張懌寧,張大海,武傳健,楊宇辰
(1. 中國南方電網(wǎng)超高壓公司檢修試驗(yàn)中心,廣州510663;2. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044)
直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等方面具備明顯優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于同步電網(wǎng)互聯(lián)、大規(guī)模新能源接入、海底電纜輸電等領(lǐng)域[1]。直流輸電技術(shù)包括高壓直流輸電技術(shù)和柔性直流輸電技術(shù),其中柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)用于新能源并網(wǎng)等項(xiàng)目中,在電網(wǎng)運(yùn)行中擔(dān)任重要的作用[2 - 3]。柔性直流輸電線路比直流電纜線路發(fā)生故障的概率大,且故障電流上升速率大,而模塊化多電平(modular multilevel converter, MMC)換流器造價(jià)高且脆弱,若不能及時(shí)切開故障線路,會(huì)對柔性直流設(shè)備造成巨大損害甚至進(jìn)一步破環(huán)電網(wǎng)整體的安全性,所以研究快速切除柔性直流線路的保護(hù)方案對提高電網(wǎng)的可靠性具有重要的意義[4 - 5]。柔性直流線路具有阻尼小、故障電流上升快的特點(diǎn),因此需要在極短時(shí)間內(nèi)切除故障。然而,現(xiàn)有直流保護(hù)原理仍存在一些問題需要解決[6]?,F(xiàn)有主保護(hù)原理存在高阻故障難識(shí)別的問題,如文獻(xiàn)[7]的行波保護(hù)方案最大識(shí)別電阻只有100 Ω。文獻(xiàn)[8]利用直流電壓變化率進(jìn)行故障識(shí)別,但仍存在耐受過渡電阻能力差的問題?;陔妷骸㈦娏髯兓砍朔e的故障識(shí)別方案雖然增加了耐過渡電阻能力,但其可靠性仍然受到故障電阻的影響[9]。為保證輸電線路的安全運(yùn)行,后備保護(hù)的耐受過渡電阻能力必須得到保證。電流差動(dòng)保護(hù)被廣泛采用為后備保護(hù),但是其易受分布電容影響,導(dǎo)致保護(hù)誤判。為解決分布電容導(dǎo)致后備保護(hù)不正確動(dòng)作的問題,文獻(xiàn)[10]提出了基于故障電流頻率的縱聯(lián)保護(hù)方案;文獻(xiàn)[11]利用小波變換提取高頻暫態(tài)電壓分量,提出了基于區(qū)內(nèi)外暫態(tài)能量差異的故障識(shí)別方案。上述方案屬于頻域分析的保護(hù)方案,常利用小波分析等數(shù)學(xué)工具提取多頻率故障信息進(jìn)行故障識(shí)別。然而,這種數(shù)學(xué)工具在數(shù)據(jù)處理時(shí)存在延時(shí),降低了保護(hù)的速動(dòng)性。另外,基于小波變換等數(shù)學(xué)工具的保護(hù)方案原理較為復(fù)雜,對設(shè)備要求高且計(jì)算量較大。
文獻(xiàn)[12 - 14]從時(shí)域分析出發(fā),提出了對分布式電容電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟顒?dòng)保護(hù),但是實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[15 - 16]分別從時(shí)域和頻域方面提出了行波縱聯(lián)保護(hù),利用行波的特性克服了分布式電容的影響。然而,行波保護(hù)存在易受噪聲影響、存在時(shí)間短等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[17]提出了行波相關(guān)性的保護(hù)原理,但其研究背景為傳統(tǒng)直流工程,且利用的行波信號(hào)存在時(shí)間較短,難以做到對柔性直流線路進(jìn)行故障全過程保護(hù)。文獻(xiàn)[18]針對柔性直流配網(wǎng)提出了基于電流相關(guān)系數(shù)的保護(hù)原理,其應(yīng)用于線路短、分布電容較小的配電網(wǎng)中具有較好的效果。但其本質(zhì)是借助相關(guān)系數(shù)特性忽略分布電容的影響,因此未能完全消除分布電容電流。
