柔性直流送出系統(tǒng)交流線路的自適應距離保護方法

洪 豐，吳通華1，，鄭玉平1，，孫志攀，周博昊，何佳偉

（1.河海大學能源與電氣學院，江蘇省南京市 210098；2.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；3.電網(wǎng)運行風險防御技術與裝備全國重點實驗室，江蘇省南京市 211106；4.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072）

0 引言

柔性直流輸電是一種以電壓源換流器為基礎的新型直流輸電技術，具有良好的可控性和適應性，對于新型電力系統(tǒng)建設中大規(guī)模新能源消納有著重大作用［1-2］，在孤島輸電、弱電網(wǎng)供電、新能源并網(wǎng)、海上風電外送等方面有其獨特優(yōu)勢［3-4］。

由于柔性直流輸電特殊的系統(tǒng)結構［5］、快速靈活的功率調節(jié)［6-7］以及本體控制保護動作的快速性改變了交流電網(wǎng)運行的基本特性，故障響應過程的非線性與不確定性顯著增強［8］，基于同步機特性設計的線路距離保護面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。

針對新能源或柔性直流系統(tǒng)接入對距離保護的影響，國內外學者進行了一定研究。文獻［9-10］分析得出，逆變型電源短路電流幅值受限和相角受控使得過渡電阻對新能源場站側的影響被放大，導致場站側距離保護容易拒動、系統(tǒng)側距離保護不受影響。文獻［11］分析了逆變型電源在不同故障類型下的暫態(tài)特征，并指出可能對距離保護產(chǎn)生影響的因素。文獻［12］推導了逆變型電源等效正負序阻抗解析表達式，并給出了基于高頻阻抗的保護方案，利用阻抗角解決了距離方向元件不正確動作的問題。文獻［13］提出了故障穿越期間系統(tǒng)控制保護協(xié)同方案，通過注入四倍頻擾動電流進行故障辨識，提高了相間故障距離保護的靈敏度。文獻［14-15］提出基于模型識別的時域距離保護方法，但近端故障時可能存在無法辨別方向的問題，并且工程實用化還有一定難度。文獻［16］提出一種高頻突變量距離保護方法，利用故障點電壓跌落產(chǎn)生的高頻信號進行區(qū)內外故障判別，但高頻信號易受干擾，可能會對判別結果造成影響。文獻［17］分析了分布式逆變型電源的故障特性及其對距離Ⅱ段保護的影響，提出了適用于含分布式逆變型電源的距離Ⅱ段保護整定方案，但沒有從原理層面分析解決距離保護可能存在的不正確動作問題。

目前，主流阻抗繼電器主要分為比幅式和比相式兩類。其中，基于正序電壓極化的比相式阻抗繼電器因其出口無死區(qū)、方向性好的優(yōu)點，得到了廣泛應用。然而，針對基于正序電壓極化的比相式距離保護在柔性直流系統(tǒng)中適用性的研究較少。

因此，本文首先分析了柔性直流系統(tǒng)控制策略對故障序分量幅值、相位的影響，闡述了基于正序電壓極化的阻抗繼電器基本原理，并指出了其在柔性直流近端或電網(wǎng)側背后發(fā)生相間故障時不正確動作的原因。其次，基于結合故障初瞬自然響應階段時域信息的快速方向判別元件，提出了自適應調整動態(tài)范圍的距離保護方法。最后，根據(jù)中國江蘇如東海上風電經(jīng)柔性直流送出工程拓撲參數(shù)，在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)上搭建系統(tǒng)模型進行性能測試，驗證了所提方法的有效性。

1 柔性直流送出系統(tǒng)交流線路故障特性分析

以海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)為例，其拓撲結構如圖1 所示。其中，海上風電場一般由永磁同步發(fā)電機和箱式變壓器構成。永磁同步發(fā)電機經(jīng)箱式變壓器升壓后接入海上升壓站，隨后接入海上換流站，經(jīng)直流海纜后接至陸上換流站，最后與交流電網(wǎng)進行連接。換流站采用模塊化多電平換流器，橋臂由半橋子模塊連接構成。

圖1 柔性直流送出系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topology of flexible DC transmission system

柔性直流送出系統(tǒng)交流側發(fā)生不對稱故障時，由于存在負序電壓分量，換流器閥側會產(chǎn)生負序電流，其在直流系統(tǒng)中會引起較大的故障電流，導致加速換流站閉鎖，甚至損壞功率元件。因此，換流站一般采用濾除負序電流的正負序解耦控制方法。

