多端直流線路保護(hù)研究

施世鴻，賈紅舟，倫振堅(jiān)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市510663)

0 引 言

直流輸電具有大容量、遠(yuǎn)距離的輸電優(yōu)勢(shì)［1-4］，在我國(guó)“西電東送”戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司都已有多個(gè)直流輸電工程投入建設(shè)和商業(yè)運(yùn)行。傳統(tǒng)的雙端直流輸電工程僅能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直流功率傳輸。當(dāng)多個(gè)交流系統(tǒng)需要直流互聯(lián)、有多電源供電和多落點(diǎn)受電需求、征地條件無(wú)法滿足原有雙端系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，多端直流輸電系統(tǒng)(multi-terminal DC，MTDC)具有明顯優(yōu)勢(shì)［5-7］。多端直流輸電系統(tǒng)是由多個(gè)換流站(3個(gè)及以上)及其相互連接的各直流輸電線路所組成的高壓直流輸電系統(tǒng)。目前高壓直流換流閥主要是基于單控器件的電流源型換流器(current source converter，CSC)，隨著電力電子器件的發(fā)展，基于全控器件的電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)以及模塊化多電平的全控器件(modular multilevel converter，MMC)已應(yīng)用到柔性直流輸電系統(tǒng)中［8-9］。根據(jù)采用的換流閥器件，MTDC 可 以 分 為3 類［10］:CSC 型MTDC、VSC 型MTDC、混合型MTDC(既含有CSC，又含有VSC)。

MTDC 最顯著的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電，單線路故障不影響其他正常系統(tǒng)的運(yùn)行，可提供更為靈活的運(yùn)行方式。隨著電力電子技術(shù)、控制保護(hù)技術(shù)和直流斷路器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，MTDC將得到快速發(fā)展，將有更多的MTDC 工程應(yīng)用到電網(wǎng)中。控制保護(hù)技術(shù)作為制約MTDC 發(fā)展的重要因素，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［10-16］。文獻(xiàn)［5-7］綜述了MTDC 技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。文獻(xiàn)［10］對(duì)包含電流源和電壓源換流器的混合型多端直流系統(tǒng)的控制保護(hù)策略進(jìn)行了物理模擬和數(shù)字仿真。文獻(xiàn)［11］對(duì)利用GTO 換流閥的三端直流工程的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行了報(bào)道。文獻(xiàn)［12-15］對(duì)MTDC 的控制保護(hù)策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［16］對(duì)多端直流的故障定位和隔離進(jìn)行了研究，其原理是基于每個(gè)分支的兩端都需要裝設(shè)電流互感器，而多端系統(tǒng)直流線路接線復(fù)雜，勢(shì)必要設(shè)置多個(gè)電流互感器，開關(guān)站建設(shè)成本增加，通訊更為復(fù)雜。本文針對(duì)MTDC 的線路特點(diǎn)，對(duì)雙端直流線路保護(hù)原理的適用性及存在的問題進(jìn)行了探討，并且提出了一種故障支路判別元件，對(duì)多端直流線路故障的保護(hù)動(dòng)作和恢復(fù)運(yùn)行進(jìn)行了探討。

1 多端直流接線形式

多端直流系統(tǒng)的接線形式有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型3 種。因并聯(lián)接線方式易于控制，具有更大的調(diào)節(jié)范圍、絕緣配合簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)，目前投運(yùn)的工程多采用該方式。并聯(lián)連接的多端直流系統(tǒng)，其接線形式又可以分為環(huán)網(wǎng)式和放射式2 種，分別如圖1、2 所示。

圖1 環(huán)網(wǎng)式接線Fig.1 Ring connection

圖2 放射式接線Fig.2 Distributed connection

若忽略直流線路壓降，則各換流站運(yùn)行在相同的直流電壓下，只要選擇一個(gè)換流站控制維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行電壓，其他換流站則通過控制本站的直流電流來(lái)實(shí)現(xiàn)直流功率分配。

