常規(guī)直流逆變站交流送出線路距離保護(hù)適應(yīng)性分析與對策

01逆變站近區(qū)交流線路正序電壓極化距離保護(hù)適應(yīng)性分析典型的高壓直流逆變站接入系統(tǒng)如圖1所示。以同步發(fā)電機(jī)為主要電源的交流系統(tǒng)可以等效為一個戴維南電路，EM和EN為等值電壓源，ZM和ZN為系統(tǒng)等值阻抗，M、N表示線路保護(hù)安裝處，f表示故障點。圖1

典型的高壓直流逆變站接入系統(tǒng)

Fig.1

TheLCC-HVDCinverterstationconnectedsystem

正序電壓極化距離保護(hù)元件在傳統(tǒng)交流電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，其動作判據(jù)為式中：為極化電壓，選擇為保護(hù)安裝處的正序電壓；為整定點補償電壓。以單相金屬性接地故障為例，分析正序電壓極化距離元件在高壓直流逆變站近區(qū)交流線路中的適應(yīng)性。此時，M側(cè)保護(hù)安裝處的故障相φ電壓UMφ為式中：IMφ為保護(hù)安裝處的故障相電流，IM0為保護(hù)安裝處的零序電流，K為線路的零序補償系數(shù)，Zm為短路點與保護(hù)安裝處之間的正序阻抗。接地距離元件的整定點補償電壓Uop為式中：Zset為整定阻抗。當(dāng)保護(hù)安裝處背側(cè)為同步發(fā)電機(jī)電源時，故障后電源電動勢與故障前近似一致，因此故障后M側(cè)保護(hù)安裝處的故障相正序電壓UMφ(1)為式中：EMφ為保護(hù)安裝處背側(cè)的等值電源電勢；IMφ(1)為保護(hù)安裝處的故障相正序電流；ZM1為保護(hù)安裝處背側(cè)系統(tǒng)的等值正序阻抗。建立圖1的單相接地故障等效正序網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖2

單相接地故障等效正序網(wǎng)絡(luò)

Fig.2

Equivalentpositivesequencenetworkforsingle-phasetogroundfault

不考慮高壓直流逆變站接入工況，當(dāng)線路MN上發(fā)生故障時，此時保護(hù)安裝處的測量電流IM僅由等值電源EM提供。故障點短路前的電勢與電源電勢通常相差不大，因此M側(cè)保護(hù)安裝處的故障相正序電流可近似表示為式中：CM(1)為正序電流在M側(cè)保護(hù)安裝處的分流系數(shù)；α為故障長度百分比；UF1為故障點正序電壓分量；ZΣ1為故障回路正序阻抗之和；ZΣ0為故障回路零序阻抗之和；ZL為線路正序阻抗；ZM1、ZN1分別為M側(cè)、N側(cè)系統(tǒng)等值正序阻抗。將式（5）代入式（4），可得常規(guī)電網(wǎng)中，系統(tǒng)阻抗角相差不大，CM(1)近似為實數(shù)，此時保護(hù)安裝處正序電壓UMφ(1)與保護(hù)安裝處故障相電壓UMφ近似同相位。因此，利用保護(hù)安裝處正序電壓相位代替故障相電壓相位可以實現(xiàn)交流線路區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的判別，同時在不對稱出口近區(qū)故障工況下仍具有明確方向性。進(jìn)一步分析直流逆變站接入工況下，正序電壓極化距離保護(hù)的性能。此時當(dāng)線路MN上發(fā)生故障時，保護(hù)安裝處的測量電流IM包括保護(hù)M背側(cè)同步機(jī)等值電源提供的短路電流IEM和逆變站饋入的短路電流IZ。需要特別說明的是，由于直流逆變站控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用以及交流故障可能引起的換相失敗，IZ并不能視為恒定工頻分量，定義IZ為廣義動態(tài)相量。此時，M側(cè)保護(hù)安裝處的故障相電壓為M側(cè)保護(hù)安裝處的正序電壓為考慮保護(hù)安裝側(cè)正序電流的分流系數(shù)，式（8）可以轉(zhuǎn)化為對比式（7）和式（9）可知，由于逆變站提供短路電流IZ導(dǎo)致保護(hù)安裝處正序電壓相位與保護(hù)安裝處故障相電壓相位存在偏差，可能會影響正序電壓極化距離保護(hù)性能。當(dāng)?shù)戎惦娫碋M越強(qiáng)時，其對應(yīng)的等值阻抗ZM(1)越小，逆變站提供的短路電流IZ影響越小。然而，當(dāng)?shù)戎惦娫碋M較弱時，此時逆變站提供短路電流IZ的影響較大，可能會導(dǎo)致正序電壓極化距離保護(hù)不正確動作。IZ受逆變站控制策略影響，具有典型的非線性受控特性，會影響工頻相量距離保護(hù)的性能。02逆變站近區(qū)交流線路時域距離保護(hù)方案