換流器控制系統(tǒng)主要由功率外環(huán)控制結構和電流內環(huán)控制結構兩部分組成：外環(huán)控制結構負責計算控制變量參考值；內環(huán)控制結構負責快速跟蹤功率外環(huán)給定的參考值。其中，電流內環(huán)控制的正、負序控制子系統(tǒng)可表示為：

式中：L、R分別為等效電感、電阻；、和、分別為正序有功、無功電流和負序有功、無功電流測量值；KP1、KP2、KP3、KP4和KI1、KI2、KI3、KI4分別為各電流控制器的比例和積分系數(shù)；if、if和、i分別為正序、負序有功電流參考值和正序、負序無功電流參考值。

在柔性直流系統(tǒng)正方向或電網(wǎng)側背后故障時，故障電流由柔性直流側提供，受柔性直流系統(tǒng)負序電流抑制和低電壓穿越控制影響，所提供的正序電流的相位出現(xiàn)受控偏移。以圖2 所示柔性直流系統(tǒng)近端BC 相間故障為例，正序電壓、電流相位偏差與常規(guī)電源相比存在較大差異，可能對距離保護動作特性造成影響。圖中：UmA、UmB、UmC和ImA、ImB、ImC分別為保護安裝處的三相測量電壓和測量電流；I1、I2分別為保護安裝處正序電流、負序電流；φ為保護安裝處正序電壓和正序電流的夾角。

圖2 電壓、電流采樣值及幅值、相位關系Fig.2 Relationship among voltage and current sampling values, amplitudes and phase

2 基于正序電壓極化的阻抗繼電器適用性

2.1 基于正序電壓極化的阻抗繼電器工作原理

基于正序電壓極化的阻抗繼電器動作方程為：

正方向相間故障時，阻抗繼電器的動作方程可以表示為［18］：

式中：Zm為測量阻抗；ZS為保護背側等值正序阻抗。該動作特性是以Zset與-ZS/2 兩點連線為直徑的圓。

反方向相間故障時，繼電器的動作方程可以表示為：

式中：ZR為保護正方向等值正序阻抗。該動作特性是以Zset和ZR/2 兩點連線為直徑的上拋圓。

正向故障時，基于正序極化電壓的阻抗繼電器的阻抗動作圓包含坐標原點，故近端故障時無死區(qū)；反向故障時，繼電器的測量阻抗落在第Ⅲ象限，無法進入上拋動作圓內，該阻抗繼電器具有良好的方向性。

2.2 柔性直流系統(tǒng)故障穿越控制對阻抗繼電器的影響

由式（3）可知，基于正序電壓極化的阻抗繼電器動作行為由極化電壓和工作電壓的相位差決定。對于單相接地故障或相間接地故障，極化電壓由系統(tǒng)側支撐，故障前后相位穩(wěn)定，且由于系統(tǒng)零序回路相對獨立，零序分量基本不受柔性直流系統(tǒng)控制策略影響，具有良好的方向性。同時，柔性直流系統(tǒng)在故障期間對正序電流幅值的限制以及對負序電流的抑制使得故障電流以零序電流為主。結合接地距離繼電器工作電壓表達式，其與極化電壓相位差可準確區(qū)分區(qū)內外故障時的不同特征。因此，接地距離繼電器具有明確的方向特征，沒有誤動或拒動的風險。

本文僅分析相間故障時距離保護的動作情況。以BC 相間金屬性故障為例，基于正序電壓極化的阻抗繼電器動作方程為：

其中，極化電壓為：

式中：a為旋轉因子，a=-0.5+j/2。

結合柔性直流系統(tǒng)故障穿越期間負序電流抑制策略的影響，補償電壓可表示為：

故有

即

將正序電壓、正序電流相量的相位差定義為β，則動作方程為：

由式（11）可知，基于正序電壓極化的阻抗繼電器動作特性受β的影響，而此角度的大小由柔性直流系統(tǒng)低電壓穿越期間的控制策略決定。由于柔性直流系統(tǒng)電網(wǎng)側變換器采用基于電網(wǎng)電壓定向的電壓、電流雙閉環(huán)矢量控制策略［19］，以矢量方向為d軸方向，可得

