高壓直流雙線并聯運行故障選線策略

張 棟，楊建明，盧 宇，吳林平，趙文強

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京 211102)

高壓直流輸電的運行方式一般有雙極大地回線方式、金屬回線方式、單極大地回線方式[1，2]。某些特殊的工程前期只建設了1個極的換流閥設備卻具備2條直流輸電線路。此時為了節省直流輸電線路的線損，會產生2條直流輸電線路并聯的單極大地回線運行方式。在高壓直流雙線并聯運行方式線路保護動作時，運行人員不能識別接地故障發生在哪條直流輸電線路。雖然每條直流輸電線路分別配置1臺線路故障定位裝置能解決此問題，但不僅增加投資成本，而且由于高壓直流并聯運行方式設2臺線路故障定位裝置要求將專用的電流互感器分別安裝在2條直流輸電線路上，也給現場安裝帶來了困擾[3，4]。針對此情況，在總結交流不接地系統的小電流接地選線經驗的基礎上[5-8]，提出了雙線并聯運行故障選線策略。

1 高壓直流輸電運行方式

1.1 雙極大地回線方式

如圖1所示的雙極大地回線運行方式是高壓直流輸電系統最常用的運行方式之一。其中極一直流線路對地電壓為正值，極二直流線路對地電壓為負值。直流電流的流向為：整流側極一換流閥——極一直流線路——逆變側極一換流閥——逆變側極二換流閥——極二直流線路——整流側極二換流閥——整流側極一換流閥。兩站的接地極沒有電流流過，這種方式輸送功率大，對環境影響小而被廣泛采用。

圖1 雙極大地回線運行方式

1.2 金屬回線方式

如圖2所示的金屬回線運行方式是在接地極發生故障的情況下使用。其一極處于閉鎖狀態，另外一極處于運行狀態。極一運行的電流回路為：整流側極一換流閥——極一直流線路——逆變側極一換流閥——極二直流線路——整流側極一換流閥。

圖2 金屬回線運行方式

1.3 單極大地方式

如圖3所示的極一單極大地回線運行方式是在極二因故障停運的情況下而經常采用的方式。其電流回路為：整流側極一換流閥——極一直流線路——逆變側極一換流閥——大地——整流側極一換流閥。

圖3 單極大地回線運行方式

在極二換流閥設備未建設但是直流線路已經架設好的情況下，為了節約線路損耗會出現如圖4所示的高壓直流雙線并聯運行方式。其電流回路為整流側極一換流閥——極一直流線路和極二直流線路——逆變側極一換流閥——大地——整流側極一換流閥。

圖4 高壓直流雙線并聯運行方式

2 不同故障位置的故障特征

高壓直流雙線并聯運行的線路測點及故障點如圖5所示。其中：F1為直流線路1靠近整流側接地故障；F2為直流線路1靠近逆變側接地故障；F3為直流線路2靠近整流側接地故障；F4為直流線路2靠近逆變側接地故障；UDL為直流線路電壓；IL1為線路1電流；IL2為線路2電流；線路電流IL1以及IL2旁邊的箭頭表示電流的極性。假定正常運行時，整流側和逆變側兩端直流電壓和直流電流極性都為正方向。

圖5 直流線路測點及故障點

當F1故障永久發生時，故障開始瞬間，故障點的行波沿著線路向線路兩端傳播，在故障波第一次到達線路一測點處，其電壓和電流的關系符合式（1）。

在后續的暫態過程中，受極母線對故障波的反射以及從逆變側通過線路2傳回來的故障波的影響，線路1上呈現復雜的疊加過程。因為F1故障點接近整流側，所以采集直流電路電壓的直流分壓器相當于直接接地短路，其穩態電壓值直線下降至零并且不會出現正負極性的變化；由于整流側直流電壓的下降，控制系統的低壓限流環節起作用將線路1電流的大小穩定在低壓限流環節所設定的參考值[9，10]，此低壓限流環節在故障發生瞬間所起的作用不大，主要是控制故障持續期間的穩態故障電流。至于直流線路2，其等價于一個在正常運行時已經充電的電容，F1故障發生時，線路2電容對故障點放電，因此整流側線路2電流在故障一開始立馬反向，經歷振蕩之后線路2電容放電完畢時下降至零。逆變側在F1故障開始瞬間，故障的入射波和反射波疊加產生直流電壓和直流電流的振蕩。從逆變側沿著2條直流線路到F1故障點的距離接近，因此逆變側2條線路的電流對故障點的響應基本一致。2條線路放電完畢之后，逆變側2條線路的電流也消失，逆變側直流電壓由于線路接地其最終也會減小至零。F1故障具體波形如圖6所示。

