柔性直流輸電線路故障分析與保護綜述

曾鑫輝，譚建成

（廣西電力系統最優化與節能技術重點實驗室（廣西大學），南寧 530004）

0 引言

為應對不可再生能源不斷減少的形勢，世界各國制訂了相應的政策，采用間歇性分布式可再生能源接入電網便是其中之一[1-2]。同時，隨著大功率全控型電力電子器件制造及控制技術的發展，柔性直流輸電系統應運而生，它具有傳輸容量大、線損低、可靠性高、無換相失敗問題、有功和無功功率獨立控制等特點[3-9]，受到了廣泛的關注與研究[10-12]。

柔性直流輸電技術采用全控型器件IGBT（絕緣柵雙極晶體管）和VSC（電壓源換流器），是構建未來智能化輸電網絡的關鍵技術[13-15]。多端柔性直流系統可劃分為直流電網和與交流系統互聯的VSC 換流站兩部分，其中直流電網包含直流線路、直流負荷、直流電源和DC/DC 變換器等；VSC 換流站主要包括換流器、相電抗器、濾波器和變壓器[16-17]。表1 為近5 年國內外柔性直流輸電的發展情況[18-22]。

然而柔性直流系統因其固有缺陷，無法像傳統直流輸電那樣單純依靠換流器控制來完成直流側故障的清除。直流斷路器是柔性直流輸電系統的關鍵設備之一[23-28]。柔性直流系統直流側故障的脆弱性表現在2 個方面[29-31]：一是直流線路發生短路故障時，網絡中換流閥電容和交流系統集中向短路點放電，電流迅速增大，幾乎呈斜線上升，幾個毫秒就超過換流閥的耐受能力；二是直流側發生短路故障時，直流電流沒有過零點，普通的交流斷路器難以滅弧而無法斷開直流故障，無法實現交直流系統的隔離，相當于電網發生三相短路故障，對交流系統的安全穩定性非常不利。直流輸電線路故障占整個直流系統故障總量的50%以上，是直流系統最主要的故障類型[32-33]。

表1 國內外近5 年來的部分柔性直流輸電示范工程

繼電保護作為電力系統“三道防線”中的第一道防線，承擔著保證電力系統安全和穩定運行的重要責任[34]。柔性直流電網控制保護系統是整個柔性直流輸電系統的核心，相比于傳統直流輸電工程，直流線路故障識別和超高速線路保護是其特殊技術需求之一[35]。由于柔性直流輸電系統對保護系統的響應時間要求很高，直流線路保護必須在故障發生后2～3 ms 內完成故障檢測和區內外故障的判別，因此傳統的交流系統保護（如過電流保護、距離保護和差動保護等）均不適宜直接應用于柔性直流輸電線路[36]。同時，作為主保護的行波保護容易受雷擊、噪聲等干擾而發生保護誤動，降低了繼電保護的可靠性。

綜上所述，目前柔性直流輸電技術還不成熟且故障存在固有的特性，各種保護方式都存在缺陷。如何基于柔性直流輸電系統配置斷路器和具有故障自清除能力的換流器，利用保護快速處理故障、恢復系統，是柔性直流輸電技術發展的關鍵問題。本文對柔性直流輸電的故障類型、保護分區、故障隔離和保護技術進行總結和分析，并展望了該領域未來的研究方向。

1 柔性直流系統的故障類型和保護分區

1.1 柔性直流系統的故障類型

以目前正在建設的張北柔性直流電網為例，該工程采用架空輸電線路，與直流電纜相比，其故障概率更高。按照故障區域劃分，柔性直流電網故障大致可以分為交流系統故障、換流器內部故障和系統直流側故障。

換流器內部故障又可細分為站內母線故障、閥短路故障、橋臂電抗器故障以及最常見的子模塊故障等。柔性直流輸電具有輸送容量大、電壓等級高的特點，故MMC（模塊化多電平換流器）每個橋臂串聯的子模塊數量較多，從而增加了子模塊故障的概率。在柔性直流系統的建設中，為確保系統具有足夠的容錯性和充足的安全裕度，通常都會在每一個橋臂上串聯適量的冗余子模塊。

