高壓直流輸電保護定值整定流程的研究

高本鋒 張學偉 劉辛曄 董沛毅 張云曉 馬玉龍 趙書強

高壓直流輸電保護定值整定流程的研究

高本鋒1張學偉1劉辛曄1董沛毅1張云曉2馬玉龍2趙書強1

（1. 華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室 北京 102206 2. 國網北京經濟技術研究院 北京 102209）

由于高壓直流輸電的強非線性，其保護定值的整定難以通過解析計算進行，目前工程實際中多采用經驗值結合仿真驗證的方法。這種方法工作量大、整定效率低且容易遺漏某些故障情況。實際工程中已發生多次因保護定值設置不合理而導致的事故。針對這一現狀，本文從保護定值整定的角度出發，系統梳理了現有高壓直流輸電保護的特點，將其按照保護原理分為：線路保護、差動類保護、過負荷類保護、開關類保護、其它類保護。針對線路保護與差動類保護用于檢測特定故障的特點，提出基于故障特征量的整定流程。對于過負荷類、開關類和其它類保護，歸納總結了其整定流程。研發了高壓直流輸電保護定值整定系統，其具有定值自動整定、定值查詢與對比等功能，提高了高壓直流輸電保護定值整定的自動化程度。

高壓直流輸電 保護定值 整定流程 PSCAD/EMTDC

1 引言

高壓直流輸電因其輸電距離遠、輸送容量大以及控制靈活等特點，已經成為我國電網中的重要組成部分。目前，我國在建與投運的高壓直流輸電線路共計24條，其中國家電網公司16條，南方電網公司8條。預計到2020年，我國將發展成為以特高壓為骨干輸電網架，西電東送容量超過1.5億kW的巨型交直流電網。隨著高壓直流輸電系統規模的快速增長，其發生故障的頻率也逐漸增大，對整個電網帶來的影響也越來越嚴重[1]。

高壓直流輸電控制保護系統是高壓直流輸電系統的重要組成部分，其可控性高，快速調整潮流分布能力強，對于提高系統暫態和動態穩定性有重要作用[2]。其中，保護定值的合理性是控制保護系統的關鍵。與交流繼電保護定值整定不同，由于控制系統的作用，高壓直流輸電系統的故障響應特性復雜，高壓直流輸電保護定值整定中使用的故障極限值難以通過解析化的故障分析算法得到。實際工程中已多次出現因定值設置不合理導致的事故，如2001年天廣工程直流線路行波保護誤動[3]，2007年高肇直流因接地極過壓保護動作不當引起雙極閉鎖[4]，2007年興安工程接地極不平衡保護動作導致雙極閉鎖[5]等。

目前，高壓直流輸電保護定值整定主要以已有類似工程定值為基礎，通過聯調試驗驗證定值合理性并確定定值。現有文獻對于高壓直流輸電保護的研究多集中于保護新方法[6]，保護拒動、誤動分析[7,8]，保護軟硬件配置[9]等，缺乏關于保護定值整定的研究。文獻[10]以“整定預備量”為基礎，提出了一種僅適用于部分保護的定值整定方法，沒有形成針對所有保護的整定流程。

本文根據保護原理對高壓直流輸電系統保護進行分類。針對不同類型保護的特點，分別提出相應的整定流程，并通過典型保護的整定過程詳細說明不同整定流程的應用。依據整定流程，結合PSCAD/ EMTDC仿真程序，本文開發了高壓直流輸電保護定值整定系統，實現定值自動整定、定值對比、工程參數查詢等功能。

2 高壓直流輸電保護的分類方法

高壓直流輸電系統保護項目繁多且遍布系統的各個位置，單獨討論每個保護的整定方法工作量大且效率較低。將保護進行分類可以歸納出同類型保護的通用整定流程，提高整定效率，同時可以明確保護配合關系，便于進行定值的調整。因此，合理的保護分類方法是定值整定流程的基礎。

