基于站域信息的整流站100 Hz保護(hù)優(yōu)化方案

許婷葦，趙麗平，林 圣，葉 燁

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著交直流輸電及其聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)逐步形成交直流深度耦合的格局，帶來了復(fù)雜的故障暫態(tài)特性，也給基于單一量測(cè)量信息的繼電保護(hù)帶來了嚴(yán)重影響[1-3]。

在一些可能會(huì)導(dǎo)致閥的觸發(fā)異常的故障發(fā)生時(shí)，如交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障、閥故障、閥基電子設(shè)備故障時(shí),直流線路電流中會(huì)出現(xiàn)100 Hz分量，引起100 Hz保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致直流系統(tǒng)降功率運(yùn)行甚至閉鎖。已有研究指出，交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障期間，若能維持閥的正常換相，100 Hz保護(hù)不動(dòng)作有利于系統(tǒng)穩(wěn)定[4]。但按照目前實(shí)際工程中的保護(hù)策略及整定方式還不能區(qū)分兩類故障，可能會(huì)帶來因交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障導(dǎo)致不必要的直流閉鎖。例如，在天廣直流“6·23事故”中，交流線路故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)100 Hz分量增大，進(jìn)而導(dǎo)致100 Hz保護(hù)誤動(dòng)作，高壓直流輸電系統(tǒng)誤停運(yùn)[5]。

由于交直流混聯(lián)系統(tǒng)的相互影響，導(dǎo)致基于單一量測(cè)量的保護(hù)的響應(yīng)存在一定的盲目性[6]。如交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障時(shí)，會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生負(fù)序分量，經(jīng)換流器傳變后在直流側(cè)產(chǎn)生100 Hz分量，從而可能引起直流100 Hz保護(hù)誤動(dòng)作。若此情況下，將交流側(cè)測(cè)量信息與直流側(cè)測(cè)量信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，則可準(zhǔn)確識(shí)別出故障區(qū)域，從而避免100 Hz保護(hù)誤動(dòng)作。

下面分析了交流不對(duì)稱故障導(dǎo)致100 Hz保護(hù)誤動(dòng)作原因，在此基礎(chǔ)上，提出了故障區(qū)域識(shí)別方案。仿真結(jié)果表明，所提方案不受故障類型、故障位置、過渡電阻、故障初始角以及噪聲干擾的影響。

1 100 Hz保護(hù)誤動(dòng)機(jī)理分析

1.1 整流站交直流區(qū)域故障分布

整流站交直流區(qū)域故障分布如圖1所示，以換流變壓器與換流器的連接線為界，將整流站劃分為整流站直流區(qū)域與交流區(qū)域。圖中：L1—Ln為整流站區(qū)外n條送電交流線路；S1—Sn分別為遠(yuǎn)端的等效送電交流電源；f1-Lh和f2為整流站交流區(qū)域故障；f3和f4為整流站直流區(qū)域故障。

圖1 整流站交直流區(qū)域故障分布

1.2 交流不對(duì)稱故障導(dǎo)致100 Hz保護(hù)誤動(dòng)原因

近年來，工程現(xiàn)場(chǎng)曾出現(xiàn)由于交流不對(duì)稱故障導(dǎo)致直流100 Hz保護(hù)誤動(dòng)作而閉鎖直流系統(tǒng)的事件，對(duì)直流系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響。為避免在交流系統(tǒng)不對(duì)稱故障期間100 Hz諧波保護(hù)誤動(dòng)作，首先應(yīng)著手于其誤動(dòng)作的機(jī)理，即分析交流不對(duì)稱故障導(dǎo)致直流側(cè)100 Hz諧波分量增加的原因，從而提出對(duì)應(yīng)的解決措施。

交流不對(duì)稱故障使得交流母線處基頻負(fù)序分量增加[7]，以下分析了換流器對(duì)交直流側(cè)諧波的傳變作用，闡述交流不對(duì)稱故障導(dǎo)致100 Hz保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)理。基于調(diào)制理論，使用換流器開關(guān)函數(shù)模型，以模擬換流器的非線性過程，從而得到交流電氣量經(jīng)換流器變換后的直流電氣量。

直流場(chǎng)的電壓可由式(1)表示。

udc=uaSua+ubSub+ucSuc

(1)

式中：ua、ub、uc分別為三相交流電壓瞬時(shí)值；udc為直流電壓瞬時(shí)值；Sua、Sub、Suc為三相電壓開關(guān)函數(shù)。開關(guān)函數(shù)可由式(2)表示。

(2)

式中，ω1=50 Hz。

當(dāng)交流場(chǎng)三相電壓不對(duì)稱時(shí)，可將三相不對(duì)稱電壓經(jīng)序分量分解為

(3)

