如下:

（1）收集開(kāi)關(guān)設(shè)備參數(shù)；

（2）依據(jù)開(kāi)關(guān)開(kāi)斷能力與承受開(kāi)斷失敗能力整定定值；

（3）依據(jù)開(kāi)關(guān)操作時(shí)間與保護(hù)配合要求整定保護(hù)延時(shí)；

（4）根據(jù)開(kāi)關(guān)動(dòng)作順序調(diào)整定值。

3.4其它類(lèi)保護(hù)整定流程

其它類(lèi)保護(hù)中，保護(hù)的目的與原理不同，且保護(hù)所處位置相對(duì)獨(dú)立，聯(lián)系不密切，因此在整定過(guò)程中不僅要考慮共同點(diǎn)，還要考慮保護(hù)自身的特點(diǎn)。

這類(lèi)保護(hù)多作為系統(tǒng)的后備保護(hù)，其共同點(diǎn)包括配合關(guān)系復(fù)雜、延時(shí)設(shè)置長(zhǎng)和受控制系統(tǒng)影響等。保護(hù)配合關(guān)系與控制系統(tǒng)影響是決定其它類(lèi)保護(hù)定值與延時(shí)設(shè)置的關(guān)鍵因素。在其他類(lèi)保護(hù)中，部分保護(hù)需要與多個(gè)保護(hù)進(jìn)行配合，整定過(guò)程不應(yīng)遺漏，如直流低電壓保護(hù)需與行波保護(hù)、微分欠壓保護(hù)、線(xiàn)路差動(dòng)保護(hù)等保護(hù)配合；部分保護(hù)只在特殊運(yùn)行方式下投運(yùn)，整定過(guò)程中考慮相應(yīng)運(yùn)行方式的影響即可，如換流變閥側(cè)中性點(diǎn)偏移保護(hù)僅在換流器閉鎖時(shí)投入。同時(shí)，保護(hù)還應(yīng)能夠躲過(guò)各類(lèi)區(qū)外故障造成的擾動(dòng)，避免雙極閉鎖等嚴(yán)重事故的發(fā)生。其它類(lèi)保護(hù)整定流程歸納如下:

（1）明確保護(hù)目的與保護(hù)原理；（2）根據(jù)配合關(guān)系與投運(yùn)情況整定定值；（3）驗(yàn)證保護(hù)能否躲過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行中的擾動(dòng)。

4 高壓直流輸電保護(hù)定值整定流程的應(yīng)用

本節(jié)以向上工程保護(hù)配置為基礎(chǔ)，選取典型保護(hù)項(xiàng)目，分別說(shuō)明各類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用。向上工程的主要參數(shù)為，額定電壓±800kV，額定電流4kA，每級(jí)采用雙12脈動(dòng)換流器組。文中涉及的PSCAD/EMTDC模型均嚴(yán)格參照向上工程實(shí)際參數(shù)搭建。

4.1基于故障特征量的整定流程的應(yīng)用

根據(jù)3.1所述，基于故障特征量的整定流程適用于針對(duì)特定故障的保護(hù)，即線(xiàn)路保護(hù)與差動(dòng)類(lèi)保護(hù)。下面以行波保護(hù)為例說(shuō)明基于故障特征量的整定流程的應(yīng)用。

4.1.1 保護(hù)判據(jù)分析

行波保護(hù)是高壓直流輸電線(xiàn)路的主保護(hù)，主要用于檢測(cè)直流線(xiàn)路上的接地故障，通過(guò)測(cè)量直流線(xiàn)路電壓與直流線(xiàn)路電流實(shí)現(xiàn)故障判斷。典型行波保護(hù)判據(jù)如式（1）所示。

式中，k1，k2為保護(hù)定值。P為極波，Gwav為地模波，二者由所測(cè)直流電壓與直流電流經(jīng)變換得到，其表達(dá)式分別如式（2）與式（3）所示。

