基于雙電壓互感器的DPFC 線路距離保護(hù)新方法

曹建偉，黃志華，張新雨，劉 瑩，張 磊，李 斌

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，湖州 313000；2.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072）

電網(wǎng)互聯(lián)致使我國電網(wǎng)運(yùn)行特性日趨復(fù)雜，新能源發(fā)電的快速發(fā)展大大增加了潮流的控制難度，線路中功率阻塞和雙向潮流的問題日益突顯。由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS（flexible alternative current transmission system）被提出，其通過在電網(wǎng)中加入電力電子器件來改變電路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，提高交流系統(tǒng)的傳輸能力，增強(qiáng)穩(wěn)定性[1-3]。統(tǒng)一潮流控制器UPFC（unified power flow controller）是當(dāng)下功能最強(qiáng)大的潮流控制器。為了更加靈活快速地控制系統(tǒng)潮流，分布式潮流控制器DPFC（distributed power flow controller）因具有可分布式安裝、成本低等優(yōu)點(diǎn)在2007年由荷蘭的Yuan 等[4]提出，其去除了UPFC 中用以交換有功功率的并串聯(lián)側(cè)換流器之間的公共直流電容。目前，國內(nèi)外針對(duì)DPFC 接入電網(wǎng)的研究的主要方向?yàn)镈PFC接入系統(tǒng)的潮流計(jì)算模型[5-6]、DPFC最優(yōu)安裝地點(diǎn)和最佳容量[7-9]及DPFC 的控制策略[10-11]，然而針對(duì)DPFC接入對(duì)輸電線路對(duì)繼電保護(hù)的影響及相應(yīng)改進(jìn)方案的研究較少。

DPFC串聯(lián)側(cè)模塊接入影響了輸電線路阻抗分布的連續(xù)性，文獻(xiàn)[12]基于線路R-L串聯(lián)模型，引入誤差權(quán)重矩陣，增強(qiáng)了計(jì)算串補(bǔ)線路阻抗的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[13]基于小波包熵的改進(jìn)，對(duì)靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器所在線路保護(hù)的暫態(tài)電流進(jìn)行分析，提出一種識(shí)別故障位置的方法并對(duì)距離保護(hù)的測(cè)量值調(diào)整。DPFC 接入輸電線路后與UPFC 接入線路后一致，均可改變線路參數(shù)，對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[14-16]指出UPFC 接入會(huì)改變測(cè)量阻抗，與故障位置、短路類型等因素有關(guān)，進(jìn)而影響距離保護(hù)的正確動(dòng)作。文獻(xiàn)[17]分析了UPFC 接入后對(duì)工頻變化量方向保護(hù)的影響，由于故障后UPFC 被快速隔離，在發(fā)生反向故障時(shí)會(huì)引起距離保護(hù)誤動(dòng)。針對(duì)這些影響，許多文獻(xiàn)已經(jīng)給出了解決方法，例如改變控制方式、利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)等。文獻(xiàn)[18]提出將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在故障期間，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法產(chǎn)生故障下的跳閘邊界，從而減小UPFC 接入的影響。文獻(xiàn)[19]中研究一種新的距離保護(hù)方法，新型距離保護(hù)I 段故障點(diǎn)到保護(hù)安裝位置的距離可利用R-L微分方程算法得到，與常規(guī)距離保護(hù)Ⅱ段、Ⅲ段配合以確使保護(hù)動(dòng)作的正確性，利用保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)距離的計(jì)算結(jié)果及結(jié)果的波動(dòng)大小對(duì)區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障進(jìn)行有效區(qū)分。文獻(xiàn)[20]提出了基于模糊邏輯的正序故障分量方向元件，對(duì)傳統(tǒng)方向元件的動(dòng)作區(qū)域進(jìn)行劃分，根據(jù)方向元件正序故障分量阻抗相角的落入?yún)^(qū)域，計(jì)算對(duì)應(yīng)隸屬度和權(quán)重，利用綜合隸屬度來實(shí)現(xiàn)故障方向的判別。

