交流側(cè)故障與換相失敗時(shí)序問(wèn)題的分析

陳穎，李袖，李卓男

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特010020）

交流側(cè)故障與換相失敗時(shí)序問(wèn)題的分析

陳穎，李袖，李卓男

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特010020）

計(jì)算交流側(cè)故障與換相失敗之間的時(shí)間間隔是研究換相失敗對(duì)交流繼電保護(hù)影響的基礎(chǔ)。該文基于數(shù)學(xué)形態(tài)梯度提取逆變側(cè)直流電流在換相失敗期間的局部特征，進(jìn)而利用不同的局部特征給出了一種統(tǒng)一的計(jì)算交流故障與換相失敗時(shí)序的方法。并利用新的計(jì)算原則提出了一種防止由于暫態(tài)功率倒向而導(dǎo)致非故障線路縱聯(lián)方向保護(hù)誤動(dòng)的措施?；赑SCAD/EMTDC搭建了仿真模型，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)；交流側(cè)故障；換相失??；功率倒向；繼電保護(hù)

隨著高壓直流輸電HVDC（high voltage direct current）的迅速發(fā)展，交直流混合輸電電網(wǎng)在我國(guó)已逐步形成。HVDC在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、非同步電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]。但直流系統(tǒng)故障會(huì)給交流系統(tǒng)帶來(lái)新的暫態(tài)特性[5]，給交流電網(wǎng)保護(hù)帶來(lái)不利影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起交流系統(tǒng)不正確動(dòng)作[2-10]。換相失敗作為直流系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障之一，研究交流保護(hù)在其故障期間的動(dòng)作性能意義重大。

2003年6 月27日廣東電網(wǎng)發(fā)生的北涌乙線以及2005年12月15日的衡東甲乙線保護(hù)動(dòng)作都屬于換相失敗引起的誤動(dòng)事故。事故發(fā)生的原因是由于換相失敗引起的功率倒向問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]在電磁暫態(tài)框架下研究交直流系統(tǒng)相互影響機(jī)理和交流故障特征的變異機(jī)理，給出了暫態(tài)功率倒向的計(jì)算模型和方法；并指出研究交流側(cè)故障到換相失敗的發(fā)生是研究換相失敗對(duì)繼電保護(hù)影響的前提，但沒(méi)有給出兩者時(shí)間間隔的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[8]提到交流側(cè)故障到換相失敗之間的時(shí)間間隔一般不大于10ms，但此數(shù)據(jù)并不精確，而且太過(guò)于保守。

本文首先對(duì)交流故障與換相失敗之間的時(shí)序問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，然后對(duì)換相失敗期間直流電流的局部特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，引入數(shù)學(xué)形態(tài)梯度獲取換流橋直流側(cè)發(fā)生短路的時(shí)刻，對(duì)影響梯度計(jì)算的情形進(jìn)行了詳細(xì)的研究并給出相應(yīng)的解決措施，進(jìn)而給出了交流故障與換相失敗之間的時(shí)間間隔的計(jì)算原則，根據(jù)分析結(jié)果給出了防止由于暫態(tài)功率倒向引起的非故障線路誤動(dòng)的措施。最后利用PSCAD/EMTDC驗(yàn)證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 換相失敗對(duì)繼電保護(hù)的影響及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

1.1 換相失敗對(duì)繼電保護(hù)影響

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)一般忽略2個(gè)小概率事件疊加的復(fù)故障。而在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，若受端電網(wǎng)故障引起直流換相失敗，則相當(dāng)于出現(xiàn)了復(fù)故障。圖1表示的是交流系統(tǒng)故障引起換相失敗時(shí)的時(shí)序關(guān)系。其中時(shí)間t2可位于t3之后。

從繼電保護(hù)的角度看，分析故障發(fā)生時(shí)刻t0到換相失敗時(shí)刻t1的時(shí)間間隔Δt是必要的，一般分為3種情況[3]。

（1）Δt大于保護(hù)判別時(shí)間，此時(shí)保護(hù)判別所用的電氣量完全由交流故障決定。

（3）Δt位于兩者之間，則保護(hù)判別用的數(shù)據(jù)窗有部分是換相失敗前的，有部分是換相失敗后的，即數(shù)據(jù)窗存在突變的數(shù)據(jù)。