式中，Zα為極波波阻抗，Z0為地模波波阻抗，分別由輸電線(xiàn)路材料性質(zhì)與大地導(dǎo)體性質(zhì)決定。IEL為流入接地極電流，ICN1、ICN2分別為極1、極2中性母線(xiàn)接地電容沖擊電流，UdL1、UdL2分別為極1、極2線(xiàn)路直流電壓。

行波保護(hù)判據(jù)中，極波變化率的作用是判斷直流線(xiàn)路上是否發(fā)生接地故障，正常運(yùn)行時(shí)極波變化率幾乎為零，當(dāng)線(xiàn)路故障時(shí)極波變化率會(huì)迅速升高；地模波變化量的作用是區(qū)分故障所在極，排除對(duì)極故障對(duì)本極保護(hù)造成的擾動(dòng)。極波變化率與地模波變化量同時(shí)大于整定值則行波保護(hù)動(dòng)作[14]。根據(jù)行波保護(hù)判據(jù)形式與動(dòng)作原理，選擇極波變化率作為行波保護(hù)整定過(guò)程中的故障特征量，繼續(xù)采用本流程對(duì)其進(jìn)行整定。地模波變化量作為故障選極判據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值整定，并驗(yàn)證其能否區(qū)分故障極即可。

4.1.2 影響因素分析與仿真條件制定

根據(jù)行波傳播特性與高壓直流輸電系統(tǒng)自身特點(diǎn)可知，影響極波變化率的主要因素包括:故障位置，接地電阻，系統(tǒng)運(yùn)行方式[15]。其中，故障位置指故障點(diǎn)距保護(hù)測(cè)量點(diǎn)的距離。極波變化率主要用于檢測(cè)各種區(qū)內(nèi)故障，因此分析其在區(qū)內(nèi)故障下的影響因素。實(shí)際保護(hù)裝置采樣頻率為10kHz，在計(jì)算變化率時(shí)以差分代替微分。保護(hù)測(cè)點(diǎn)設(shè)在直流線(xiàn)路首端。故障初始階段極波變化率將迅速升高，通過(guò)分析極波變化率幅值的變化趨勢(shì)，可得到極波變化率的影響因素，如圖4所示。圖中故障位置指故障點(diǎn)距保護(hù)測(cè)點(diǎn)距離占直流線(xiàn)路總長(zhǎng)的百分比。

圖4 故障特征量對(duì)比圖Fig.4 Comparison of fault feature

由圖4（a）可知，隨著故障點(diǎn)距保護(hù)測(cè)點(diǎn)的距離增大，極波變化率幅值總體呈下降趨勢(shì)。在故障點(diǎn)距離逆變側(cè)較近時(shí)，受逆變側(cè)直流濾波器放電的影響，極波變化率幅值有小幅度上升。由圖4（b）可知，故障點(diǎn)有接地電阻存在時(shí)，極波變化率幅值明顯降低。由圖4（c）與圖4（d）可知，運(yùn)行方式對(duì)極波變化率幅值的影響主要體現(xiàn)為，運(yùn)行電壓越高，極波變化率幅值越大。

制定仿真條件時(shí)，應(yīng)能夠包含區(qū)內(nèi)最輕微故障情況，即極波變化率幅值最低的情況，以保證行波保護(hù)的靈敏度要求。根據(jù)上述影響因素分析，制定仿真條件如下:故障點(diǎn)設(shè)置在線(xiàn)路后50%范圍內(nèi)，按距離平均設(shè)置10個(gè)故障點(diǎn)；故障點(diǎn)接地電阻100歐姆；運(yùn)行方式選擇雙極800kV，單極大地回線(xiàn)，單極金屬回線(xiàn)，雙極400kV，本級(jí)400kV對(duì)極800kV。

