交直流混聯(lián)系統(tǒng)對(duì)交流電網(wǎng)繼電保護(hù)影響綜述

李振興，葉詩(shī)韻，譚洪，王玲，孟曉星

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心（三峽大學(xué)），湖北宜昌 443002）

我國(guó)煤炭資源的日漸枯竭使新能源得到大力發(fā)展與支持。太陽(yáng)能、風(fēng)能廣泛分布在西北地區(qū)，水能分布在西南地區(qū)，而大負(fù)荷中心往往集中在華中與華東地區(qū)[1-3]。能源分布決定交直流混聯(lián)電網(wǎng)具有極其廣泛的應(yīng)用前景，特高壓輸電中，當(dāng)距離超過(guò)800 km時(shí)，不加串補(bǔ)的交流輸電線路不能滿足其自然功率；當(dāng)距離超過(guò)1 600 km時(shí)，在特高壓交流輸電線路，需考慮50%的串聯(lián)補(bǔ)償，其線路的輸送容量也無(wú)法超過(guò)其自然功率5 000 MW[4]。在遠(yuǎn)距離輸電中，要求電力輸送滿足容量大、損耗小、線路造價(jià)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等。相比較于特高壓交流輸電，直流輸電具有更高的輸電能力和輸電效率，直流輸電顯著地發(fā)揮了能源資源優(yōu)化配置的作用。

高壓直流輸電在我國(guó)起步較晚，“西電東送”使得直流輸電在我國(guó)迅速發(fā)展。2010年6月，云南-廣州±800 kV特高壓直流輸電工程正式投運(yùn)，向家壩-上?！?00 kV、錦屏-蘇南±800 kV等特高壓直流輸電工程陸續(xù)投運(yùn)。截止2016年9月，已有6項(xiàng)特高壓直流工程投運(yùn)，開(kāi)工在建8項(xiàng)。特高壓直流輸電伴隨交流-直流-交流的轉(zhuǎn)換，目前國(guó)內(nèi)逐漸形成的交直流混聯(lián)格局使得交直流系統(tǒng)間相互轉(zhuǎn)換更加頻繁。相比于純交流或純直流輸電，交直流混聯(lián)的故障特征明顯不同，傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在對(duì)故障特性判斷不明確的問(wèn)題，其保護(hù)可靠性能降低，嚴(yán)重影響交直流混聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。在交直流混聯(lián)系統(tǒng)繼電保護(hù)中對(duì)故障特性進(jìn)行分析并采取對(duì)策有著重要意義。本文將從以下幾個(gè)內(nèi)容總結(jié)綜述。

1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)故障特征

交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，由整流站與逆變站結(jié)合完成交直流間的轉(zhuǎn)換。如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要分為送端系統(tǒng)（與整流站密切關(guān)聯(lián)）、直流部分、受端系統(tǒng)（與逆變站密切關(guān)聯(lián)）。與純交流系統(tǒng)不同的是，換流站電力電子器件的非線性和直流控制的快速穩(wěn)定響應(yīng)特性都可能影響交流系統(tǒng)[5]，且直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的地理位置與電氣位置都很接近，其故障特征更為復(fù)雜。包括交、直流故障、換流閥動(dòng)作、負(fù)荷變化等在內(nèi)一系列動(dòng)作產(chǎn)生的電磁暫態(tài)都會(huì)影響交流與直流系統(tǒng)，甚至是換相失敗等嚴(yán)重事故[6]。其中與逆變站相連的受端系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)外電源依賴性最強(qiáng)，導(dǎo)致故障時(shí)自身的調(diào)頻調(diào)壓能力顯著下降，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖1 交直流混聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The AC-DC simulation system

其次，逆變站極易受受端交流電網(wǎng)故障的影響，當(dāng)交流線路故障時(shí)引起逆變器換相失敗的可能性非常大。又由于直流系統(tǒng)具有快速調(diào)節(jié)能力，在換相失敗過(guò)程中對(duì)交流系統(tǒng)有巨大沖擊，對(duì)于原有交流繼電保護(hù)所設(shè)的時(shí)序配合與工況帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)對(duì)變化量方向元件、距離元件、零序元件等保護(hù)元件和電流互感器傳變性能產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[7]具體分析總結(jié)了交直流混聯(lián)系統(tǒng)中換相失敗機(jī)理。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了換相失敗瞬間特征，提出當(dāng)換流站發(fā)生換相失敗時(shí)，受影響最大的是交流故障線路的平行線路，且其受影響程度與交流故障線路的故障位置與故障類型密切相關(guān)。

