基于暫態(tài)電流行波突變的LCC-MMC 混合雙極直流輸電縱聯(lián)方向保護(hù)

高淑萍，李元澤，宋國兵，呂宇星，左俊杰，沈渠旺

（1. 西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安 710600；2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

目前輸電網(wǎng)絡(luò)正快速發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步。傳統(tǒng)高壓直流輸電是基于電網(wǎng)換向換流器高壓直流輸電（line-commutated converter based high volatage direct current，LCC-HVDC）技術(shù)，這種直流輸電技術(shù)成熟，建設(shè)運(yùn)行成本低。隨著高壓直流輸電對換流器的要求越來越高，便誕生了一種基于模塊化多電平換流器高壓直流輸電（modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC）技術(shù)。這種直流輸電功率控制靈活，不存在換相失敗的問題。為了將這兩種直流輸電的優(yōu)勢結(jié)合起來，近年來出現(xiàn)了混合直流輸電系統(tǒng)。但在目前世界上的混合直流輸電系統(tǒng)實(shí)際工程中，除了廣泛應(yīng)用的混合雙端和混合多端直流輸電系統(tǒng)，僅在挪威和丹麥之間存在一條混合四極直流輸電系統(tǒng)，還沒有混合雙極直流輸電系統(tǒng)投入運(yùn)營，針對混合雙極直流輸電系統(tǒng)的研究較少?；旌纤臉O直流輸電系統(tǒng)占地面積大，經(jīng)濟(jì)性較差，混合雙極直流輸電系統(tǒng)相較于混合四級直流輸電系統(tǒng)控制方式簡單，造價(jià)低，占地面積小，具有很好的應(yīng)用前景［1-2］。LCC-MMC 型混合雙極直流輸電系統(tǒng)正極由電網(wǎng)換相換流器（LCC）構(gòu)成，負(fù)極由模塊化多電平換流器（MMC）構(gòu)成。由于其兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，所以混合直流輸電比傳統(tǒng)直流輸電和柔性直流輸電具有更明顯的優(yōu)勢，它的誕生將改善未來直流輸電工程的傳輸特性，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越大［3-4］。

反向行波通常被用來作為行波保護(hù)的判斷依據(jù)，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生以故障點(diǎn)為中心向線路兩側(cè)傳播的行波，通過檢測反向行波即可判定直流線路是否發(fā)生區(qū)內(nèi)故障［5-7］。目前大多數(shù)輸電線路將行波保護(hù)和微分欠壓保護(hù)作為高壓直流輸電線路保護(hù)的主保護(hù)，電流差動(dòng)保護(hù)和低電壓保護(hù)作為后備保護(hù)［8-11］。SIMENS 和ABB 制定的行波保護(hù)作為主流保護(hù)方案被廣泛使用，但兩種保護(hù)在實(shí)際高壓直流輸電工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明其在耐過渡電阻的能力上均存在一定欠缺［12-15］。

文獻(xiàn)［16］在分析行波傳輸特性的基礎(chǔ)上基于高頻阻抗在正反方向故障時(shí)的不同提出了一種混合直流輸電縱聯(lián)保護(hù)原理。文獻(xiàn)［17］根據(jù)直流線路區(qū)內(nèi)外故障時(shí)線路兩端電流有無線性關(guān)系基于相關(guān)系數(shù)提出了一種混合直流輸電線路縱聯(lián)保護(hù)方法。文獻(xiàn)［18］在傳統(tǒng)行波保護(hù)基礎(chǔ)上加以小步長采樣提出了一種可提升保護(hù)靈敏性的新型直流線路保護(hù)方案。文獻(xiàn)［19］通過比較區(qū)內(nèi)外故障時(shí)線路兩端測量波阻抗與測點(diǎn)背側(cè)波阻抗和線路波阻抗的差異提出一種基于波阻抗的縱聯(lián)保護(hù)原理。文獻(xiàn)［20］根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障時(shí)故障前、反行波到達(dá)保護(hù)點(diǎn)時(shí)刻的不同構(gòu)成了VSC-HVDC 縱聯(lián)方向保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)［21］利用直流線路區(qū)內(nèi)外故障時(shí)的電壓特征信號的暫態(tài)高頻分量差異，通過小波包變換得到的低頻與高頻能量和的比值構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)［22］利用小波包變換，基于保護(hù)安裝處獲得的暫態(tài)能量差異，提出了一種單端電氣量的行波保護(hù)新方法。文獻(xiàn)［23］通過對故障發(fā)生后的行波波前信息以及波前形狀的分析和過波前相關(guān)系數(shù)的計(jì)算提出了一種直流輸電線路超高速保護(hù)原理。