4.1.3 PSCAD/EMTDC仿真

在參照向上工程參數(shù)搭建的PSCAD/EMTDC模型中，搭建行波保護(hù)模型，根據(jù)4.1.2所述仿真條件設(shè)置故障點(diǎn)。行波保護(hù)屬于超高速動(dòng)作的保護(hù)，保存故障時(shí)刻起20ms內(nèi)故障特征量數(shù)據(jù)即可。仿真過(guò)程中，應(yīng)用PSCAD/EMTDC的snapshot及multiple run功能，排除無(wú)效數(shù)據(jù)，減少工作量，實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程自動(dòng)化。

4.1.4 整定計(jì)算

行波保護(hù)整定原則為保護(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)，并且能夠檢測(cè)到各種區(qū)內(nèi)故障，特別是能夠檢測(cè)到區(qū)內(nèi)最輕微故障。從PSCAD/EMTDC中提取極波變化率仿真數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)得到極波變化率幅值。篩選出各種故障條件下的極波變化率幅值中的最小值，除以可靠系數(shù)（一般取1.1～1.3），得到最終整定值。由于運(yùn)行電壓變化會(huì)對(duì)極波變化率幅值產(chǎn)生較大影響，因此對(duì)于電壓等級(jí)不同的工況應(yīng)分開(kāi)整定，保證各種工況下的保護(hù)靈敏度與可靠性。以上計(jì)算過(guò)程均可在本文第5部分開(kāi)發(fā)的高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

4.1.5 校驗(yàn)定值合理性

在行波保護(hù)仿真模型中采用本文4.1.4中計(jì)算得到的整定值，驗(yàn)證其在故障時(shí)的動(dòng)作情況。整定過(guò)程采取保護(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)的原則，并以區(qū)內(nèi)最輕微故障作為定值計(jì)算依據(jù)，因此校驗(yàn)過(guò)程重點(diǎn)在于檢驗(yàn)區(qū)外故障是否發(fā)生誤動(dòng)。設(shè)置如下區(qū)外故障:整流側(cè)平波電抗器閥側(cè)金屬接地，逆變側(cè)平波電抗器閥側(cè)金屬接地，整流側(cè)交流母線(xiàn)三相短路，逆變側(cè)交流母線(xiàn)三相短路和對(duì)極線(xiàn)路金屬接地。

4.2過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用

以閥組過(guò)流保護(hù)為例說(shuō)明過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用。閥組過(guò)流保護(hù)用于保護(hù)換流器設(shè)備免受過(guò)電流造成的損傷。根據(jù)過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程，首先應(yīng)收集換流器設(shè)備參數(shù)及其耐過(guò)流能力。參照向上工程閥組過(guò)流保護(hù)的設(shè)置情況，保護(hù)設(shè)快速段和慢速段，判據(jù)形式如式（4）所示。

式中，IVY為Y橋換流器交流側(cè)三相電流，IVD為D橋換流器交流側(cè)三相電流，ILV為換流器直流出口低壓側(cè)電流，Iset為保護(hù)定值。

保護(hù)快速段整定時(shí)，以換流器能承受的極限電流為依據(jù)，設(shè)置高定值、低延時(shí)；保護(hù)慢速段整定時(shí)，以系統(tǒng)額定電流為依據(jù)，結(jié)合安全裕度與工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置低定值、高延時(shí)。保護(hù)位于逆變側(cè)時(shí)，還應(yīng)考慮躲過(guò)換相失敗造成的瞬間擾動(dòng)，在原延時(shí)基礎(chǔ)上增設(shè)延時(shí)時(shí)間。本例中，快速段定值設(shè)為11kA，延時(shí)4ms；慢速段定值設(shè)為7kA，延時(shí)50ms。

