交流繼電保護(hù)動(dòng)作性能在多饋入直流系統(tǒng)中適應(yīng)性仿真分析

李 寬，劉 震，牛健飛，李晨昊，李 娜

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600）

0 引言

在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，交流繼電保護(hù)與直流控制保護(hù)之間相互影響、相互耦合［1-3］。交流繼電保護(hù)的動(dòng)作行為決定著交流電氣量的變化過(guò)程以及系統(tǒng)能否穩(wěn)定過(guò)渡，從而影響到直流系統(tǒng)的控制策略以及能否正常換相；直流系統(tǒng)的控制保護(hù)行為決定著其等效的輸出故障特性，從而可能影響到交流保護(hù)的動(dòng)作性能。開(kāi)展多饋入直流系統(tǒng)的交直流繼電保護(hù)交互機(jī)理研究有助于梳理多直流落點(diǎn)系統(tǒng)中交流保護(hù)與直流控制保護(hù)之間的相互影響程度及相關(guān)影響因素，為交流保護(hù)的優(yōu)化策略研究提供支撐，從而保障多饋入直流接入下的交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［4-7］。

山東電網(wǎng)是典型的特高壓交直流混聯(lián)大系統(tǒng)，但對(duì)于多饋入直流輸電系統(tǒng)中交流繼電保護(hù)適應(yīng)性相關(guān)研究較少。鑒于此，提出研究多饋入直流輸電系統(tǒng)背景下交直流互聯(lián)大電網(wǎng)系統(tǒng)中的保護(hù)問(wèn)題，重點(diǎn)分析了多饋入交直流混聯(lián)大電網(wǎng)工況下交流繼電保護(hù)動(dòng)作特性，重點(diǎn)考察直流換相失敗期間交流發(fā)生線路故障的雙重故障情況下交流繼電保護(hù)的動(dòng)作性能。

基于PSCAD/EMTDC 軟件搭建沂南、廣固、膠東三個(gè)直流輸電模型及其1 000 kV 交流線路模型、換流站周邊三至四層500 kV交流線路模型，其余500 kV、220 kV 等交流線路等值［8-10］。通過(guò)仿真分析論證多饋入直流輸電系統(tǒng)中，交流線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作性能［11-12］、距離保護(hù)動(dòng)作性能［13-14］和零負(fù)序方向元件動(dòng)作性能［15］。

1 交流繼電保護(hù)元件模型建立

建立交流繼電保護(hù)元件模型，輸入數(shù)據(jù)均為仿真的故障錄波文件，錄波格式為Comtrade，錄波采樣頻率為1.2 kHz；模型的輸出為各保護(hù)元件的計(jì)算結(jié)果，以圖形形式輸出。

1.1 零序、負(fù)序方向元件建模

零序方向元件是基于故障后電流電壓零序分量的相位關(guān)系進(jìn)行故障點(diǎn)方向判別的元件，用于有零序電流的不對(duì)稱故障檢測(cè)［16-17］。該方向元件有一靈敏角，當(dāng)零序電壓超前零序電流的角度在靈敏角±90°范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為是反方向，反之認(rèn)為是正方向，其動(dòng)作特性如圖1所示。

圖1 零序方向動(dòng)作特性

根據(jù)零序分量角度差范圍識(shí)別，建立零序方向元件模型，零序方向?yàn)檎较驎r(shí)計(jì)算公式為

負(fù)序功率方向元件的原理與零序功率方向元件類似，由負(fù)序功率的正負(fù)判別故障方向，用于有負(fù)序電流的不對(duì)稱故障的方向判別，負(fù)序正方向計(jì)算公式為

正方向短路時(shí)，零序電壓超前于零序電流-100°，該角度滿足動(dòng)作方程且距兩個(gè)邊界最遠(yuǎn)，所以方向繼電器動(dòng)作最靈敏；反方向短路時(shí)，零序電壓超前于零序電流80°，該角度不滿足動(dòng)作方程且距兩個(gè)邊界最遠(yuǎn)，所以方向繼電器最可靠不動(dòng)作。