混合雙極直流輸電系統(tǒng)與普通直流輸電系統(tǒng)相比在輸電線路上的波過程一致，在行波方向的判別上沒有差異。其差異主要體現(xiàn)在：由于LCC 和MMC換流站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和換流站元件參數(shù)不同，導(dǎo)致其邊界對波過程的響應(yīng)特性存在差異，即行波波頭到達(dá)換流站后的折反射是不一樣的，所以電壓行波和電流行波幅值的整定應(yīng)該是與邊界特性相關(guān)的。

本文在分析直流輸電系統(tǒng)中行波傳播特性的基礎(chǔ)上提出了一種新的利用暫態(tài)電流行波突變的縱聯(lián)方向保護(hù)原理，該原理包括故障方向判別算法和故障極點(diǎn)識別算法。對所提方法在PSCAD/MATLAB中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，大量的仿真結(jié)果表明此保護(hù)原理不受故障類型以及故障發(fā)生距離的影響，并且具有很好的耐過渡電阻能力。

1 LCC-MMC 混合雙極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

圖1 所示為一個(gè)±500 kV 的LCC-MMC 混合雙極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。不同于LCC-MMC 混合雙端直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)為LCC型換流器，逆變側(cè)為MMC 型換流器，LCC-MMC 混合雙極直流系統(tǒng)的正極采用LCC 型換流器，負(fù)極采用MMC 型換流器。圖1 中a、b、c、d 分別為區(qū)內(nèi)線路保護(hù)測量安裝位置，L為平波電抗器，以平波電抗器為邊界，將直流輸電系統(tǒng)劃分為區(qū)內(nèi)部分和區(qū)外部分，其中直流線路為區(qū)內(nèi)部分，其余的為區(qū)外部分。f1—f7分別為不同的故障，其中f1、f3、f4、f7為區(qū)外故障，f2、f5為區(qū)內(nèi)單極故障，f6為區(qū)內(nèi)雙極故障。輸電系統(tǒng)各部分具體參數(shù)如表1所示。

圖1 LCC-MMC混合雙極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure block diagram of LCC-MMC hybrid bipolar DC transmission system

表1 LCC-MMC混合雙極直流輸電系統(tǒng)各部分參數(shù)Tab. 1 Parameters for each part of LCC-MMC hybrid bipolar DC transmission system

2 行波傳輸原理分析

2.1 行波傳輸過程分析

行波保護(hù)原理是通過故障時(shí)故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波來檢測故障。當(dāng)線路上發(fā)生故障時(shí)故障點(diǎn)處將產(chǎn)生行波，該行波會(huì)以故障點(diǎn)為中心向線路兩側(cè)傳播。一般情況下故障信息反映在電壓、電流或兩者的組合中，因此在極端情況下這些參數(shù)可以用來檢測故障［24］。

式中：u2、i2分別為行波傳播線路末端電壓和電流；v為行波波速；Z為輸電線路波阻抗，其值為其中為L0、C0分別為感抗和容抗，根據(jù)表1參數(shù)計(jì)算可得線路波阻抗Z=319.556 Ω；γ為線路傳播衰減常數(shù)，其值由線路的阻抗導(dǎo)納決定；x為行波傳輸距離。

2.2 行波的折射與反射

圖2 為行波在阻抗不連續(xù)線路上的傳輸示意圖，A為阻抗不連續(xù)點(diǎn)，l1、l2分別為兩條阻抗不同的線路，其阻抗值分別為Z1和Z2，ua、ia分別為電壓和電流入射波，ub、ib分別為入射波通過阻抗不連續(xù)點(diǎn)后的電壓和電流折射波，uc、ic分別為電壓和電流反射波。

圖2 行波傳輸示意圖Fig.2 Schematic diagram of traveling wave transmission

故障發(fā)生后故障點(diǎn)將產(chǎn)生故障行波，該行波會(huì)以故障點(diǎn)為中心沿著線路向兩側(cè)傳輸，隨后在行波到達(dá)阻抗不連續(xù)點(diǎn)（如故障點(diǎn)或電容電感處）時(shí)發(fā)生行波折射和反射現(xiàn)象。

行波傳輸反射系數(shù)和折射系數(shù)分別為：

式中λ、β分別為行波傳輸?shù)姆瓷湎禂?shù)與折射系數(shù)， -1≤λ≤1，β≥0。

3 故障特征分析

圖3—5 分別為直流輸電系統(tǒng)在區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障下的行波傳播過程。M、N 分別為整流站、逆變站。M1、M2、M3、M4 為整流側(cè)不同的行波突變點(diǎn)。N1、N2、N3、N4為逆變側(cè)不同的行波突變點(diǎn)。