2.1

時域距離保護(hù)基本原理高壓直流逆變站近區(qū)交流線路的正序電壓極化距離保護(hù)性能會受到2方面因素的影響，一方面是逆變站饋入的短路電流會導(dǎo)致保護(hù)安裝處正序電壓相位與故障相電壓相位存在偏差，另一方面是逆變站饋入短路電流非線性受控特性使得工頻相量提取存在誤差。為提升距離保護(hù)性能，可以從2個方面入手，一方面直接采用故障相電壓極化距離保護(hù)判據(jù)；另一方面采用時域算法避免工頻相量提取。當(dāng)交流線路上發(fā)生故障時，經(jīng)低通濾波后交流線路沿線電壓瞬時值近似呈線性分布，如圖3所示。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)金屬性故障時，故障點f電壓為0，根據(jù)交流線路沿線電壓瞬時值線性化分布規(guī)律，此時保護(hù)安裝處電壓的瞬時值uM(t)與整定點補償電壓的瞬時值uS(t)的符號相反；當(dāng)發(fā)生區(qū)外金屬性故障時，故障點電壓為0，根據(jù)交流線路沿線電壓線性化分布規(guī)律，此時uM(t)與uS(t)的符號相同。時刻t的uM(t)與uS(t)關(guān)系如圖3所示。圖3

電壓瞬時值分布規(guī)律

Fig.3

Voltageinstantaneousvaluedistribution根據(jù)上述分析，可以通過比較uM(t)與uS(t)的符號來判別區(qū)內(nèi)故障。比較電壓瞬時值符號的距離元件實質(zhì)上是傳統(tǒng)全阻抗特性圓距離元件的時域形式，優(yōu)勢在于避免工頻相量提取。為比較uM(t)與uS(t)的符號，電壓瞬時值符號的差異通過時域波形線性相關(guān)系數(shù)ρx(t),y(t)來描述，即式中：x(t)和y(t)分別對應(yīng)2個時域波形；τ為時間窗起始時刻；T為時間窗長度。由式（10）可知，當(dāng)x(t)

=

?ky(t)，其中k為正實數(shù)，此時ρx(t),y(t)

=

?1；當(dāng)x(t)

=

ky(t)，其中k為正實數(shù)，此時ρx(t),y(t)

=1。因此可以通過計算保護(hù)安裝處電壓uM(t)與整定點補償電壓uS(t)之間的波形線性相關(guān)系數(shù)判斷區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。門檻值可以參考傳統(tǒng)比相式距離保護(hù)進(jìn)行整定。以傳統(tǒng)交流系統(tǒng)為例，保護(hù)安裝處電壓和整定點補償電壓分別為uM(t)=UMsin?(ωt+φM)，uS(t)=USsin?(ωt+φS)。將uM(t)和uS(t)代入式（10）中，數(shù)據(jù)窗長度T可選擇為20ms，此時計算的波形線性相關(guān)系數(shù)為ρ

=

cos?(φM?φS)。比相式距離保護(hù)元件保護(hù)判據(jù)一般為90°?φM?φS?270°，根據(jù)比相式距離保護(hù)元件的動作判據(jù)，時域距離保護(hù)元件動作判據(jù)為ρ?0。上述分析以金屬性故障展開，進(jìn)一步分析過渡電阻對時域距離元件的影響。以區(qū)內(nèi)故障為例，uM(t)與uS(t)，如圖4所示。由圖4a)可知，區(qū)內(nèi)金屬性故障時，uM(t)與uS(t)的符號完全相反，此時計算的波形線性相關(guān)系數(shù)為–1；由圖4b)可知，區(qū)內(nèi)帶過渡電阻故障時，uM(t)與uS(t)的符號并非完全相反，此時計算的波形線性相關(guān)系數(shù)將偏離–1。圖4

過渡電阻的影響分析

Fig.4

Influenceofthefaultresistance.當(dāng)發(fā)生帶過渡電阻故障時，uM(t)和uS(t)波形過零點時刻會存在差異，導(dǎo)致時域距離元件偏離最佳使用條件。根據(jù)所提時域距離元件的整定原則，當(dāng)計算的波形線性相關(guān)系數(shù)ρ?0時，認(rèn)為發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。以標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦波為例，uM(t)和uS(t)波形過零點時刻如果相差不大，只要過零點時刻相差在5ms以內(nèi)時域距離元件仍能正確動作，因此該時域距離元件具有一定的耐過渡電阻能力。2.2