本文針對柔性直流輸電線路的后備保護(hù)易受分布電容電流的影響問題進(jìn)行研究。首先對線路的故障特性進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn)分布電容電流為高頻信號(hào)且造成故障電流的振蕩現(xiàn)象。對此,本文利用S變換濾除高頻信號(hào),提出基于低頻電流F檢驗(yàn)的縱聯(lián)保護(hù)方案。該原理利用S變換消除了分布式電容的影響,并增加保護(hù)原理的抗噪聲干擾能力。最后,利用PSCAD平臺(tái)建立雙端柔直輸電系統(tǒng)模型,驗(yàn)證了所提保護(hù)新原理的可行性和優(yōu)越性。
本文以雙端柔性直流輸電系統(tǒng)為研究對象,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[11]。雙端均采用MMC換流器,出口處安裝有限流電抗器,輸電線路采用架空線路,其具體參數(shù)如表1所示。為分析柔性直流工程的故障特性,本文在線路Line1設(shè)置了故障點(diǎn)。圖中f1、f2和f3分別代表線路Line1的正向內(nèi)部故障、正向外部故障和反向外部故障。
圖1 柔性直流工程示意圖Fig.1 Diagram of a flexible DC project
表1 柔性直流工程參數(shù) Tab.1 Parameters of flexible DC project
以圖1中線路Line1的f1處發(fā)生故障為例,對線路故障電流進(jìn)行分析?;贛MC換流閥的柔性直流電網(wǎng)故障后,故障電流分為換流器子模塊電容的放電電流和交流系統(tǒng)的饋入電流2個(gè)階段,故障時(shí)刻各階段等值電路如圖2所示[11]。
根據(jù)圖2的等效電路可分析故障電流特性。設(shè)故障瞬間的電流為I0, 電壓為U0, 可以得到故障暫態(tài)電流的瞬時(shí)值il如式(1)所示[6]。
(1)
式中:ω為振蕩放電電流的角頻率;C為子模塊等效電容;L為橋臂電抗;R為子模塊等效阻抗。
圖2 等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram
從式(1)可以看出,第一階段電容放電是一個(gè)二階欠阻尼振蕩過程,電容電壓會(huì)振蕩下降,當(dāng)?shù)陀诮涣鱾?cè)電壓時(shí),故障將會(huì)進(jìn)入下一階段。圖2(c)為故障的第二階段。此階段由于換流器閉鎖,子模塊電容不再放電,但橋臂電感和交流側(cè)電源依然饋入電流。雖然此階段的故障電流公式難以準(zhǔn)確表達(dá),但此階段的故障電流依然為上升趨勢直至進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。另外,對稱雙極系統(tǒng)發(fā)生單極故障時(shí),不同直流側(cè)接地條件下的單極接地故障具有類似的故障機(jī)理和特性[6]。由于對稱雙極系統(tǒng)正負(fù)極換流器均通過金屬回線接地,所以在故障第一階段,故障極MMC、大地和故障點(diǎn)與系統(tǒng)接地點(diǎn)形成故障回路。其故障電流依然來自換流器子模塊電容放電,故障電流存在振蕩現(xiàn)象。而故障的第二階段亦是交流側(cè)電源和橋臂電感放電,因此,對稱雙極系統(tǒng)的雙極短路故障和單極短路故障的故障電流雖然幅值不同,但均存在分布式電容導(dǎo)致的振蕩現(xiàn)象。
首先,分析故障電流中,分布電容電流的頻率特性?;诙嚯娖綋Q流器的故障電流可以分為2個(gè)階段,在電容放電階段,區(qū)內(nèi)故障電流的主要成分為子模塊電容的放電電流。根據(jù)圖2的放電回路,第1階段故障電流的計(jì)算公式為式(1),且存在[10]:
(2)
(3)
式中:L0、C0、N分別為橋臂電感、子模塊的電容和橋臂子模塊數(shù)量;x、Lu、Ru分別為故障距離、線路單位長度(km)電感和線路單位長度電阻。根據(jù)表1參數(shù)可得電流振蕩頻率的最高值約為52.6 Hz。