基于理論研究，文獻(xiàn)[9-11]具體分析了換相失敗時(shí)，不同于純交流的電磁暫態(tài)過(guò)程對(duì)交流線路距離保護(hù)的影響。實(shí)際工程中，曾有過(guò)2003年北涌乙線誤動(dòng)與2005年橫東甲乙線誤動(dòng)故障事件等，文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)這兩次事件詳細(xì)分析了直流接入后產(chǎn)生的特殊工況引起暫態(tài)功率導(dǎo)向，最終引起方向縱聯(lián)保護(hù)不正確動(dòng)作的案例。

本文從直流接入后產(chǎn)生的不同電磁暫態(tài)入手，側(cè)重于直流接入后，分析逆變側(cè)發(fā)生換相失敗對(duì)交流電網(wǎng)距離保護(hù)、方向縱聯(lián)保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)三個(gè)方面的影響。深入研究交流部分繼電保護(hù)不正確動(dòng)作機(jī)理，并對(duì)現(xiàn)存解決對(duì)策進(jìn)行綜述。

2 直流接入對(duì)距離保護(hù)的影響及對(duì)策研究

目前單端電氣量距離保護(hù)在高壓交流系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛，其在換相失敗環(huán)境下的動(dòng)作特性對(duì)線路保護(hù)有影響，同時(shí)還可能影響直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

文獻(xiàn)[10]對(duì)傳統(tǒng)的交直流混聯(lián)系統(tǒng)模型進(jìn)行等值分析，認(rèn)為對(duì)不同故障的位置和嚴(yán)重程度會(huì)導(dǎo)致測(cè)量阻抗發(fā)生變化，當(dāng)出口發(fā)生故障時(shí)阻抗呈容性，表現(xiàn)為反方向故障導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；保護(hù)末端故障時(shí)阻抗呈感性，測(cè)量阻抗比實(shí)際值大，導(dǎo)致該Ⅰ段動(dòng)作的故障延時(shí)為由Ⅱ段動(dòng)作。文獻(xiàn)[11]提出換相失敗時(shí)可將直流電源等效為另一個(gè)故障源，當(dāng)交流線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，傅里葉算法不能準(zhǔn)確測(cè)量短路阻抗，可能造成距離保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[9-15]認(rèn)為，由換相失敗導(dǎo)致的電磁暫態(tài)過(guò)程最重要的是影響交流線路工頻量距離保護(hù)。文獻(xiàn)[14]進(jìn)一步提出，當(dāng)交流線路產(chǎn)生故障時(shí)，直流部分對(duì)外呈現(xiàn)很大短路阻抗，這將導(dǎo)致以工頻變化量為判據(jù)的距離保護(hù)的保護(hù)范圍縮小或者失去保護(hù)范圍。文獻(xiàn)[15]從直流系統(tǒng)等值工頻量電流出發(fā)，發(fā)現(xiàn)其影響測(cè)量電抗值可能造成距離保護(hù)的欠范圍或超越動(dòng)作。文獻(xiàn)[16]提出產(chǎn)生距離保護(hù)暫態(tài)超越的決定因素根本原因是暫態(tài)信號(hào)中的非周期分量。而對(duì)于縱聯(lián)距離保護(hù)，文獻(xiàn)[17]通過(guò)仿真驗(yàn)證認(rèn)為其幾乎不受換相失敗的影響。