整定點補償電壓計算根據(jù)保護(hù)安裝處測量電壓和測量電流，基于交流線路簡化的RL模型計算整定點補償電壓。以a相接地距離元件為例，a相整定點補償電壓uSa(t)為式中：uMa(t)為a相保護(hù)安裝處電壓；Lset保護(hù)范圍設(shè)置為線路全長的80%；rs、rm分別為線路單位長度的自電阻、互電阻；ls、lm分別為線路單位長度的自電感、互電感；ia(t)、ib(t)和ic(t)為保護(hù)安裝處的三相電流瞬時值。2.3

故障距離計算采用式（10）的波形相關(guān)系數(shù)可以實現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障的判別，但無法實現(xiàn)故障測距。根據(jù)區(qū)內(nèi)外故障判別結(jié)果，結(jié)合瞬時值電壓線性化分布規(guī)律，可以計算故障距離。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，如圖3a)所示，此時uM(t)和uS(t)滿足關(guān)系式為式中：Lset為距離Ⅰ段保護(hù)范圍，lf為故障距離。由式（12）可得，故障距離lf為為提升測距精度，通過計算一個數(shù)據(jù)窗內(nèi)故障距離的平均值作為故障距離輸出，計算故障距離的時間窗可選為20ms。當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，如圖3b)所示，此時uM(t)和uS(t)滿足關(guān)系式為由式（14）可得，故障距離lf為同樣地，區(qū)外故障時計算故障距離的時間窗可選為20ms。2.4

出口近區(qū)故障方向判別當(dāng)發(fā)生出口近區(qū)故障時，保護(hù)安裝處電壓接近0，此時采用保護(hù)安裝處故障相電壓極化距離元件無法有效判別故障方向，需要額外的方向元件。以M側(cè)保護(hù)為例，當(dāng)發(fā)生正方向故障時，保護(hù)安裝處的電流瞬時值iM(t)為式中：iEM(t)為M側(cè)保護(hù)背側(cè)傳統(tǒng)常規(guī)電源提供的短路電流；iZ(t)為逆變站提供的短路電流。正方向故障可分為2種工況。當(dāng)逆變站運行于非單回交流出線工況時，由于逆變站提供的短路電流較小，短路電流iM(t)特性主要由iEM(t)決定。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)短路電流特性可知，此時故障電流近似呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦波特征。當(dāng)逆變站運行于單回交流出線工況時，若逆變站交流側(cè)故障，逆變側(cè)會發(fā)生換相失敗導(dǎo)致輸出電流畸變，此時短路電流iM(t)呈現(xiàn)為非標(biāo)準(zhǔn)正弦波特征。當(dāng)發(fā)生反方向故障時，保護(hù)安裝處短路電流iM(t)為式中：iEN(t)為M側(cè)保護(hù)對側(cè)傳統(tǒng)常規(guī)電源提供的短路電流。此時短路電流由同步發(fā)電機(jī)電源提供，故障電流呈現(xiàn)近似標(biāo)準(zhǔn)正弦波特征。通過上述分析，可以通過電流畸變特征判斷故障電流的主要成分，進(jìn)而實現(xiàn)故障方向判別。對于標(biāo)準(zhǔn)正弦波，采用絕對值積分算法計算的正弦波幅值IInte為式中：I為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的幅值。當(dāng)采用傅立葉算法計算標(biāo)準(zhǔn)正弦波的幅值時，實部IFourR和虛部IFourI的計算結(jié)果分別為根據(jù)式（19）和式（20），可以得到傅立葉算法計算的正弦波幅值IFour為對比式（16）和式（19）可知，當(dāng)波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時，2種方法計算結(jié)果一致。當(dāng)波形存在畸變時，2種計算方法結(jié)果會存在差異。定義絕對值積分算法計算的保護(hù)安裝處電流幅值IInte與全周傅立葉算法提取工頻相量幅值IFour之間的差異為波形畸變程度η，其表達(dá)式為由于逆變站饋入的短路電流存在大量諧波，可以通過波形畸變程度判斷故障方向。在圖1中，考慮M側(cè)保護(hù)，若計算的電流幅值IMInte與工頻相量模值IMFour存在顯著差異，說明此時逆變站提供的短路電流占比較大，可以判斷為正方向故障；若計算的電流幅值IMInte與工頻相量模值IMFour基本一致，說明此時保護(hù)安裝處的短路電流主要由同步發(fā)電機(jī)電源提供，可以通過計算整定點補償電壓與記憶電壓的波形線性相關(guān)系數(shù)判別故障方向。對于N側(cè)保護(hù)，若計算的電流幅值INInte與工頻相量模值INFour存在顯著差異，則認(rèn)為是反方向故障；若計算的電流幅值IMInte與工頻相量模值IMFour基本一致，則通過計算整定點補償電壓與記憶電壓的波形線性相關(guān)系數(shù)判別故障方向。波形畸變度η的整定值同時需要考慮以下2個方面：1）應(yīng)躲過正常運行時系統(tǒng)中的諧波分量；2）應(yīng)躲過同步發(fā)電機(jī)提供短路電流時波形畸變程度。通過對典型同步發(fā)電機(jī)短路電流以及正常運行時含諧波的電流進(jìn)行數(shù)值計算，建議η取0.25。2.5