直流側故障可細分為直流線路斷線故障、直流線路短路故障和換流器閉鎖故障。在單個MMC中，因為直流側采用單級輸電，故直流側線路故障以單極接地故障為主。而在真雙極系統中，單級接地故障則相當于偽雙極系統中的級間短路故障，通常由樹枝接觸或雷電引發，多屬于暫時性故障，但是因其故障傳播速度快、影響范圍廣、解決難度大，成為阻礙柔性直流電網發展的技術難題。真雙極系統的雙極短路故障則更為嚴重，相當于交流系統的三相短路故障。

1.2 柔性直流系統的保護分區

柔性直流電網的核心是控制保護系統，由其負責控制全系統的運行方式、潮流狀態、故障保護等。與常規高壓直流輸電工程相比，柔性直流輸電具有以下特殊技術要求：接入新能源孤島、弱交流系統的電壓和頻率控制；多換流站之間協調控制；直流線路故障識別以及超高速線路保護；直流線路故障快速恢復控制；保護分區。

保護分區如圖1 所示[35，37]。

（1）Ⅰ區—連接變壓器保護區：主要對交流變壓器進行保護。

（2）Ⅱ區—換流站連接交流母線區：主要對交流變壓器與換流器之間的交流母線進行保護。

（3）Ⅲ區—換流器區：主要對換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進行保護；包括閥和子模塊保護區，即Ⅳ區（包括閥、子模塊保護和直流保護）。

（4）Ⅴ區—直流線路區：主要對直流輸電線路以及直流輸電線路上串聯的直流電抗器等設備進行保護。對于匯流站包括直流母線區（Ⅵ區）。

圖1 柔性直流輸電系統的保護分區

其中，換流變壓器保護在Ⅰ區實現，閥保護在Ⅳ區實現，直流保護在Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅴ區、Ⅵ區實現。

單個子模塊出現故障，則啟動子模塊保護，而閥保護則為單個閥臂故障提供保護，閥、子模塊通常由換流閥廠家配套。直流保護包括站內交流連接母線保護、換流閥保護、直流線路保護和直流母線保護，通常由直流控制保護廠家配套。直流保護清除故障的操作步驟包括報警、暫時性閉鎖、永久性閉鎖、交流斷路器跳閘、極隔離等。

2 柔性直流系統的故障隔離技術

根據故障隔離的核心設備區分，直流斷路器隔離和換流器故障自清除是目前較為適用于柔性直流電網的故障隔離方法[38]。應用較多的是直流斷路器隔離，南澳多端柔性直流輸電工程和舟山五端柔性直流工程均采用直流斷路器，張北柔性直流工程亦將采用直流斷路器。而換流器故障自清除還受限于現階段的技術水平。借用傳統交流斷路器切斷直流網絡與交流系統之間的連接，亦能處理直流側短路故障，但系統恢復正常所需的時間較長。

2.1 直流斷路器隔離

采用直流斷路器進行故障隔離可以提高柔性直流電網的供電可靠性，從而實現最小范圍且具有選擇性的故障切除，是目前最為合適的直流故障隔離措施。從技術層面區分，直流斷路器主要分為機械式斷路器、固態斷路器和混合式斷路器。機械式斷路器未采用電力電子器件，以交流斷路器滅火技術為基礎，將交流斷路器的機械開斷單元應用于直流拓撲結構開斷中。文獻[39]中提到±160 kV 南澳多端柔性直流工程裝設有2 臺機械式斷路器，其基于耦合式高頻人工過零技術實現雙向直流電流的快速開斷，具備0～9 kA 電流的雙向開斷能力，開斷時間約為3.5 ms。固態式直流斷路器的開關器件則全部由半導體器件組成，雖然其開斷速度快，但是單個固態式開關承受的電壓電流等級較低，若在高電壓等級中使用則造價昂貴且通態損耗高，故目前較多應用于中低壓領域[40]。混合式直流斷路器是由機械開關和電力電子開關元件組合而成的。世界首臺500 kV混合式高壓直流斷路器在3 ms 內開斷電流高達25 kA，其技術指標可滿足未來張北柔性直流輸電工程的需要[41]。隨著電力電子技術的發展，直流斷路器將越加成熟與先進，有助于提升柔性直流電網設備控制的安全性和友好性。

