直流換相失敗引發(fā)功率倒向保護(hù)策略研究

潘爾生， 李 軍， 申洪明,2， 韓 柳

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209； 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

直流換相失敗引發(fā)功率倒向保護(hù)策略研究

潘爾生1， 李 軍1， 申洪明1,2， 韓 柳1

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209； 2.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

交直流系統(tǒng)之間相互復(fù)雜作用會(huì)引發(fā)交流線路暫態(tài)功率倒向現(xiàn)象。詳細(xì)分析了交直流互聯(lián)系統(tǒng)下流入交流系統(tǒng)工頻電流相角的變化特點(diǎn)，提出了一種基于本地工頻相角信息的防止暫態(tài)功率倒向的預(yù)防策略；理論分析了直流換相失敗對(duì)交流系統(tǒng)零序電流的影響，進(jìn)而提出了一種將零序方向元件與縱聯(lián)方向保護(hù)判據(jù)相結(jié)合的防止暫態(tài)功率倒向的預(yù)防措施。最后基于PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果驗(yàn)證了防范措施的有效性。

換相失??； 功率倒向； 基波相角； 零序方向元件

0 引 言

由于我國能源和負(fù)荷逆向分布的特性，HVDC輸電技術(shù)得到了迅速發(fā)展，我國已經(jīng)初步形成了交直流混聯(lián)系統(tǒng)。在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，除了直流本體故障外，交流故障是造成換相失敗發(fā)生的主要原因[1]，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)表明，僅2006～2007年期間，天廣直流發(fā)生的14次換相失敗均為交流系統(tǒng)故障所致。直流換相失敗期間交流系統(tǒng)的暫態(tài)過程非常復(fù)雜[2-5]，對(duì)交流系統(tǒng)繼電保護(hù)影響較大[6]。

文獻(xiàn)[7]研究了交直流系統(tǒng)中交流故障以及換相失敗之間存在的時(shí)序關(guān)系，進(jìn)一步的分析了換相失敗引起功率倒向的機(jī)理；文獻(xiàn)[8]采用仿真分析的方法提出了功率倒向的機(jī)理。以往的文獻(xiàn)主要研究了交直流互聯(lián)系統(tǒng)下功率倒向發(fā)生的機(jī)理，提出的解決措施也大多局限于采用新的保護(hù)原理來替代縱聯(lián)方向保護(hù)，如采用分相電流差動(dòng)保護(hù)等。但縱聯(lián)方向保護(hù)對(duì)一些故障的快速切除是非常有必要的，因此建議在互聯(lián)系統(tǒng)中棄用縱聯(lián)方向保護(hù)也略顯片面。所以迫切需要一種新的防止功率倒向引起的縱聯(lián)方向保護(hù)誤動(dòng)的措施。

本文首先詳細(xì)分析了傳統(tǒng)電網(wǎng)與換相失敗引發(fā)的功率倒向的不同，然后從繼電保護(hù)的角度提出了一種利用保護(hù)安裝處基波電流相角信息的檢測換相失敗的方法。進(jìn)而從理論層面詳細(xì)研究了交直流互聯(lián)系統(tǒng)中零序電流的分布規(guī)律，指出可以用零序方向元件準(zhǔn)確識(shí)別故障方向。基于PSCAD/EMTDC的仿真結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

1 交直流電網(wǎng)功率倒向現(xiàn)象的提出

傳統(tǒng)的功率倒向是指雙回線路中由于故障線路兩側(cè)斷路器跳開時(shí)間不一致導(dǎo)致非故障線路誤動(dòng)的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)一般是針對(duì)單元件的單一故障設(shè)計(jì)的。而在交直流系統(tǒng)中，若受端電網(wǎng)故障引起直流換相失敗，則相當(dāng)于交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)了故障，因此勢(shì)必會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的繼電保護(hù)產(chǎn)生沖擊。圖1給出了交直流系統(tǒng)中主要事件的順序圖，其中交流故障切除一般位于換相失敗恢復(fù)之前，對(duì)于輕微的換相失敗，可能出現(xiàn)t3超前于t2的現(xiàn)象。