式中，m為諧波次數(shù)。

將式(2)、式(3)代入式(1)可得

(4)

式(4)代表交流場(chǎng)諧波電壓經(jīng)換流器傳變后對(duì)應(yīng)的直流場(chǎng)諧波電壓。

由式(4)可得，直流側(cè)100 Hz諧波電壓為

(5)

由式(5)可得，交流場(chǎng)負(fù)序基頻電壓和正序3次諧波電壓將在直流場(chǎng)傳變出100 Hz分量，且由于負(fù)序基頻電壓幅值較大而起主要作用。

綜上，交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，交流場(chǎng)負(fù)序基頻電壓與直流場(chǎng)100 Hz分量呈正相關(guān)，是造成直流100 Hz保護(hù)誤動(dòng)的原因。因此，為了辨識(shí)是由于交流側(cè)發(fā)生不對(duì)稱短路故障產(chǎn)生的100 Hz諧波電流，可通過引入交流母線處負(fù)序基頻電壓，并判斷其與直流二次諧波電壓的相關(guān)程度，形成基于站域信息的直流100 Hz保護(hù)優(yōu)化方案。

2 故障區(qū)域識(shí)別方案

2.1 故障區(qū)域識(shí)別判據(jù)

引入R表示交流場(chǎng)負(fù)序基頻電壓與直流場(chǎng)100 Hz分量的相關(guān)度系數(shù)。

(6)

當(dāng)交流區(qū)域發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，換流母線負(fù)序分量增加，經(jīng)換流器的傳變作用后在直流側(cè)產(chǎn)生100 Hz分量，換流母線負(fù)序電壓與直流100 Hz分量相關(guān)性高，波形形態(tài)相近，由式(6)可知R較小；當(dāng)直流區(qū)域故障時(shí)，直流100 Hz分量是由于三相開關(guān)函數(shù)波形不對(duì)稱所引起的[9]，換流母線負(fù)序分量與直流100 Hz分量相關(guān)性低，R較大。因此，判斷R

2.2 啟動(dòng)判據(jù)

保護(hù)算法啟動(dòng)步驟采用電壓故障分量啟動(dòng)元件來實(shí)現(xiàn)[8]，其對(duì)故障檢測(cè)的原理為

max(|ΔuA|,|ΔuB|,|ΔuC|)>Δuset

(7)

式中：ΔuA、ΔuB與ΔuC分別為交流母線三相電壓所對(duì)應(yīng)的故障分量；Δuset為保護(hù)算法啟動(dòng)門檻值，通常為0.01～0.1倍算法啟動(dòng)時(shí)刻所用電壓的額定值。將保護(hù)算法啟動(dòng)時(shí)刻定義為交流母線電壓故障分量最大值大于算法啟動(dòng)門檻值的時(shí)刻。

3 仿真驗(yàn)證與分析

3.1 仿真模型與參數(shù)

在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建送端連接有3條交流線路的±800 kV交直流系統(tǒng)仿真模型，模型中3條送電交流線路L1—L3的長(zhǎng)度分別為40 km、40 km、20 km。

3.2 典型故障仿真分析

3.2.1 整流站交流區(qū)域故障

在模型上設(shè)置交流線路L1上點(diǎn)f1-L1處A相發(fā)生金屬性接地故障，故障位于距離換流母線20 km處，仿真圖形如圖2所示。

由圖2中仿真結(jié)果可知，計(jì)算開始檢測(cè)到故障后5 ms數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，可得R=1.589 4<5，可判斷出該故障為整流站交流區(qū)域故障。

圖2 交流區(qū)域故障仿真波形

3.2.2 整流站直流區(qū)域故障

在模型上設(shè)置換流變壓器閥側(cè)f3處A相發(fā)生金屬性接地故障，仿真圖形如圖3所示。

圖3 直流區(qū)域故障仿真波形

由圖3中仿真結(jié)果可知，計(jì)算開始檢測(cè)到故障后5 ms數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，可得R=48.200 2>5，可判斷出該故障為整流站直流區(qū)域故障。

3.3 適應(yīng)性分析

3.3.1 不同故障類型和位置下的適應(yīng)性分析

為驗(yàn)證所提故障識(shí)別方法在不同故障類型與不同故障位置下的適應(yīng)性，分別在模型上設(shè)置不同故障類型與不同故障位置的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，得到的仿真結(jié)果如表1所示。其中：f1-L1代表交流線路L1上發(fā)生的故障，f2表示換流變壓器網(wǎng)側(cè)發(fā)生的故障，均為整流站交流區(qū)域故障；f3表示換流變壓器閥側(cè)故障，f4表示換流器直流側(cè)出口故障，均為整流站直流區(qū)域故障。表中的故障位置代表f1-L1距離換流母線的距離；f1-L1、f2、f3的過渡電阻均為15 Ω，故障初始角均為0°；f4的過渡電阻為15 Ω。