現有對高壓直流輸電保護分類的方法為保護分區，即按照保護配置的位置進行劃分。這種分類方法比較直觀，但除了位置接近以外，同一保護分區內的保護共同點較少，進行定值整定時，無法形成通用的整定流程。 而按照保護原理進行分類則可歸納出適用于各類保護的整定流程。

2.1高壓直流輸電保護分區

高壓直流輸電保護分區的原則為:影響單12脈動換流器正常運行的故障退出故障換流器；影響單極正常運行的故障退出故障極；雙極保護區的故障退出雙極，但要采取措施盡量避免雙極故障退出運行，保證運行的可靠性[11]。現有工程一般依照上述分區原則對高壓直流輸電保護進行分區，如圖1所示。

圖1 高壓直流輸電保護分區圖Fig.1 Protection zone of HVDC

由圖1可知，保護分區簡明，覆蓋各個區域。但保護分區的方法僅僅是對保護項目的初步分類，每個保護區內仍然存在著保護原理各異、整定方法不同的情況，例如極保護區中，極母線差動保護、極過負荷保護和中性母線開關保護的整定方法有明顯差異，無法形成統一的整定流程。為解決這一問題，本文提出根據保護原理分類的方法。

2.2基于保護原理的分類方法

按照以保護原理進行分類的原則，在詳細分析所有高壓直流輸電保護的保護原理的基礎上，將高壓直流輸電保護分為五類:線路保護，差動類保護，過負荷類保護，開關類保護及其它類保護，如表1所示。

行波保護與微分欠壓保護為直流輸電線路的主保護。這兩種保護的動作特性與原理相似，且明顯區別于其它保護，因此將兩者歸為一類。差動類保護占高壓直流輸電保護總數的30%，其速動段均為所在保護區域的主保護，并且各個差動保護的原理相同，因此將所有差動保護歸為一類。過負荷保護的目的都是保護設備免受過負荷造成的損傷，保護原理相似，因此歸為一類。高壓直流輸電系統中各個開關保護均與開關設備本身的特性相關，因此可歸為一類。剩余的保護項目原理各異，且多為后備保護，動作可能性小，統一歸為其它類保護。

表1 保護分類表Tab.1 The classification of protections

3 高壓直流輸電保護定值整定流程

根據不同類型保護的動作特性，分別制定相應的整定流程，共包括四種:基于故障特征量的整定流程，過負荷類保護整定流程，開關類保護整定流程和其它類保護整定流程。

3.1基于故障特征量的整定流程

故障特征量指系統發生故障時，存在明顯變化趨勢，并且能夠快速反映故障特征的電氣量。在交流輸電系統中，短路電流、短路電壓、零序電流、差動電流等均屬于故障特征量。交流保護就是以這些故障特征量為依據構成保護判據，并計算保護定值。這種交流保護整定方法主要適用于針對特定故障設立的保護，其突出特點是故障嚴重程度直接影響定值。

參考交流保護的整定方法，將故障特征量應用于高壓直流輸電保護整定中，提出基于故障特征量的整定流程。該整定流程適用于線路保護與差動類保護。

在高壓直流輸電系統中，典型的故障特征量包括直流電壓幅值、直流電流、直流電壓變化率和差動電流等。保護分類中，線路保護與差動類保護是針對特定故障設置的保護。線路保護用于檢測直流輸電線路上發生的接地故障，通過測量直流線路電壓與直流線路電流構成判據；差動類保護用于檢測所在區域的接地故障，通過測量差動電流構成判據。基于故障特征量的整定流程如圖2所示。

基于故障特征量的整定流程中，影響因素分析與仿真條件制定是核心，主要研究方法為PSCAD/ EMTDC時域仿真。影響因素分析包括兩個方面，分析故障特征量在同一類型故障期間的變化趨勢與歸納故障特征量在不同類型故障下的變化規律。通過影響因素分析，找出影響保護定值的故障，確定這些故障的基本信息，如故障位置、接地電阻和系統運行方式等。依據故障對保護定值的影響程度制定仿真條件。一般嚴重故障對定值影響小，輕微故障對定值影響大，因此制定仿真條件時重點考慮輕微故障。由于直流系統非線性的特點，定值校驗不宜采用靈敏度系數計算等方法，可采用定值代入仿真模型，驗證動作情況的方法。保證區內故障正確動作，區外故障正確不動作即可。