對(duì)于電磁暫態(tài)對(duì)交流線路工頻量保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[9]通過(guò)分析交流側(cè)等值工頻電流的暫態(tài)特性，提出利用零序方向元件與“縱續(xù)”動(dòng)作實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)。文獻(xiàn)[10]對(duì)交直流混聯(lián)模型進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)測(cè)量阻抗不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出增加零序功率方向元件做為輔助判據(jù)。文獻(xiàn)[11]定義了風(fēng)險(xiǎn)因子概念，利用風(fēng)險(xiǎn)因子說(shuō)明故障影響程度，風(fēng)險(xiǎn)因子越大交流保護(hù)所受影響越大，同時(shí)提出利用微分方程算法以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的效果。文獻(xiàn)[16]同樣利用微分方程算法，并以西北網(wǎng)交流系統(tǒng)和德寶直流系統(tǒng)參數(shù)建立RTDS模型為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了微分方程算法的可行性。

3 直流接入對(duì)方向縱聯(lián)保護(hù)的影響及對(duì)策研究

由上述對(duì)距離保護(hù)的影響分析可知，在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中發(fā)生換相失敗時(shí)，直流控制系統(tǒng)快速的調(diào)節(jié)性使得直流系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)故障源[11]，其電氣量變化會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)保護(hù)產(chǎn)生影響，包括通信通道延時(shí)等。文獻(xiàn)[18]把由此可能引起交流非故障線路功率方向的改變稱之為暫態(tài)功率倒向（如圖2），縱聯(lián)保護(hù)無(wú)延時(shí)，速動(dòng)性高，暫態(tài)功率倒向的發(fā)生極易使縱聯(lián)保護(hù)誤動(dòng)。

圖2 混聯(lián)系統(tǒng)交流暫態(tài)功率倒向圖Fig.2 Schematic diagram of the transient power converse in the AC/DC interconnected power grid

實(shí)際工程中，2003年廣東北涌乙線和2005年廣東橫東甲乙線的保護(hù)誤動(dòng)均由暫態(tài)功率倒向引起的方向縱聯(lián)保護(hù)的誤動(dòng)作。文獻(xiàn)[13]提出“電氣競(jìng)爭(zhēng)”概念，認(rèn)為暫態(tài)功率導(dǎo)向是由兩個(gè)不同的故障源同時(shí)發(fā)生并共同作用的結(jié)果[13，18]。文獻(xiàn)[19，20]從突變量方向元件著手，提出在逆變側(cè)的交流線路上，其正序和負(fù)序阻抗不相等，可能導(dǎo)致利用序分量原理的突變量方向元件誤判[19]。通過(guò)對(duì)暫態(tài)功率倒向機(jī)理分析，文獻(xiàn)[21]認(rèn)為造成暫態(tài)功率倒向的主要原因是故障恢復(fù)時(shí)無(wú)功功率的需求急劇加大。

暫態(tài)功率倒向是否發(fā)生和后果嚴(yán)重程度與受端交流系統(tǒng)強(qiáng)弱、故障發(fā)生位置甚至過(guò)渡電阻等都有緊密聯(lián)系[22，23]。文獻(xiàn)[18]通過(guò)仿真驗(yàn)證暫態(tài)功率倒向受故障處的過(guò)渡電阻大小的影響，過(guò)渡電阻逐漸增大暫態(tài)倒向功率先減少后增大。其次，與直流系統(tǒng)直接相連的交流線路的方向縱聯(lián)保護(hù)所受影響最嚴(yán)重[23]。

對(duì)于故障線路本身，文獻(xiàn)[23]認(rèn)為在一定條件時(shí)，換相失敗將造成工頻變化量方向元件正方向故障誤判為反方向故障，導(dǎo)致縱聯(lián)保護(hù)拒動(dòng)。

通過(guò)深入研究換相失敗對(duì)方向縱聯(lián)保護(hù)的影響機(jī)理，針對(duì)非故障線路發(fā)生暫態(tài)功率倒向引起保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題，文獻(xiàn)[18-24]提出可以通過(guò)設(shè)置一定的延時(shí)時(shí)間閉鎖方向縱聯(lián)保護(hù)，或減小突變量方向元件的動(dòng)作區(qū)域[18]。但若此時(shí)發(fā)生功率暫態(tài)倒向的非故障線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，由于方向縱聯(lián)保護(hù)閉鎖，只能由后備保護(hù)予以切除，不能滿足其速動(dòng)性[21]。針對(duì)由嚴(yán)重故障引起的暫態(tài)功率倒向，上兩種方法也不能完全避免保護(hù)誤動(dòng)。文獻(xiàn)[21-22]從引起暫態(tài)功率倒向的根本原理出發(fā)，建議換流站附近與直流聯(lián)系緊密的交流線路采用電流差動(dòng)保護(hù)的方法，從根本上防止由暫態(tài)功率倒向引起誤動(dòng)的可能。針對(duì)基于正負(fù)序突變量的元件的誤判問(wèn)題，由于換相變壓器的接線方式保證了零序方向元件的性能，文獻(xiàn)[19]提出使用基于0模電壓、電流的快速方向元件，使用最小二乘法使動(dòng)作速度得到提升。