設(shè)置區(qū)外故障驗(yàn)證定值與延時(shí)設(shè)置能否躲過(guò)擾動(dòng)。對(duì)于閥組過(guò)流保護(hù)，其區(qū)外故障包括:交流母線(xiàn)單相金屬接地，交流母線(xiàn)三相短路，本極直流線(xiàn)路出口金屬接地和對(duì)極直流線(xiàn)路出口金屬接地。在PSCAD/EMTDC模型中設(shè)置故障進(jìn)行驗(yàn)證，若保護(hù)能夠躲過(guò)區(qū)外故障造成的擾動(dòng)，則可確定定值。

4.3開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用

以轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)為例說(shuō)明開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)包括大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，主要用于單極大地回線(xiàn)與單極金屬回線(xiàn)這兩種運(yùn)行方式之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程，首先應(yīng)收集轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)備參數(shù)，并明確保護(hù)判據(jù)。大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)與金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)判據(jù)分別如式（5）與式（6）所示。

式中，IDEL為接地極電流，IDME為金屬回線(xiàn)電流，Iset為保護(hù)定值。

以開(kāi)關(guān)設(shè)備承受能力以及躲過(guò)電流互感器最大誤差為主要整定原則，保護(hù)定值在留有安全裕度的基礎(chǔ)上盡可能取較小值。參考轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)備參數(shù)，在開(kāi)關(guān)操作時(shí)間的基礎(chǔ)上設(shè)置動(dòng)作延時(shí)。在運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)會(huì)出現(xiàn)同時(shí)閉合的情況，據(jù)此調(diào)整定值。對(duì)于大地回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)，定值應(yīng)小于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合時(shí)流過(guò)大地回路的最小電流；對(duì)于金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)，定值應(yīng)小于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合時(shí)流過(guò)金屬回路的最小電流。本例中，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)保護(hù)定值為75A，動(dòng)作延時(shí)140ms。

4.3其它類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用

以接地極引線(xiàn)不平衡保護(hù)為例說(shuō)明其它類(lèi)保護(hù)整定流程的應(yīng)用。接地極引線(xiàn)不平衡保護(hù)通過(guò)測(cè)量?jī)山拥貥O引線(xiàn)間的電流差，判斷接地極引線(xiàn)的接地故障或開(kāi)路故障。保護(hù)判據(jù)如式（7）所示。

式中，IDEL1為接地極引線(xiàn)1電流，IDEL2為接地極引線(xiàn)2電流，Iset為保護(hù)定值。

高壓直流輸電系統(tǒng)在雙極對(duì)稱(chēng)運(yùn)行時(shí)，流過(guò)接地極引線(xiàn)的電流非常小，此時(shí)接地極引線(xiàn)不平衡保護(hù)不起作用。因此，整定過(guò)程主要考慮雙極不平衡運(yùn)行與單極大地運(yùn)行兩種工況的影響。保護(hù)定值由接地極引線(xiàn)耐過(guò)流能力得出，動(dòng)作延時(shí)設(shè)定由運(yùn)行方式?jīng)Q定。雙極不平衡運(yùn)行時(shí)，動(dòng)作延時(shí)應(yīng)大于調(diào)節(jié)雙極電流平衡時(shí)間；單極大地運(yùn)行時(shí)，動(dòng)作延時(shí)應(yīng)大于直流線(xiàn)路重啟時(shí)間[16]。本例中，保護(hù)定值100A，動(dòng)作延時(shí)1s。

5 高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)

在對(duì)高壓直流輸電保護(hù)定值整定流程研究的基礎(chǔ)上，本文研發(fā)了高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，通過(guò)windows系統(tǒng)的ini文件存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)，參數(shù)修改與數(shù)據(jù)錄入方便快捷。高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該系統(tǒng)需要輸入的數(shù)據(jù)包括:PSCAD/EMTDC仿真模型主參數(shù)，仿真數(shù)據(jù)，保護(hù)整定所需一次設(shè)備參數(shù)。各類(lèi)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式存儲(chǔ)到相應(yīng)目錄下，該系統(tǒng)即可讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)整定。其中，PSCAD/ EMTDC仿真模型也應(yīng)按照要求設(shè)定測(cè)點(diǎn)與通道名稱(chēng)。輸入仿真模型存儲(chǔ)路徑后，即可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)模型的直接調(diào)用。為貼近工程實(shí)際，方便運(yùn)行人員使用，該系統(tǒng)仍采用保護(hù)分區(qū)的形式顯示整定結(jié)果。定值整定系統(tǒng)部分界面如圖6所示。

