一種高壓直流輸電線路的電流差動保護

一種高壓直流輸電線路的電流差動保護

0hvdc輸電線路電流差動保護電力直接輸電站（hvdc）以其高傳輸能力強、線路成本低、控制能力好等優(yōu)點，在遠程、大規(guī)模供電和慢路網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前,中國HVDC輸電工程數(shù)量在世界上已名列前茅。HVDC輸電線路一般作為大區(qū)聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線,它不僅關(guān)系到本系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且影響與其連接電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。由于直流線路長、故障概率高,因此提高HVDC輸電線路繼電保護的運行水平對保證HVDC輸電系統(tǒng)的安全可靠運行意義重大。然而,從國內(nèi)外投運的HVDC輸電工程來看,HVDC輸電線路繼電保護存在著理論不完備、沒有普遍適用的整定原則、僅依賴于仿真結(jié)果進行整定等問題,從而導致了HVDC輸電線路保護的可靠性不高。近年來的研究已使交流輸電線路電流差動保護性能優(yōu)良,成為交流輸電線路天然的主保護;然而HVDC輸電線路差動保護的動作速度慢、性能不佳。HVDC輸電線路多以行波保護作為快速主保護,電流差動保護作為慢速后備保護。行波保護動作速度快,不受過渡電阻、負載、長線分布電容等因素的影響,但可靠性不高,易誤動。因此,有必要對HVDC輸電線路的差動保護進行改進,使其性能得以提升,以期在HVDC輸電線路故障全過程中都具有優(yōu)良的保護性能。為了克服現(xiàn)有HVDC輸電線路差動保護的不足,本文提出的HVDC輸電線路電流差動保護原理建立在兩端數(shù)據(jù)同步的基礎(chǔ)上,基于分布參數(shù)線路模型,考慮了直流控制特性對故障特征的影響,在時域中構(gòu)造差動判據(jù)識別故障。該電流差動保護原理簡單、速動性好、可靠性高,與現(xiàn)有的直流電流差動保護方法相比,從理論上消除了故障暫態(tài)和負荷調(diào)整過程中直流電壓變化帶來的分布電容電流影響,靈敏度高。1hvdc輸電線路電流差動保護雙極HVDC輸電系統(tǒng)如圖1所示,由整流站(M端)、逆變站(N端)和HVDC輸電線路構(gòu)成。圖中:uMp,uMn,iMp,iMn為M端正、負極電壓和電流;uNp,uNn,iNp,iNn為N端正、負極電壓和電流。與交流系統(tǒng)不同,HVDC輸電線路發(fā)生故障時的短路電流是受控的。因此,研究HVDC輸電線路的保護時應(yīng)該考慮HVDC輸電系統(tǒng)的控制特性。圖1所示HVDC輸電系統(tǒng)的控制特性如圖2所示。整流側(cè)的控制特性為abcde,逆變側(cè)的控制特性為fghij,該方法稱為電流裕度法。由于HVDC輸電系統(tǒng)的能量僅由整流側(cè)供給,且整流側(cè)工作在定電流模式,發(fā)生短路后輸電線路的電流變化不大,且由于半導體器件的單向?qū)щ娦?逆變側(cè)并不向故障點提供短路電流。由圖2可知,在區(qū)內(nèi)故障的情況下,無論故障嚴重與否、故障電壓為何值,區(qū)內(nèi)故障穩(wěn)態(tài)情況下的差動電流僅為0.1In(In為額定負荷電流)。如此小的故障電流,即使是在交流系統(tǒng)中也很難區(qū)分是否發(fā)生故障,況且HVDC輸電線路一般很長,負荷調(diào)整和故障暫態(tài)過程中的電壓變化將帶來很大的電容電流沖擊,為了在如此低的定值下判別故障,必須確保暫態(tài)過程已經(jīng)結(jié)束,這就是目前HVDC輸電線路電流差動保護靠長延時來躲故障暫態(tài)和負荷調(diào)整過程從而速動性差的原因。以上分析的僅是控制特性作用下的穩(wěn)態(tài)故障特征。事實上,在故障后控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中,差動電流會大于0.1In,但該過程的長短以及暫態(tài)差動電流的大小與故障位置、過渡電阻、調(diào)節(jié)器參數(shù)等因素有關(guān)。因此,可以考慮設(shè)定高定值短延時的快速差動保護來有效利用該暫態(tài)過程。眾所周知,交流系統(tǒng)中的差動保護靈敏度高,能反映高阻接地故障。