圖2 基于故障特征量整定流程圖Fig.2 Setting process diagram based on fault feature

根據影響因素分析確定的仿真條件具有通用性，即不同工程中同一種保護的整定可使用相同的仿真條件。因此，應用該整定流程對多個工程進行整定時，同一種保護的影響因素分析只需進行一次，減少了工作量，顯著提高整定效率。

3.2過負荷類保護整定流程

過負荷類保護屬于設備保護的一種，主要保護換流器、接地極和直流濾波器等一次設備免受過電流或過電壓造成的損傷。過負荷類保護整定流程如圖3所示。

圖3 過負荷類保護整定流程圖Fig.3 Setting process diagram of overload protection

過負荷類保護的定值由一次設備參數與設備耐受過負荷能力決定。因此，收集廠家提供的一次設備參數與設備耐過負荷能力對于過負荷類保護的整定尤為關鍵。過負荷類保護一般設置多段，以滿足各種保護配合要求，包括各過負荷保護間的配合與作為后備保護時，與對應主保護之間的配合。根據設備不同時間耐過負荷能力，按照反時限特性與各段保護設置目的分別整定各段定值。過負荷類保護的定值應能夠躲過高壓直流輸電系統運行中可能產生的擾動。特別是避免在交流系統擾動引發換相失敗時，保護誤動導致直流閉鎖[12]。

由于過負荷類保護并不是用來檢測特定故障，因此校驗定值時不采用設置區內故障驗證保護能否正確動作的方法，而是驗證能否躲過區外故障造成的擾動。若無法躲過擾動，則根據故障錄波適當調整定值與延時設置。校驗無誤動后即可確定定值。

3.3開關類保護整定流程

高壓直流輸電系統中的直流開關設備主要用于直流輸電系統運行方式的轉換、故障的清除，以及檢修隔離等目的[13]。發出跳閘指令后，保護通過檢測流過開關設備的電流判斷開關是否跳閘失敗，電流大于定值且滿足延時要求時認定為跳閘失敗。在確認跳閘失敗后向開關設備發送重合閘指令以保護開關設備免受損傷。不同廠家生產的開關設備的特性不同，其定值整定也應靈活應對。

開關類保護整定過程中，定值整定主要以開關設備特性為依據，延時設置則以保護配合要求與開關操作時間為依據。收集開關設備參數是開關類保護整定的基礎，主要包括:開關開斷能力、開關承受開斷失敗能力、開關操作時間。由于開關設備具有轉換系統運行方式的特殊作用，還應考慮系統運行方式轉換時的開關動作順序，避免因定值與延時設置不合理導致的開關頻繁動作。開關類保護整定流程歸納如下:

（1）收集開關設備參數；

（2）依據開關開斷能力與承受開斷失敗能力整定定值；

（3）依據開關操作時間與保護配合要求整定保護延時；

（4）根據開關動作順序調整定值。

3.4其它類保護整定流程

其它類保護中，保護的目的與原理不同，且保護所處位置相對獨立，聯系不密切，因此在整定過程中不僅要考慮共同點，還要考慮保護自身的特點。

這類保護多作為系統的后備保護，其共同點包括配合關系復雜、延時設置長和受控制系統影響等。保護配合關系與控制系統影響是決定其它類保護定值與延時設置的關鍵因素。在其他類保護中，部分保護需要與多個保護進行配合，整定過程不應遺漏，如直流低電壓保護需與行波保護、微分欠壓保護、線路差動保護等保護配合；部分保護只在特殊運行方式下投運，整定過程中考慮相應運行方式的影響即可，如換流變閥側中性點偏移保護僅在換流器閉鎖時投入。同時，保護還應能夠躲過各類區外故障造成的擾動，避免雙極閉鎖等嚴重事故的發生。其它類保護整定流程歸納如下:

