MMC-HVDC 換流站交流側(cè)聯(lián)絡(luò)線高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)

梁營(yíng)玉，王亞琴，任 昳，梅紅明

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市 100083；2. 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市 100085）

0 引言

近年來，基于模塊化多電平換流器（MMC）的高壓直流（MMC-HVDC）輸電發(fā)展迅速，輸送容量和電壓等級(jí)不斷攀升。以中國(guó)龍門換流站為例，其額定功率高達(dá)5 000 MW，直流電壓為±800 kV［1］。MMC-HVDC 在海上風(fēng)電并網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)異步互聯(lián)、大規(guī)模新能源孤島送出等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，應(yīng)用前景廣闊［2-4］。

無論是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、過流能力還是可控程度，MMC-HVDC 均與同步發(fā)電機(jī)存在較大差異，導(dǎo)致二者的故障電流特性差別很大。因而，基于同步發(fā)電機(jī)故障特性的傳統(tǒng)繼電保護(hù)在MMC-HVDC 接入后可能出現(xiàn)原理不適應(yīng)的問題，電力系統(tǒng)第一道防線面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著MMC-HVDC 投運(yùn)數(shù)量的不斷增加及容量的不斷提升，其對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)的影響已成為一個(gè)不可忽視的問題。研究MMCHVDC 交流側(cè)線路繼電保護(hù)技術(shù)對(duì)于保障交直流大電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

相比于MMC-HVDC 控制策略［5-6］、高效仿真模型［7］、柔性直流線路保護(hù)［8-9］等方面的研究，MMCHVDC 交流側(cè)線路繼電保護(hù)技術(shù)的研究起步較晚。文獻(xiàn)［10］研究了MMC-HVDC 接入對(duì)電流相位差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能的影響，但未提出解決方案。文獻(xiàn)［11］分析了柔性直流換流站對(duì)接入線路負(fù)序方向元件的影響，指出線路故障后基于負(fù)序方向元件的縱聯(lián)保護(hù)可能誤動(dòng)或拒動(dòng)。文獻(xiàn)［12］提出一種控制保護(hù)協(xié)同配合方案，通過MMC 注入受限幅值和特定相角的負(fù)序電流，確保負(fù)序方向元件正確、靈敏地識(shí)別故障方向。文獻(xiàn)［13-14］研究了各種類型故障下，柔性直流換流站對(duì)測(cè)量阻抗特性的影響，指出柔性直流換流站的接入縮短了線路距離繼電器的保護(hù)范圍，增大了區(qū)內(nèi)故障拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［15］指出，相比于同步電源，MMC-HVDC 的接入惡化了交流聯(lián)絡(luò)線換流站側(cè)距離保護(hù)的性能，而緩解了過渡電阻對(duì)電網(wǎng)側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作性能的負(fù)面影響?？紤]了換流站的特殊故障特征，提出非對(duì)稱短路故障下適應(yīng)MMC-HVDC 接入的距離Ⅰ段保護(hù)方案。文獻(xiàn)［16］提出基于通信的加速距離保護(hù)方案，但不具備故障相識(shí)別能力。文獻(xiàn)［17］揭示了兩種變壓器接線方式下柔性直流對(duì)相電流差選相和電流負(fù)分量選相方法的影響機(jī)理。在深入分析保護(hù)安裝處與故障點(diǎn)處的電壓序分量關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出利用電壓序分量間的幅值和相角關(guān)系實(shí)現(xiàn)故障選相。文獻(xiàn)［18］主要分析了渝鄂直流對(duì)交流線路差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)元件的影響，提出基于電壓減量判據(jù)的啟動(dòng)元件優(yōu)化方法。該文獻(xiàn)只分析了對(duì)啟動(dòng)元件的影響，未分析柔性直流接入后電流差動(dòng)保護(hù)原理的適應(yīng)性。已有MMC-HVDC 接入后差動(dòng)保護(hù)的相關(guān)研究成果較少。

電流差動(dòng)保護(hù)作為220 kV 及以上電壓等級(jí)交流線路的主保護(hù)，其正確動(dòng)作對(duì)于保障電網(wǎng)安全意義重大。本文重點(diǎn)研究MMC-HVDC 換流站在不同運(yùn)行模式下電流差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作性能，提出一種高靈敏度的電流差動(dòng)保護(hù)原理。所提保護(hù)原理能夠克服傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)在MMC-HVDC 接入后存在的低靈敏度甚至拒動(dòng)的問題，為保障交直流耦合電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能分析

