基于單端高頻電流量的MMC-MTDC輸電線路保護方案

楊志勇，楊炳元，任永峰，楊 帥，段曉旭

基于單端高頻電流量的MMC-MTDC輸電線路保護方案

楊志勇1，楊炳元1，任永峰1，楊 帥2，段曉旭1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010090)

為克服傳統(tǒng)高壓直流輸電線路保護利用單端電氣量無法可靠區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障的缺陷，提出一種通過廣義S變換提取直流線路故障電流高頻頻帶幅值特征的單端量保護新方法。該方法在配備有混合直流斷路器的直流線路發(fā)生故障時，利用1000～2500 Hz各采樣頻率電流橫差值在區(qū)外明顯小于區(qū)內(nèi)的特征，構(gòu)造了區(qū)內(nèi)、外故障判據(jù)。利用300～1000 Hz的特征頻率在單極接地故障時故障極特征頻率電流幅值比非故障極大，以及兩極短路故障時兩極的特征頻率電流幅值近似相等的特征，構(gòu)造了故障啟動判據(jù)和選極判據(jù)。在RTDS仿真平臺搭建了風光儲聯(lián)合發(fā)電站經(jīng)高壓直流外送的三端柔性直流輸電系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明，所提方法能快速、可靠地識別故障類型和故障范圍。同時，仿真驗證了基于混合直流斷路器的直流故障穿越方案的有效性。

廣義S變換；單端量保護；高頻頻帶；混合直流斷路器；直流故障穿越

0 引言

柔性直流系統(tǒng)具有有功功率和無功功率可解耦控制、諧波特性優(yōu)良及開關(guān)器件損耗小等特點，從而被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、新能源并網(wǎng)及電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[1-3]。隨著新能源發(fā)電量的不斷增長，基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)(Modular Multilevel Converter based Multi-terminal Direct Current, MMC-MTDC)在高電壓和大容量的場合發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，如南澳三端、張北四端和舟山五端柔直系統(tǒng)[4-6]。柔性直流系統(tǒng)由于具有低阻尼特性，直流側(cè)發(fā)生故障后故障發(fā)展極快，故障電流呈陡增態(tài)勢[7-8]，因此對直流保護的速動性和可靠性提出了更嚴格的要求。

目前直流輸電線路主保護多采用行波保護和微分欠壓保護，存在抗過渡電阻能力差、動作速度緩慢、可靠性不高和靈敏性不足等問題[9-11]，不能滿足柔性直流輸電線路對主保護的實際需求，故需研究適用于柔性直流線路快速的、可靠的保護技術(shù)。

近年來，關(guān)于柔性直流輸電線路保護的研究主要包括：文獻[12]對各類行波保護的主要原理和保護性能做了簡要分析，提出行波保護存在波頭檢測依靠經(jīng)驗、采樣頻率過高等問題；文獻[13-14]基于全電流特征的縱聯(lián)保護新方法具有較高的可靠性，但保護動作仍需要兩端電氣量通信，其快速性受到一定的限制；文獻[15-16]為解決直流輸電線路單極故障時傳統(tǒng)電流差動保護所產(chǎn)生的可能誤動、速動性低和靈敏度低等問題，利用線路補償點計算電流構(gòu)造了差動保護改進判據(jù)；文獻[17]利用雙極故障的電流特征，給出了基于Pearson相關(guān)系數(shù)的故障區(qū)間判別方法和故障隔離方案，該保護方案具有較強的抗擾動和耐受過渡電阻的能力；文獻[18]提出一種基于暫態(tài)電流故障分量相關(guān)系數(shù)的混合多端高壓直流輸電線路保護策略，只須測量T接匯流母線3個端口各自的暫態(tài)電流故障分量并計算相關(guān)系數(shù)即可準確識別故障區(qū)間；文獻[19]通過對MMC-HVDC直流線路在不同位置發(fā)生各類故障時線路邊界電流波形的變化特征進行分析，在此基礎(chǔ)上，提出基于邊界電流波形差異度的MMC-HVDC直流線路保護判據(jù)。廣義S變換能精確提取不同頻率成分的時幅特性[20-21]，文獻[22-23]利用高頻突變點確定故障時間，利用兩端突變電流極性區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障。為解決基于兩端電氣量的保護方案的快速性受限問題，文獻[24-25]利用直流輸電線路故障后的暫態(tài)特征，構(gòu)造出能快速識別故障類型和故障位置的判據(jù)，提出無需雙端通信的單端直流保護。文獻[26]基于換流器電容放電特征，提出一種基于單端電氣量的保護方案，但其主保護可能存在檢測失敗的問題。