圖1 時(shí)序關(guān)系圖Fig.1 Time sequence diagram

保護(hù)計(jì)算用的數(shù)據(jù)窗可能位于圖1中的任何位置，當(dāng)數(shù)據(jù)窗全部位于時(shí)間t1之后，如窗1所示，此時(shí)數(shù)據(jù)窗內(nèi)數(shù)據(jù)同時(shí)包括了換相失敗和交流故障的信息，非故障線路很容易由于功率倒向的原因?qū)е抡`動(dòng)，而數(shù)據(jù)窗位于其他位置時(shí)，功率方向可以做到正確識(shí)別[7]。

功率倒向引起的保護(hù)動(dòng)作行為表現(xiàn)為縱聯(lián)方向保護(hù)的誤動(dòng)作，而縱聯(lián)保護(hù)的實(shí)質(zhì)是檢測保護(hù)安裝處背后系統(tǒng)阻抗的性質(zhì)。在交直流系統(tǒng)中，保護(hù)安裝處背后連接直流系統(tǒng)，換相失敗期間由于直流系統(tǒng)控制的作用，與直流系統(tǒng)相連接的保護(hù)安裝處的背后系統(tǒng)阻抗不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致了非故障線路在故障線路斷路器尚未動(dòng)作之前，就可能發(fā)生功率倒向，使得出現(xiàn)功率倒向的時(shí)間小于40 ms，所以傳統(tǒng)的策略已經(jīng)不再適用，如廣東電網(wǎng)橫東甲、乙線及北涌乙線都出現(xiàn)了由于傳統(tǒng)策略的不適應(yīng)而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的發(fā)生。所以需要新的預(yù)防措施來預(yù)防非故障線路的誤動(dòng)，以增強(qiáng)縱聯(lián)方向保護(hù)在交直流互聯(lián)系統(tǒng)中的適用性。

2 基于本地相角信息的預(yù)防措施研究

顯然如果交流側(cè)故障未引發(fā)換相失敗，則表示此時(shí)直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間相互影響很小，依靠傳統(tǒng)的預(yù)防策略就可以躲過功率倒向的影響；如果引發(fā)換相失敗，則需要新的預(yù)防策略。下文將重點(diǎn)討論一種基于本地相角信息的預(yù)防策略和一種不受交直流互聯(lián)系統(tǒng)影響的基于零序功率方向元件的解決措施。

2.1基于本地相角信息的預(yù)防措施的研究

圖2給出了逆變側(cè)交流系統(tǒng)等效電路圖，圖中將直流系統(tǒng)可以等效成壓控流源[6]。

圖2 交直流系統(tǒng)電路圖Fig.2 Circuit diagram of AC/DC system

圖2中各符號(hào)的表示含義如表1所示。

表1 圖2中各符號(hào)表示含義

在圖2中，對(duì)ubus節(jié)點(diǎn)，由KCL顯然存在：

(1)

圖3給出了三相橋式逆變電路，其中閥v1～v6均為晶閘管器件。

圖3 三相橋式逆變器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of three-phase bridge inverterat side

不妨假定閥的導(dǎo)通順序?yàn)椋簐1,v2→v3,v2→v3,v4→v5,v4→v5, v6 →v1, v6，規(guī)定電流流入交流系統(tǒng)的方向?yàn)檎鞒鰹樨?fù)，則無故障時(shí)電流Idc(以 A相為例)波形如圖4(a)所示；考慮到僅發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)直流系統(tǒng)擾動(dòng)并不大，因此可以假設(shè)此時(shí)的觸發(fā)角α保持不變。按照閥的導(dǎo)通順序以及等間隔的觸發(fā)模式，可以得到僅發(fā)生交流側(cè)故障時(shí)流入交流系統(tǒng)A相電流的等效波形，如圖4(b)所示。此時(shí)各個(gè)閥的導(dǎo)通時(shí)刻及導(dǎo)通時(shí)間不變，即調(diào)制函數(shù)不變，但故障期間流過閥的電流大小發(fā)生了變化，假設(shè)此時(shí)流過閥的電流函數(shù)依次為βId,K1βId,K1K2βId，其中β，K1，K2是時(shí)變的參數(shù)。