而圖2的控制特性表明,無論故障嚴重與否,區(qū)內(nèi)故障時其穩(wěn)態(tài)差動電流不會超過0.1In,因此,必須增設(shè)低定值長延時的保護,以躲過區(qū)外故障以及負荷調(diào)整過程中最大的不平衡電流和分布電容電流。為了進一步提高其靈敏度,在HVDC輸電線路電流差動保護方案中,應(yīng)該采用減少或消除電容電流影響的措施。此外,由于整流側(cè)和逆變側(cè)電流在區(qū)內(nèi)故障情況下同向且穩(wěn)態(tài)電流差別僅為0.1In,這將意味著具有優(yōu)良特性的比率制動特性不適用于HVDC輸電線路電流差動保護。綜上所述,HVDC輸電線路電流差動保護應(yīng)該采用分布參數(shù)模型來消除分布電容電流的影響;同時應(yīng)該設(shè)置高定值的快速差動以保證嚴重故障動作的快速性、設(shè)置低定值的長延時差動以保證其靈敏度與選擇性;并盡可能減小直流電流傳感器帶來的不平衡電流。2hvdc-hvdc電源線路的電壓損失測量原理和糾正原則2.1計算量在時域中分別計算整定點兩側(cè)電流值,以本文提出的電流差動保護原理為:選取HVDC輸電線路上某一點為整定點,在分布參數(shù)模型下,用本端和對端電氣量在時域中分別計算整定點兩側(cè)的電流值,以它們之和作為動作量,并將動作量與設(shè)定的定值進行比較:大于定值則為區(qū)內(nèi)故障,小于定值則為區(qū)外故障。理論上整定點的選取是任意的,但從減小計算量的角度考慮,應(yīng)該將整定點選取在線路端點;從減小數(shù)據(jù)窗長度、提高動作速度的角度考慮,則應(yīng)該選取線路的中點。本文選擇線路的中點為整定點。2.2模量下的電流分布由于本文所述的電流差動保護需要在分布參數(shù)模型下計算其對整定點的注入電流,因此首先要考慮如何計算線路的沿線電流分布。與交流系統(tǒng)不同,HVDC輸電系統(tǒng)中沒有主頻率強制分量,故差動電流應(yīng)在時域中計算。由文獻和圖1可知,在貝瑞隆線路模型下,根據(jù)兩端換流站采樣的電壓、電流數(shù)據(jù)計算得到的沿線模電流分布分別為:ijΜ(x,t)=12ΖcjΖcj+rjx4ΖcjijM(x,t)=12ZcjZcj+rjx4ZcjuMjt+xvjt+xvjiMjt+xvjt+xvjΖcj+rjx4Zcj+rjx4-12ΖcjΖcj-rjx4Ζcj[uΜj(t-xvj)+iMjt-xvjΖcj-rjx4-12Ζcjrjx2ΖcjuΜj(t)-rjx4iΜj(t)2〗(1)ijΝ(x,t)=12ΖcjΖcj+rjx4ΖcjuNjt+xvjiNjt+xvjΖcj+rjx4-12ΖcjΖcj-rjx4Ζcj[uΝj(t-xvj)+iNjt-xvjΖcj-rjx4-12Ζcjrjx2ΖcjuΝj(t)-rjx4iΝj(t)2〗(2)式中:j=1,0,為模量標號;rj,Zcj,vj分別為線路j模下的電阻率、特征阻抗和波速度;iMj(t),uMj(t)為t時刻M端的j模電流、電壓;ijM(x,t)為用M端電氣量計算的距離M端x處的j模電流,x為以M端為基準的距離;iNj(t),uNj(t)為t時刻N端的j模電流、電壓;ijN(x,t)為用N端電氣量計算的距離N端x處的j模電流,x為以N端為基準的距離。式(1)、式(2)給出的是模量下的電流分布計算,根據(jù)模量可構(gòu)造差動保護,但存在故障極的選擇問題,此時可以根據(jù)低電壓來進行故障極的選擇。如果用整定點處的極電流構(gòu)成差動,則無須進行故障極選擇,但在計算極電流時,需要進行模量到極量的反變換。2.3lfige-l用點確定由基爾霍夫電流定律可知,根據(jù)計算得到的整定點處極或模電氣量可構(gòu)成如下差動保護判據(jù):|ijM(lset,t)+ijN(l-lset,t)|>Iset(3)式中:j表示?；驑O,如果為模量差動,則j為1?；?模,如果為極量差動,則j為極1或極2;lset為整定點距離M端母線的距離;Iset為整定值。根據(jù)第1節(jié)分析,本方案給出如下2個差動保護判據(jù):1電流暫態(tài)保護的平衡|ijM(lset,t)+ijN(l-lset,t)|>Iset.1(4)Iset.1的整定原則為躲過區(qū)外故障暫態(tài)過程中所產(chǎn)生的最大不平衡電流。而區(qū)外故障暫態(tài)最大短路電流Imax約為額定電流In的2.5倍。因此,高定值差動整定的原則是:Iset.1=krelknpImax≤2.5krelknpIn(5)式中:krel為可靠系數(shù),取1.1～1.2;knp為兩電流傳感器之間的傳變誤差,在2.5倍額定電流下,其值不超過0.1。