本文首先對(duì)DPFC接入輸電線路后對(duì)工頻變化量方向保護(hù)及測(cè)量阻抗的影響進(jìn)行分析，得到方向判別不準(zhǔn)確和測(cè)量阻抗計(jì)算不準(zhǔn)確的原因。為此，增加1 個(gè)電壓互感器，利用測(cè)得的DPFC 線路側(cè)電壓、母線側(cè)電壓及線路電流，綜合來進(jìn)行故障方向判別及區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別。本文提出利用母線側(cè)電壓與線路電流計(jì)算工頻變化量阻抗來進(jìn)行故障方向判別，利用線路側(cè)電壓與線路電流計(jì)算測(cè)量阻抗進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別，有效解決了單一電壓互感器無法兼顧故障方向判別及區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別的問題。

1 DPFC 的基本原理

DPFC由并聯(lián)側(cè)換流器、多個(gè)串聯(lián)換流器及輸電線路組成。線路兩端需要采用星角接線變壓器。圖1 給出了DPFC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中三相換流器VSC1和單相換流器VSC2組成了并聯(lián)側(cè)的換流器，通過公共直流電容器連接。VSC1經(jīng)由變壓器連接到電網(wǎng)的交流側(cè)，吸收有功功率，保持公共直流電容的電壓值。VSC2一端連接到線路首端變壓器的星側(cè)中性點(diǎn)，逆變產(chǎn)生3次諧波電流經(jīng)中性點(diǎn)流入輸電線路。3次諧波電流被連接到線路末端變壓器的角側(cè)阻斷，并流過末端變壓器的星側(cè)中性點(diǎn)連接到大地，從而形成回路，不會(huì)流入外部系統(tǒng)。這確保了并聯(lián)側(cè)與串聯(lián)側(cè)換流器之間能量交換的穩(wěn)定性。

DPFC串聯(lián)側(cè)換流器由多個(gè)單相換流器串聯(lián)組成，可在輸電線路上分布懸掛。為獲得有功支持，換流器吸收輸電線路上的3次諧波功率，根據(jù)電網(wǎng)要求，產(chǎn)生基頻電壓來對(duì)線路潮流進(jìn)行調(diào)節(jié)。串聯(lián)側(cè)換流器利用分布式靜止串聯(lián)補(bǔ)償器DSSC（distributed static series compensator）的特點(diǎn)，由多個(gè)分布式的單相換流器構(gòu)成，配置靈活，可靠性較高。DPFC 串聯(lián)側(cè)換流器可以從線路中的3次諧波電流獲取能量，確保串聯(lián)模塊直流電容電壓穩(wěn)定，并且生成幅值和相位可變化的基頻交流電壓，從而調(diào)節(jié)線路潮流。

設(shè)為線路某點(diǎn)處的母線電壓，為DPFC串聯(lián)側(cè)換流器輸出到線路中的電壓。基于DPFC串聯(lián)側(cè)電壓幅值相角的不同情形，DPFC 主要具備電壓調(diào)節(jié)、相角調(diào)節(jié)、阻抗補(bǔ)償、綜合調(diào)節(jié)4 種功能，進(jìn)而可以改變線路電壓的幅值、相角及線路的潮流，調(diào)節(jié)功能如圖2所示。

圖2 DPFC 的調(diào)節(jié)功能Fig.2 Adjustment function of DPFC

當(dāng)DPFC 正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中包含基頻與3 次諧波2個(gè)頻率的分量，可將其等效為可控電壓源[4]，并聯(lián)側(cè)與串聯(lián)側(cè)都有兩種頻率的電壓源，代表基頻與3次諧波，其等效電路如圖3所示。

圖3 DPFC 接入輸電線路的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of transmission line connected with DPFC

串聯(lián)側(cè)換流器是多個(gè)換流器串聯(lián)，因此可以用1個(gè)同頻率的串聯(lián)側(cè)可控電壓源來代替同一頻率的

多組等效電壓源。線路首末兩端電壓分別為和，并聯(lián)側(cè)換流器等效的基頻和3次諧波電壓源分別為，并聯(lián)側(cè)變壓器等效電抗為Xsh，串聯(lián)側(cè)換流器等效的基頻和3 次諧波電壓源分別為，X為線路電抗。