圖4 A相電流波形對(duì)比Fig.4 Comparison for phase A current waveforms

圖5(a)給出了僅交流側(cè)故障時(shí)直流電流波形。通過圖5(a)可以看出，由于交流側(cè)故障導(dǎo)致逆變器直流側(cè)電壓下降，因此直流電流呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但上升幅度有限；隨后為了抑制直流電流的增大，整流側(cè)采取增大觸發(fā)角以及低壓限流環(huán)節(jié)等作用，直流電流迅速下降。同時(shí)可以看出，正常運(yùn)行時(shí)，直流電流仍存在微小的波動(dòng)，即直流紋波[1]。

如果交流側(cè)故障尚不能引發(fā)直流換相失敗，則表示交流母線電壓下降十分有限[9],此時(shí)直流線路電容的放電速度受到了極大限制，同時(shí)由于平波電抗器對(duì)直流電流變化趨勢(shì)的抑制作用，因此可以把直流電流認(rèn)為是恒定不變的[4]。所以圖5(a)中即使兩個(gè)最值點(diǎn)之間數(shù)值相差也不大。而且此時(shí)兩個(gè)最值點(diǎn)之間的時(shí)間間隔Δt大約為2.5個(gè)周波，因此在20 ms的數(shù)據(jù)窗內(nèi)的數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度更??；圖5(b)給出了相隔120°時(shí)直流電流采樣點(diǎn)幅值的變化趨勢(shì)。由圖5(b)可以看出此時(shí)電流波動(dòng)性確實(shí)很小。圖4(b)中點(diǎn)1與點(diǎn)2，點(diǎn)3與點(diǎn)4之間相差60°電角度，所以此時(shí)直流電流的波動(dòng)性更小，即K1，K2變化非常小；同樣的原因可以得出電流在各自區(qū)間[0,π/3]，[2π/3,4π/3]，[5π/3,2π]波動(dòng)性很小，因此參數(shù)β變化也非常小。

圖5 交流側(cè)故障直流電流特點(diǎn) Fig.5 The feature of DC current during AC fault

通過上面的分析可以看出β，K1，K2三個(gè)參數(shù)雖然是時(shí)變參數(shù)，但上下波動(dòng)的范圍很小，為了便于進(jìn)行分析，可以近似的認(rèn)為β，K1，K2為常數(shù)。

由傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)圖4(a)計(jì)算可得

(2)

式(2)中:a1、b1表示的是電流Idc基波分量的實(shí)部和虛部。由式(2)可以求得相對(duì)于cos(ω0t+φ)形式而言的相角為0。

對(duì)圖4(b)的波形進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開得：

(3)

展開式(3)可得

(4)

圖6(a)表示的是在K1，K2∈(0.8,1.2)時(shí)利用式(4)計(jì)算得到的電流Idc1相角變化曲線，圖6(b)給出了電流Idc1幅值在交流故障前后的比值。由圖6(a)可以看出，電流Idc1相角在僅交流故障時(shí)變化很??；由圖6(b)可以得出，僅交流故障時(shí)電流Idc1幅值變化不大。特別地當(dāng)K1=K2=1時(shí)，此時(shí)相角、幅值變化為零，因?yàn)榇藭r(shí)電流波形的形狀與正常波形一樣，因此計(jì)算的結(jié)果相同。

圖6 交流故障時(shí)相角的變化趨勢(shì) Fig.6 The change trend of phase during AC fault

圖相角變化示意圖 Fig.7

(5)

式中：φ表示的是A，B，C三相。式(5)表明，三相中只要有一相基波相角的變化值大于整定值，即表明交流故障引發(fā)了換相失敗故障，否則表示未發(fā)生換相失敗。顯然，對(duì)于雙回線而言，φ表示的是兩回線中的六相。