（1）明確保護目的與保護原理；（2）根據配合關系與投運情況整定定值；（3）驗證保護能否躲過系統運行中的擾動。

4 高壓直流輸電保護定值整定流程的應用

本節以向上工程保護配置為基礎，選取典型保護項目，分別說明各類保護整定流程的應用。向上工程的主要參數為，額定電壓±800kV，額定電流4kA，每級采用雙12脈動換流器組。文中涉及的PSCAD/EMTDC模型均嚴格參照向上工程實際參數搭建。

4.1基于故障特征量的整定流程的應用

根據3.1所述，基于故障特征量的整定流程適用于針對特定故障的保護，即線路保護與差動類保護。下面以行波保護為例說明基于故障特征量的整定流程的應用。

4.1.1 保護判據分析

行波保護是高壓直流輸電線路的主保護，主要用于檢測直流線路上的接地故障，通過測量直流線路電壓與直流線路電流實現故障判斷。典型行波保護判據如式（1）所示。

式中，k1，k2為保護定值。P為極波，Gwav為地模波，二者由所測直流電壓與直流電流經變換得到，其表達式分別如式（2）與式（3）所示。

式中，Zα為極波波阻抗，Z0為地模波波阻抗，分別由輸電線路材料性質與大地導體性質決定。IEL為流入接地極電流，ICN1、ICN2分別為極1、極2中性母線接地電容沖擊電流，UdL1、UdL2分別為極1、極2線路直流電壓。

行波保護判據中，極波變化率的作用是判斷直流線路上是否發生接地故障，正常運行時極波變化率幾乎為零，當線路故障時極波變化率會迅速升高；地模波變化量的作用是區分故障所在極，排除對極故障對本極保護造成的擾動。極波變化率與地模波變化量同時大于整定值則行波保護動作[14]。根據行波保護判據形式與動作原理，選擇極波變化率作為行波保護整定過程中的故障特征量，繼續采用本流程對其進行整定。地模波變化量作為故障選極判據，根據經驗值整定，并驗證其能否區分故障極即可。

4.1.2 影響因素分析與仿真條件制定

根據行波傳播特性與高壓直流輸電系統自身特點可知，影響極波變化率的主要因素包括:故障位置，接地電阻，系統運行方式[15]。其中，故障位置指故障點距保護測量點的距離。極波變化率主要用于檢測各種區內故障，因此分析其在區內故障下的影響因素。實際保護裝置采樣頻率為10kHz，在計算變化率時以差分代替微分。保護測點設在直流線路首端。故障初始階段極波變化率將迅速升高，通過分析極波變化率幅值的變化趨勢，可得到極波變化率的影響因素，如圖4所示。圖中故障位置指故障點距保護測點距離占直流線路總長的百分比。

圖4 故障特征量對比圖Fig.4 Comparison of fault feature

由圖4（a）可知，隨著故障點距保護測點的距離增大，極波變化率幅值總體呈下降趨勢。在故障點距離逆變側較近時，受逆變側直流濾波器放電的影響，極波變化率幅值有小幅度上升。由圖4（b）可知，故障點有接地電阻存在時，極波變化率幅值明顯降低。由圖4（c）與圖4（d）可知，運行方式對極波變化率幅值的影響主要體現為，運行電壓越高，極波變化率幅值越大。

制定仿真條件時，應能夠包含區內最輕微故障情況，即極波變化率幅值最低的情況，以保證行波保護的靈敏度要求。根據上述影響因素分析，制定仿真條件如下:故障點設置在線路后50%范圍內，按距離平均設置10個故障點；故障點接地電阻100歐姆；運行方式選擇雙極800kV，單極大地回線，單極金屬回線，雙極400kV，本級400kV對極800kV。

4.1.3 PSCAD/EMTDC仿真

在參照向上工程參數搭建的PSCAD/EMTDC模型中，搭建行波保護模型，根據4.1.2所述仿真條件設置故障點。行波保護屬于超高速動作的保護，保存故障時刻起20ms內故障特征量數據即可。仿真過程中，應用PSCAD/EMTDC的snapshot及multiple run功能，排除無效數據，減少工作量，實現仿真過程自動化。