對(duì)于并聯(lián)環(huán)網(wǎng)型接線，當(dāng)某直流線路發(fā)生永久性故障退出時(shí)，通過隔離故障線路，可利用其他線路的過負(fù)荷能力，變成放射式使各站繼續(xù)運(yùn)行。對(duì)于并聯(lián)放射式接線，當(dāng)某直流線路故障時(shí)，可通過隔離故障線路及相關(guān)換流站，使正常部分換流站繼續(xù)運(yùn)行。由此可見，多端直流輸電系統(tǒng)的故障支路快速準(zhǔn)確判定和隔離，對(duì)多端直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

2 直流線路保護(hù)原理在多端直流線路保護(hù)的適用性研究

2.1 雙端直流線路保護(hù)原理

傳統(tǒng)雙端直流線路保護(hù)的配置見表1。配置了行波保護(hù)和低電壓保護(hù)作為主保護(hù)，用于金屬性接地故障的保護(hù)。配置縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)作為后備保護(hù)，用于金屬性接地故障和高阻接地故障。同時(shí)還配置了金屬回線橫差保護(hù)和縱差保護(hù)用于金屬回線的保護(hù)。

表1 直流線路保護(hù)配置Tab．1 Protection configurations of DC line

2.1.1 行波保護(hù)

行波保護(hù)的判據(jù)如式(1)所示:

式中:UdH、IdLH分別為直流線路的直流電壓和直流電流;Δ1、Δ2、Δ3分別為電壓微分、電壓變化量、電流變化量的整定值。當(dāng)上述3個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，則判定為直流線路故障。保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)線路重啟動(dòng)邏輯，若多次重啟動(dòng)不成功，則閉鎖直流。主要用于金屬性接地故障的保護(hù)，不適用高阻接地故障。

2.1.2 低電壓保護(hù)

低電壓保護(hù)的判據(jù)如式(2)所示:

當(dāng)上述2個(gè)條件同時(shí)滿足，則保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)線路重啟動(dòng)邏輯，若多次重啟動(dòng)不成功，則閉鎖直流。其中Δ1定值與行波保護(hù)相同，但電壓微分上升沿的延時(shí)比行波保護(hù)略長(zhǎng)，速度比行波保護(hù)略慢，但可靠性比行波保護(hù)略高。該原理也主要用于金屬性接地故障的保護(hù)，不適用于高阻接地故障。

2.1.3 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的判據(jù)如式(3)所示:

式中:IdLH為直流線路本側(cè)直流電流;IdLH_OST為直流線路對(duì)側(cè)直流電流。理論上，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)能保證絕對(duì)的選擇性，但實(shí)際上該差動(dòng)保護(hù)判據(jù)只是兩側(cè)電流的簡(jiǎn)單加和，未考慮線路分布電容電流，在暫態(tài)過程中判據(jù)不成立，因此需要設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)躲過暫態(tài)過程，導(dǎo)致動(dòng)作速度慢。作為線路保護(hù)的后備保護(hù)，主要用于高阻接地故障的保護(hù)。

2.1.4 金屬回線橫差保護(hù)

金屬回線橫差保護(hù)的判據(jù)如式(4)所示:

式中:IdLH_OP為金屬回線的直流電流;Δa為橫差保護(hù)整定值。該保護(hù)主要用于在單極金屬回線運(yùn)行模式下，發(fā)生在直流線路以及金屬回線上的接地故障。該保護(hù)不需要對(duì)側(cè)的數(shù)據(jù)，可在通信中斷的情況下，作為線路保護(hù)的后備保護(hù)。

2.1.5 金屬回線縱差保護(hù)

金屬回線縱差保護(hù)的判據(jù)如式(5)所示:

式中:IdLH_OP為金屬回線本側(cè)直流電流;IdLH_OP_OST為金屬回線對(duì)側(cè)直流電流;Δb為縱差保護(hù)整定值。該保護(hù)主要用于單極金屬回線運(yùn)行模式下，金屬回線的接地故障。與縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)一樣，需要設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)躲過故障的暫態(tài)過程，保護(hù)動(dòng)作速度慢。