為研究MMC-HVDC 換流站對(duì)交流聯(lián)絡(luò)線電流差動(dòng)保護(hù)的影響，將MMC-HVDC 系統(tǒng)接入改進(jìn)的IEEE 39 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型中，如圖1 所示。

圖1 含MMC-HVDC 改進(jìn)IEEE 39 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模型Fig.1 Modified IEEE 39-bus standard test model with MMC-HVDC

1.1 電流差動(dòng)保護(hù)臨界動(dòng)作條件分析

如圖1（b）所 示，I?1和I?2分別為MMC 側(cè)、電網(wǎng)側(cè)的電流，構(gòu)造帶制動(dòng)特性的電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)為［19-20］：式中：Iop為差動(dòng)電流；Ires為制動(dòng)電流；K為制動(dòng)系數(shù)，一般在0.5～0.8 范圍內(nèi)取值，本文取0.8。

線路兩側(cè)電流幅值比λ和相角差δ表示為：

區(qū)內(nèi)故障時(shí)，線路兩側(cè)故障電流相角差越小，越利于保護(hù)動(dòng)作?？紤]線路兩側(cè)電流相位關(guān)系最壞的情況，假設(shè)δ為180°，此時(shí)電流I?1和I?2反 相。根據(jù)式（1）可得：

因此，當(dāng)λ大于（1+K）/（1-K）時(shí)，無論δ如何變化，理論上電流差動(dòng)保護(hù)均可識(shí)別區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)K取0.8 時(shí)，λ=9。

基于式（1）和式（2），可以構(gòu)造如下函數(shù)：

當(dāng)f(λ，δ)＞0 時(shí)，判定為區(qū)內(nèi)故障；當(dāng)f（λ，δ）＜0 時(shí)，判定為區(qū)外故障；當(dāng)f(λ，δ)=0 時(shí)，差動(dòng)保護(hù)處于臨界動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)δ＜90°時(shí)，差動(dòng)保護(hù)必然能夠可靠動(dòng)作；當(dāng)λ＞9 時(shí)，無論線路兩側(cè)電流的相角差如何變化，差動(dòng)保護(hù)必然能夠可靠動(dòng)作。因此，為得到差動(dòng)保護(hù)的臨界動(dòng)作條件，令λ在1～9 之間、δ在90°～180°之 間 變 化，f(λ，δ)與λ、δ的 關(guān) 系 如 圖2所示。

圖2 f(λ,δ)與λ、δ 關(guān)系Fig.2 Relationship among f(λ,δ)，λ and δ

圖2 中，f(λ，δ)對(duì)應(yīng)曲線和0 平面的相交曲線即為臨界動(dòng)作邊界曲線。當(dāng)f(λ，δ)＞0 時(shí)，f(λ，δ)函數(shù)位于圖2 的0 平面上方。隨著λ增加，臨界動(dòng)作邊界曲線上對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)作相角差δ也逐漸增大。由此可見，λ越大，電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)越低。最極端情況下，當(dāng)λ=1 時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界動(dòng)作相角差δ約為103°。因此，當(dāng)δ＜103°時(shí)，無論λ如何變化，理論上電流差動(dòng)保護(hù)均能可靠動(dòng)作。

由以上分析可得傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)臨界動(dòng)作的幅值和相角條件：

幅值條件（條件1）：故障線路兩側(cè)電流幅值比大于（1+K）/（1-K）。

相角條件（條件2）：故障線路兩側(cè)電流相角差小于103°。

當(dāng)任意一個(gè)條件滿足時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)能正確動(dòng)作切除區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)且僅當(dāng)2 個(gè)條件均不滿足時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)才存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。λ越大、δ越小，保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)就越小。

1.2 電流差動(dòng)保護(hù)性能分析

若交流線路兩側(cè)均為同步電源，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，δ一般為銳角，滿足相角條件，差動(dòng)保護(hù)能可靠動(dòng)作。然而，線路一側(cè)連接MMC-HVDC 換流站時(shí)，由于換流站的故障電流相角受故障條件、控制策略等因素的影響變化范圍較大，導(dǎo)致δ在某些情況下為鈍角，不滿足相角條件，差動(dòng)保護(hù)可能拒動(dòng)。

如圖1 所示，當(dāng)過渡電阻較小時(shí)，若故障類型為接地故障，則由于零序電流的存在，δ較小，電流差動(dòng)保護(hù)能可靠動(dòng)作；若故障類型為非接地故障，由于換流站呈弱饋特性，λ較大，電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)很低。因此，下文重點(diǎn)分析過渡電阻較大時(shí)，電流差動(dòng)保護(hù)存在的問題。