2.2 換流器故障自清除

在柔性直流輸電系統中，單鉗位型、雙鉗位型、全橋型這3 種換流器拓撲結構均具有直流故障自清除能力，即具有快速清除故障和迅速恢復系統的能力，因此在柔性直流輸電工程中不需要再配置直流斷路器[6，42]。在全橋子模塊中，當直流側發生故障時，換流器中的所有IGBT 均會迅速關斷，而通常在IGBT 關斷之前，子模塊中的電容存在放電過程。圖2 給出了故障電流在3 種橋臂子模塊中的流通路徑。

由圖2 可知，通過反極性操作將子模塊的電容電壓接入到故障電流流通路徑中，使得故障電流向電容快速充電且迅速消耗至零。當故障電流衰減至零時，由于二極管具有單向導通特性，故電流不會繼續向負增長，而是一直保持在零處，從而實現了故障電流自清除，也就是隔離了直流故障。

2.3 交流斷路器隔離

圖2 3 種模塊的拓撲結構對比

若柔性直流輸電系統中沒有帶自清除能力的換流器，需通過跳開傳統交流斷路器以使直流隔離開關可靠迅速動作。傳統交流斷路器為機械開關，可用其切斷直流側與交流側之間的連接，需要通過預充電等復雜的時間序列配合，才能恢復系統。而對于多端柔性直流輸電系統而言，則需要全系統的換流站與交流系統斷開，故所需時間更長[43]。

交流斷路器隔離柔性直流輸電線路故障可采用基于“握手原則”的保護方案[44-48]，具體過程如下：當控制保護系統檢測到直流側發生故障后，全部換流器立刻閉鎖，確保開關器件不過流，從發生故障起至全部換流器閉鎖，檢測延時及保護裝置動作所需時間為5～10 ms；換流器閉鎖后，直流側故障電流開始逐漸衰減，保護系統將向所有交流斷路器發送跳閘信號，以切斷交流側向故障點提供的短路電流；當直流側故障電流衰減到零時，再利用直流隔離開關切除直流故障線路，從而實現交流斷路器對直流故障的隔離。隨后再根據“握手原則”識別故障線路，通過解鎖換流站和重合交流斷路器，使未故障部分繼續運行。

3 柔性直流輸電線路保護現狀

柔性直流線路的故障處理需要依靠繼電保護迅速可靠的判別，目前傳統高壓直流線路的保護策略是柔性直流線路保護的主要借鑒方式之一[26]。現階段柔性直流線路的保護策略主要以行波保護和微分欠壓保護為主保護，以電流差動保護為后備保護。為了提高繼電保護的可靠性，還配備了直流電壓不平衡保護和過電壓保護。

3.1 行波保護

當直流線路發生故障時，故障點會向兩端傳播故障行波，根據故障行波理論提出的超高速動作的保護則為行波保護。行波保護可根據故障行波的特性檢測故障，故障初期的行波包含了行波電流、行波電壓或者兩者組合的故障信息，故行波保護可在短時間內檢測出故障[49]，且大致可將行波保護可分為單端量保護和雙端量保護。

單端行波保護僅利用單端電氣量，不需要線路兩端信息同步，能夠實現保護的速動性。文獻[50]提出利用單端電流量對直流線路一端正負極電流之和進行積分得到零模電流，由此則可以對區內單極故障進行判斷。在行波電壓方面，文獻[51]則利用單端限流電抗器上的電壓變化率和正負來定位故障區段，根據電壓變化達到一定值所需時間來確定區內和區外故障。在基于零模和線模的傳輸時間差上，文獻[52]利用小波變換和BP神經網絡技術導出了單端量保護新算法。而文獻[53]則利用低壓作為保護的啟動判據，根據限流電抗器上的電壓變化率大小和極性確定故障區間，并利用零模故障分量確定故障極。文獻[54]利用電壓變化率和電流變化率實現故障定位，當電流變化率與電壓變化率乘積小于一個負的整定值時為區內故障。文獻[55]研究表明，單端量行波保護適用于中壓柔性直流配電線路的保護，且動作性能良好。文獻[56]基于感性端口線路的行波反射特性提出VSC-HVDC 輸電網的保護方法。文獻[57]提出了基于模量網絡的故障后線路附加電感電壓初始值計算方法。文獻[58]利用電壓變化率識別直流故障。雖然單端量行波保護不依賴于通信，速動性較強，但是可靠性弱化，且無法快速區分柔性直流輸電中的母線故障與線路故障[59]。