圖6 F1接地故障特征

圖6 顯示，F1故障時逆變側2條線路電流的故障特征極其相似，無法根據逆變側2條直流線路電流來識別故障線路，故只能依賴整流側2條直流線路電流的差別來識別。

當F2故障永久發生時，如果直流線路保護不動作，整流側直流電壓的下降觸發控制系統的低壓限流環節起作用，將2條直流線路電流的之和穩定在低壓限流環節所設定的參考值。由于故障靠近逆變側，從整流側沿著2條直流線路到F2故障點的距離相近，IL1和IL2的故障響應差別很小，因此無論是暫態過程還是故障后的穩態過程，2條線路電流的變化趨勢與大小及其相似，最終每一條線路承擔低壓限流環節設定故障穩態電流參考值的一半。對于逆變側因為直流線路1發生了永久接地故障，切斷了整流側通過直流線路1傳輸電流的通道，所以直流線路1的電流不可能從整流側傳輸至逆變側。線路1電流急劇減小并反向。然而直流線路2完好無損，從整流側傳輸過來的電流通過逆變側直流線路2再經過直流線路1流入F2故障點。因此處于穩態后，逆變側IL1為負值，IL2為正值，流電壓UDL，兩者穩定后的大小相等并且都等于整流側直流線路2的穩態電流。逆變側的直流線路電壓從1標幺值減小至零。對于F2故障發生時，整流側和逆變側的直流電流和直流電壓響應如圖7所示。

圖7 F2接地故障特征

圖7 顯示，F2故障時整流側的2條線路電流的故障特征極其相似，無法根據整流側2條直流線路電流來識別故障線路，只能依賴逆變側2條直流線路電流的差別來識別。

由于直流線路2與直流線路1的等價關系，F3處發生故障時，直流電壓的特征與在F1發生故障時的直流電壓特征相似，線路1電流的特征與在F1發生故障時線路2電流的特征相似，線路2電流的特征與在F1發生故障時線路1電流的特征相似。F4處發生故障時，直流電壓的特征與在F2發生故障時的直流電壓特征相似，線路1電流的特征與在F2發生故障時線路2電流的特征相似，線路2電流的特征與在F2發生故障時線路1電流的特征相似。

3 雙線并聯運行故障選線策略

目前研究和應用高壓直流輸電線路保護主要包含2類：一是利用電壓電流暫態量特征設置的不帶延時的主保護，例如行波保護和電壓突變量保護[11-13]；另一是利用電壓電流穩態量特征構建的延時較長的后備保護，例如線路低電壓保護和線路縱差保護[14]。主保護一般在線路金屬接地時動作，后備保護一般在線路高阻接地時以及永久金屬接地故障時后續動作。考慮到2種保護動作時間和故障特征上的差異以及穩態故障電流在整流側和逆變側表現的不同特征，文中將高壓直流故障選線邏輯細化成高壓直流暫態故障選線邏輯，整流側穩態故障選線邏輯以及逆變側穩態故障選線邏輯3個子邏輯。

3.1 高壓直流暫態故障選線策略

高壓直流暫態故障選線邏輯與利用電壓電流暫態量特征設置的不帶延時的線路主保護相配合。在主保護動作時，高壓直流暫態故障選線邏輯零延時動作，其實現步驟如下。

采集本條直流線路電流之后，先計算其T0時間內本條直流線路電流的變化率平均值d U/d T0，然后整流側將d U/d T0直接送入比較器分別與電流方向定值（Iset）及其相反數進行比較，而逆變側將d U/d T0取反后再送入比較器分別與Iset和及其相反數進行比較。整流側當d U/d T0大于Iset并且持續時間大于時間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向為正；當d U/d T0小于Iset的相反數并且持續的時間大于時間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向為負。逆變側當d U/d T0的相反數大于Iset并且持續時間大于時間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向為正；當d U/d T0的相反數小于Iset的相反數并且持續的時間大于時間T1，則判定本條直流線路電流的變化方向為負。

其次計算本條直流線路電流的變化幅度，當前時刻本條直流線路電流的值減去時間T02之前本條直流線路電流的值即為本條直流線路電流的變化量（ΔI）。整流側本條直流線路電流的變化幅度等于本條直流線路電流的ΔI，逆變側本條直流線路電流的變化幅度等于本條直流線路電流的變化量的相反數-ΔI。

高壓直流暫態故障選線邏輯（如圖8所示）如下：（1）本條直流線路電流的變化方向為正；（2）本條直流線路電流在時間T02內的變化幅度大于變化幅度定值；（3）從時間Ts前到當前時刻，本條直流線路電流的變化方向沒有出現負值；（4）另外一條直流線路的高壓直流暫態故障選線邏輯沒有滿足條件 （1）、（2）、（3）；（5） 上述 （1）、（2）、（3）、（4） 4 個條件都滿足并且持續時間不小于時間T2；（6）高壓直流暫態故障選線邏輯接收到暫不帶延時的主保護動作信號。