以單相接地故障為例，換流站在不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)等效模型如圖3 所示。

圖3 換流站不同運(yùn)行模式下的等效模型Fig.3 Equivalent model of converter station in different operation modes

圖3 中，I?f為 短 路 點(diǎn) 故 障 電 流，Zhvdc為 換 流 站 等效阻抗，ZL為線路阻抗，α為換流站到故障點(diǎn)距離與線路長(zhǎng)度之比。根據(jù)文獻(xiàn)［12］，考慮故障后換流站電力電子變流器的響應(yīng)速度很快，在分析繼電保護(hù)適應(yīng)性時(shí)，可以忽略該暫態(tài)過程。換流站運(yùn)行于整流模式時(shí)，相當(dāng)于消耗有功的負(fù)載，因而Zhvdc的實(shí)部大于0；而逆變模式下，換流站向電網(wǎng)發(fā)出功率，Zhvdc的實(shí)部小于0。電網(wǎng)電壓因短路故障發(fā)生跌落后，換流站一般會(huì)根據(jù)電壓跌落深度注入無功功率而呈現(xiàn)部分電容特性，Zhvdc虛部小于0，有

由圖3 可知，線路1-2 兩側(cè)電流存在如下關(guān)系：

由于過渡電阻較大，電壓跌落較小，因而換流站以傳輸有功功率為主，其輸出的無功功率較小。因此，Zhvdc的實(shí)部Rhvdc一般明顯大于虛部Xhvdc，即有Rhvdc?Xhvdc，以阻性為主。由于換流站呈弱饋特性，Zhvdc的幅值一般遠(yuǎn) 大于αXL，即|Zhvdc|?αXL。因此，Rhvdc?（αXL-Xhvdc）。

根據(jù)上述分析及式（6），給出換流站不同運(yùn)行模式下，由阻抗相量間的相位關(guān)系得到的各電流相量間的相位關(guān)系，見附錄A 圖A1。整流模式下，-Rf與［Rf+Rhvdc+j（αXL-Xhvdc）］的夾角為鈍角，因此I?1和I?2的 夾 角 為 鈍 角；同 理，I?f和I?2在 整流模式下的夾角為銳角。逆變模式下，Rf與［Rf-Rhvdc+j（αXL-Xhvdc）］的 夾 角 為 銳 角，因 此I?1和I?2的 相 角 差δ為 銳 角；同理，I?f和I?2在 逆 變 模 式 下 的 夾 角 為 銳 角。

根據(jù)上述I?f與聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)電流之間相位關(guān)系的分析可以發(fā)現(xiàn)：電網(wǎng)側(cè)電流與短路點(diǎn)故障電流的相角差始終為銳角，電網(wǎng)側(cè)始終表現(xiàn)出“饋入”特性，即向故障點(diǎn)饋入電流；換流站側(cè)在逆變模式下表現(xiàn)出“饋入”特性，在整流模式下，換流站側(cè)電流與短路點(diǎn)故障電流相角差為鈍角，表現(xiàn)出“汲出”特性，即從故障點(diǎn)汲出電流。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)和換流站側(cè)均表現(xiàn)出饋入特性時(shí)，兩側(cè)電流相角差較小，電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)很低；而當(dāng)換流站側(cè)表現(xiàn)出汲出特性時(shí)，兩側(cè)電流相角差較大，可能為鈍角，電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，整流模式下電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于逆變模式。

2 高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)

2.1 基本原理

鑒于傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在MMC-HVDC 接入后存在的靈敏度較低甚至拒動(dòng)的問題，本文提出一種高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)原理。由于MMC-HVDC的接入主要影響傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)的性能，而不影響區(qū)外故障時(shí)的性能，本文所提保護(hù)方法旨在提升傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)的性能，克服低靈敏度和拒動(dòng)的問題，而不影響區(qū)外故障時(shí)的性能。

傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)式（1）可改寫為：

式中：max {·}、min {·}分別表示取兩個(gè)相量中幅值最大和最小的相量。

如前文所述，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在MMCHVDC 接入后存在靈敏度低甚至拒動(dòng)的問題。為此，本文對(duì)式（7）進(jìn)行改進(jìn)，提出一種高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)，保護(hù)判據(jù)如式（9）所示：

式中：g1(y)、g2(y)分別為差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的校正函數(shù)。

式（9）與傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)式（7）形式是一樣的，因此物理概念也是一致的，不等式左邊是差動(dòng)電流，不等式右邊為K倍的制動(dòng)電流。

傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時(shí)存在靈敏度不足甚至拒動(dòng)問題的根源在于差動(dòng)電流較小而制動(dòng)電流較大。因此，本文所提保護(hù)的基本思想是通過區(qū)內(nèi)故障時(shí)的故障特征增大差動(dòng)電流且減小制動(dòng)電流，從而達(dá)到提高保護(hù)靈敏度的目的。為此，式（9）引入的g1（y）和g2（y）為：

式中：tanh（·）為雙曲正切函數(shù)。

g1(y)和g2(y)的圖形見附錄A 圖A2。基于上述分析，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，為提高靈敏度，應(yīng)滿足g1(y)＞1，g2(y)＜1，即y應(yīng)大于0；區(qū)外故障發(fā)生時(shí)，為盡量不影響保護(hù)的安全性，應(yīng)滿足y=0。因此，在設(shè)計(jì)y的表達(dá)式時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：1）區(qū)外故障時(shí)，y=0；2）區(qū)內(nèi)故障時(shí)，y＞0；3）應(yīng)同時(shí)考慮且充分利用區(qū)內(nèi)外故障時(shí)兩側(cè)電流幅值比λ和相角差δ的差異，避免采用單一的λ或δ?？紤]到區(qū)外故障時(shí)，δ約為180°，|I?max|≈|I?min|。y可設(shè)計(jì)為：

區(qū)外故障時(shí)，根據(jù)式（11）得y=0，因而g1（y）≈g2（y）≈1，使得式（9）所示保護(hù)判據(jù)與傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)式（7）一致。因此，改進(jìn)后的新判據(jù)未降低區(qū)外故障時(shí)保護(hù)的安全性，與傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)的性能一樣，符合前文所提的設(shè)計(jì)原則。區(qū) 內(nèi) 故 障 時(shí)，|I?max|一 般 明 顯 大 于|I?min|，且sinδ＞0，y一般大于1，可以顯著增大差動(dòng)電流，減小制動(dòng)電流，提升保護(hù)靈敏度。

2.2 保護(hù)的靈敏度分析

兩種電流差動(dòng)保護(hù)的靈敏度系數(shù)如下：

保護(hù)靈敏度提升原理相量圖見附錄A 圖A3。根 據(jù) 前 文 分 析，發(fā) 生 區(qū) 內(nèi) 故 障 時(shí)，|g1(y)I?max|＞|I?max|。隨著最大幅值相量的增大，差動(dòng)電流增大，即|g1(y)I?max+I?min|＞|I?max+I?min|；|g2(y)I?max|＜|I?max|。 隨著最大幅值相量的減小，制動(dòng)電流減小，即|g2(y)I?max-I?min|＜|I?max-I?min|。g1（y）越 大，差 動(dòng) 電 流越大；g2（y）越小，制動(dòng)電流越小，靈敏度越高。

交流聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障后，電網(wǎng)側(cè)電流幅值一般明顯高于換流站側(cè)電流幅值。因此，線路兩側(cè)電流幅值比λ一般較大。即使考慮較為不利的情況，λ一般也至少大于2。圖4 給出了λ和δ分別在［2，8］和［0°，180°］區(qū)間內(nèi)取值時(shí)，兩種保護(hù)方法的靈敏度。由圖4 可見，本文所提差動(dòng)保護(hù)的靈敏度始終且顯著高于傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提保護(hù)方案性能的優(yōu)越性。

圖4 兩種保護(hù)方法的靈敏度對(duì)比Fig.4 Sensitivity comparison of two protection methods

2.3 電流互感器飽和的影響及解決措施

相比于線路的電容效應(yīng)及數(shù)據(jù)同步誤差問題，電流互感器飽和才是差動(dòng)保護(hù)安全性最大的威脅。無論是傳統(tǒng)的電流差動(dòng)保護(hù)還是本文提出的高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)，在電流互感器出現(xiàn)嚴(yán)重飽和時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)的情況。雖然通過提高制動(dòng)系數(shù)，可以在一定程度上提升對(duì)電流互感器飽和的耐受能力，但這是以降低保護(hù)靈敏度為代價(jià)的。