不同諧波頻率下產(chǎn)生的有功功率相互獨(dú)立[21]，因此基頻與3 次諧波的有功功率彼此獨(dú)立。將等效電路分為工頻分量網(wǎng)絡(luò)與3次諧波分量網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立。3次諧波分量網(wǎng)絡(luò)主要為串聯(lián)側(cè)換流器提供有功功率，而調(diào)節(jié)線路潮流是在工頻分量網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行。在基于工頻量的交流線路保護(hù)中，通過傅里葉濾波得到工頻分量，3 次諧波對(duì)于工頻交流保護(hù)測(cè)量的電氣信息沒有影響，因此考慮對(duì)線路保護(hù)的影響時(shí)將3 次諧波回路省略，只考慮DPFC串聯(lián)側(cè)基頻換流器的調(diào)節(jié)作用。

圖4 給出了DPFC 接入的工頻等效電路，其中ZT為DPFC 串聯(lián)側(cè)單匝變壓器的等效漏抗，為串聯(lián)側(cè)輸出電壓，分別為送端、受端系統(tǒng)等值電勢(shì)，ZM、ZN分別為系統(tǒng)等值阻抗，為并聯(lián)支路電流，為線路電流，ZL為線路阻抗。

圖4 DPFC 接入的工頻等效電路Fig.4 Power-frequency equivalent circuit with DPFC integration

2 DPFC 接入線路的故障分析

2.1 傳統(tǒng)工頻變化量方向保護(hù)元件

工頻變化量方向保護(hù)元件利用電壓故障分量與電流故障分量中的工頻分量，計(jì)算得到工頻變化量阻抗，運(yùn)用其相角對(duì)故障方向進(jìn)行判別。

圖5 簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)的故障附加網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Fault additional network of simplified power system

當(dāng)線路發(fā)生正方向故障時(shí)，即圖5 中f1點(diǎn)處故障時(shí)，其工頻變化量阻抗ΔZ可計(jì)算得到，即

從式（1）可以看出，正向故障時(shí)保護(hù)安裝處的工頻變化量阻抗為M側(cè)系統(tǒng)阻抗的相反數(shù)。

當(dāng)線路發(fā)生反向故障時(shí)，即圖5中f2點(diǎn)處故障時(shí)，其工頻變化量阻抗ΔZ可計(jì)算得到，即

從式（2）可以看出，反向故障時(shí)保護(hù)安裝處的工頻變化量阻抗為線路阻抗ZL與N側(cè)系統(tǒng)阻抗ZN之和。

假設(shè)系統(tǒng)阻抗與線路阻抗的阻抗角相等且均為φ，則正方向故障時(shí)保護(hù)處的工頻變化量阻抗相角為φ+180°，反方向故障時(shí)保護(hù)處的工頻變化量阻抗相角為φ。因此，可以得到正、反方向故障判據(jù)如下。

式中，φsen為最大靈敏角，當(dāng)φsen=φ時(shí)，繼電器動(dòng)作最靈敏。

2.2 DPFC 接入對(duì)工頻變化量方向保護(hù)的影響

由于DPFC的接入改變了輸電線路的阻抗分布，距離保護(hù)處的測(cè)量阻抗也會(huì)受到影響。線路故障后，DPFC本體保護(hù)動(dòng)作，使得DPFC串聯(lián)側(cè)模塊被旁路，此時(shí)DPFC串聯(lián)側(cè)模塊對(duì)線路保護(hù)不產(chǎn)生影響。但是，若DPFC 本體保護(hù)未動(dòng)作，即DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊仍串聯(lián)在線路中，則可能對(duì)線路保護(hù)產(chǎn)生影響。

如圖5 中的簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)所示，其中各元件的阻抗角基本相等，因此利用工頻變化量阻抗的相角可以正確判別故障方向。但是，DPFC 等電力電子裝置接入線路后，由于其串聯(lián)側(cè)與并聯(lián)側(cè)支路的阻抗形式無法具體確定，因此不能直接得到工頻變化量阻抗。利用工頻變化量的提取算法，可計(jì)算得到保護(hù)安裝處的工頻變化量阻抗為