2.2 多端直流線路保護(hù)的適用性

2.2.1 多端直流系統(tǒng)模型

多端直流系統(tǒng)模型如圖3 所示，為簡(jiǎn)單起見，且不失一般性，采用四端模型，其中換流站1 與換流站2 為整流站，整流站3 和整流站4 為逆變站。T1 和T2 為多端直流線路的T 接點(diǎn)，可在T 接點(diǎn)設(shè)置開關(guān)站或與相應(yīng)的換流站合并設(shè)置開關(guān)站。L1、L2、L3、L4 和L5 分別為支路AT1、BT1、CT2、DT2、T1T2 的長(zhǎng)度。SW11、SW12、SW21、SW22、SW31、SW32、SW41、SW42 為多端直流線路的開斷設(shè)備，可選擇直流斷路器、交流斷路器或快速直流開關(guān)。選擇直流斷路器，可實(shí)現(xiàn)不停電隔離故障，但成本昂貴。選用交流斷路器和快速直流開關(guān)成本較低，但需要短時(shí)停電?？筛鶕?jù)工程實(shí)際，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較選擇，F(xiàn)1、F2、F3 為假設(shè)線路故障點(diǎn)。

圖3 多端直流系統(tǒng)模型Fig.3 MTDC model

2.2.2 保護(hù)原理的適用性

對(duì)于多端直流，行波保護(hù)和低電壓保護(hù)只需要采集本站的數(shù)據(jù)，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)除采集本站數(shù)據(jù)外，還需要采集其他各站的數(shù)據(jù)。從上節(jié)保護(hù)原理判據(jù)可知，當(dāng)發(fā)生線路金屬性接地時(shí)，行波保護(hù)與低電壓保護(hù)的判據(jù)條件滿足。判斷為區(qū)內(nèi)故障，但無(wú)法判別故障支路。同理，當(dāng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)經(jīng)過長(zhǎng)延時(shí)可動(dòng)作，但也僅能判別是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障，無(wú)法判別故障支路。

保護(hù)動(dòng)作后，對(duì)各換流站同時(shí)啟動(dòng)線路重啟動(dòng)邏輯，如瞬時(shí)性故障，重啟動(dòng)后可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，如永久性故障，多次重啟動(dòng)失敗后，閉鎖直流。需要沿線查找判別故障點(diǎn)后，動(dòng)作相應(yīng)開關(guān)設(shè)備隔離故障，恢復(fù)正常部分的系統(tǒng)運(yùn)行。因此對(duì)多端直流線路保護(hù)，在應(yīng)用雙端直流線路保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，需要增加故障支路判別元件，從而快速定位隔離故障分支，恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。

3 多端直流線路故障支路判別方法

在各分支的T 接點(diǎn)處若設(shè)置高壓直流電流互感器，則可容易實(shí)現(xiàn)各故障支路的分區(qū)判別，但這需要增加多臺(tái)高壓直流光學(xué)電流互感器，成本高昂。本文在T 接點(diǎn)處不設(shè)置電流互感器，僅靠各換流站側(cè)接收到的故障行波構(gòu)造故障支路判據(jù)。

2.所有專業(yè)工種都必須結(jié)合工種和施工現(xiàn)場(chǎng)地形特點(diǎn)，加強(qiáng)崗前培訓(xùn)，系統(tǒng)掌握有關(guān)安全知識(shí)，并通過考核合格后持證上崗。

令v 為故障行波傳播速度，設(shè)t1，t2，t3，t4分別為故障行波到達(dá)A、B、C、D 這4個(gè)換流站所需要的時(shí)間。但對(duì)于保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，故障發(fā)生的時(shí)刻未知，因此t1，t2，t3，t4無(wú)法獲得，但各站接收到的故障行波的時(shí)間差值是可以計(jì)算得到。

構(gòu)造函數(shù):

(1)當(dāng)故障發(fā)生在AT1 支路，假設(shè)x 為故障點(diǎn)距離換流站1 的距離，有:

代入式(6)得:

(2)當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在BT1 支路，假設(shè)x 為故障點(diǎn)距離換流站2 的距離，有:

代入式(6)得:

(3)當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在其他支路時(shí)，有:

代入式(6)得:

因此可得判據(jù):

同理構(gòu)造函數(shù):

可得判據(jù):