2.1.3 新預(yù)防策略的提出

躲開功率倒向引起的非故障線路誤動(dòng)的基本策略仍然是短延時(shí)，但在交直流互聯(lián)系統(tǒng)下，必須依賴于是否發(fā)生了換相失敗故障：如果無換相失敗，則依然采用傳統(tǒng)的功率倒向預(yù)防策略；如檢測到換相失敗，無需在40 ms以后再延時(shí)，而是在檢測到功率方向發(fā)生變化時(shí)立即延時(shí)，防止保護(hù)誤動(dòng)。如功率方向不發(fā)生變化，那么無須延時(shí)，以保證內(nèi)部故障時(shí)保護(hù)的快速動(dòng)作。具體策略如下，假設(shè)故障開始的時(shí)刻為t0：

(1)計(jì)算雙回線六相電流的相角，檢測ΔPφ>ΔPset在t∈(t0+20 ms,t0+25 ms)是否成立：成立表示發(fā)生了換相失敗，需要新的預(yù)防策略；否則表示未引發(fā)換相失敗，可以采用原有的策略來防止保護(hù)的誤動(dòng)。t0+20 ms是因?yàn)榭紤]到數(shù)據(jù)窗的長度一般為20 ms，t0+25 ms是通過大量的仿真分析發(fā)現(xiàn)，如果交流側(cè)故障引發(fā)了換相失敗，ΔPφ>ΔPset在t∈(t0+25 ms)之內(nèi)就已經(jīng)成立。

圖8 新邏輯流程圖Fig.8 The flowchart of the new logic

2.2基于零序方向元件的防范措施

基于相角信息的預(yù)防措施需要預(yù)先判斷交流側(cè)故障是否引發(fā)了換相失敗，如果存在一種不受混聯(lián)系統(tǒng)影響的方向元件，依靠該方向元件能正確識(shí)別故障方向，顯然就能躲開功率倒向的影響。

2.2.1 零序電流的分布特點(diǎn)

由圖10 可得

(6)

2.2.2 基于零序方向元件防范措施的提出

由2.2.1章節(jié)可知，直流系統(tǒng)的接入不會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)中保護(hù)安裝處零序電流產(chǎn)生影響。同時(shí)現(xiàn)有的直流保護(hù)系統(tǒng)主要用于調(diào)制直流電流的大小，對(duì)直流或者交流的電壓影響不大。因此，無論保護(hù)安裝處背后直流系統(tǒng)狀態(tài)如何，零序方向元件都能準(zhǔn)確識(shí)別交流線路的故障方向。因此可以在縱聯(lián)方向保護(hù)中增加一個(gè)零序方向元件，兩者構(gòu)成“與”門，即當(dāng)兩者都滿足動(dòng)作條件時(shí)，保護(hù)才能開放。新的邏輯框圖如圖11所示。

圖11 帶有零序方向元件的方向縱聯(lián)保護(hù)Fig.11 The novel directional pilot protection with zero-sequence directional element

3 仿真驗(yàn)證

3.1仿真模型

基于PSCAD/EMTDC搭建了如圖9所示的仿真模型，其中模型參數(shù)如表2所示。表2中SCR表示系統(tǒng)強(qiáng)度，Z1，Z2表示線路的正序、零序參數(shù)，f0表示采樣頻率，rmin表示最小熄弧角。

表2 仿真參數(shù)

考慮到不同直流工程的控制策略、控制參數(shù)不盡相同，同時(shí)換相失敗期間暫態(tài)過程非常復(fù)雜，從而使得尋找適合所有場景的ΔPset變得非常困難，現(xiàn)階段只能通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)確定ΔPset，本仿真實(shí)驗(yàn)確定ΔPset25°較為合適。仿真中主要以L1線路發(fā)生A相接地故障為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖12 基于基波相角信息的仿真驗(yàn)證 Fig.12 The simulation result based on primary phase