圖3 直流輸電系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)行波傳播過程Fig.3 Traveling wave propagation process of DC transmission system when an internal fault occurs

表2—4 分別給出了直流輸電系統(tǒng)在區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障時(shí)整流側(cè)和逆變側(cè)的電流行波。λM、λf和λN分別為電流行波在不同位置（整流側(cè)、故障側(cè)和逆變側(cè)）的反射系數(shù)，βM、βf、βN分別為電流行波在不同位置（整流側(cè)、故障側(cè)和逆變側(cè)）的折射系數(shù)，is為初始電流行波。

表2 區(qū)內(nèi)故障時(shí)兩端電流行波Tab. 2 Current traveling wave at both ends when an internal fault occurs

由表1 參數(shù)并結(jié)合式（6）計(jì)算可得，正極線路整流側(cè)和逆變側(cè)反射系數(shù)λM+=λN+=-0.961，正極線路整流側(cè)和逆變側(cè)折射系數(shù)βM+=βN+=1.961，負(fù)極線路整流側(cè)反射系數(shù)λM-=-0.491，負(fù)極線路逆變側(cè)反射系數(shù)λN-=-0.846，負(fù)極線路整流側(cè)折射系數(shù)βM-=1.491，負(fù)極線路逆變側(cè)折射系數(shù)βN-=1.846。設(shè)線路參考方向?yàn)槟妇€指向線路，由圖3—5 可知，is<0。

為滿足繼電保護(hù)速動(dòng)性要求，取區(qū)內(nèi)故障時(shí)暫態(tài)電流行波第一次到達(dá)保護(hù)安裝處發(fā)生折反射為標(biāo)準(zhǔn)（即圖3 和表2 中M1、N1 時(shí)）。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)正極故障時(shí)，此時(shí)整流側(cè)電流iM=-1.961is，逆變側(cè)電流iN=-1.961is，因?yàn)閕s<0，故iM>0，iN>0。同理，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)負(fù)極故障時(shí)，iM=-1.491is>0，iN=-1.846is>0。

同理，取區(qū)外整流側(cè)故障時(shí)暫態(tài)電流行波第一次到達(dá)保護(hù)安裝處發(fā)生折反射為標(biāo)準(zhǔn)（即圖4 和表3中M1、N1 時(shí)），此時(shí)iM=1.961is，iN=-3.846is。因?yàn)閕s<0，故iM<0，iN>0。同理，當(dāng)發(fā)生區(qū)外整流側(cè)負(fù)極故障時(shí)亦有此結(jié)論，在此不再贅述。

圖4 直流輸電系統(tǒng)區(qū)外整流側(cè)故障時(shí)行波傳播過程Fig.4 Traveling wave propagation process of DC transmission system at rectifier side when an external fault occurs

表3 區(qū)外整流側(cè)故障時(shí)兩端電流行波Tab. 3 Current traveling waves at both ends when an external fault occurs at rectifier side

同理，取區(qū)外逆變側(cè)故障時(shí)暫態(tài)電流行波第一次到達(dá)保護(hù)安裝處發(fā)生折反射為標(biāo)準(zhǔn)（即圖5 和表4中M1、N1 時(shí)），此時(shí)iM=-3.846is，iN=1.961is。因?yàn)閕s<0，故iM>0，iN<0。同理，當(dāng)發(fā)生區(qū)外逆變側(cè)負(fù)極故障時(shí)亦有此結(jié)論，在此不再贅述。

圖5 直流輸電系統(tǒng)區(qū)外逆變側(cè)故障時(shí)行波傳播過程Fig.5 Traveling wave propagation process of DC transmission system at inverter side when an external fault occurs

表4 區(qū)外逆變側(cè)故障時(shí)兩端電流行波Tab. 4 Current traveling wave at both ends at inverter side when an external fault occurs

4 基于暫態(tài)電流行波突變的縱聯(lián)方向保護(hù)原理

4.1 保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)

啟動(dòng)功能的主要要求是可靠性，因?yàn)楸Ｗo(hù)算法必須針對每一個(gè)可能的故障啟動(dòng)。通過使用一種可以區(qū)分正常運(yùn)行和故障的電流判據(jù)可以快速檢測直流線路故障，該判據(jù)可以表示為：

式中：di（n）和di（n+1）分別為采樣點(diǎn)編號n、n+1的差分電流行波；M為累計(jì)次數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值為3）；Δset為基于保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的門檻值。