而區(qū)外故障時(shí),故障電流的主要成分是分布式電容暫態(tài)電流,其頻率與行波固有頻率一致,其行波固有頻率的理論最低值可表示[12]為:
(4)
式中:fs為行波固有頻率;v為故障行波波速度;d為故障距離??梢钥闯龇植际诫娙蓦娏鞯念l率隨著故障距離變化,故障距離不大于210 km時(shí),其頻率不小于357 Hz。因此,分布式電容電流的頻率在357 Hz以上。以圖1模型為例進(jìn)行仿真,利用S變換提取信號(hào),得到區(qū)內(nèi)故障時(shí)故障電流的頻率分布如圖3所示。由圖3可以看出,故障時(shí)發(fā)生電流振蕩的主要為頻率在357 Hz以上的信號(hào)。
圖3 區(qū)內(nèi)故障電流的頻率特性Fig.3 Frequency characteristics of internal fault current
綜上,區(qū)內(nèi)故障時(shí)分布電容電流和模塊電容的放電電流頻率不同。實(shí)際上,高頻率的分布式電容電流正是故障電流發(fā)生振蕩的原因,亦是影響電流差動(dòng)保護(hù)可靠性的主要因素。
小波變換可以對信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析,非常適合分析非周期信號(hào)。S變換同時(shí)具備小波變換的多分辨率分析和短時(shí)傅里葉單頻率獨(dú)立分析的優(yōu)點(diǎn)。假設(shè)時(shí)間信號(hào)h(t)的S變換S(τ,f)定義為:
(5)
式中:f為頻率;t為時(shí)間;τ為時(shí)移因子;w(τ-t,f)為高斯函數(shù)。
(6)
由式(2)可知S變換的高斯函數(shù)是時(shí)間和頻率的函數(shù),頻率越高,高斯窗寬度越窄。因此,S變換具備較好的時(shí)頻分辨特性。S變換的公式為:
S(k,n)=A(k,n)ejΨ(k,n)
(7)
式中:k為離散時(shí)間點(diǎn);n為離散信號(hào)個(gè)數(shù);A(k,n)為S變換后的幅值矩陣;Ψ(k,n)為S變換后的相位矩陣。本文選擇利用S變換提取故障電流的低頻信號(hào)(0~357 Hz)。
首先分析線路兩側(cè)低頻故障電流的特征。在故障發(fā)生前,首端電流為正,末端電流為負(fù),且首、末端的絕對值相等。1.5 s發(fā)生區(qū)內(nèi)故障后,首端電流增大,而末端電流翻轉(zhuǎn)過0,所以其電流開始增大,可以看出區(qū)內(nèi)故障前后電流的變化趨勢是一樣的。同理,區(qū)外故障時(shí),線路首端電流方向依然為正且持續(xù)增大,而線路末端電流方向不發(fā)生翻轉(zhuǎn),意味著線路末端電流方向依然為負(fù)且持續(xù)減小。上述分析為正極線路的故障情況,而負(fù)極線路的故障電流變化正好相反。
綜上,電流的變化趨勢與故障位置(區(qū)內(nèi)、區(qū)外)密切相關(guān),總結(jié)低頻故障電流變化趨勢如表2所示。
表2 故障電流變化趨勢特征Tab.2 Changing trend characteristics of fault current
根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí),正負(fù)極線路兩端的低頻故障電流變化趨勢相同;而區(qū)外故障時(shí),線路兩端的低頻故障電流變化趨勢相反。因此,可以利用此區(qū)別進(jìn)行故障識(shí)別。為量化電流變化趨勢,本文采用F檢驗(yàn)計(jì)算兩端電流的相似性。
F檢驗(yàn)[19]又稱作為聯(lián)合假設(shè)檢驗(yàn)、方差比率檢驗(yàn)、方差齊性檢驗(yàn),是一種在零假設(shè)(null hypothesis)下,統(tǒng)計(jì)值服從F分布的檢驗(yàn)。F檢驗(yàn)通過比較2組數(shù)據(jù)方差的差異性,從而檢驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)聯(lián)系的緊密程度(相關(guān)性)。F檢驗(yàn)的具體步驟如下。