1.2 距離元件建模

距離元件是線路保護(hù)中最常用的元件之一。單側(cè)的距離元件可構(gòu)成后備距離保護(hù)，通過(guò)通道配合的雙端距離元件可以構(gòu)成縱聯(lián)主保護(hù)［18-19］。

距離元件根據(jù)故障后測(cè)量阻抗的大小和角度判別故障點(diǎn)位置。對(duì)于相間短路，測(cè)量阻抗公式為

式中：φ、φ′為相序，代表A、B、C三相，且φ≠φ′；Zk為測(cè)量阻抗；Uφφ′和Iφφ′分別為故障點(diǎn)相間電壓和相間電流。

對(duì)于單相接地故障，測(cè)量阻抗公式為

式中：h為線路零序補(bǔ)償系數(shù)，由輸電線路的零序阻抗和正序阻抗決定；Uφ、Iφ分別為故障相電壓和電流；I0為零序電流。

對(duì)于金屬性故障，公式（4）能夠正確測(cè)量故障點(diǎn)到保護(hù)安裝點(diǎn)的距離（阻抗），實(shí)際故障時(shí)須考慮過(guò)渡電阻的影響。

實(shí)際繼電保護(hù)裝置中，距離繼電器的動(dòng)作范圍一般為一個(gè)圓或其他封閉曲線，如常用的方向圓動(dòng)作特性為

式中：Zset為距離整定值。

式（5）對(duì)應(yīng)的動(dòng)作特性如圖2所示。

圖2 方向圓阻抗距離繼電器動(dòng)作特性

實(shí)際繼電保護(hù)裝置中，并不直接計(jì)算測(cè)量阻抗Zk，而是將阻抗值的比較轉(zhuǎn)換為等效的電壓比較，具體實(shí)現(xiàn)方法又包括幅值比較和相位比較兩種方式。

為直觀顯示距離元件所受的影響，距離保護(hù)元件模型采用直接計(jì)算測(cè)量阻抗的方式，且假設(shè)動(dòng)作特性為圖2所示的方向圓，通過(guò)觀察測(cè)量阻抗是否在動(dòng)作圓內(nèi)判斷距離元件是否動(dòng)作。

1.3 縱聯(lián)電流差動(dòng)元件建模

電流差動(dòng)保護(hù)基于基爾霍夫電流定律，原理簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，是超、特高壓輸電線路常用的主保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)實(shí)際應(yīng)用中又包括穩(wěn)態(tài)分相差動(dòng)保護(hù)、零序差動(dòng)保護(hù)和變化量分相差動(dòng)保護(hù)三種，三者相互配合，能夠保證不同故障類型下均能可靠動(dòng)作［20］。

穩(wěn)態(tài)分相差動(dòng)元件的動(dòng)作方程為

式中：ICDφ為差動(dòng)電流，ICDφ=，即為兩側(cè)電流矢量和的幅值；IRφ為制動(dòng)電流，IRφ=，即為兩側(cè)電流矢量差的幅值；KR1為分相穩(wěn)態(tài)差動(dòng)的比率制動(dòng)系數(shù)，一般小于1；Imk1為分相穩(wěn)態(tài)差動(dòng)門(mén)檻，實(shí)際裝置中門(mén)檻是浮動(dòng)的。

零序差動(dòng)元件的動(dòng)作方程為

式中：ICD0為零序差動(dòng)電流，ICD0=，即為兩側(cè)零序電流矢量和的幅值；IR0為零序制動(dòng)電流，IR0=，即為兩側(cè)零序電流矢量差的幅值；KR2為零序差動(dòng)的比率制動(dòng)系數(shù)，一般小于1；Imk2為零序差動(dòng)門(mén)檻，實(shí)際裝置中門(mén)檻是浮動(dòng)的。