4.1.4 整定計算

行波保護整定原則為保護線路全長，并且能夠檢測到各種區內故障，特別是能夠檢測到區內最輕微故障。從PSCAD/EMTDC中提取極波變化率仿真數據，經過數據處理環節得到極波變化率幅值。篩選出各種故障條件下的極波變化率幅值中的最小值，除以可靠系數（一般取1.1～1.3），得到最終整定值。由于運行電壓變化會對極波變化率幅值產生較大影響，因此對于電壓等級不同的工況應分開整定，保證各種工況下的保護靈敏度與可靠性。以上計算過程均可在本文第5部分開發的高壓直流輸電保護定值整定系統中實現。

4.1.5 校驗定值合理性

在行波保護仿真模型中采用本文4.1.4中計算得到的整定值，驗證其在故障時的動作情況。整定過程采取保護線路全長的原則，并以區內最輕微故障作為定值計算依據，因此校驗過程重點在于檢驗區外故障是否發生誤動。設置如下區外故障:整流側平波電抗器閥側金屬接地，逆變側平波電抗器閥側金屬接地，整流側交流母線三相短路，逆變側交流母線三相短路和對極線路金屬接地。

4.2過負荷類保護整定流程的應用

以閥組過流保護為例說明過負荷類保護整定流程的應用。閥組過流保護用于保護換流器設備免受過電流造成的損傷。根據過負荷類保護整定流程，首先應收集換流器設備參數及其耐過流能力。參照向上工程閥組過流保護的設置情況，保護設快速段和慢速段，判據形式如式（4）所示。

式中，IVY為Y橋換流器交流側三相電流，IVD為D橋換流器交流側三相電流，ILV為換流器直流出口低壓側電流，Iset為保護定值。

保護快速段整定時，以換流器能承受的極限電流為依據，設置高定值、低延時；保護慢速段整定時，以系統額定電流為依據，結合安全裕度與工程經驗，設置低定值、高延時。保護位于逆變側時，還應考慮躲過換相失敗造成的瞬間擾動，在原延時基礎上增設延時時間。本例中，快速段定值設為11kA，延時4ms；慢速段定值設為7kA，延時50ms。

設置區外故障驗證定值與延時設置能否躲過擾動。對于閥組過流保護，其區外故障包括:交流母線單相金屬接地，交流母線三相短路，本極直流線路出口金屬接地和對極直流線路出口金屬接地。在PSCAD/EMTDC模型中設置故障進行驗證，若保護能夠躲過區外故障造成的擾動，則可確定定值。

4.3開關類保護整定流程的應用

以轉換開關保護為例說明開關類保護整定流程的應用。轉換開關包括大地回線轉換開關和金屬回線轉換開關，主要用于單極大地回線與單極金屬回線這兩種運行方式之間的轉換。根據開關類保護整定流程，首先應收集轉換開關設備參數，并明確保護判據。大地回線轉換開關保護與金屬回線轉換開關保護判據分別如式（5）與式（6）所示。

式中，IDEL為接地極電流，IDME為金屬回線電流，Iset為保護定值。

以開關設備承受能力以及躲過電流互感器最大誤差為主要整定原則，保護定值在留有安全裕度的基礎上盡可能取較小值。參考轉換開關設備參數，在開關操作時間的基礎上設置動作延時。在運行方式轉換過程中，轉換開關會出現同時閉合的情況，據此調整定值。對于大地回線轉換開關保護，定值應小于轉換開關同時閉合時流過大地回路的最小電流；對于金屬回線轉換開關保護，定值應小于轉換開關同時閉合時流過金屬回路的最小電流。本例中，轉換開關保護定值為75A，動作延時140ms。

4.3其它類保護整定流程的應用

以接地極引線不平衡保護為例說明其它類保護整定流程的應用。接地極引線不平衡保護通過測量兩接地極引線間的電流差，判斷接地極引線的接地故障或開路故障。保護判據如式（7）所示。