DPFC串聯(lián)側(cè)換流器模塊接入對(duì)線路保護(hù)的影響程度與電壓互感器的安裝位置也有關(guān)，通過選取合適的安裝位置來減小DPFC接入的影響。這里選取兩個(gè)位置分別配置電壓互感器，在DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊接入處，即在母線側(cè)配置電壓互感器TV1（圖4中位置1）；在DPFC串聯(lián)側(cè)模塊出口處，即在線路側(cè)配置電壓互感器TV2（圖4中位置2）。針對(duì)這兩個(gè)位置分別討論DPFC接入線路后對(duì)線路保護(hù)的影響。

2.2.1 電壓互感器安裝在位置1

對(duì)于位置1 處（即DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊接入處），分析發(fā)生正向故障和反向故障時(shí)DPFC接入對(duì)工頻變化量方向保護(hù)的影響，為位置1處的電壓。

1）正向故障

對(duì)于位置1所在線路發(fā)生正向故障時(shí)，故障位置如圖4點(diǎn)f1所示。設(shè)分別為正向故障后DPFC串聯(lián)側(cè)模塊等效輸出電壓與DPFC 并聯(lián)支路電流，分別為正向故障后位置1處的電壓與線路電流。

正常運(yùn)行時(shí)可得

發(fā)生正向故障時(shí)可得

由式（8）可得，位置1處的工頻變化量阻抗為

在故障發(fā)生后，由于并聯(lián)側(cè)換流器仍以靜止同步補(bǔ)償器方式運(yùn)行，不提供短路電流，因此DPFC并聯(lián)支路電流變化量幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于故障電流變化量幅值，則式（9）可近似為

因此，在正向故障時(shí)，位置1 處的工頻變化量阻抗近似為M側(cè)系統(tǒng)阻抗的相反數(shù)，可正確識(shí)別正方向故障。

2）反向故障

對(duì)于位置1 所在線路發(fā)生反向故障時(shí)，故障位置如圖4 點(diǎn)f2所示。設(shè)為反向故障后DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊等效輸出電壓，分別為反向故障后位置1處的電壓與線路電流。

式中：ZΣ=ZN+ZL+ZT；Zse為DPFC串聯(lián)側(cè)模塊對(duì)工頻變化量阻抗產(chǎn)生的影響。由式（14）可知，反向故障時(shí)工頻變化量阻抗受DPFC串聯(lián)側(cè)模塊等效阻抗的影響，當(dāng)Zse為容性且|Zse|＞ |ZΣ|時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致其故障方向判別不正確。

綜上所述，位置1 處安裝電壓互感器可正確判別正向故障，對(duì)于反向故障判別有一定的不確定性。

2.2.2 電壓互感器安裝在位置2

對(duì)于位置2（即DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊出口處），分析發(fā)生正向故障和反向故障時(shí)DPFC接入對(duì)工頻變化量方向保護(hù)的影響，為位置2處的電壓。

1）正向故障

對(duì)于位置2所在線路發(fā)生正向故障時(shí)，故障位置如圖4點(diǎn)f1所示。設(shè)為正向故障后位置2處的電壓。與電壓互感器安裝在位置1的推導(dǎo)過程類似。

正常運(yùn)行時(shí)可得

發(fā)生正向故障時(shí)可得

利用工頻變化量的定義，式（16）減式（15）可得

由式（18）可以看出，當(dāng)DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊等效阻抗呈容性且|Zse|＞|ZM+ZT|時(shí)，工頻變化量阻抗會(huì)呈現(xiàn)感性，使得方向判別錯(cuò)誤。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)阻抗ZM的感性阻抗大小并不確定，而ZT的感性阻抗不是很大。因此，線路在發(fā)生正向故障時(shí)，位置2處可能會(huì)判斷不正確。