距離保護(hù)方案流程距離保護(hù)方案的流程如圖5所示。若判斷為出口近區(qū)故障時，則采用電流畸變程度判斷故障方向；若判斷為非出口近區(qū)故障，則采用所提時域距離元件。圖5

距離保護(hù)方案流程

Fig.5

Thedistanceprotectionschemeflow近區(qū)故障判據(jù)可通過計算保護(hù)安裝處電壓的幅值進(jìn)行判斷，當(dāng)保護(hù)安裝處電壓較低時認(rèn)為發(fā)生出口近區(qū)故障，即式中：Uset為設(shè)置的整定電壓，具體表達(dá)式為式中：k取0.1。當(dāng)保護(hù)安裝處電壓幅值低于額定值的10%時，認(rèn)為發(fā)生出口近區(qū)故障。03仿真分析在PSCAD/EMTDC中搭建圖1所示的系統(tǒng)，直流系統(tǒng)采用CIGRE的HVDC標(biāo)準(zhǔn)模型。交流線路MN全長100km，電壓等級為500kV，具體參數(shù)如表1所示。采樣率設(shè)置為4kHz，故障時刻設(shè)置在1.5s。表1

交流線路參數(shù)Table1

ParametersofACtransmissionline3.1正序電壓極化距離保護(hù)仿真分析設(shè)置M側(cè)等值電源短路容量SM為4.0p.u.，距M側(cè)20km處分別設(shè)置a相接地故障和ab相間短路故障，仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)交流系統(tǒng)較強(qiáng)時，正序電壓極化距離保護(hù)在區(qū)內(nèi)故障時可以正確動作。圖6

等值電源EM接入工況的仿真結(jié)果

Fig.6

SimulationresultswithstrongequivalentsourceEM等值電源EM斷開，此時直流逆變站僅通過線路MN與等值電源N相連。距M側(cè)20km處分別設(shè)置a相接地故障和ab相間短路故障，仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)戎惦娫碋M斷開后，正序電壓極化距離保護(hù)的計算結(jié)果并不穩(wěn)定，M側(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時存在拒動風(fēng)險。圖7

等值電源EM斷開工況的仿真結(jié)果

Fig.7

Simulation

resultswithoutequivalentsourceEM對于MN線路N側(cè)保護(hù)，當(dāng)發(fā)生反向故障時，保護(hù)安裝處電流包含直流逆變站提供的短路電流，可能會影響正序電壓極化距離保護(hù)的性能。設(shè)置MN線路N側(cè)保護(hù)出口反向故障，仿真結(jié)果如圖8所示。圖8a)為等值電源EM接入工況，此時正序電壓極化距離保護(hù)可靠不動作；圖8b)為等值電源EM斷開工況，此時正序電壓極化距離保護(hù)可能會誤動。圖8

線路N側(cè)保護(hù)出口近區(qū)反向故障仿真結(jié)果

Fig.8

SimulationresultsofNsideprotectionunderreversefaultconditions

3.2

時域距離保護(hù)仿真分析分析基于波形線性相關(guān)的時域距離保護(hù)性能，故障位置同樣設(shè)置為20km。等值電源EM接入工況下，a相接地故障仿真結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，此時保護(hù)安裝處電壓uMa(t)和整定點補償電壓uSa(t)的瞬時值符號相反。計算得波形線性相關(guān)系數(shù)為–1，判斷發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。故障距離計算結(jié)果為19.8km，接近真實故障距離。圖9

等值電源EM接入工況a相接地故障

Fig.9

SimulationresultsundertheaGinternalfaultconditionwithstrongequivalentsourceEM等值電源EM斷開工況下，a相接地故障仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，此時uMa(t)和uSa(t)中存在大量諧波，波形畸變嚴(yán)重。uMa(t)和uSa(t)的符號相反，計算得波形線性相關(guān)系數(shù)為–1，判斷發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。這說明采用波形線性相關(guān)系數(shù)判據(jù)可以不受直流系統(tǒng)復(fù)雜受控特性的影響，具有良好的適應(yīng)性。故障距離計算結(jié)果為19.5km，接近真實故障距離。圖10