表1 不同故障類型和位置下的仿真結(jié)果

根據(jù)表1結(jié)果可知，在整流站交流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同類型和不同位置的故障時(shí)，R均小于5，可得出故障發(fā)生在交流區(qū)域，屬于交流區(qū)域故障；而在直流區(qū)域不同類型的故障發(fā)生時(shí)，R均大于5，從而可得出故障發(fā)生在直流區(qū)域，屬于直流區(qū)域故障。因此可知，無論故障發(fā)生于整流站交流區(qū)域還是直流區(qū)域，所提方法均能夠準(zhǔn)確識(shí)別。

3.3.2 不同過渡電阻下的適應(yīng)性分析

為驗(yàn)證所提故障識(shí)別方法在不同過渡電阻下的適應(yīng)性，分別在模型上設(shè)置不同過渡電阻的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，得到的仿真結(jié)果如表2所示。以A相接地故障為例，其中f1-L1處發(fā)生的故障在距離換流母線10 km處，故障初始角均為0°。

根據(jù)表2結(jié)果可知，在整流站交流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同過渡電阻下的故障時(shí)，R均小于5，此時(shí)判斷發(fā)生的故障為整流站交流區(qū)域故障；在整流站直流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同過渡電阻下的故障時(shí)，R均大于5，此時(shí)判斷發(fā)生的故障為整流站直流區(qū)域故障。因此可知，無論故障發(fā)生于整流站交流區(qū)域還是直流區(qū)域，所提方法均能夠準(zhǔn)確識(shí)別。

表2 不同過渡電阻下的仿真結(jié)果

3.3.3 不同故障初始角下的適應(yīng)性分析

為驗(yàn)證所提故障識(shí)別方法在不同故障初始角下的適應(yīng)性，分別在模型上設(shè)置不同故障初始角下的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，得到的仿真結(jié)果如表3所示。以A相接地故障為例(過渡電阻設(shè)置為15 Ω)，f1-L1處發(fā)生的故障在距離換流母線10 km處。

表3 不同故障初始角下的仿真結(jié)果

根據(jù)表3結(jié)果可知，在整流站交流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同故障初始角下的故障時(shí)，R均小于5，此時(shí)判斷發(fā)生的故障為整流站交流區(qū)域故障；在整流站直流區(qū)域內(nèi)發(fā)生不同故障初始角下的故障時(shí)，R均大于5，此時(shí)判斷發(fā)生的故障為整流站直流區(qū)域故障。因此可知，無論故障發(fā)生于整流站交流區(qū)域還是直流區(qū)域，所提方法均能夠準(zhǔn)確識(shí)別。

3.3.4 噪聲干擾下的適應(yīng)性分析

為驗(yàn)證所提故障識(shí)別方法在噪聲干擾下的適應(yīng)性，在模型上設(shè)置不同程度噪聲干擾下的整流站交流區(qū)域與直流區(qū)域故障，并利用所提算法對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，以A相接地故障為例(過渡電阻設(shè)置為15 Ω)，f1-L1處發(fā)生的故障在距離換流母線10 km處，故障初始角為0°，在所得仿真數(shù)據(jù)中加入信噪比為50 dB、40 dB和30 dB的噪聲。

由于所加的噪聲是隨機(jī)數(shù)，因此通過1000次仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入大于40 dB的噪聲時(shí)，故障識(shí)別準(zhǔn)確率大于97%；當(dāng)加入小于40 dB的噪聲時(shí)，故障識(shí)別準(zhǔn)確率大于95%。

4 結(jié) 論

基于換流母線電壓基頻負(fù)序分量與直流線路電壓二次諧波分量的相關(guān)系數(shù)構(gòu)建了基于站域信息的整流站故障區(qū)域識(shí)別方案，通過理論分析和仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)整流站交流區(qū)域故障時(shí)，換流母線基頻負(fù)序電壓與直流線路電壓二次諧波分量相關(guān)性高；而當(dāng)整流站直流區(qū)域故障時(shí)，換流母線基頻負(fù)序電壓與直流線路電壓二次諧波分量相關(guān)性低。

2)提出了基于交流母線電壓基頻負(fù)序分量幅值與直流線路電壓二次諧波分量幅值的相關(guān)系數(shù)R的故障區(qū)域識(shí)別方法。當(dāng)R小于門檻值kset時(shí)，判斷發(fā)生的故障為整流站交流區(qū)域故障，否則判斷故障為整流站直流區(qū)域故障。故障識(shí)別時(shí)間小于7 ms。

3)所提故障區(qū)域判別方案不受故障類型、故障位置、過渡電阻、故障初始角以及噪聲干擾的影響。