區(qū)外故障且電網(wǎng)側(cè)電流互感器飽和情況下的電流波形見附錄A 圖A4。i1、i2分別為換流站側(cè)、電網(wǎng)側(cè)電流的電流互感器測(cè)量值，電流互感器處于線性區(qū)時(shí)，差動(dòng)電流絕對(duì)值|i1+i2|很?。浑娏骰ジ衅魈幱陲柡蛥^(qū)時(shí)，電網(wǎng)電流的嚴(yán)重畸變會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)電流迅速增大。根據(jù)|i1+i2|在飽和區(qū)和線性區(qū)的時(shí)域特征區(qū)別，構(gòu)造輔助判據(jù)以避免電流互感器飽和導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)。線性區(qū)時(shí)，|i1+i2|等于電容電流的絕對(duì)值，即使是長(zhǎng)線路，線路的電容電流一般也不大于0.2 p.u.?？紤]一定的裕度，電流互感器處于線性區(qū)時(shí)，|i1+i2|的多數(shù)采樣點(diǎn)應(yīng)小于0.3 p.u.。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，即使過渡電阻很大，差動(dòng)電流也遠(yuǎn)大于0.3 p.u.。因此，|i1+i2|的多數(shù)采樣點(diǎn)應(yīng)大于0.3 p.u.。根據(jù)文獻(xiàn)［21］，即使發(fā)生電流互感器嚴(yán)重飽和，線性區(qū)也至少有1/4 工頻周期（5 ms）。根據(jù)前文分析，構(gòu)造飽和系數(shù)SC，定義為故障后3 ms 時(shí)間內(nèi)|i1+i2|小于0.3 p.u.的采樣點(diǎn)數(shù)與總采樣點(diǎn)數(shù)之比。由于區(qū)外故障電流互感器線性區(qū)多數(shù)|i1+i2|采樣值小于0.3 p.u.，SC應(yīng)大于50%；而區(qū)內(nèi)故障時(shí)，多數(shù)|i1+i2|采樣值大于0.3 p.u.，SC應(yīng)小于50%。因此，構(gòu)造輔助判據(jù)：

當(dāng)主判據(jù)式（9）滿足時(shí)，再判定輔助判據(jù)是否滿足。若輔助判據(jù)式（13）滿足，則判定為區(qū)內(nèi)故障，否則判定為區(qū)外故障。

3 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

為評(píng)估本文所提差動(dòng)保護(hù)的性能并與傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行對(duì)比，在PSCAD/EMTDC 中搭建了如圖1（a）所示的改進(jìn)IEEE 39 節(jié)點(diǎn)電磁暫態(tài)仿真模型。MMC 的仿真模型包括了主回路和控制系統(tǒng)，并且控制策略能穿越不對(duì)稱故障。因此，下面的仿真結(jié)果包含了故障后MMC 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程。本章中，所有故障的發(fā)生時(shí)刻均設(shè)置為t=2 s。仿真參數(shù)見附錄B 表B1，其他線路參數(shù)可參考文獻(xiàn)［22-23］。

3.1 不同過渡電阻故障仿真

換流站運(yùn)行于整流模式時(shí)，距換流站50 km 處經(jīng)不同過渡電阻（10、30、60、100 Ω）發(fā)生A 相接地故障，對(duì)比傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)和本文所提保護(hù)方法對(duì)過渡電阻的耐受能力。

由圖5 可見，隨著過渡電阻的逐漸增大，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比Kor逐漸減小。

圖5 不同過渡電阻故障兩種保護(hù)方法性能對(duì)比Fig.5 Performance comparison of two protection methods for faults with different transition resistance

這主要是因?yàn)榱阈螂娏麟S著過渡電阻的增大而減小，零序電流的作用減弱，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)電流相角差增大，惡化電流差動(dòng)保護(hù)的性能。當(dāng)過渡電阻大于60 Ω 時(shí)，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)。相比之下，雖然過渡電阻在很大的范圍內(nèi)變化，本文所提差動(dòng)保護(hù)始終具有很高的靈敏度，保護(hù)能可靠動(dòng)作切除故障。本文所提差動(dòng)保護(hù)對(duì)過渡電阻具有極強(qiáng)的耐受能力，其表現(xiàn)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)，能適應(yīng)MMC-HVDC 換流站的接入。

3.2 不同故障位置、故障類型和運(yùn)行模式仿真

為了測(cè)試不同故障位置下所提保護(hù)的性能，設(shè)置4 個(gè)不同的故障位置，K1 位于母線1，K2、K3 和K4 分別距換流站10、40、90 km。發(fā)生在K1 處的故障為區(qū)外故障，發(fā)生在K2、K3 和K4 處的故障為區(qū)內(nèi)故障。設(shè)置故障類型為A 相接地（AG）、BC 相間短路（BC）和ABC 三相短路（ABC），包含接地故障與非接地故障，過渡電阻為50 Ω。不同故障位置、故障類型和運(yùn)行模式下靈敏度系數(shù)Ksen的測(cè)試數(shù)據(jù)見附錄B 表B2。