圖5 高壓直流輸電定值整定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of HVDC value setting system

圖6 高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)界面Fig.6 Interface of HVDC value setting system

除自動(dòng)整定功能外，該系統(tǒng)還加入了波形顯示、定值對(duì)比、定值單生成等功能?？紤]到運(yùn)行與設(shè)計(jì)人員的需要，該系統(tǒng)還嵌入了實(shí)際工程參數(shù)與保護(hù)定值數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際工程參數(shù)與保護(hù)定值的查詢(xún)對(duì)比功能。

6 結(jié)論

本文在深入研究高壓直流輸電系統(tǒng)各個(gè)保護(hù)的基礎(chǔ)上，按照保護(hù)原理對(duì)保護(hù)項(xiàng)目進(jìn)行分類(lèi)，針對(duì)不同保護(hù)類(lèi)型的特點(diǎn)提出相應(yīng)的整定流程。結(jié)論如下:

1）按照保護(hù)原理將高壓直流輸電所有保護(hù)分為五類(lèi):線(xiàn)路保護(hù)，差動(dòng)類(lèi)保護(hù)，過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)，開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)和其它類(lèi)保護(hù)。

2）根據(jù)線(xiàn)路保護(hù)與差動(dòng)類(lèi)保護(hù)針對(duì)特定故障設(shè)置的特點(diǎn)，提出基于故障特征量的整定流程；根據(jù)設(shè)備過(guò)負(fù)荷能力決定過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)定值的特點(diǎn)，提出過(guò)負(fù)荷類(lèi)保護(hù)整定流程；根據(jù)開(kāi)關(guān)特性決定開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)定值的特點(diǎn)，提出開(kāi)關(guān)類(lèi)保護(hù)整定流程；根據(jù)其他類(lèi)保護(hù)作為后備保護(hù)的共同點(diǎn)，提出其他類(lèi)保護(hù)整定流程。以典型保護(hù)為例說(shuō)明了各個(gè)整定流程的應(yīng)用。

3）以整定流程為基礎(chǔ)，研發(fā)了高壓直流輸電保護(hù)定值整定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定值整定的自動(dòng)化、定值查詢(xún)與對(duì)比等功能，目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于工程實(shí)際。

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Research of HVDC Protection Value Setting Process

Gao Benfeng1 Zhang Xuewei1 Liu Xinye1 Dong Peiyi1 Zhang Yunxiao2 Ma Yulong2 Zhao Shuqiang1
（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. State Power Economic Research Institute Beijing 102209 China）

HVDC protection value setting is difficult to be analytically calculated, because of its strong nonlinearity. So far, the combination of empirical value and simulational verification is the most available method used in actual project. However, the method may induce large workload, low setting efficiency, and possibility of neglecting some faults. And accidents caused by irrationally protection value setting have repeatedly taken place in actual projects. In view of the current situation, the characters of present protections are systematically summarized from the perspective of value setting. According to protection principles, all present protections are classified into line protection, differential protection, overload protection, switch protection and other protection. Aiming at the character of line protection and differential protection that detects certain fault, the setting process based on fault feature is proposed. The setting processes for other three categories are generalized. The system of HVDC protection value setting, which has the function of automatic value setting, value inquiry and value comparison, is developed to improve the automatic degree of HVDC protection value setting.

HVDC, protection value, setting process, PSCAD/EMTDC

TM315

高本鋒 男，1981年生，博士，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾碗娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性分析。

2014-09-10

張學(xué)偉 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姟?/p>