文獻(xiàn)[3-4]指出，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)窗全部為換相失敗后的數(shù)據(jù)時(shí)，工頻變化量電流幅值最大，此時(shí)對(duì)保護(hù)的影響最大，非常有可能引起區(qū)外誤動(dòng)，區(qū)內(nèi)拒動(dòng)的發(fā)生，因此分析換相失敗后數(shù)據(jù)窗內(nèi)的數(shù)據(jù)以得到工頻變化量的電流特性，是分析換相失敗對(duì)交流保護(hù)影響的關(guān)鍵。所以為了分析換相失敗對(duì)繼電保護(hù)的影響以及解決數(shù)據(jù)窗跨擾動(dòng)前后時(shí)保護(hù)判別的可靠性，計(jì)算Δt的大小非常有必要。但現(xiàn)階段關(guān)于Δt的分析計(jì)算尚未有明確的方法，本文從數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)出發(fā)，探討性地給出Δt的計(jì)算方法。

1.2 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)一般只需要進(jìn)行加、減法和取極值等運(yùn)算，是一種具有計(jì)算簡(jiǎn)單、并行快速等特點(diǎn)的數(shù)學(xué)分析方法，且在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)只取決于待處理信號(hào)的局部形狀特性。文獻(xiàn)[11-15]對(duì)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本概念進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，此處不再累述，只給出基本形態(tài)梯度的定義為

式中：(f⊕b)(x)和(f⊙b)(x)表示利用結(jié)構(gòu)元素b（x）對(duì)f（x）的膨脹和腐蝕運(yùn)算，其表達(dá)式為

基于上述分析，可明確實(shí)現(xiàn)地理信息生成與地圖制圖一體化概念模型的步驟：（1）強(qiáng)化制圖數(shù)據(jù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)質(zhì)量，面向制圖與空間數(shù)據(jù)建立起共同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；（2）數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)的建立應(yīng)以符號(hào)化為基礎(chǔ)；（3）數(shù)據(jù)管理與生產(chǎn)流程均需與生產(chǎn)目標(biāo)相適應(yīng)。

式中：Df和Db分別是f和b的定義域；max和min分別為從數(shù)據(jù)中取得極大值和極小值。

本文定義了一種新的形態(tài)梯度，表達(dá)式為式中，(f°b)(x)，(f?b)(x)分別表示灰度開(kāi)和閉運(yùn)算，具體表達(dá)式為

自定義的形態(tài)梯度能準(zhǔn)確提取梯度值發(fā)生突變的時(shí)刻。對(duì)于結(jié)構(gòu)元素的選取，需要一次次的試探和證明。若大小選取合適，則能有效屏抑類別內(nèi)的細(xì)節(jié)差異，且不會(huì)弱化類別間的邊界[14]，但是形狀越復(fù)雜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，需要的計(jì)算量會(huì)快速增加。本文選取一種長(zhǎng)度為6，與水平方向成0°的扁平結(jié)構(gòu)元素，利用此結(jié)構(gòu)元素能準(zhǔn)確提取出信號(hào)中形態(tài)梯度發(fā)生突變的時(shí)刻。在此結(jié)構(gòu)元素下，信號(hào)的變化速度越大，其形態(tài)梯度值越大，反之越小。

2 分析方法的基本原理

2.1 換相失敗直流電流局部特性的研究

圖2給出了直流系統(tǒng)逆變側(cè)換流器示意，閥v4，v6，v2為上排閥，閥v1，v3，v5為下排閥。

圖3給出了換相失敗期間直流電流與閥電流波形曲線，其中圖3（a）是逆變側(cè)發(fā)生換相失敗后直流電流的變化曲線，圖3（b）中曲線表示的是D橋V3的電流波形，實(shí)線表示V6的電流波形；圖3（c）中曲線表示的是Y橋V1的電流波形，實(shí)線表示的是Y橋V4的電流波形。換相失敗的顯著表現(xiàn)是引起直流側(cè)短路：如圖3（b）中時(shí)V3與V6在t=0.506 s同時(shí)導(dǎo)通，造成了D橋直流側(cè)短路，即圖3（a）中“1”所示；圖3（c）中V1與V4在t=0.517 s時(shí)同時(shí)導(dǎo)通，造成了Y橋直流側(cè)短路狀態(tài)，與圖3（a）中的“3”相對(duì)應(yīng)。顯然，直流電流在“1”和“3”處發(fā)生了突變，而交流側(cè)故障開(kāi)始“0”到直流側(cè)發(fā)生短路“1”這段時(shí)間內(nèi)直流電流變化較為緩慢，這是由于逆變側(cè)直流電壓幅值在此期間下降有限，同時(shí)平波電抗器抑制了直流電流的上升速度，致使故障開(kāi)始時(shí)刻“0”處直流電流的變化速度有限。

因此換相失敗期間，直流電流在“1”、“3”處的速度變化明顯，所以在這兩點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生較大的形態(tài)梯度值。從計(jì)算Δt的角度來(lái)看，需要檢測(cè)“1”出現(xiàn)的時(shí)刻，表1列出了在不同交流故障條件下，“1”被檢測(cè)的時(shí)刻。其中KAB80（1，1）表示發(fā)生AB相經(jīng)80Ω過(guò)渡電阻接地故障，其他表示的含義與此類似。