K1 處故障時(shí)，三相的靈敏度系數(shù)均小于1，因此，所提保護(hù)判據(jù)可以正常識(shí)別區(qū)外故障。不同故障位置發(fā)生不同故障類型的區(qū)內(nèi)故障時(shí)，同時(shí)考慮了整流和逆變兩種運(yùn)行模式，所有故障相的靈敏度系數(shù)均顯著大于1，而非故障相的靈敏度系數(shù)小于1。因此，所提保護(hù)判據(jù)能正確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障及故障相，并且具有很高的靈敏度。此外，表中所有區(qū)內(nèi)故障的響應(yīng)時(shí)間均小于10 ms，保護(hù)判據(jù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，速動(dòng)性好，能滿足高壓輸電線路主保護(hù)對(duì)速動(dòng)性的要求。

圖6 給出了附錄B 表B2 中4 個(gè)案例對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果。由圖6 可見，發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，三相的靈敏度系數(shù)在整個(gè)暫態(tài)過程中都可靠地小于1。發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，所有故障相的靈敏度系數(shù)均在很短的時(shí)間內(nèi)超過1，滿足保護(hù)判據(jù)，而非故障相的靈敏度系數(shù)始終小于1。

圖6 不同故障案例的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of different fault cases

綜上所述，所提保護(hù)能可靠、正確地區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障且精確識(shí)別故障相，速動(dòng)性好，靈敏度高。

3.3 不同故障時(shí)刻仿真

距換流站30 km 處經(jīng)50 Ω 過渡 電阻發(fā)生CA 相間短路故障（區(qū)內(nèi)故障），不同故障時(shí)刻差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比如表1 所示。假設(shè)2.0 s 對(duì)應(yīng)的初相角為0°，則表1 中的故障時(shí)刻對(duì)應(yīng)的故障開始相角為0°、54°、90°、180°、270°。由表1 可見，盡管故障時(shí)刻變化范圍較大，三相的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比受故障時(shí)刻的影響很小。故障相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比顯著大于閾值0.8，非故障相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比顯著小于閾值0.8。所提保護(hù)在不同故障時(shí)刻都能正確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障和故障相。

表1 不同故障時(shí)刻仿真數(shù)據(jù)Table 1 Simulation data at different fault times

3.4 數(shù)據(jù)同步誤差的影響

根據(jù)文獻(xiàn)［24］所述，目前電力系統(tǒng)普遍采用乒乓對(duì)時(shí)、全球定位系統(tǒng)（GPS）或北斗系統(tǒng)等同步對(duì)時(shí)方法，GPS 或北斗系統(tǒng)的對(duì)時(shí)誤差在2 μs 以內(nèi)。如此小的同步誤差對(duì)保護(hù)性能產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。

為了測(cè)試保護(hù)方案耐受時(shí)間同步誤差的能力，將同步誤差分別增大到500 μs 和1 000 μs。設(shè)置母線1 處經(jīng)10 Ω 過渡電阻發(fā)生A 相接地故障（區(qū)外故障），不同同步誤差下A 相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比仿真結(jié)果見附錄B 圖B1。即使同步誤差增大到1 000 μs，差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比Kor仍小于閾值0.8，保護(hù)仍能夠可靠地識(shí)別區(qū)外故障。而實(shí)際北斗系統(tǒng)的對(duì)時(shí)同步誤差僅為2 μs，不會(huì)對(duì)保護(hù)性能產(chǎn)生顯著影響。

3.5 不同線路長(zhǎng)度、運(yùn)行模式以及電流互感器飽和時(shí)仿真

假設(shè)母線1 處經(jīng)30 Ω 過渡電阻發(fā)生A 相接地故障（區(qū)外故障），在不同線路長(zhǎng)度下測(cè)試對(duì)地電容效應(yīng)對(duì)保護(hù)性能的影響，仿真結(jié)果見附錄B 圖B2。隨著線路長(zhǎng)度的增加，電容電流也隨著增大。但是，即使線路長(zhǎng)度達(dá)到250 km，電容電流也明顯小于0.2 p.u.；當(dāng)線路長(zhǎng)度在50～250 km 范圍內(nèi)變化時(shí)，差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比始終小于閾值0.8，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。由此可見，即使不采用電抗器補(bǔ)償電容電流，保護(hù)也不會(huì)誤動(dòng)，安全性好。