2）反向故障

對(duì)于位置2所在線路發(fā)生反向故障時(shí)，故障位置如圖4點(diǎn)f2所示。設(shè)為反向故障后DPFC串聯(lián)側(cè)模塊等效輸出電壓，為反向故障后位置2處的電壓。

由式（21）可得，位置2處的工頻變化量阻抗為

由式（22）可知，在反向故障時(shí)，位置2 處的工頻變化量阻抗為線路阻抗與N側(cè)系統(tǒng)阻抗之和，可正確識(shí)別反方向故障。

綜上所述，位置2 處安裝電壓互感器可以正確判別反方向故障，而對(duì)于正方向故障判斷不準(zhǔn)確。

2.3 DPFC 接入對(duì)距離保護(hù)的影響

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，若DPFC本體保護(hù)未動(dòng)作，則DPFC串聯(lián)側(cè)模塊仍然串聯(lián)在線路中，由于DPFC串聯(lián)側(cè)模塊的等效阻抗可能呈感性或容性，從而使得測(cè)量阻抗的大小發(fā)生變化，進(jìn)而引起距離保護(hù)的拒動(dòng)或誤動(dòng)。設(shè)l為故障點(diǎn)至保護(hù)安裝點(diǎn)之間的距離，Z1為單位長(zhǎng)度線路的正序阻抗。

對(duì)于位置1（即DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊接入處），分析DPFC接入線路對(duì)距離保護(hù)的影響。線路發(fā)生正向故障時(shí)，故障位置如圖4點(diǎn)f1所示，以三相短路故障為例，位置1測(cè)得的阻抗為

由以上推導(dǎo)可知，由于DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊接入后產(chǎn)生的等效阻抗影響了輸電線路的參數(shù)，位置1處的測(cè)量阻抗產(chǎn)生1個(gè)增量誤差，誤差大小會(huì)受串聯(lián)側(cè)變壓器漏抗與串聯(lián)側(cè)換流器輸出電壓的影響，因此可能引起距離保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。

對(duì)于位置2（即DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊出口處），分析DPFC接入線路對(duì)距離保護(hù)的影響。線路發(fā)生正向故障時(shí)，故障位置如圖4點(diǎn)f1所示，以三相短路故障為例，位置2測(cè)得的阻抗為

由以上推導(dǎo)可知，位置2 處測(cè)得的距離阻抗與傳統(tǒng)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗沒有區(qū)別，DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊對(duì)測(cè)量阻抗沒有影響。

綜上所述，若電壓互感器安裝在DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊接入處，則DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊會(huì)影響距離保護(hù)動(dòng)作的正確性；若電壓互感器安裝在DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊出口處，則線路發(fā)生正向故障時(shí)故障回路不包含DPFC串聯(lián)側(cè)模塊，即不影響距離保護(hù)動(dòng)作。

3 含DPFC 線路的保護(hù)判別新方法

針對(duì)第2 節(jié)分析的問題，由工頻變化量方向元件可知，位置1 處可正確判別正向故障，對(duì)于反向故障判斷有一定的不確定性。由于故障回路中包括DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊，會(huì)改變?cè)械戎底杩?，位?處計(jì)算得到的測(cè)量阻抗受DPFC串聯(lián)側(cè)模塊等效阻抗的影響。位置2可以正確判別反方向故障，由于系統(tǒng)阻抗大小不確定，因而對(duì)于正方向故障判斷可能不準(zhǔn)確，但正方向故障時(shí)故障回路中不包括DPFC串聯(lián)側(cè)模塊，對(duì)測(cè)量阻抗可以計(jì)算準(zhǔn)確。

單一電壓互感器無法兼顧故障方向判斷正確與測(cè)量阻抗計(jì)算準(zhǔn)確，因此需要同時(shí)利用位置1 和位置2 兩處的電氣量來進(jìn)行保護(hù)的判斷。本文增加1 個(gè)電壓互感器，在DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊接入處配置的母線側(cè)電壓互感器TV1（即圖4位置1），DPFC串聯(lián)側(cè)模塊出口處配置電壓互感器TV2（即圖4位置2），并配置線路電流互感器TA，共同組成保護(hù)元件。