保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)門檻值設(shè)定一般需要保證在最不靈敏情況下的故障時(shí)保護(hù)也可以可靠啟動(dòng)，此處設(shè)定為2 A。當(dāng)式（4）中的條件滿足時(shí)保護(hù)被激活。

4.2 保護(hù)方向識別判據(jù)

由圖3 可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)整流側(cè)與逆變側(cè)均為正方向故障。由表2 分析可知，整流側(cè)和逆變側(cè)的暫態(tài)電流行波發(fā)生正向突變。

由圖4 可知，當(dāng)故障發(fā)生為整流側(cè)區(qū)外故障時(shí)，此時(shí)對于整流側(cè)為反方向故障，對于逆變側(cè)為正方向故障。由表3 分析可知，整流側(cè)的暫態(tài)電流行波發(fā)生負(fù)向突變，逆變側(cè)的暫態(tài)電流行波發(fā)生正向突變。

由圖5 可知，當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)對于逆變側(cè)為反方向故障，對于整流側(cè)則為正方向故障。由表4 分析可知，逆變側(cè)的暫態(tài)電流行波發(fā)生負(fù)向突變，整流側(cè)的暫態(tài)電流行波發(fā)生正向突變。即當(dāng)電流行波i>0時(shí)為正向故障，當(dāng)電流行波i<0時(shí)為反向故障。

由此可構(gòu)成縱聯(lián)方向保護(hù)判據(jù)，當(dāng)故障發(fā)生后，整流側(cè)與逆變側(cè)檢測到的暫態(tài)電流行波突變方向相同時(shí)則判斷為區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動(dòng)作；整流側(cè)與逆變側(cè)檢測到的暫態(tài)電流行波突變方向相反時(shí)則判斷為區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作。

4.3 故障極識別算法

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)正極故障時(shí)正極作為故障極其電流行波突變幅值大于負(fù)極電流突變幅值，其值大于1；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)負(fù)極故障時(shí)，負(fù)極作為故障極其電流行波突變幅值大于負(fù)極電流突變幅值，其值遠(yuǎn)小于1；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)雙極故障時(shí)，正負(fù)極電流行波均有一定突變。因此，可得到故障極識別公式如式（5）所示。

式中：β為故障極識別參數(shù)；|iPmax|和|iNmax|分別為正極和負(fù)極暫態(tài)電流行波的最大值。

選極判據(jù)的門檻值設(shè)定一般需要考慮故障距離以及所設(shè)過渡電阻最大情況下的影響，并留有一定的裕度，故本文β的門檻值取0.6和1。

則故障極點(diǎn)識別算法設(shè)置為：

4.4 影響因素分析

4.4.1 過渡電阻影響

過渡電阻的存在會(huì)削弱初始行波的幅值，不同過渡電阻對初始行波幅值的削弱程度不一樣，且過渡電阻值越高則初始行波幅值越低，所以當(dāng)初始行波到達(dá)邊界發(fā)生折反射后保護(hù)安裝處的電壓電流行波幅值也會(huì)降低。

4.4.2 故障距離影響

故障距離對行波的影響體現(xiàn)在行波波頭的上升沿陡度值，故障距離不同則上升沿陡度不同。故障距離保護(hù)安裝處越遠(yuǎn)，則初始行波在線路上傳播的距離越遠(yuǎn)，保護(hù)安裝處檢測的電壓電流行波幅值的上升沿陡度越平緩。

綜上所述，過渡電阻和故障距離僅僅對行波幅值和上升沿陡度產(chǎn)生影響，而對行波的突變方向不會(huì)產(chǎn)生影響。

4.4.3 保護(hù)流程圖

圖6 給出了基于暫態(tài)電流行波突變的保護(hù)流程框圖。

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

5 仿真驗(yàn)證

如圖1 所示，通過PSCAD/EMTDC 構(gòu)建一個(gè)500 kV 的LCC-MMC 混合直流輸電系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用頻域相關(guān)模型，輸電線路采用架空線，線路長度為1 500 km，采樣頻率設(shè)置為100 kHz，采樣周期為10 μs，仿真步長為10 μs，設(shè)置1 s 時(shí)刻發(fā)生故障。

5.1 不同典型故障仿真分析

圖7 給出了區(qū)內(nèi)正極故障（距整流側(cè)750 km，如圖1中f2）的暫態(tài)電流行波波形圖。

圖7 區(qū)內(nèi)正極故障時(shí)暫態(tài)電流行波波形圖Fig.7 Waveform diagram of transient current traveling wave when an internal fault occurs in positive pole