雙端行波保護則需要通信并同步線路兩端的信息，雖需要更多的手段和措施來保障其可靠性，但借助通信實現了清晰的保護邊界，能有效識別故障區域[60]。文獻[61]根據故障電流的正、反行波的初始波頭時差，提出一種新的縱聯方向保護方法。文獻[62-63]提取行波積分的特征，提出母線保護方法。而文獻[64-67]基于行波差動原理提出了一系列實用性強、可靠性高的保護新算法，如文獻[64]研究了半波長直流線路的頻變參數對行波保護的影響；文獻[65]在行波差動保護原理的基礎上，利用同側電流的計算值和實測值構成差動判據，且在計算電流幅值時，無需插值，也無需對側電量信息，極大提高了計算速度，降低了對采樣頻率和通信技術的要求；為了消除噪聲對行波信號的干擾，文獻[66]提出了利用形態學交替混合濾波器的行波電流差動保護算法，其動作依據采用直流線路兩端同向電流行波積分差值；文獻[67]研究表明，行波差動保護與電壓等級、分布電容電流和線路長度無關。但是文獻[68]指出正態分布模型更適合時延分布規律，總時延可以為保護裝置的選型優化和兩側數據同步提供依據。總體而言，雙端量行波保護對采樣頻率和通信的要求都較高。

3.2 微分欠壓保護

微分欠壓保護是直流線路的主保護，兼做行波保護的后備保護，微分欠壓保護的可靠性要高于行波保護，但是其速動性較差、采樣頻率高[69]。ABB 和SIMENS 的微分欠壓保護都是利用監測電壓微分和電壓水平來實現的[70]。文獻[71]分析了微分欠壓保護作為后備保護，在動作延時上與其他相關保護間的配合關系，并在此基礎上提出了微分欠壓保護的整定計算方法。文獻[72]分析了保護判據涉及的電氣量在故障條件下的動態特性，研究故障位置、過渡電阻和運行工況對保護判據中電氣量的影響，提出微分欠壓保護的定值整定方法。文獻[73]指出微分欠壓保護在行波保護退出運行或者由于電壓變化率上升沿寬度不足時可以起到后備保護作用。

3.3 其他新型保護

行波保護易受雷擊干擾和各種高頻信號的影響，微分欠壓保護只能檢測故障的發生，卻不能識別具體的故障線路，降低了保護的可靠性[13，74]。文獻[75]提出一種濾除高頻暫態量后的突變量高速方向保護原理。為了解決單端量保護需要構造保護邊界及考慮成本問題和雙端量保護需要通信通道及要求數據同步問題，文獻[76]提出了一種基于單端電氣量、無需構造保護邊界的多端柔性直流配電系統暫態保護方案。文獻[77]提出了就地檢測故障、就地保護的柔性直流輸電網故障保護策略。文獻[78]基于線路邊界元件直流電抗器的特征，提出了一種新型的多端柔性直流電網線路邊界保護方案。文獻[79]提取直流側并聯電容電壓與線路電流在保護正、反方向發生故障時的相關性特征，提出并設計了一種直流線路快速方向保護新原理。文獻[80]結合模型識別的基本思想，提出了一種VSC-HVDC 直流輸電線路方向元件方向判別原理，在高頻范圍內，采用時域算法，通過2 種模型的誤差、識別的電感值和電容值與實際值的差異構成方向判據。文獻[81]改進了基于“握手原則”的保護方案，可實現快速切除故障。文獻[82]提出了一種采用電流突變量夾角余弦值的縱聯保護方法，它利用線路兩端電流突變量計算夾角余弦值，從而進行區內、外故障判斷。