綜上所述，計(jì)算交流側(cè)故障到發(fā)生換相失敗之間的時(shí)間間隔Δt的關(guān)鍵是檢測(cè)“1”發(fā)生的時(shí)刻。但檢測(cè)“1”的時(shí)刻需要考慮直流紋波引起的梯度變化的影響。

2.2 直流紋波的影響

當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行或者交流側(cè)故障對(duì)直流系統(tǒng)影響不大時(shí)，逆變側(cè)直流電流仍不是恒定不變的，而是存在一定的波動(dòng)，即直流電流在各個(gè)時(shí)刻都存在一定的形態(tài)梯度值。圖4（a）給出了直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)直流電流的波形，圖4（b）表示的是其形態(tài)梯度值。通過(guò)圖4（b）可看出，雖然直流電流在每個(gè)時(shí)刻都產(chǎn)生了形態(tài)梯度值，但數(shù)值都較小；圖4（c）表示的是交流側(cè)故障恰好未引發(fā)換相失敗時(shí)的直流電流波形。由于此時(shí)交流側(cè)故障對(duì)直流系統(tǒng)影響不大，因此交流側(cè)電壓降十分有限[13]，再考慮到平波電抗器的作用，導(dǎo)致直流電流的變化趨勢(shì)非常平緩，因此其形態(tài)梯度值也較小，如圖4（d）所示；圖4（e）表示的是換相失敗時(shí)直流電流的形態(tài)梯度值，通過(guò)圖4（e）可看出此時(shí)直流電流存在幾個(gè)較大的形態(tài)梯度值。

為了解決直流紋波帶來(lái)的影響，可通過(guò)設(shè)定一個(gè)梯度門檻值Gres來(lái)提取直流電流中突變較大的點(diǎn)，將不大于Gres點(diǎn)的梯度值的信息剔除。這樣就可以提取換相失敗的時(shí)刻。

2.3 Δt的計(jì)算原則

根據(jù)上面的分析可以得出Δt的計(jì)算原則，交流側(cè)故障開(kāi)始后，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)直流電流進(jìn)行形態(tài)梯度的檢測(cè)，并記錄交流側(cè)故障時(shí)刻t0，然后分如下情形對(duì)Δt進(jìn)行計(jì)算：

（1）情形1：如果利用式（3）檢測(cè)出的第1個(gè)大于門檻值的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t，那么記錄當(dāng)前檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻為t1，此時(shí)取Δt=t1-t0；

（2）情形2：如果在一個(gè)周期內(nèi)都沒(méi)有檢測(cè)出梯度大于閾值Gres的點(diǎn)，那么此時(shí)Δt=∞，表明沒(méi)有換相失敗的發(fā)生。

2.4 Δt對(duì)保護(hù)的影響研究

近年來(lái)，交直流互聯(lián)電網(wǎng)廣東橫東甲、乙線保護(hù)誤動(dòng)事故和北涌乙線保護(hù)誤動(dòng)事故都是由于換相失敗引起的功率倒向造成縱聯(lián)方向保護(hù)的誤動(dòng)。傳統(tǒng)功率倒向的一般防止措施是啟動(dòng)元件動(dòng)作一段時(shí)間后（30～40ms）后尚未跳閘，就認(rèn)為是外部故障，隨后如果功率方向變?yōu)檎较?，此時(shí)需要經(jīng)過(guò)延時(shí)動(dòng)作以躲過(guò)功率倒向的影響。但在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，功率倒向一般發(fā)生在30ms以內(nèi)，所以傳統(tǒng)的防止功率倒向的方法在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中已經(jīng)不再適用，因此造成了縱聯(lián)方向保護(hù)在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中適用性不足。本文從Δt的觀點(diǎn)出發(fā)，給出防止非故障線路由于功率倒向而誤動(dòng)的措施。顯然如果交流側(cè)故障沒(méi)有引發(fā)換相失敗，那么仍然可以采用傳統(tǒng)的策略來(lái)防止功率倒向引起的保護(hù)誤動(dòng)作。