式中：id、iq分別為d軸電流、q軸電流。

換流站交流側發(fā)生不對稱故障時，正序電壓降低，且由于定功率控制環(huán)節(jié)的存在，需增大正序電流參考值f，實際正序d軸電流也隨之提高。然而，由于當前電力電子技術及換流站成本的制約，功率器件的過電流裕度較小，需在換流器電流限幅環(huán)節(jié)設置一較小限值。因此，在故障發(fā)生后，最大為設定限值，實際正序d軸電流也將在電流內環(huán)控制的作用下迅速追蹤其參考值而達到限值［20］。

對于無功功率控制環(huán)節(jié)而言，其無功功率參考值一般設為0［21］，這就使得q軸電流參考值為0。因此，即使換流器交流側發(fā)生不對稱故障，無功功率的 傳 輸 仍 因q軸 電 流為0 且 保 持 不 變。因 此，式（12）中iq遠小于id，可認為β≈0°。

對于柔性直流側保護，柔性直流送出線路發(fā)生近端相間故障，結合式（11），可知arg(Zm-Zset)≈270°，當β為 大 于 零 的 小 值 時，距 離 保 護 拒 動，如圖3（a）所示；同理，對于電網(wǎng)側保護，電網(wǎng)側母線發(fā)生相間故障，距離保護誤動，如圖3（b）所示。

圖3 柔性直流系統(tǒng)控制策略影響下的繼電器動作特性Fig.3 Relay operation characteristics under influence of control strategy of flexible DC system

3 結合暫態(tài)信息的自適應距離保護方法

3.1 基于暫態(tài)時域信息的快速方向元件

如附錄A 圖A2 所示，對于柔性直流交流側故障，暫態(tài)過程可分為：1）暫態(tài)自然響應階段；2）控制器動態(tài)響應階段；3）控制器穩(wěn)態(tài)控制階段。其中，在故障初瞬的暫態(tài)自然響應階段，柔性直流系統(tǒng)調控還未啟動，電壓、電流故障分量的方向特性不受影響。線路正、反方向金屬性故障時故障附加狀態(tài)分別如圖A3（a）、（b）所示。

因此，正方向短路的基本關系式為：

反方向短路的基本關系式為：

在故障初瞬的暫態(tài)自然響應階段，可近似認為arg(ZS)=arg(ZR)≈90°，因此，構建模擬阻抗ZD=1∠(-90°)。將式（13）、式（14）左右同乘ZD可得：

3.2 距離保護動作范圍自適應調整

由上述分析可知，式（11）中β≈0°，造成距離保護在動作邊界附近有誤動或拒動的風險。在利用暫態(tài)時域信息快速判別方向的基礎上，適當調整距離保護動作范圍即可避免這些風險。因此，構造如下距離保護動作方程：

式中：α為保護自適應調整角度。

考慮β≈0°，再綜合柔性直流控制策略偏差、采樣和計算誤差等因素，在快速方向元件判斷為正方向故障時，α建議取15°；判別為反方向故障時，α建議取-15°。這樣，正方向故障時，擴大后的保護動作范圍包含了β的影響區(qū)域，如圖4(a)所示，確保正方向相間故障時距離保護可靠動作；反方向故障時，縮小后的保護動作范圍避開了β的影響區(qū)域，如圖4(b)所示，保證反方向相間故障時距離保護可靠不動作。

圖4 自適應阻抗繼電器動作特性Fig.4 Operation characteristics of adaptive impedance relay

具體實現(xiàn)過程中，構造兩個帶偏移角的比相式距離繼電器。

距離繼電器1：

距離繼電器2：

如附錄A 圖A4（a）所示，正方向故障時，自適應距離保護動作范圍為兩個繼電器的“或”（蘋果型）；如圖A4（b）所示，反方向故障時，保護動作范圍為兩個繼電器的“與”（透鏡型）。本文所提方法只是對距離保護動作范圍做了適當調整，并沒有對其動作特性造成本質性影響，并且正方向故障時所采用的蘋果型距離繼電器也具有較好的抗過渡電阻能力。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及參數(shù)