3.2基于基波相角預(yù)防策略的仿真分析

圖12(a)～(d)分別表示L1M側(cè)故障相相角的變化曲線、熄弧角變化曲線、L1線路兩側(cè)保護(hù)安裝處的功率方向、L2中M側(cè)功率方向變化曲線，其中故障位置距M側(cè)10公里，過渡電阻為20 Ω。通過圖12(a)可以看出ΔPA>25°，判為換相失敗故障；圖12(b)關(guān)斷角γ=0表明判斷結(jié)果正確；由圖12(c)故障線路的功率方向判別結(jié)果來看，故障線路兩側(cè)功率方向沒有發(fā)生變化，且都滿足正方向，所以保護(hù)可以無延時(shí)的跳開；由圖13(d)可以看出，L2功率方向在t=0.527 s由正方向變?yōu)樨?fù)方向，則線路L2中N側(cè)功率由負(fù)方向變正方向，如果線路閉鎖信號(hào)傳輸延遲，則可能造成L2誤動(dòng)。根據(jù)新的防范措施，需要在0.527 s時(shí)立即延時(shí)40～50 ms，則N側(cè)有足夠的時(shí)間收到M側(cè)發(fā)送的閉鎖信號(hào)，從而確?？v聯(lián)方向保護(hù)不誤動(dòng)。

圖13 (a)表示故障線路三相電流相角的變化量；圖13(b)表示的是關(guān)斷角的大小。通過圖13(a)可以看出三相相角的變化ΔPφ<ΔPset，不滿足換相失敗的判別條件，因此判定沒有引發(fā)換相失敗故障。同時(shí)圖13(b)γmin>0驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。根據(jù)新的策略，此時(shí)由于沒有引發(fā)換相失敗故障，可以按照傳統(tǒng)的預(yù)防策略防止功率倒向的影響。

圖13 無換相失敗時(shí)的仿真結(jié)果Fig.13 The simulation result for non-commutation failure

3.3基于功率方向元件防范措施的仿真分析

圖14(a)～(c)分別表示非故障線路L2零序方向元件M側(cè)、N側(cè)判別結(jié)果以及故障線路L1兩側(cè)零序方向元件的判別結(jié)果，故障形式與圖12相同。通過圖14(a)、(b)可以看出，雖然N側(cè)零序方向元件判為正方向，但側(cè)零序方向元件一直判為反方向，能保證非故障線路不誤動(dòng)；而故障線路零序方向元件一直判為正方向，能保證故障線路的快速切除。

圖14 零序方向元件判別結(jié)果Fig.14 The discrimination results based on zero-sequence direction component

4 結(jié) 論

直流換相失敗引發(fā)的功率倒向與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)功率倒向不同，因此依靠傳統(tǒng)的防止功率倒向的措施在換相失敗環(huán)境下不再適用。直流系統(tǒng)的接入，不會(huì)影響原交流系統(tǒng)零序電流的分布特征，將縱聯(lián)方向保護(hù)與零序方向元件構(gòu)成“與”邏輯，可以防止功率倒向引發(fā)的保護(hù)誤動(dòng)作。事實(shí)上，從宏觀角度出發(fā)，換相失敗期間一些傳統(tǒng)的保護(hù)策略已經(jīng)呈現(xiàn)出諸多的缺陷，在換相失敗情形下采用何種新的保護(hù)策略乃至新的預(yù)防措施，是未來交直流系統(tǒng)中一個(gè)重要研究課題。

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Study on Strategy to Avoid Power Converse During Commutation Failure

PAN Ersheng1, LI Jun1, SHEN Hongming1,2, HAN Liu1

(1. State Grid Beijing Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

The transient power converse may occur in AC line because of the complicated interaction between AC and DC system. Detailed analysis is presented on the characteristics of the phase change of the power frequency current flowing into the AC system in AC/DC interconnected network. Then, a preventive method for avoiding transient power converse based on the information of local primary phase angle is proposed. The effect of commutation failure on AC zero-sequence current is analyzed from theoretical perspective. And a countermeasure is also presented on the basis of the zero-sequence direction component and criterion of directional comparison pilot protection. At last, the results of PSCAD/EMTDC simulation prove the validity of the countermeasures.

commutation failure; power converse; fundamental phase; zero-sequence power direction component

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.05.06

TM773

A

1007-2691(2017)05-0040-08

2016-12-20.

國家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(XT71-16-053).

潘爾生(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃與控制保護(hù)等工作；李軍(1963-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)營及管理等方面工作；申洪明(1988-)，男，博士研究生，主要從事電力系統(tǒng)保護(hù)與控制研究；韓柳(1975-)，女，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究。