線路1-2 中點(diǎn)設(shè)置A 相接地故障，過渡電阻為100 Ω，換流站運(yùn)行于逆變模式。為了測(cè)試不同運(yùn)行點(diǎn)（不同負(fù)荷水平）下所提保護(hù)的性能，有功功率分別被設(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8、1.1 p.u.，仿真結(jié)果見附錄B 圖B3。5 個(gè)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靈敏度系數(shù)都很高，明顯大于1，并且保護(hù)靈敏度與負(fù)荷水平之間沒有明確的關(guān)系。因此，所提保護(hù)可以在不同負(fù)荷水平下靈敏地識(shí)別區(qū)內(nèi)故障，明顯高于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 559—2007 對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度的要求。

假設(shè)在母線1 處2 s 時(shí)刻發(fā)生金屬線A 相接地故障（區(qū)外故障），電網(wǎng)側(cè)電流互感器飽和，仿真結(jié)果見附錄B 圖B4。由于電網(wǎng)側(cè)電流互感器飽和導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)電流嚴(yán)重畸變，線路兩側(cè)電流不再滿足幅值基本相等、相位互差180°的條件，導(dǎo)致本文所提保護(hù)的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比大于閾值0.8，主判據(jù)在區(qū)外故障時(shí)誤動(dòng)。由于飽和系數(shù)大于0.5，輔助判據(jù)式（13）不滿足，最終將該故障判定為區(qū)外故障。輔助判據(jù)的加入，避免了由于電流互感器飽和導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)問題，提高了保護(hù)的安全性。

3.6 與現(xiàn)有保護(hù)的性能對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提保護(hù)性能的優(yōu)越性，通過2 個(gè)仿真案例將所提保護(hù)與電流相位差動(dòng)保護(hù)［10］及基于電流幅值比的縱聯(lián)保護(hù)［25-26］進(jìn)行對(duì)比。案例1：線路中點(diǎn)發(fā)生A 相接地故障，過渡電阻為100 Ω，換流站運(yùn)行于整流模式。案例2：線路中點(diǎn)發(fā)生A 相接地故障，過渡電阻為100 Ω，換流站運(yùn)行于逆變模式。兩個(gè)故障均為區(qū)內(nèi)故障。

由圖7（a）可見，故障發(fā)生后，電流相位差接近180°，位于140°～220°，區(qū)內(nèi)故障被電流相位差動(dòng)保護(hù)誤判為區(qū)外故障。本文所提保護(hù)的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比顯著大于閾值0.8，能夠靈敏精準(zhǔn)地識(shí)別該區(qū)內(nèi)故障。由圖7（b）可見，故障發(fā)生后，線路兩側(cè)電流幅值比大于閾值。根據(jù)文獻(xiàn)［25-26］可知，該故障被誤判為區(qū)外故障，基于電流幅值比的縱聯(lián)保護(hù)失效。而本文所提保護(hù)的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比顯著大于閾值0.8，能夠靈敏精準(zhǔn)地識(shí)別該區(qū)內(nèi)故障。

圖7 所提保護(hù)與現(xiàn)有保護(hù)的對(duì)比Fig.7 Comparison of proposed protection with existing protections

綜上所述，電流相位差條件不滿足時(shí)，電流相位差動(dòng)保護(hù)失效，電流幅值比條件不滿足時(shí)，基于電流幅值比的縱聯(lián)保護(hù)失效。而本文所提保護(hù)在相位和幅值比任一條件不滿足時(shí)，仍能正確且靈敏地識(shí)別區(qū)內(nèi)故障，充分說明了所提保護(hù)性能的優(yōu)越性。

4 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（RTDS）實(shí)驗(yàn)

采用實(shí)際直流控制保護(hù)裝置、RTDS 系統(tǒng)和上位機(jī)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)?；谟宥踔绷鲗?shí)際工程參數(shù)在RTDS 系統(tǒng)搭建了MMC-HVDC 模型，且采用實(shí)際直流控制保護(hù)裝置，能較好地模擬實(shí)際工程控制系統(tǒng)故障后的動(dòng)態(tài)過程。柔性直流換流站經(jīng)100 km 聯(lián)絡(luò)線接入交流電網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖見附錄C 圖C1，交流聯(lián)絡(luò)線參數(shù)見附錄C 表C1。