采用半實物仿真模型驗證本文所提距離保護方法的有效性。在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)上，搭建基于江蘇如東海上風電柔性直流送出工程參數(shù)的仿真模型，如附錄A 圖A5 所示，并與外置現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）通信實現(xiàn)柔性直流的閥控策略，仿真步長為50 μs，具體仿真參數(shù)如表1 所示。距離保護定值設置為80%線路全長阻抗，并設置4 個故障點F1、F2、F3、F4，進行各種故障類型仿真。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

4.2 快速方向元件動作特性分析

將基于本文所提方法開發(fā)的保護裝置接入仿真系統(tǒng)P1位置，以模擬不同位置、不同故障角的相間故障?？焖俜较蛟袆e結果及動作時間如表2 所示。表中：BC、CA、ABC 等分別表示BC 相間短路、CA 相間短路、ABC 三相短路等。

表2 快速方向元件動作結果Table 2 Operation results of fast direction element

由表2 可知，該方向元件基于電壓、電流采樣值的變化量，可迅速捕獲故障發(fā)生后暫態(tài)自然響應階段的電壓跌落和電流拉升，裝置采樣率為1 200 Hz時1～2 個采樣點即可正確判別故障方向。正、反方向判別采用互斥邏輯，不會出現(xiàn)同時判出的情況。

4.3 自適應距離保護動作特性分析

將傳統(tǒng)基于正序電壓極化的距離保護原理的保護裝置和基于本文所提方法開發(fā)的裝置共同接入仿真系統(tǒng)，并分別接入仿真系統(tǒng)P1、P2位置，以模擬不同位置各類故障，保護具體動作情況如表3 所示。表中：AN、AN-2 Ω、BC-1 Ω、ABN 等分別表示A 相金屬性接地、A 相經(jīng)2 Ω 過渡電阻接地、BC 相經(jīng)1 Ω相間過渡電阻短路、AB 相間接地等。由表3 可知，傳統(tǒng)基于正序電壓極化的距離保護在接地故障時動作行為準確，在柔性直流側出口處和電網(wǎng)側母線發(fā)生相間故障時存在拒動和誤動的情況，采用本文所提方法的保護裝置能夠正確動作。

表3 距離保護動作結果對比Table 3 Comparison of operation results of distance protection

下文著重分析柔性直流側出口處和電網(wǎng)側母線發(fā)生相間故障時，本文所提保護方法的動作行為。由圖5（a）可知，在柔性直流側出口處發(fā)生區(qū)內BC相間故障初瞬階段，對于柔性直流側保護，BC 相間電流、電壓變化量乘積ΔUBCΔIBC＜0，滿足快速方向元件正方向判據(jù)，阻抗繼電器自適應擴展保護范圍，使得比相結果落在動作區(qū)內（見圖5（b）），保護可靠動作。

圖5 區(qū)內相間故障仿真結果Fig.5 Simulation results of internal phase-tophase fault

同理，由附錄A 圖A6（a）可知，在電網(wǎng)側母線發(fā)生BC 相間故障初瞬階段，對于電網(wǎng)側保護，ΔUBCΔIBC＞0，滿足快速方向元件反方向判據(jù)，阻抗繼電器自適應縮小動作范圍，使得比相結果落在動作區(qū)外（圖A6（b）），保護可靠不動作。

5 結語

本文分析了基于正序電壓極化的距離保護動作特性與柔性直流系統(tǒng)控制策略間的相互關系，得出了柔性直流系統(tǒng)控制策略對故障序分量幅值、相位的影響會導致基于正序電壓極化的阻抗繼電器在柔性直流近端或電網(wǎng)側背后發(fā)生相間故障時拒動或誤動的結論。基于利用故障初瞬自然響應階段時域信息構建的快速方向判別元件，提出了結合暫態(tài)信息的自適應距離保護方法。理論分析和大量仿真驗證充分證明，該方法不僅可以保證柔性直流送出系統(tǒng)交流線路發(fā)生故障時正確動作，而且對于新能源交流送出線路、常規(guī)輸電線路同樣適用。目前，項目團隊已開發(fā)出基于該原理的線路保護裝置，并將在國內柔性直流送出交流線路、新能源交流送出線路等多個場景實際運行。

本文所提方法的仿真結果與電力電子器件控制策略有直接關系，限于仿真條件僅能以現(xiàn)有系統(tǒng)典型低電壓穿越策略進行，對于保護自適應調整角度α的取值仍需在各種新能源、柔性直流仿真模型以及實際系統(tǒng)中進一步驗證。

附錄見本刊網(wǎng)絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。