本文通過RTDS搭建了MMC-MTDC模型，提出了一種基于單端高頻頻帶電流幅值特征保護新方法，并給出直流故障穿越方案。信號處理采用分辨率較高的廣義S變換，并利用其輸出的時頻矩陣，提取特征頻率電流的時模信息，構(gòu)造故障啟動判據(jù)，來判斷故障時刻；提取高頻頻帶中各頻率橫差值的平均值和正負極特征頻率電流的最大值，構(gòu)造區(qū)內(nèi)、外故障判據(jù)和故障選極判據(jù)，來判斷故障類型。最后，通過仿真實驗驗證了所提保護方案的快速性和可靠性，以及直流故障穿越策略的有效性。

1 系統(tǒng)拓撲及故障穿越方案

圖1 風光儲聯(lián)合發(fā)電站經(jīng)柔直送出系統(tǒng)拓撲

圖2 混合直流斷路器拓撲

圖3 故障點設(shè)置簡圖

基于模型拓撲和故障點設(shè)置，直流系統(tǒng)故障穿越協(xié)調(diào)控制策略做以下設(shè)計：對于柔性直流輸電線路故障造成直流電壓跌落的問題，可通過所提保護方法快速、可靠地判別故障類型和故障位置后發(fā)出DCCB開斷指令，在MMC閉鎖前快速隔離直流故障，保證未故障線路快速恢復(fù)正常運行狀態(tài)；而對于可能引起的直流輸電線路過電壓問題，可通過投入卸荷電阻解決。

2 故障高頻分量特征分析

2.1 廣義S變換

在直流輸電線路發(fā)生故障后，將會有大量高頻電流分量從故障點向線路兩端進行傳播，而高壓直流線路保護往往需要借助高頻分量信息構(gòu)成保護判據(jù)，故本文采用具有較好時頻分析能力的廣義S變換分析故障暫態(tài)信號。

廣義S變換離散化表達式為

采樣信號經(jīng)離散形式的廣義S變換得到一個復(fù)矩陣，如式(2)所示。

2.2 邊界特性差異

直流輸電線路兩端安裝平波電抗器對提高電網(wǎng)故障穿越及生存能力具有重要的實踐意義和作用，其不僅能限制系統(tǒng)故障電流，而且對故障暫態(tài)高頻分量具有阻滯作用。因此，平波電抗器作為電網(wǎng)保護的邊界元件，能區(qū)別線路保護區(qū)內(nèi)、外故障，為保護的選擇性提供了保障。區(qū)外故障時，相對于區(qū)內(nèi)故障，會出現(xiàn)一個高頻阻滯邊界，高頻暫態(tài)分量經(jīng)高頻邊界大幅減小，通過設(shè)置匯流母線和L2線路發(fā)生兩極短路故障，給出了如圖4所示的區(qū)內(nèi)、外故障等效電路。因此，可根據(jù)上述區(qū)內(nèi)、外高頻分量幅值特性差異，來實現(xiàn)保護的選擇性。

圖4 區(qū)內(nèi)、外故障高頻邊界特性圖

2.3 線路對高頻信號的衰減作用

圖5 MMC簡化等值電路

根據(jù)其等值電路，當L2線路保護區(qū)內(nèi)發(fā)生兩極短路故障時，GSMMC1直流側(cè)的高頻等值阻抗可表示為

由式(3)可知，當故障點距離保護安裝處越遠或過渡電阻越大時，高頻等值阻抗越大，保護安裝處的高頻電流分量越??；當線路足夠長時，距離線路首端的距離越遠，相應(yīng)的電流幅值越小，線路對高頻分量的衰減作用將大于邊界的衰減。

3 保護基本原理

3.1 特征頻率的選擇

以正負極特征頻率電流構(gòu)造故障啟動判據(jù)，判據(jù)為

3.2 故障位置判別

由于平波電抗器具有阻滯高頻暫態(tài)分量的作用，當直流線路區(qū)內(nèi)故障時，高頻電流分量橫差值大于直流側(cè)區(qū)外故障及匯流母線故障時的橫差值。本文利用1000～2500 Hz頻帶中各頻率下電流橫差值的平均值，實現(xiàn)區(qū)內(nèi)、外故障的可靠區(qū)分，保護動作判據(jù)為

3.3 故障選極

通過大量實驗，構(gòu)造故障選極判據(jù)為

此判據(jù)門檻值的選擇要求能夠區(qū)分直流線路末端故障與匯流母線的區(qū)外故障即可。

表1 MMC-MTDC系統(tǒng)部分參數(shù)

4 仿真驗證

圖6 保護算法流程圖

4.1 故障仿真結(jié)果

由于故障設(shè)置和保護安裝位置較多，本節(jié)仿真驗證部分均為逆變站側(cè)保護安裝處部分故障判斷信息，首先給出幾種表現(xiàn)保護性能的故障仿真結(jié)果圖，其他故障仿真結(jié)果以表的形式給出。