通過對(duì)位置1 分析可知，利用工頻變化量阻抗可正確判別正向故障，但對(duì)于反向故障判斷有一定的不確定性。由式（14）可知，當(dāng)DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊等效阻抗呈容性且其幅值大于線路阻抗與系統(tǒng)阻抗之和的幅值時(shí)，方向元件會(huì)誤判為正向故障。然而，輸電線路呈感性阻抗，DPFC接入會(huì)改變輸電線路等效阻抗，但不會(huì)顛覆性地將線路由感性調(diào)整為容性。參考南京220 kV 西環(huán)網(wǎng)統(tǒng)一潮流控制器工程，對(duì)于220 kV電壓等級(jí)的輸電線路，UPFC串聯(lián)側(cè)換流器輸出電壓最大可達(dá)20 kV 左右。DPFC 與UPFC具有相同的調(diào)節(jié)功能，從UPFC類比來看，DPFC 串聯(lián)側(cè)換流器輸出電壓最大可達(dá)20 kV 左右。在這種情況下，式（14）中由于DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊的接入而引起的阻抗增量Zse，雖其阻抗值可能呈容性，但由于線路阻抗值已知且很大，則|Zse|＜ |ZL|。系統(tǒng)阻抗值ZN雖是未知量，但其呈感性，因此|Zse|＜|ZL+ZN|，即Zse并未改變工頻變化量阻抗的感性性質(zhì)，因此位置1處可正確判別反向故障。利用位置1 進(jìn)行故障方向的判別，不依賴于系統(tǒng)阻抗，只需考慮與線路阻抗的關(guān)系。

綜合利用TV1與TV2兩處位置的信息，在進(jìn)行方向判別時(shí)，利用TV1與TA 計(jì)算工頻變化量阻抗，通過對(duì)其阻抗角的判別來識(shí)別正反向故障。若識(shí)別為反向故障，則此時(shí)保護(hù)裝置不需要計(jì)算測(cè)量阻抗，距離保護(hù)不需要?jiǎng)幼?。若識(shí)別為正向故障，則利用TV2與TA 進(jìn)行測(cè)量阻抗的計(jì)算，此時(shí)計(jì)算值與傳統(tǒng)距離保護(hù)的測(cè)量阻抗相同，區(qū)內(nèi)外故障的判別方法與傳統(tǒng)距離保護(hù)判據(jù)相同。保護(hù)流程如圖6所示。

圖6 保護(hù)流程Fig.6 Flow chart of protection

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真模型

在基于工頻量的交流線路保護(hù)中，通過傅里葉濾波可以得到工頻分量，3 次諧波對(duì)于工頻交流保護(hù)測(cè)量的電氣信息沒有影響，因此在簡(jiǎn)化建模中將3 次諧波回路省略，只考慮DPFC 串聯(lián)側(cè)換流器模塊的調(diào)節(jié)作用。在PSCAD/EMTDC 軟件中搭建DPFC 仿真模型，并聯(lián)側(cè)三相換流器采用三相MMC 換流器，串聯(lián)側(cè)將換流器等效為基頻可控電壓源與漏抗串聯(lián)的形式，電壓源的幅值和相角決定了調(diào)節(jié)功率的效果，漏抗為串聯(lián)側(cè)單匝變壓器等效漏抗。其簡(jiǎn)化等效電路如圖4所示。送端、受端系統(tǒng)等值電勢(shì)分別為230 kV∠0°、230 kV∠-25°，系統(tǒng)阻抗ZM與ZN分別為1.15+j16.45 Ω、0.34+j6.45 Ω，等值阻抗角均為87°。并聯(lián)側(cè)變壓器變比為220 kV/20 kV，容量為60 MV·A，單匝變壓器的等效漏抗ZT為1 Ω。線路參數(shù)為0.012 1+j0.244 5 Ω/km。