對(duì)于故障線路自身受換相失敗影響可能導(dǎo)致方向縱聯(lián)保護(hù)拒動(dòng)問(wèn)題，很少有文獻(xiàn)就此深入研究并提出解決方法。

4 直流接入對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)的影響及對(duì)策研究

4.1 換相失敗對(duì)交流線路差動(dòng)保護(hù)的影響及對(duì)策

隨著通信技術(shù)的大力發(fā)展，電流差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)廣泛應(yīng)用到電力線系統(tǒng)中[23]。上面提到，交直流混聯(lián)電網(wǎng)中發(fā)生換相失敗時(shí)，由于不同于純交流系統(tǒng)的暫態(tài)特性，對(duì)等值工頻量的影響很大。文獻(xiàn)[25]提出由交流系統(tǒng)故障引發(fā)換相失敗時(shí)，等值工頻電流幅值減少且相角的波動(dòng)范圍大，使得區(qū)內(nèi)故障時(shí)動(dòng)作量小于制動(dòng)量，可能導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)[26]。在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，通常通過(guò)安裝并聯(lián)電抗器來(lái)抑制過(guò)電壓和補(bǔ)償線路無(wú)功功率，由于部分非周期分量與低頻分量通過(guò)并聯(lián)電抗器流入差動(dòng)電流中，除換相失敗外，線路發(fā)生區(qū)外故障或區(qū)內(nèi)高阻接地故障時(shí)，難以保證差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的可靠性和靈敏度[27]。

同時(shí)在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)電源越弱其交流線路受直流影響越嚴(yán)重，單回線路受影響程度也比雙回線路大[28]。

交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，對(duì)于區(qū)內(nèi)故障，電流差動(dòng)保護(hù)可能拒動(dòng)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[25-26]提出通過(guò)增加僅基于幅值的輔助判據(jù)來(lái)判斷區(qū)內(nèi)故障，與傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)配合。對(duì)于電流差動(dòng)保護(hù)可靠性或靈敏度降低問(wèn)題，文獻(xiàn)[27]提出通過(guò)判別故障參數(shù)模型中電感參數(shù)的符號(hào)與幅值的不同來(lái)區(qū)分區(qū)外與區(qū)內(nèi)故障，該方法不受非周期分量等影響，有效提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)交流線路的保護(hù)性能。

4.2 直流接入對(duì)換流變差動(dòng)保護(hù)的影響及對(duì)策

交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，由于直流接入，其對(duì)換流變影響主要在于直流偏磁與換相失敗。當(dāng)直流系統(tǒng)以大地回路運(yùn)行時(shí)，部分直流會(huì)通過(guò)變壓器接地中性點(diǎn)流入交流電網(wǎng)導(dǎo)致直流偏磁。直流偏磁會(huì)引起變壓器局部過(guò)熱、噪聲增大、鐵芯飽和以及絕緣損壞等一系列危害，其產(chǎn)生的大量諧波和無(wú)功損耗也會(huì)降低變壓器使用壽命[29-32]，嚴(yán)重威脅變壓器的正常運(yùn)行[33-35]。實(shí)際生活中，由地磁風(fēng)暴（GIC）引起的直流偏磁就曾導(dǎo)致上世紀(jì)加拿大魁北克大停電事故。直流輸電接地極附近土壤結(jié)構(gòu)也會(huì)影響直流偏磁嚴(yán)重程度，土壤電阻率越大，流入變壓器的直流電流越大，直流偏磁越嚴(yán)重[36]。直流偏磁會(huì)對(duì)電流互感器傳變特性產(chǎn)生影響，從而影響變壓器差動(dòng)保護(hù)的可靠性[37-39]。文獻(xiàn)[40]提出，嚴(yán)重直流偏磁時(shí)，加之變壓器區(qū)內(nèi)發(fā)生弱故障，此時(shí)差動(dòng)電流中二次諧波含量很高，對(duì)于采用二次諧波制動(dòng)方法的變壓器，其差動(dòng)保護(hù)閉鎖，保護(hù)拒動(dòng)。而當(dāng)調(diào)壓變壓器空載合閘時(shí)，其勵(lì)磁涌流雖然很大，但二次諧波含量仍小于閉鎖值，變壓器差動(dòng)保護(hù)又可能誤動(dòng)[41]。