變化量分相差動(dòng)元件的動(dòng)作方程為

式中：ΔICDφ為變化量差流，ΔICDφ=，即為兩側(cè)電流變化量矢量和的幅值；ΔIRφ為變化量制動(dòng)電流，ΔIRφ=ΔIMφ+ΔINφ，即為兩側(cè)電流表變化量標(biāo)量和；KR3為分相變化量差動(dòng)的比率制動(dòng)系數(shù)，一般小于1；Imk3為分相變化量差動(dòng)門(mén)檻，實(shí)際裝置中門(mén)檻是浮動(dòng)的。

2 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作適應(yīng)性分析

2.1 單交流系統(tǒng)故障工況

在山東電網(wǎng)特高壓交流線路1 000 kV 沂南—高鄉(xiāng)上設(shè)置短路故障，分別在距離沂南站側(cè)10%位置設(shè)置A 相短路故障和距離沂南站側(cè)50%位置設(shè)置BC相間短路故障，故障仿真分別如圖3和圖4所示。

圖3 沂南—高鄉(xiāng)發(fā)生A相接地故障沂南側(cè)差動(dòng)動(dòng)作特性

圖4 沂南—高鄉(xiāng)發(fā)生BC相短路故障沂南側(cè)差動(dòng)動(dòng)作特性

圖中IR為制動(dòng)電流，ID為差動(dòng)電流。發(fā)生A相接地故障時(shí)，A 相差動(dòng)、零序差動(dòng)可靠動(dòng)作，B、C相差動(dòng)可靠不動(dòng)作；發(fā)生BC 兩相短路時(shí)，B、C 相差動(dòng)可靠動(dòng)作。

2.2 直流換相失敗+交流系統(tǒng)故障工況

設(shè)置故障類型為沂南換流站穩(wěn)定運(yùn)行至14.94 s時(shí)刻極Ⅰ高端換流閥（500 kV）發(fā)生脈沖丟失故障，脈沖丟失持續(xù)時(shí)間120 ms；然后在15 s時(shí)刻于沂南—密州輸電線路距離沂南側(cè)20%處設(shè)置C 相金屬性接地故障，故障時(shí)間0.1 s。故障仿真如圖5所示。

圖5 沂南—密州線差動(dòng)動(dòng)作特性

由圖5可知，單相接地故障時(shí)，故障相的差動(dòng)電流遠(yuǎn)大于制動(dòng)電流，零序差動(dòng)電流遠(yuǎn)大于制動(dòng)電流，故障相的穩(wěn)態(tài)相差和零差保護(hù)均能可靠靈敏動(dòng)作；從非故障相的制動(dòng)電流中能看到明顯的波動(dòng)，說(shuō)明換流站脈沖丟失導(dǎo)致交流線路的短路電流中產(chǎn)生了較大的諧波。

3 距離保護(hù)動(dòng)作適應(yīng)性分析

3.1 單交流系統(tǒng)故障工況

僅考察距離Ⅰ段的動(dòng)作特性，動(dòng)作特性采用方向圓特性。其中沂南側(cè)保護(hù)相關(guān)定值為：線路正序阻抗定值4.3 Ω，接地距離Ⅰ段定值2.1 Ω，相間距離Ⅰ段定值3.4 Ω。在山東電網(wǎng)特高壓交流線路1 000 kV沂南—高鄉(xiāng)上設(shè)置短路故障，分別在距離沂南站側(cè)10%位置設(shè)置A相短路故障和距離沂南站側(cè)50%位置設(shè)置BC相間短路故障，故障仿真分別如圖6和圖7所示。

圖6 沂南—高鄉(xiāng)發(fā)生A相接地故障沂南側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作特性

圖7 沂南—高鄉(xiāng)發(fā)生BC兩相短路沂南側(cè)距離動(dòng)作特性

由如6 可知，沂南側(cè)10%處A 相接地故障時(shí)，A相接地距離元件可靠進(jìn)入動(dòng)作圓內(nèi)，B、C 相接地距離元件及相間距離元件均遠(yuǎn)離動(dòng)作圓，距離保護(hù)動(dòng)作特性滿足要求。