根據(jù)仿真模型參數(shù)可確定線路阻抗角為87°，則正向、反向故障判據(jù)分別為

4.2 正方向故障

在基于工頻量的交流線路保護(hù)中，根據(jù)圖6 所示的保護(hù)流程，可先利用位置1處電壓互感器來計(jì)算工頻變化量阻抗，從而進(jìn)行故障方向判別。若方向判別為正向故障，則再利用位置2處的電壓互感器來進(jìn)行測(cè)量阻抗的計(jì)算，從而進(jìn)行區(qū)內(nèi)和區(qū)外的故障識(shí)別。假設(shè)線路發(fā)生正向故障，則在不同故障類型下位置1處的工頻變化量阻抗及其相角、位置2 處的測(cè)量阻抗、故障方向與區(qū)內(nèi)外故障判別如表1 所示。其中仿真模型中線路總長(zhǎng)度為200 km，設(shè)距離Ⅰ段保護(hù)線路全長(zhǎng)的80%，則距離Ⅰ段整定阻抗值為1.94+j39.12 Ω。

由表1 中數(shù)據(jù)可知，線路發(fā)生正向故障時(shí)，位置1 處工頻變化量阻抗約為M 側(cè)系統(tǒng)阻抗值的相反數(shù)，其相角均位于-190°～-10°之間，滿足正方向動(dòng)作判據(jù)，即位置1處可正確判別方向。然后再利用位置2處電壓互感器進(jìn)行測(cè)量阻抗的計(jì)算，由表1中數(shù)據(jù)可知，在各類型故障情況下，都可以正確計(jì)算得到測(cè)量阻抗，即DPFC 串聯(lián)側(cè)換流器的等效阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響，可正確判別區(qū)內(nèi)外故障，距離保護(hù)不會(huì)拒動(dòng)或誤動(dòng)。

表1 正向故障時(shí)的仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results under forward faults

4.3 反方向故障

假設(shè)線路發(fā)生反向故障，此時(shí)只需利用位置1判別出反方向故障，不需要再進(jìn)行測(cè)量阻抗的計(jì)算。表2～表4 為線路總長(zhǎng)度L分別為200 km、100 km、50 km時(shí)線路發(fā)生反向故障的仿真結(jié)果。

表2 反向故障時(shí)的仿真結(jié)果（L=200 km）Tab.2 Simulation results under reverse faults（L=200 km）

表3 反向故障時(shí)的仿真結(jié)果（L=100 km）Tab.3 Simulation results under reverse faults（L=100 km）

通過仿真驗(yàn)證可知，位置1處利用工頻變化量阻抗相角可以正確判別故障方向。若判別故障方向?yàn)檎?，則再利用位置2即可正確計(jì)算測(cè)量阻抗。

5 結(jié)論

本文針對(duì)DPFC 接入輸電線路后，單一電壓互感器無法兼顧故障方向判別及區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別的問題，提出了增加1個(gè)電壓互感器并基于線路側(cè)及母線側(cè)兩處位置的電氣量進(jìn)行保護(hù)判別的方法。主要結(jié)論如下。

（1）在DPFC串聯(lián)側(cè)模塊接入處，即在母線側(cè)配置電壓互感器，利用工頻變化量方向元件可知，此位置可正確判別故障方向，但計(jì)算得到的測(cè)量阻抗受DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊等效阻抗的影響。在DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊出口處，即在線路側(cè)配置電壓互感器，此位置可以正確判別反方向故障，但由于系統(tǒng)阻抗大小不確定，使其對(duì)于正方向故障判斷不準(zhǔn)確。正方向故障時(shí)故障回路中不包括DPFC 串聯(lián)側(cè)模塊，對(duì)測(cè)量阻抗可以計(jì)算準(zhǔn)確。

（2）在原有單一電壓互感器與線路電流互感器的基礎(chǔ)上增加1 個(gè)電壓互感器，利用測(cè)得的DPFC線路側(cè)電壓、母線側(cè)電壓及線路電流，通過母線側(cè)電壓與線路電流計(jì)算工頻變化量阻抗來進(jìn)行故障方向判別，通過線路側(cè)電壓與線路電流計(jì)算測(cè)量阻抗進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別，從而達(dá)到準(zhǔn)確判別故障方向及區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別的目的。