1)構(gòu)建如下假設(shè)H。
(8)
設(shè)H=0表示2組檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差沒有顯著性差異,即樣本間滿足正相關(guān);H=1則表示2組檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差具有顯著性差異,即樣本間滿足反相關(guān)。
2)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量F。
(9)
(10)
3)采用單側(cè)檢驗(yàn),取顯著性水平α, 計(jì)算2組數(shù)據(jù)的自由度分別為v1=n1-1、v2=n2-1。 其中,n1和n2分別代表2組數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)。通過臨界F值表進(jìn)行查找,得到臨界值Fα(v1.v2)。 由于所提保護(hù)方案采用的采樣頻率為10 kHz,數(shù)據(jù)窗長度為0.5 ms,具有6個(gè)采樣點(diǎn)(包含故障前1個(gè)采樣點(diǎn)),因此2組電流數(shù)據(jù)的自由度均為5。
比較計(jì)算所得統(tǒng)計(jì)量F與查表所得臨界值Fα(v1.v2)的大小。若F≤Fα(v1.v2), 則2組電流數(shù)據(jù)方差沒有顯著性差異,假設(shè)H=0成立,樣本間滿足正相關(guān)性;若F>Fα(v1.v2), 則2組電流數(shù)據(jù)方差具有顯著性差異,假設(shè)H=1成立,樣本間滿足反相關(guān)性。
根據(jù)表2和式(8),本文將統(tǒng)計(jì)量F作為保護(hù)判據(jù),詳細(xì)描述為:線路故障瞬間,對線路(正、負(fù)極)首端和末端分別求電流的F統(tǒng)計(jì)值。若統(tǒng)計(jì)量F大于臨界值Fα(v1.v2), 則代表線路兩端故障電流為強(qiáng)正相關(guān),則判斷發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。若統(tǒng)計(jì)量F小于臨界值Fα(v1.v2), 則代表線路兩端故障電流為反相關(guān),則判斷發(fā)生區(qū)外故障。
(11)
由上述分析,本文采用di/dt作為保護(hù)啟動(dòng)元件。正常運(yùn)行情況下,電流突變量非常小(不考慮功率轉(zhuǎn)移)。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),其電流必然發(fā)生波動(dòng),則電流導(dǎo)數(shù)或者電流突變量必然發(fā)生變化??紤]到運(yùn)行時(shí)存在諧波的情況,將閾值設(shè)置略大于零。當(dāng)電流出現(xiàn)增加或者減小,且超過設(shè)定的閾值時(shí),電流突變量或電流導(dǎo)數(shù)啟動(dòng)元件動(dòng)作。啟動(dòng)元件的判據(jù)為:
di/dt>kset
(12)
式中kset為考慮諧波設(shè)置的閾值。
設(shè)置流程圖如圖4所示。
圖4 保護(hù)方案流程圖Fig.4 Flow chart of the protection scheme
首先測量元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,計(jì)算電流是否滿足保護(hù)啟動(dòng)元件,若滿足則進(jìn)入下一步;提取故障電流的低頻信號(hào),然后將此信號(hào)傳入對端并計(jì)算H。根據(jù)公式(11)判定區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障,若滿足條件則保護(hù)動(dòng)作,程序結(jié)束;不滿足條件證明為區(qū)外故障,則保護(hù)返回,等待下一次保護(hù)啟動(dòng)。