由圖7可知，沂南側(cè)50%處BC相間短路故障時(shí)，BC 相間距離元件可靠進(jìn)入動(dòng)作圓內(nèi)，AB、CA 相間距離元件及接地距離元件均遠(yuǎn)離動(dòng)作圓，距離保護(hù)動(dòng)作特性滿足要求。

3.2 直流換相失敗+交流系統(tǒng)故障工況

設(shè)置故障類型為沂南換流站穩(wěn)定運(yùn)行至15.025 s時(shí)刻極Ⅰ高端換流閥（500 kV）發(fā)生脈沖丟失故障，脈沖丟失持續(xù)時(shí)間120 ms；然后在15 s 時(shí)刻于沂南—密州輸電線路距離沂南側(cè)20%處設(shè)置B 相金屬性接地故障，故障時(shí)間0.1 s。故障仿真如圖8所示。

圖8 沂南—密州線沂南側(cè)距離保護(hù)動(dòng)作特性

由圖8 可知，接地距離動(dòng)作特性中可看出線路20%處單相接地故障時(shí)，故障相測(cè)量阻抗能夠可靠進(jìn)入動(dòng)作圓，非故障相測(cè)量阻抗遠(yuǎn)離動(dòng)作圓，距離保護(hù)可靠動(dòng)作。

4 零負(fù)序方向元件動(dòng)作適應(yīng)性分析

4.1 單交流系統(tǒng)故障工況

在山東電網(wǎng)特高壓交流線路1 000 kV 沂南—高鄉(xiāng)上設(shè)置短路故障，分別在距離沂南站側(cè)10%位置設(shè)置A相短路故障和距離沂南站側(cè)50%位置設(shè)置BC相間短路故障，故障仿真分別如圖9和圖10所示。

圖9 沂南—高鄉(xiāng)發(fā)生A相接地故障沂南側(cè)零負(fù)序方向元件動(dòng)作特性

由圖9 和圖10 可知，區(qū)內(nèi)單相接地故障零、負(fù)序方向元件均能靈敏可靠地判斷為正方向，兩相短路負(fù)序方向元件也能正確動(dòng)作。

4.2 直流換相失敗+交流系統(tǒng)故障工況

設(shè)置故障類型為沂南換流站穩(wěn)定運(yùn)行至14.94 s時(shí)刻極Ⅰ高端換流閥（500 kV）發(fā)生脈沖丟失故障，脈沖丟失持續(xù)時(shí)間120 ms；然后在15 s 時(shí)刻于沂南—密州輸電線路距離沂南側(cè)20%處設(shè)置C 相金屬性接地故障，故障時(shí)間0.1 s。故障仿真如圖11所示。

圖11 沂南—密州線沂南側(cè)零負(fù)序方向元件動(dòng)作特性

從圖11 仿真結(jié)果中可以看出，零負(fù)序方向元件均在正方向故障動(dòng)作區(qū)內(nèi)，且具有足夠的靈敏度。

5 結(jié)語(yǔ)

在發(fā)生單交流系統(tǒng)故障時(shí)，仿真分析表明，差動(dòng)保護(hù)在不同故障情況下的制動(dòng)特性不受影響，區(qū)內(nèi)故障均能靈敏可靠動(dòng)作；距離保護(hù)在不同故障情況下接地距離元件、相間距離元件的動(dòng)作行為均正確；零序、負(fù)序方向元件的可靠性不受影響，能夠正確判斷正、反方向故障。

在發(fā)生直流換相失敗和交流系統(tǒng)故障時(shí)，換流閥換相失敗會(huì)造成交流側(cè)短路電流波形的畸變，但仿真結(jié)果表明，差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、零負(fù)序方向元件的動(dòng)作特性不受直流換相失敗影響。