由圖7 可知整流側(cè)正極暫態(tài)電流行波與逆變測正極暫態(tài)電流行波均發(fā)生正向突變，即故障為區(qū)內(nèi)故障。

圖8給出了區(qū)外整流側(cè)正極故障（如圖1中f1）的暫態(tài)電流行波波形圖。

圖8 區(qū)外整流側(cè)正極故障時(shí)暫態(tài)電流行波波形圖Fig.8 Waveform diagram of transient current traveling wave when an external fault occurs at rectifier side in positive pole

由圖8 可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)外整流側(cè)正極故障時(shí)整流側(cè)正極暫態(tài)電流行波發(fā)生負(fù)向突變，逆變側(cè)正極暫態(tài)電流行波發(fā)生正向突變。

圖9給出了區(qū)外逆變側(cè)正極故障（如圖1中f3）的暫態(tài)電流行波波形圖。

圖9 區(qū)外逆變側(cè)正極故障時(shí)暫態(tài)電流行波波形圖Fig.9 Waveform diagram of transient current traveling wave when an external fault occurs at inverter side in positive pole

由圖9 可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)外逆變側(cè)正極故障時(shí)逆變側(cè)正極暫態(tài)電流行波發(fā)生負(fù)向突變，整流側(cè)正極暫態(tài)電流行波發(fā)生正向突變。

5.2 直流線路不同過渡電阻故障選極仿真分析

4.4.1 節(jié)分析了過渡電阻對所提出的保護(hù)的影響。以下對不同故障類型分別設(shè)置不同過渡電阻進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如表5和圖10所示。

圖10 不同故障類型不同過渡電阻下故障選極仿真結(jié)果圖Fig.10 Simulation results of fault pole selection under different fault types and different transition resistors

表5 不同過渡電阻作用下故障選極仿真結(jié)果分析（750 km）Tab. 5 Analysis of simulation results of fault pole selection under different transition resistors（750 km）

表5中iM+和iM-分別為整流側(cè)正極和負(fù)極暫態(tài)電流行波突變的最大值。iN+和iN-分別為逆變側(cè)正極和負(fù)極暫態(tài)電流行波突變的最大值。βM和βN分別為整流側(cè)和逆變側(cè)故障極識別參數(shù)。

本文以故障發(fā)生在距離整流側(cè)750 km 為例，考慮了不同故障類型（如圖1 中f2、f5、f6）分別在不同故障電阻（0 Ω、100 Ω、200 Ω、300 Ω、500 Ω）情況下的仿真結(jié)果。

由表5和圖10可知，系統(tǒng)在不同故障類型時(shí)在不同過渡電阻下β值均處于設(shè)定的選極算法門檻值范圍區(qū)間中，故所提出的保護(hù)對于不同的故障類型、不同的故障電阻下的故障均具有正確識別故障方向和故障極點(diǎn)的能力。

5.3 直流線路不同故障距離位置選極仿真分析

4.4.2 節(jié)分析了故障距離位置對所提出的保護(hù)的影響。分別對不同類型故障以及不同距離位置故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如表6和圖11所示。

圖11 不同故障距離位置下故障選極仿真結(jié)果圖Fig.11 Simulation results of fault pole selection under different fault distance positions

表6 不同故障距離位置下故障選極仿真結(jié)果分析Tab. 6 Analysis of simulation results of fault pole selection at different fault distances

本節(jié)考慮了不同故障類型（如圖1 中f2、f5、f6）分別在不同故障距離位置（距離整流側(cè)150 km、375 km、1 125 km、1 350 km）下的仿真結(jié)果。（距離整流側(cè)750 km 情況下的故障已在上節(jié)中詳細(xì)敘述，在此不再贅述。）

由表6和圖11可知，系統(tǒng)在不同故障類型以及不同故障距離下的β值均處于設(shè)定的選極算法門檻值范圍區(qū)間中，故所提出的保護(hù)對于不同類型故障下、不同距離故障均具有正確識別故障方向和故障極點(diǎn)的能力。

6 結(jié)語

通過對行波在直流輸電系統(tǒng)中的傳播特性進(jìn)行分析，本文提出了一種基于暫態(tài)電流行波突變的LCC-MMC 混合雙極直流輸電系統(tǒng)縱聯(lián)方向保護(hù)原理，利用整流側(cè)和逆變側(cè)在不同故障下暫態(tài)電流行波變化方向的不同來判別區(qū)內(nèi)外故障，并通過暫態(tài)電流行波突變最大值的比值來對故障極進(jìn)行判別。與其他傳統(tǒng)直流線路保護(hù)原理相比，該保護(hù)原理簡單，故障后保護(hù)動(dòng)作迅速，且門檻值易整定，保護(hù)受故障類型、過渡電阻以及故障發(fā)生距離位置的影響較小，具有一定的實(shí)用性。