對(duì)直流偏磁問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外側(cè)重點(diǎn)存在較大不同，對(duì)于交直流混聯(lián)系統(tǒng)中變壓器耐受直流的能力，國(guó)外具有更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且在歐洲是不允許直流輸電系統(tǒng)以單級(jí)大地回路的方式運(yùn)行的，在此前提下對(duì)引起直流偏磁的研究也較少[42]。換相失敗時(shí)交流系統(tǒng)類似于一個(gè)諧波源[40]，類似于直流偏磁情況，換流變內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)閉鎖而拒動(dòng)[40，43]。

對(duì)于換相失敗或直流偏磁時(shí)，變壓器區(qū)內(nèi)故障而差動(dòng)保護(hù)閉鎖拒動(dòng)問(wèn)題，文獻(xiàn)[40]提出利用故障分量綜合阻抗。此方案具有較高可靠性。文獻(xiàn)[43]則提出了適用于交直流混聯(lián)系統(tǒng)的新邏輯綜合制動(dòng)方案，保證了內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)可靠動(dòng)作、外部故障可靠閉鎖。

5 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)交直流混聯(lián)格局已逐漸形成，其具有與純交流系統(tǒng)完全不同的電磁暫態(tài)過(guò)程，這些都會(huì)對(duì)交流系統(tǒng)繼電保護(hù)保護(hù)部分產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外的研究更偏重直流輸電線路保護(hù)問(wèn)題，對(duì)新故障特性下交流電網(wǎng)繼電保護(hù)部分的影響研究相對(duì)較少，且局限性較多，其中具體影響所提出的解決方案深入不夠，缺乏系統(tǒng)的整理。因此，從理論方面或者實(shí)際工程方面，應(yīng)對(duì)交直流混聯(lián)電網(wǎng)中故障特性對(duì)交流部分繼電保護(hù)的影響展開(kāi)深入的研究。

1）對(duì)于距離保護(hù)，換相失敗情況下直流電源等效為另一個(gè)故障源，其對(duì)傅里葉算法產(chǎn)生影響導(dǎo)致測(cè)量阻抗不準(zhǔn)確，同時(shí)直流接入對(duì)工頻量的影響較大。

2）對(duì)于方向縱聯(lián)保護(hù)，大部分側(cè)重點(diǎn)集中在研究非故障線路出現(xiàn)暫態(tài)功率倒向問(wèn)題，所提出的延時(shí)解決辦法不能解決嚴(yán)重故障與非故障線路緊接又發(fā)生故障的問(wèn)題。對(duì)于故障線路可能出現(xiàn)的拒動(dòng)問(wèn)題目前研究較少。

3）對(duì)于線路電流差動(dòng)保護(hù)而言，其受直流接入影響可靠性或靈敏度降低。在交直流混聯(lián)系統(tǒng)中，相比于距離保護(hù)與方向縱聯(lián)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)較為穩(wěn)定可靠。對(duì)于根據(jù)二次諧波制動(dòng)方法的換流變而言，由于國(guó)內(nèi)存在直流系統(tǒng)以大地回路方式運(yùn)行，直流偏磁情況更為嚴(yán)重，對(duì)電流互感器傳變特性的影響也間接影響差動(dòng)保護(hù)可靠性。直流偏磁與換相失敗都會(huì)使得換流變差動(dòng)保護(hù)不正確動(dòng)作。

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