本文利用PSCAD仿真平臺(tái)搭建圖1所示的兩端柔直工程模型,其中詳細(xì)參數(shù)與表1相同。在f1和f2處分別設(shè)置了區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障,故障類型包括金屬性接地和經(jīng)電阻接地。線路Line1兩側(cè)分別設(shè)置測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,故障時(shí)間為1.5~2.0 s,保護(hù)采樣頻率為10 kHz。
為驗(yàn)證所提保護(hù)原理的正確性,在區(qū)內(nèi)f1處設(shè)置雙極短路故障,得到雙極線路首端、末端所測電流如圖5所示,其中圖5(a)、(b)分別為正、負(fù)極的電流波形。
圖5 區(qū)內(nèi)雙極故障兩端電流波形Fig.5 Current waveforms of two sides for internal pole-pole fault
對比電流波形可知,發(fā)生區(qū)內(nèi)雙極故障時(shí),故障瞬間正極電流呈增大的趨勢,負(fù)極電流呈減小的趨勢,正、負(fù)極線路兩端電流的變化趨勢均相同。驗(yàn)證了第2.1節(jié)對區(qū)內(nèi)故障時(shí),線路首、末端電流變化趨勢分析的正確性,結(jié)果同表2一致。分別計(jì)算正、負(fù)極線路兩端電流的H值,結(jié)果如圖6所示。
圖6 區(qū)內(nèi)雙極故障仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of internal pole-pole fault
由圖6可知,系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)計(jì)算得到的H值恒為1,表明線路兩端電流滿足反相關(guān)。而故障后0.5 ms內(nèi),區(qū)內(nèi)兩側(cè)保護(hù)計(jì)算得到的H值為0,表明線路兩端電流呈現(xiàn)正相關(guān),滿足區(qū)內(nèi)故障的判別條件,驗(yàn)證了所提保護(hù)方案具有良好的速動(dòng)性。
同理,在區(qū)外f2處設(shè)置雙極短路故障,雙極線路首端、末端所測電流如圖7所示,其中圖7(a)、(b)分別為正、負(fù)極的電流波形。
圖7 區(qū)外雙極故障兩端電流波形Fig.7 Current waveforms of two sides for external pole-pole fault
對比電流波形可知,發(fā)生區(qū)外雙極故障時(shí),故障瞬間正極首端電流增大,而末端電流減小;負(fù)極首端電流減小,而負(fù)極末端電流增大。正、負(fù)極線路兩端電流的變化趨勢均相反。驗(yàn)證了第2.1節(jié)對區(qū)外故障時(shí),線路首、末端電流變化趨勢分析的正確性。為驗(yàn)證故障識(shí)別的正確性,分別計(jì)算正、負(fù)極線路兩端電流的H值,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,系統(tǒng)正常運(yùn)行和發(fā)生區(qū)外故障時(shí),計(jì)算得到的H值恒為1,表明線路兩端電流始終滿足反相關(guān),滿足區(qū)外故障的判別條件,驗(yàn)證了所提保護(hù)方案具有良好的選擇性。
圖8 區(qū)外雙極故障仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of external pole-pole fault
在計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F時(shí),假設(shè)檢驗(yàn)方法對原始電流信號(hào)(采樣值)進(jìn)行了均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算,具有消除波形振蕩(分布式電容影響)的能力,并且該保護(hù)方法充分利用了全電流信息,通過比較變化趨勢識(shí)別故障,較利用電氣量單一特征進(jìn)行故障判定的方案更加可靠。為驗(yàn)證分布式電容對本文所提保護(hù)原理的影響,依托柔性直流工程,將輸電線路分布式電容增大至工程參數(shù)的6倍。區(qū)內(nèi)故障正極電流波形和兩端電流的H值計(jì)算結(jié)果如圖9所示。