4 關鍵問題和技術發展展望

4.1 存在的關鍵問題

雖然國內外學者圍繞柔性直流輸電線路保護原理開展了大量研究，能夠在一定程度上提高現有柔性直流輸電工程的線路保護性能，但仍存在一些問題：

（1）柔性直流輸電系統故障阻尼小，故障蔓延速度快，而柔性直流系統中的電力電子設備耐受故障沖擊電流能力差，因此對保護系統的響應時間要求很高，即對速動性要求高。

（2）雖然行波保護是目前柔性直流輸電系統較為適宜的主保護，但其易受雷擊、噪聲等因素干擾而發生誤動，可靠性降低，并且對采樣頻率的要求高。

（3）正負極線路行波之間存在電磁耦合，并且暫態行波在傳播過程中會發生畸變、色散、頻散等現象，對保護會產生一定的干擾。

4.2 技術發展展望

為了更加友好地接納新能源并網，更好地處理柔性直流線路故障，未來柔性直流輸電技術應朝著以下幾個方向發展：

（1）著力研究柔性直流輸電的成套設備及優化方法。促進具有直流故障自清除能力的換流器技術成熟化，優化配置換流器內部結構，研究換流器提升容量后的可靠性和經濟性。目前，在電力電子器件的研發中，SiC（碳化硅）器件成了熱門研究對象，SiC 器件理論上可以承受數十千伏的電壓和超過500 ℃的高溫，遠遠超過硅基器件所能承受的數千伏電壓和150 ℃的高溫。可利用SiC 取代SiO2作為半導體器件的核心元件，相應地其封裝材料的耐熱性能和絕緣性能將大幅度提升，進而優化換流器的性能，強化故障自清除能力。因此，在新材料方面，SiC 是將來電力電子器件研究的重要方向。

（2）定量研究具有不同拓撲結構的柔性直流輸電系統，分析系統參數與直流側發生故障時短路電流上升與衰減的特性，為研制直流斷路器提供短路電流隔離時間和開斷容量的設計依據；在優化成本的基礎上，進一步提高直流斷路器中關鍵部件的穩定性和可靠性，研究其高速分斷和人工過零過程中的電弧特性，為快速實現故障隔離提供依據。因此，對于直流斷路器的研制，柔性直流輸電系統的拓撲和參數、短路電流特性、電弧特性等是需要重點關注的對象。

（3）設計輔助保護電路和優化系統控制的動作時間、投入方式及協調策略研究，提升換流站之間的配合策略。在多端柔性直流輸電系統中，不同的換流器運行方式可能不一樣，所以當直流側發生故障后，不同換流器的端口對故障點饋入電流的大小也不一樣。可見，柔性直流輸電系統的保護技術與控制方式密切相關，研究保護技術應結合控制方式的變化，利用保護系統與控制系統的一體化設計來處理故障，是傳統繼電保護向柔性直流繼電保護轉變的結合點。

（4）借鑒傳統交流輸電和常規高壓直流輸電的繼電保護技術，結合柔性直流輸電系統的結構特點，研究先進的保護原理。行波保護具有超高速動作且不受分布電容影響的優點，應進一步探究行波在雷擊、噪聲、電磁耦合等因素影響下的傳播規律，從而研究更適合柔性直流輸電的新型行波保護方法。因此以行波保護為代表的新型主保護是未來柔性直流輸電繼電保護研究的重點領域。

5 結語

闡述了柔性直流輸電的故障類型和保護分區，結合現階段的故障隔離技術，介紹了直流斷路器和換流器的應用狀況。為快速隔離故障，詳細介紹了線路保護中的行波保護、微分欠壓保護和其他新型保護。隨著電力電子技術的成熟和對繼電保護技術的深入研究，柔性直流輸電存在的缺陷將逐一得到解決，未來柔性直流電網將更加安全可靠、清潔綠色。