式中，IDEL1為接地極引線1電流，IDEL2為接地極引線2電流，Iset為保護定值。

高壓直流輸電系統在雙極對稱運行時，流過接地極引線的電流非常小，此時接地極引線不平衡保護不起作用。因此，整定過程主要考慮雙極不平衡運行與單極大地運行兩種工況的影響。保護定值由接地極引線耐過流能力得出，動作延時設定由運行方式決定。雙極不平衡運行時，動作延時應大于調節雙極電流平衡時間；單極大地運行時，動作延時應大于直流線路重啟時間[16]。本例中，保護定值100A，動作延時1s。

5 高壓直流輸電保護定值整定系統

在對高壓直流輸電保護定值整定流程研究的基礎上，本文研發了高壓直流輸電保護定值整定系統。該系統采用C#語言開發，通過windows系統的ini文件存儲運行參數，參數修改與數據錄入方便快捷。高壓直流輸電保護定值整定系統結構如圖5所示。

該系統需要輸入的數據包括:PSCAD/EMTDC仿真模型主參數，仿真數據，保護整定所需一次設備參數。各類數據按照統一格式存儲到相應目錄下，該系統即可讀取數據，實現自動整定。其中，PSCAD/ EMTDC仿真模型也應按照要求設定測點與通道名稱。輸入仿真模型存儲路徑后，即可實現該系統對模型的直接調用。為貼近工程實際，方便運行人員使用，該系統仍采用保護分區的形式顯示整定結果。定值整定系統部分界面如圖6所示。

圖5 高壓直流輸電定值整定系統結構圖Fig.5 Structure of HVDC value setting system

圖6 高壓直流輸電保護定值整定系統界面Fig.6 Interface of HVDC value setting system

除自動整定功能外，該系統還加入了波形顯示、定值對比、定值單生成等功能。考慮到運行與設計人員的需要，該系統還嵌入了實際工程參數與保護定值數據庫，實現了實際工程參數與保護定值的查詢對比功能。

6 結論

本文在深入研究高壓直流輸電系統各個保護的基礎上，按照保護原理對保護項目進行分類，針對不同保護類型的特點提出相應的整定流程。結論如下:

1）按照保護原理將高壓直流輸電所有保護分為五類:線路保護，差動類保護，過負荷類保護，開關類保護和其它類保護。

2）根據線路保護與差動類保護針對特定故障設置的特點，提出基于故障特征量的整定流程；根據設備過負荷能力決定過負荷類保護定值的特點，提出過負荷類保護整定流程；根據開關特性決定開關類保護定值的特點，提出開關類保護整定流程；根據其他類保護作為后備保護的共同點，提出其他類保護整定流程。以典型保護為例說明了各個整定流程的應用。

3）以整定流程為基礎，研發了高壓直流輸電保護定值整定系統，實現了定值整定的自動化、定值查詢與對比等功能，目前該系統已成功應用于工程實際。

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Research of HVDC Protection Value Setting Process

Gao Benfeng1 Zhang Xuewei1 Liu Xinye1 Dong Peiyi1 Zhang Yunxiao2 Ma Yulong2 Zhao Shuqiang1
（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. State Power Economic Research Institute Beijing 102209 China）

HVDC protection value setting is difficult to be analytically calculated, because of its strong nonlinearity. So far, the combination of empirical value and simulational verification is the most available method used in actual project. However, the method may induce large workload, low setting efficiency, and possibility of neglecting some faults. And accidents caused by irrationally protection value setting have repeatedly taken place in actual projects. In view of the current situation, the characters of present protections are systematically summarized from the perspective of value setting. According to protection principles, all present protections are classified into line protection, differential protection, overload protection, switch protection and other protection. Aiming at the character of line protection and differential protection that detects certain fault, the setting process based on fault feature is proposed. The setting processes for other three categories are generalized. The system of HVDC protection value setting, which has the function of automatic value setting, value inquiry and value comparison, is developed to improve the automatic degree of HVDC protection value setting.

HVDC, protection value, setting process, PSCAD/EMTDC

TM315

高本鋒 男，1981年生，博士，研究方向為高壓直流輸電和電力系統穩定性分析。

2014-09-10

張學偉 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為高壓直流輸電。