如果交流側(cè)故障引發(fā)了換相失敗故障，當(dāng)數(shù)據(jù)窗全部為換相失敗信息時(shí)，如圖1中數(shù)據(jù)窗1所示，此時(shí)所計(jì)算出的結(jié)果非常容易引起非故障線路誤動(dòng)，而當(dāng)數(shù)據(jù)窗位于其他位置時(shí)，保護(hù)方向元件可以做到正確識(shí)別[5]。對(duì)于情形1而言，由于能準(zhǔn)確計(jì)算Δt的大小，所以當(dāng)保護(hù)數(shù)據(jù)窗計(jì)算Δt時(shí)間后，此時(shí)數(shù)據(jù)窗內(nèi)的數(shù)據(jù)全部為換相失敗后的數(shù)據(jù)，如果此后計(jì)算的功率方向由負(fù)變?yōu)檎较?，保護(hù)不需要立即動(dòng)作，而要閉鎖一段時(shí)間，考慮到反方向元件要有足夠的時(shí)間發(fā)出高頻閉鎖信號(hào)，可以閉鎖40～50ms；對(duì)于情形2，由于交流側(cè)故障尚未引發(fā)換相失敗，傳統(tǒng)的防止功率倒向的措施仍然有效。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

基于CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)搭建了仿真模型，如圖5所示，故障時(shí)間為0.5 s，持續(xù)時(shí)間為0.05 s。采樣頻率為4 000 Hz，梯度門檻值Gres取為0.015 p.u.。其中線路全長(zhǎng)為100 km，線路參數(shù)為：R1=0.025×10-3Ω/m，x1=0.3×10-3Ω/m；R0= 0.075×10-3Ω/m，x0=0.9×10-3Ω/m。

3.2 仿真分析

3.2.1 情形1的仿真結(jié)果分析

圖6表示的故障類型是在交流母線處發(fā)生了A相接地故障，過(guò)渡電阻為80Ω。通過(guò)圖6（b）可以看出，直流電流的局部點(diǎn)“1”、“2”和“3”的形態(tài)梯度都能檢測(cè)出來(lái)。根據(jù)Δt的計(jì)算原則可得出此時(shí)Δt=0.507-0.500=0.007 s。圖6（c）表示的是D橋V3與V6的電流波形，通過(guò)圖6（c）可以看出V3與V6共同導(dǎo)通的時(shí)刻也為0.507 s，與計(jì)算結(jié)果相同。圖6中橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)0表示故障開(kāi)始時(shí)刻0.5 s。

3.2.2 情形2的仿真結(jié)果分析

圖7表示的故障類型是在交流母線處發(fā)生了A相接地故障，過(guò)渡電阻為100Ω。通過(guò)圖7（b）可以看出，由于直流電流的形態(tài)梯度值都不大于設(shè)定的門檻值，梯度值都被置為0。根據(jù)Δt的計(jì)算原則可以得出此時(shí)Δt=∞，即故障不會(huì)引起換相失敗。

4 結(jié)語(yǔ)

形態(tài)學(xué)的引入為分析換相失敗對(duì)交流電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響提供了新的發(fā)展空間，而且形態(tài)學(xué)只需做加減和取極值運(yùn)算，因此算法簡(jiǎn)單快速。本文根據(jù)換相失敗期間直流電流的局部特性和定義的數(shù)學(xué)形態(tài)梯度，給出了計(jì)算交流側(cè)故障和換相失敗之間時(shí)間間隔的方法，解決了交直流互聯(lián)系統(tǒng)中換相失敗的時(shí)序問(wèn)題，這為數(shù)據(jù)窗的自適應(yīng)調(diào)整、增強(qiáng)縱聯(lián)方向保護(hù)的適用性和分析換相失敗對(duì)繼電保護(hù)的影響打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)考慮到直流側(cè)的保護(hù)與控制與交流側(cè)繼電保護(hù)之間理應(yīng)存在配合關(guān)系，所以廣域信息的應(yīng)用是未來(lái)交直流互聯(lián)系統(tǒng)中的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

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Analysisof Time Sequence Between AC Faultand Commutation Failure

CHENYing，LIXiu，LIZhuonan
（Electric PowerResearch Institute，StateGrid East InnerMongolia Electric PowerCompany Limited，Hohhot 010020，China）

The calculation of time intervalbetween AC faultand commutation failure is a basis for studying the effectof commutation failure on the AC relay protection.After the extractions of local features of DC currentduring commutation failure in the inverter side，by using themorphologicalgradient，a unified calculationmethod of the time sequence be?tween AC faultand commutation failure is proposed based on different local features.In addition，a countermeasure is put forward to prevent themal-operation ofdifferential directional protection on un-faulted line caused by transientpow?er converse.A model is builtbased on EMTDC/PSCAD，and the simulation results show the validity of the calculation method.

mathematicalmorphology；AC fault；commutation failure；power converse；relay protection

TM774

A

1003-8930（2017）03-0116-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.019

陳穎（1988—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鳌㈦娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定分析。Email：chenyingnm1988@163.com

2015-09-02；

2016-06-14

李袖（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定。Email：297163093@qq.com

李卓男（1988—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定。Email：277360727@qq.com