等值電源EM斷開工況a相接地故障

Fig.10

SimulationresultsundertheaGinternalfaultwithoutequivalentsourceEM等值電源EM斷開工況下，不同故障位置基于波形線性相關(guān)系數(shù)的距離保護(hù)計算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，時域距離保護(hù)在區(qū)內(nèi)金屬性故障時可靠動作，區(qū)外故障時可靠不動作。表2

不同故障位置仿真結(jié)果Table2

Simulationresultswithdifferentfaultlocation3.3

出口近區(qū)故障仿真結(jié)果分析出口近區(qū)故障時，時域距離保護(hù)的性能。等值電源EM接入工況下，發(fā)生出口近區(qū)正方向故障時，仿真結(jié)果如圖11所示。短路電流幅值達(dá)到20kA，采用全周傅里葉算法計算的電流幅值IMFour(t)與采用絕對值積分算法計算的電流幅值IMInte(t)基本一致，此時η基本在0.1附近，小于門檻值0.25，故通過計算整定點補償電壓uSa(t)與保護(hù)安裝處記憶電壓uMma(t)的線性相關(guān)系數(shù)判斷故障方向。可以看出，此時uSa(t)和uMma(t)符號相反，計算得線性相關(guān)系數(shù)接近–1，因此判斷發(fā)生了正方向故障。圖11

等值電源EM接入工況M側(cè)保護(hù)出口近區(qū)正向故障

Fig.11

SimulationresultsundertheforwardfaultconditionnearprotectionlocationwithstrongequivalentsourceEM等值電源EM斷開工況下，發(fā)生出口近區(qū)正方向故障時，仿真結(jié)果如圖12所示。短路電流幅值較小，采用全周傅立葉算法計算的電流幅值IMFour(t)與采用絕對值積分算法計算的電流幅值IMInte(t)存在顯著差異，此時η接近0.5，大于門檻值0.25，因此判斷發(fā)生了正方向故障。圖12

等值電源EM斷開工況M側(cè)保護(hù)出口近區(qū)正向故障

Fig.12

SimulationresultsunderforwardfaultconditionsnearprotectionlocationwithoutequivalentsourceEM保護(hù)M側(cè)近區(qū)發(fā)生反方向故障時，保護(hù)安裝處測量電流由等值電源EN提供，仿真結(jié)果如圖13所示。由圖13a)可知，此時采用全周傅里葉算法計算的電流幅值IMFour(t)與采用絕對值積分算法計算的電流幅值IMInte(t)基本一致，故通過計算整定點補償電壓uSa(t)與保護(hù)安裝處記憶電壓uMma(t)的線性相關(guān)系數(shù)判斷故障方向。由圖13c)可知，此時uSa(t)和uMma(t)符號相同；由圖13d)可知，此時計算得波形線性相關(guān)系數(shù)接近1，因此判斷發(fā)生了反方向故障。圖13

等值電源EM接入工況M側(cè)保護(hù)出口近區(qū)反向故障

Fig.13

SimulationresultsunderforwardfaultconditionsnearprotectionlocationwithoutequivalentsourceEM

3.4

影響因素仿真分析上述仿真中計算波形線性相關(guān)系數(shù)的時間窗均設(shè)置為20ms，為驗證短時間窗對波形線性相關(guān)系數(shù)的影響，選擇時間窗為10ms，故障位置設(shè)置為20km。等值電源EM斷開工況下，a相接地故障仿真結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯?，選擇10ms時間窗計算的波形線性相關(guān)系數(shù)仍較為穩(wěn)定。當(dāng)對保護(hù)動作速度有更快要求時，所提時域距離元件可以采用10ms時間窗以加快動作速度。圖14

時間窗為10ms時仿真結(jié)果

Fig.14

Simulationresultswith10mstimewindow實際系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生非金屬性故障，需要通過仿真驗證所提時域距離元件的耐過渡電阻能力。區(qū)內(nèi)帶過渡電阻的單相接地故障仿真結(jié)果如圖15所示，故障位置設(shè)置為50km。圖15a)為過渡電阻為10Ω時的仿真結(jié)果，該時域距離元件可靠動作；圖15b)為過渡電阻為30Ω時的仿真結(jié)果，該時域距離元件存在拒動風(fēng)險；圖15c)為過渡電阻為50Ω時的仿真結(jié)果，該時域距離元件拒