4.1.1 L2線路末端故障仿真結(jié)果

表2 線路末端正極經(jīng)過渡電阻接地故障仿真結(jié)果

4.1.2近端故障仿真結(jié)果

圖9 直流匯集母線正極接地故障判別

圖10 直流匯集母線兩極短路故障判別

結(jié)果表明：當臨近點發(fā)生區(qū)外故障時，即使是兩極短路故障，保護算法也能可靠識別出區(qū)外故障，不會引起保護誤動。

4.1.3故障仿真結(jié)果分析

表3 區(qū)內(nèi)、外故障位置判別仿真結(jié)果

表4 故障判別仿真結(jié)果

4.2 風光儲聯(lián)合發(fā)電站輸出容量對保護的影響

風光儲聯(lián)合發(fā)電實現(xiàn)了可再生能源的可控制、可調(diào)度，有效避免了棄光、棄風，提高了風、光資源的利用率。但可再生能源輸出電能仍受季節(jié)、天氣等因素的影響，存在變化幅度較大的情況，并可能影響所提保護方案整定值的準確性，需結(jié)合新能源跨區(qū)直流輸送特性進行考慮。某風光儲聯(lián)合發(fā)電站經(jīng)高壓直流外送的功率特性曲線，如圖11所示(功率值已按NEMMC額定容量進行歸一化處理)。

圖11 風光儲聯(lián)合發(fā)電站高壓直流外送功率特性曲線

4.3 直流系統(tǒng)故障穿越仿真結(jié)果

圖13 兩極短路直流系統(tǒng)故障特征

5 結(jié)論

本文利用廣義S變換對保護安裝處電流信號進行時頻分析，通過對本模型直流故障高頻頻帶特征的梳理，利用平波電抗器的作用，提出了一種基于單端高頻電流幅值的保護新方法，并得到以下結(jié)論。

1) 當直流系統(tǒng)正常運行時，MMC-MTDC直流系統(tǒng)波形質(zhì)量高，諧波特性優(yōu)良。而當直流系統(tǒng)發(fā)生故障時，會產(chǎn)生明顯的300～2500 Hz的高頻頻帶，其中特征頻率一般處于300～1000 Hz和1000～2500 Hz范圍內(nèi)電流幅值相對較小。

2) 所提保護為單端信息量保護，利用了平波電抗器阻滯高頻分量的作用、1000～2500 Hz的電流分量橫差值和300～1000 Hz的正負極特征頻率電流分量，實現(xiàn)了直流線路全線的保護，克服了傳統(tǒng)保護利用單端電氣量無法可靠區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障的缺陷，且不需考慮雙端通信和信息同步帶來的問題。

3) 仿真驗證表明，該保護方案能快速、可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，實現(xiàn)故障選極；直流故障穿越方案可以在MMC閉鎖前隔離直流故障，對未故障線路無較大影響。本文所研究內(nèi)容對MMC-MTDC系統(tǒng)主保護的研究具有一定的參考意義。

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Transmission line protection scheme of MMC-MTDC based on single terminal high frequency current

YANG Zhiyong1, YANG Bingyuan1, REN Yongfeng1, YANG Shuai2, DUAN Xiaoxu1

(1. School of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;2. Inner Mongolia Electric Power Economic Research Institute, Hohhot 010090, China)

A new single terminal protection that extracts the amplitude characteristics of the high frequency band of the DC line fault current through a generalized S-transform is presented to overcome the defect of traditional HVDC transmission line protection. That problem is where the single terminal relaying cannot differentiate between internal and external faults. The research shows that when the DC line equipped with a hybrid DC circuit breaker fails, the transverse current difference of sampling frequency from 1000 Hz to 2500 Hz is obviously smaller when the external fault occurs than when the internal fault occurs. Fault criteria are established. The current amplitude of the characteristic frequency of the fault pole is greater than that of the non-fault in the case of single pole-to-ground fault. The current amplitude of the characteristic frequency of the two poles is approximately equal when a two poles short circuit occurs. The fault starting and pole selection criteria are built using a characteristic frequency from 300 Hz to 1000 Hz. On the RTDS simulation platform, a three terminal flexible HVDC system model of wind-solar-storage hybrid power generation station transmitted through HVDC is built. The simulation results show that the fault type and area can be identified rapidly and reliably. The effectiveness of the proposed DC fault ride-through scheme based on a hybrid DC circuit breaker is verified using an RTDS simulation experiment.

generalized S-transform; single ended protection; high frequency band; hybrid DC circuit breaker; DC fault ride through

10.19783/j.cnki.pspc.211155

國家自然科學基金項目資助(51967016，51567020)

This work supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51967016 and No. 51567020).

2021-08-24；

2021-11-11

楊志勇(1995—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)高壓直流輸電、繼電保護；E-mail: 990445769@qq.com

楊炳元(1967—)，男，通信作者，教授，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃運行分析，繼電保護；E-mail: yangbingyuan@ imut.edu.cn

任永峰(1971—)，男，博士，教授，研究方向為新能源發(fā)電運行與控制、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: renyongfeng@vip.sina.com

(編輯 姜新麗)