因此,高定值差動的定值可以取為:Ιset.1=0.3Ιn(6)高定值差動判據(jù)的確認時間可取10ms～20ms。2低定值差動整定的基礎(chǔ)分析考慮到高定值差動判據(jù)在區(qū)內(nèi)故障進入穩(wěn)態(tài)時沒有能力切除故障,可采用降低定值、長延時策略來提高判據(jù)的靈敏度和選擇性。判據(jù)如下:|ijM(lset,t)+ijN(l-lset,t)|>Iset.2(7)Iset.2的整定原則為躲過區(qū)外故障穩(wěn)態(tài)時所產(chǎn)生的最大不平衡電流。由圖2可知,區(qū)外故障穩(wěn)態(tài)時的最大短路電流Imax不超過額定電流In。根據(jù)以上分析,低定值差動整定的原則是:Iset.2≤krelknpIn(8)式(8)中可靠系數(shù)krel與高定值差動相同,取1.2;電流傳感器之間的傳變誤差knp在1.3倍額定電流下,其值不超過0.002。則按區(qū)外故障穩(wěn)態(tài)最大不平衡電流整定的低定值差動的定值取為:Ιset.2=0.003Ιn(9)由于區(qū)內(nèi)故障時,其差動電流的穩(wěn)態(tài)值為(0.10～0.15)In,因此,沒有必要按照式(9)取如此低的定值。根據(jù)以上分析,為保證可靠性,低定值差動建議按照如下原則整定:Ιset.2=max{(1.5～2.0)Ιcd0,0.05Ιn}(10)式中:Icd0為正常運行時的差動電流。Icd0反映的正是兩側(cè)傳感器在額定電流時的誤差的真實值。由于低定值差動判據(jù)的門檻較低,建議確認時間不低于300ms。3電力系統(tǒng)仿真±500kV雙極輸電系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示,額定電流2kA,線路全長1000km,用PSCAD進行電力系統(tǒng)仿真,用MATLAB進行算法仿真。仿真中,線路模型采用頻變參數(shù)模型,其桿塔結(jié)構(gòu)參見文獻。數(shù)據(jù)采樣頻率為20kHz,故障發(fā)生在t=0.5s,故障持續(xù)時間為0.5s。另外,仿真中也給出了傳統(tǒng)差動電流的動作值,以便對比。3.1本方法的仿真結(jié)果圖3和圖4分別給出了距離M端500km處發(fā)生正極金屬性接地和經(jīng)500Ω接地故障時的差動電流波形。從圖3、圖4可以看出,區(qū)內(nèi)無論發(fā)生金屬性接地還是高阻接地故障,本方法計算的模電流差流(包含1模差流、0模差流)、故障極差流均能反映故障電流而正確動作。與傳統(tǒng)差動的差流相比,本方法在直流系統(tǒng)啟動、調(diào)整以及逆變失敗等能夠?qū)е轮绷麟妷鹤兓姆菂^(qū)內(nèi)故障期間,差流的計算值很小;而傳統(tǒng)差動的電流在此期間數(shù)值會超過400A,且存在時間較長。由圖2可知,HVDC輸電線路區(qū)內(nèi)故障穩(wěn)態(tài)期間的差流僅為0.1In,對于本仿真系統(tǒng)來講也只有200A。因此,傳統(tǒng)差動在區(qū)外故障的差流會大于區(qū)內(nèi)故障的穩(wěn)態(tài)差流,存在誤動的可能。這也是傳統(tǒng)差動在任意電壓波動后,要求延時環(huán)節(jié)重新計時且動作時限較長的原因。因此,傳統(tǒng)差動的速動性和靈敏性不可能很高。對于健全極而言,本方法計算得到的差流遠小于傳統(tǒng)方法計算得到的差流。傳統(tǒng)差動的健全極在直流電壓波動期間,存在誤動的可能性,需要高定值或長延時來保證選擇性。因此,與傳統(tǒng)方法相比,該方法具有較高的靈敏度。3.2靈敏度分析結(jié)果圖5和圖6分別給出了逆變側(cè)平波電抗器外側(cè),發(fā)生正極金屬性接地和經(jīng)500Ω過渡電阻接地時的差動電流波形。從圖5、圖6可知,無論區(qū)外發(fā)生金屬性接地或高阻接地故障,用本文方法計算得到的差流不超過50A,具有較高的靈敏度;而用傳統(tǒng)方法在這些過程中的計算得到的差流卻達到了500A以上,無法做到快速和靈敏。綜上所述,本差動原理能夠有效降低非故障期間的差流和非故障線的差流,與傳統(tǒng)直流差動相比,靈敏度大大提高。由于無須躲過電壓調(diào)整過程中的電容電流,判據(jù)無須長延時而動作較快。4分布參數(shù)模型本文在分析HVDC輸電系統(tǒng)的控制特性、故障電