綜合式(15)和式(17)，可得如表2 所示故障支路判據(jù)。

表2 故障支路判據(jù)Tab．2 Criterion of fault branch

該故障支路判據(jù)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，在線路保護(hù)動(dòng)作判定區(qū)內(nèi)故障后投入，能可靠判定故障支路，有利于快速故障隔離。

4 多端直流線路保護(hù)動(dòng)作及恢復(fù)運(yùn)行

多端直流具有運(yùn)行方式靈活，單一故障不影響其他正常系統(tǒng)功率輸送等特點(diǎn)。保護(hù)動(dòng)作的首要原則是切除和隔離故障，保證非故障系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生直流線路故障后，式(1)～(5)保護(hù)判據(jù)判定發(fā)生故障，經(jīng)式(15)和(17)判定故障支路，采取以下保護(hù)動(dòng)作行為。

(1)線路故障重啟動(dòng)。線路故障重啟動(dòng)邏輯，可以有效的消除瞬時(shí)性故障。任一換流站線路保護(hù)動(dòng)作應(yīng)向其他整流站發(fā)送線路保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。各整流站收到該信號(hào)后，執(zhí)行再啟動(dòng)邏輯。再啟動(dòng)邏輯的控制時(shí)序?yàn)?繼電保護(hù)檢測(cè)到區(qū)內(nèi)故障時(shí)，相應(yīng)極的所有整流站的觸發(fā)脈沖強(qiáng)制移相到120° ～150°，將整流站轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀冋具\(yùn)行，將直流線路的能量快速釋放，經(jīng)過一段去游離時(shí)間以確保故障點(diǎn)電弧熄滅，再解除強(qiáng)制移相并重啟動(dòng)。如一次重啟動(dòng)失敗，則表示故障依然存在，再進(jìn)行多次全壓重啟動(dòng)或一次降壓重啟動(dòng)，經(jīng)過設(shè)定的重啟動(dòng)次數(shù)仍失敗，則判定為永久故障，閉鎖直流。其中去游離時(shí)間應(yīng)確保多端直流的各換流站整定一致。

(2)直流閉鎖。為避免投旁通對(duì)后造成直流側(cè)短路，影響其他換流站的運(yùn)行。多端直流可采用如下閉鎖控制:整流站快速移相轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀冋具\(yùn)行，逆變站調(diào)整觸發(fā)角將直流電流降低，待直流電流接近于零時(shí)，閉鎖觸發(fā)脈沖，這有別于雙端直流直接投旁通對(duì)的閉鎖方法。

(3)故障隔離與恢復(fù)運(yùn)行。直流閉鎖后，應(yīng)快速隔離故障，然后恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。通過第3 節(jié)所述的故障支路判別方法可確定故障支路。故障隔離的控制方法為:判定永久性故障并且直流閉鎖后，發(fā)遠(yuǎn)跳命令將故障支路兩側(cè)的快速直流開關(guān)拉開，如圖4中的F1 點(diǎn)故障，則將SW11 和SW12 拉開，將故障點(diǎn)隔離;此時(shí)直流系統(tǒng)已閉鎖，無(wú)故障電流流通，采用交流斷路器或直流快速開關(guān)均能可靠斷開隔離故障點(diǎn);將換流站2、3、4 重新啟動(dòng);原四端直流轉(zhuǎn)變?yōu)槿酥绷骼^續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

(1)雙端直流線路保護(hù)原理在并聯(lián)型的多端直流系統(tǒng)中仍然適用，但為快速隔離故障恢復(fù)正常系統(tǒng)的運(yùn)行，需增加故障支路判別方法。

(2)表2 所示的故障行波的故障支路判別方法，判據(jù)簡(jiǎn)單、速度快，能可靠判別故障支路。

(3)多端直流的保護(hù)動(dòng)作經(jīng)線路故障重啟動(dòng)，可消除瞬時(shí)性故障。對(duì)于永久性故障，采用逆變側(cè)降電流的直流閉鎖方法，避免了投旁通對(duì)給系統(tǒng)造成的沖擊。通過判別故障支路，采用快速直流開關(guān)或交流斷路器等較廉價(jià)設(shè)備可替換直流斷路器實(shí)現(xiàn)故障隔離，恢復(fù)正常系統(tǒng)運(yùn)行。

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