圖9 區(qū)內(nèi)雙極故障保護(hù)仿真結(jié)果(分布式電容)Fig.9 Protect simulation results of internal pole-pole fault(distributed capacitor)
由圖9(a)可以看出,線路分布式電容增大后,線路初始暫態(tài)電流發(fā)生較大的波動(dòng)。這是由于受到了分布式電容電流的影響,此時(shí)可能對傳統(tǒng)的差動(dòng)電流保護(hù)正確動(dòng)作造成影響。由圖9(b)的計(jì)算結(jié)果可知,故障后0.5 ms內(nèi),兩側(cè)保護(hù)計(jì)算得到的H值為0,滿足區(qū)內(nèi)故障的判別條件,因此分布式電容不會(huì)對所提保護(hù)原理的正確動(dòng)作造成影響。
為分析過渡電阻對所提保護(hù)原理的影響,本文分別設(shè)置不同過渡電阻、不同故障位置的故障,測試結(jié)果如表3所示。由表3可知,在不同故障位置、不同過渡電阻情況下,保護(hù)均可以正確識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障,因此驗(yàn)證了所提保護(hù)原理具有很強(qiáng)的耐受過渡電阻能力。
表3 不同情景的雙極故障Tab.3 Pole-pole fault in different scenarios
噪聲會(huì)影響暫態(tài)電流波形,使得電流的極性和幅值產(chǎn)生波形,導(dǎo)致傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)、縱聯(lián)方向保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)[18]。為測試所提保護(hù)的抗噪聲干擾性能,設(shè)置區(qū)內(nèi)、外雙極短路故障,在原始電流信號(hào)中加入信噪比為20 dB的白噪聲。結(jié)果如圖10所示。
圖10 雙極故障保護(hù)仿真結(jié)果(含噪聲)Fig.10 Protect simulation results of internal pole-pole fault (noise)
圖10(a)、(b)分別為區(qū)內(nèi)、外故障時(shí),加入噪聲后的正極電流波形,圖10(c)中計(jì)算得到的H值分別滿足區(qū)內(nèi)、外故障識(shí)別的判據(jù),保護(hù)原理可以正確識(shí)別故障,驗(yàn)證了本文所提保護(hù)原理具有很強(qiáng)抗噪聲干擾的能力。
為驗(yàn)證同步誤差的影響,假設(shè)通信同步誤差較大,本文設(shè)置0~0.5 ms的通信同步誤差,測試故障后保護(hù)判據(jù)的可靠性。表4所示仿真結(jié)果表明所提保護(hù)方案可以耐受較大的同步誤差。這主要是由于低頻分量電流故障后的變化趨勢不發(fā)生變化,故同步誤差不影響H的值。因此,所提保護(hù)方案不要求嚴(yán)格的通信同步。
表4 不同同步誤差的雙極故障Tab.4 Pole-pole fault in different synchronization error
本文利用直流輸電線路故障暫態(tài)過程中線路兩側(cè)低頻故障電流變化趨勢的相關(guān)性,提出了一種基于低頻電流F檢驗(yàn)的直流輸電線路保護(hù)新原理。本原理采用F檢驗(yàn)描述線路兩側(cè)低頻故障電流變化趨勢的差異性。所提保護(hù)原理的創(chuàng)新性及特點(diǎn)如下。
1) 針對傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)方案易受分布式電容影響的問題,分析了分布電容電流的頻率特性并利用S變換提取低頻故障分量以減小分布電容的影響;
2) 針對傳統(tǒng)縱聯(lián)保護(hù)方案需要嚴(yán)格通信同步的問題,提出了采用F檢驗(yàn)表達(dá)低頻電流變化趨勢的方法;
3) 對比其他后備保護(hù)原理,所提保護(hù)原理完全不受分布電容電流的影響,且具備強(qiáng)大的耐受故障電阻、噪聲干擾和通信延時(shí)誤差的能力。