不同條件下傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)和本文所提差動(dòng)保護(hù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見附錄C 表C2。表中，響應(yīng)時(shí)間是指故障發(fā)生時(shí)刻到所有故障相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比均超過制動(dòng)系數(shù)的時(shí)間。4 種故障條件下，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在整流模式下，有3 種故障條件下無法正確動(dòng)作。唯一能正確動(dòng)作的故障條件是因其對(duì)應(yīng)的過渡電阻較小。而在相同的4 種故障條件下，將換流站的運(yùn)行模式由整流切換為逆變，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在4 種故障條件下都能正確識(shí)別區(qū)內(nèi)故障和故障相。由此可見，相同故障條件下，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在整流模式下拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于逆變模式。RTDS 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了1.2 節(jié)理論分析的正確性。

對(duì)于本文提出的高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)，無論故障條件和換流站運(yùn)行模式如何變化，故障相的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比總是明顯高于0.8，非故障相的差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比總是小于0.8。所提保護(hù)在各種故障條件下均能正確動(dòng)作且靈敏度很高，能適應(yīng)換流站不同運(yùn)行模式。此外，同樣的故障條件下，所提差動(dòng)保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間小于傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)。從所得響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)可以看出，本文保護(hù)的響應(yīng)速度完全能滿足高壓輸電線路主保護(hù)對(duì)速動(dòng)性的要求。

圖8 給出了附錄C 表C2 中2 個(gè)故障案例對(duì)應(yīng)的波形圖，故障開始時(shí)刻為0 s，均為50 km 處發(fā)生200 Ω過渡電阻CA 接地故障。

整流模式下，在故障發(fā)生50 ms 后，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)AC 兩相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比仍小于0.8，保護(hù)拒動(dòng)。而逆變模式下，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)AC 兩相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比在故障發(fā)生18.7 ms 后均大于0.8，保護(hù)正確動(dòng)作。圖8 進(jìn)一步證明了傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在換流站整流模式下拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)更高。圖8 中，本文提出的電流差動(dòng)保護(hù)對(duì)應(yīng)的AC 兩相差動(dòng)電流與制動(dòng)電流之比在故障發(fā)生10 ms 內(nèi)均大于0.8，保護(hù)正確動(dòng)作。所提保護(hù)速動(dòng)性好、靈敏度高，基本不受換流站運(yùn)行模式變化的影響，能適應(yīng)不同故障位置、故障距離。即使過渡電阻高達(dá)200 Ω，保護(hù)依然正確動(dòng)作，對(duì)過渡電阻的耐受力極強(qiáng)，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)。

圖8 RTDS 實(shí)驗(yàn)故障波形圖Fig.8 Fault waveforms of RTDS test

5 結(jié)語

本文深入研究了MMC-HVDC 對(duì)輸電線路主保護(hù)電流差動(dòng)保護(hù)的影響，提出一種能適應(yīng)換流站特殊故障特性的高靈敏度電流差動(dòng)保護(hù)，采用PSCAD/EMTDC 仿真軟件和基于實(shí)際直流控制保護(hù)裝置和RTDS 系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1）當(dāng)且僅當(dāng)幅值條件和相角條件都不滿足時(shí)，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)才存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。電流幅值比越小，相角差越大，保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)就越大。

2）過渡電阻較小時(shí)，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較低。過渡電阻較大時(shí)，當(dāng)換流站側(cè)表現(xiàn)出“汲出”特性時(shí)，線路兩側(cè)電流相角差明顯高于“饋入”特性時(shí)的相角差。因此，傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在整流模式下的拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)顯著高于逆變模式。

3）本文提出的電流差動(dòng)保護(hù)速動(dòng)性好、靈敏度高，基本不受換流站運(yùn)行模式變化的影響，能適應(yīng)不同故障位置、故障距離，對(duì)過渡電阻的耐受能力極強(qiáng)。此外，基于實(shí)際控制保護(hù)裝置和RTDS 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所提保護(hù)的實(shí)用性和優(yōu)越性，適合作為MMC-HVDC 交流聯(lián)絡(luò)線的主保護(hù)。

本文所提保護(hù)方案暫未考慮保護(hù)裝置采樣設(shè)備可能受通信干擾及網(wǎng)絡(luò)攻擊引入的異常數(shù)據(jù)對(duì)保護(hù)安全性的影響?？紤]常規(guī)直流和柔性直流接入容量和數(shù)量的不斷增加，研究二者故障行為的共性變化規(guī)律，基于二者共性故障特征提出通用保護(hù)原理是下一步的重點(diǎn)研究方向。

感謝中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）越崎青年學(xué)者項(xiàng)目對(duì)本文研究工作的支持！

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