圖8 暫態故障選線邏輯

3.2 整流側穩態故障選線策略

整流側穩態故障選線邏輯（如圖9所示）如下：（1）本條直流線路電流減去另外一條直流線路電流的差值大于差值定值；（2）功率正送時直流線路電壓小于電壓定值或者功率反送時直流線路電壓的相反數小于電壓定值；（3）本條直流線路電流大于電流下限定值；（4）本條直流線路電流小于電流上限定值；（5）上述（1）、（2）、（3）、（4）4 個條件都滿足并持續時間不小于時間T3；（6）整流側穩態故障選線邏輯接收到延時較長的后備保護動作信號。

圖9 整流側穩態故障選線邏輯

3.3 逆變側穩態故障選線策略

逆變側穩態故障選線邏輯 （如圖10所示）如下：（1）功率正送時直流線路電壓小于電壓定值或者功率反送時直流線路電壓的相反數小于電壓定值；（2）另外一條直流線路電流大于電流正向定值；（3）本條直流線路電流小于電流負向定值；（4） 上述（1），（2），（3）3個條件都滿足并且持續的時間不小于時間T4。

圖10 逆變側穩態故障選線邏輯

4 仿真

為了驗證所提出的故障選線策略的正確性，搭建了RTDS數字仿真模型，并在投入線路重啟動功能之后模擬如圖5所示的F1、F2故障，得到故障選線試驗結果如圖11和圖12所示。

圖11 發生F1故障時選線策略結果

從圖11可以看出，在F1故障永久發生時，高壓直流暫態故障選線邏輯配合瞬時性的主保護準確動作識別故障線路。在后續直流線路重啟動過程中，整流側暫態故障選線邏輯配合延時較長的后備保護動作識別故障線路。

圖12 發生F2故障時選線策略結果

從圖12可以看出在F2故障永久發生時，高壓直流暫態故障選線邏輯配合瞬時性的主保護準確動作識別故障線路。在后續直流線路重啟動過程中，逆變側暫態故障選線邏輯配合延時較長的后備保護動作識別故障線路。

5 結束語

綜上所述，文中設計的故障選線策略可用于高壓直流雙線并聯運行方式中。故障選線策略的應用解決了運行人員只知道發生了線路故障但不能識別故障線路的問題。通過分析線路故障特征將選線邏輯分成高壓直流暫態故障選線邏輯、整流側穩態故障選線邏輯以及逆變側穩態故障選線邏輯，搭建RTDS數字仿真系統驗證了改故障選線策略的正確性，并成功地應用于海外某直流輸電工程。

[1]趙婉君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004：71-75.

[2]戴熙杰.直流輸電基礎[M].北京：水利電力出版社，1990：133-138.

[3]謝 菁，陳 平.直流輸電線路行波故障測距系統[J].山東理工大學學報，2006，20(3)：47-50.

[4]宋國兵，周德生，焦在濱，等.一種直流輸電線路故障測距新原理[J].電力系統自動化，2007，31(24)：57-61.

[5]陶利國，許云峰.采用數字技術的小電流接地選線和故障定位裝置[J].電力系統保護與控制，2010，38(7)：86-90.

[6]許小兵，董麗金，袁 棟.智能變電站小電流接地選線裝置的研究與實現[J].江蘇電機工程，2013，32(5)：55-58.

[7]任建文，孫文武，周 明，等.基于數學形態學的配電網單相接地故障暫態選線算法[J].電力系統自動化，2008，32(1)：70-75.

[8]董新洲，畢見廣.配電線路暫態行波的分析和接地選線研究[J].中國電機工程學報，2005，25(4)：1-6.

[9]付 穎，羅隆福，童 澤，等.直流輸電控制器低壓限流環節的研究[J].高電壓技術，2008，34(6)：1110-1114.

[10]韓昆侖，蔡澤祥，徐 敏，等.直流線路行波保護特征量動態特性與整定研究網[J].電網技術，2013，37(1)：255-260.

[11]宋國兵，高淑萍，蔡新雷，等.高壓直流輸電線路繼電保護技術綜述[J].電力系統自動化，2012，36(22)：123-129.

[12]陳仕龍，張 杰，畢貴紅，等.基于小波分析的特高壓直流輸電線路雙端電壓暫態保護[J].電網技術，2013，37(10)：2720-2725.

[13]于 洋，劉 建，哈恒旭，等.雙極高壓直流輸電線路行波差動保護原理及方案[J].南方電網技術，2011，5(2)：40-44.

[14]雒 錚，朱韜析.直流線路后備保護研究[J].廣東輸電與變電技術，2010，12(6)：1-6.