技术分享｜柔性直流输电网线路保护配置方案-第3页-北极星输配电网

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值除以线路波阻抗。反向电压行波和正向电压行波可以由电压、电流和波阻抗通过式(1)计算得到,其中下标r表示反向行波,下标f表示正向行波。对于R1处的保护来说,故障F1为区内故障;对于R8处的保护来说,故障F1则为区外故障。从图中可以看出,区内故障的电压、反向电压行波和正向电压行波都具有较为陡峭的波头,而由于平波电抗器对高频分量的阻隔作用,区外故障下的行波波头都极为平缓,与区内故障下的波形有较大的区分度,尤其是反向电压行波的特征区别最为明显。并且反向电压行波是来自于区内故障点的行波,物理意义较为明确,因此可以通过反向电压行波波头的陡峭程度来区分区内和区外故障。小波变换模极大值[22]能够较好地定量描述信号的陡峭程度,可以作为故障特征提取的数学工具。

图5分别给出了R1处的反向电压行波和R8处的正向电压行波(R8处的正向电压行波传播到线路对端后将成为R7处的反向电压行波)的小波变换模极大值,可以看到模极大值准确地反映了陡峭的突变波头的时刻、极性和幅值,对于R8处的正向电压行波,由于波形没有突变,非常平缓,因此没有模极大值出现。

2.1.2 关键问题

线路主保护为了具有极快的动作速度,需要对故障初始阶段的故障暂态过程做出快速响应,根据暂态量特征区分区内和区外故障,但同时保护也较为灵敏,易于受到噪声和雷击等暂态干扰的影响而误动,需要采取一定的措施区分暂态干扰和实际的故障,保证保护的可靠性。架空线输电方式的柔性直流电网,其直流线路的运行环境恶劣,容易遭受雷击的影响。当雷击引起线路故障时,线路保护应当可靠地动作;当雷击未引起线路故障,即雷击只是一种高频暂态干扰时,保护则应当可靠地不动作。现有的雷击干扰识别方法主要是从频谱特征或者时域波形特征的角度对雷击干扰与真实故障加以区分[23-24]。考虑到信号的频域物理分辨率与信号长度成反比,1 ms的数据窗其频域物理分辨率只有1 kHz,因此短时窗下频域分辨率低,难以区分雷击干扰与真实故障下的频谱特征差异,现有的频谱特征雷击干扰识别方法将失效;而现有的时域波形特征雷击干扰识别方法所需的数据窗都长达数个ms,不能满足柔性直流电网对直流线路保护速动性的要求,需要进一步研究短时窗下有效的雷击及噪声等干扰的识别方法。

此外,张北±500 kV柔性直流电网示范工程将采用双极MMC结构,这种结构下当一极线路由于故障退出运行时,另一极线路仍能单独独立运行,因此供电可靠性相对较高。以后的柔性直流电网工程应当也会采用双极MMC结构或其他的具有单极独立运行能力的结构,因此直流线路保护需要具有故障选极能力,发生单极接地故障时跳单极,发生双极故障时跳双极。由于正、负极线路之间存在电磁耦合,因此发生单极接地故障时,会在非故障极感应出暂态电压、电流,进而可能将非故障极误判为也发生了故障,因此在保护原理和算法中需要采取适当的解耦和故障选极措施,保证保护的可靠性。

在硬件方面,由于线路主保护具有如此快的动作速度,信号传输延时与保护动作时间相比已不能忽略,因此可以考虑采用直流线路保护与直流断路器控制系统一体化设计的方式,就地化配置直流线路保护装置,缩短信号传输距离;保护以光信号形式出口,通过光纤与直流断路器控制系统相连,省去出口继电器,降低总的故障切除时间。

2.2 后备保护

柔性直流电网线路的后备保护应当采用纵联保护原理,以具有较好的选择性和足够的灵敏性,能够在线路经大过渡电阻接地故障、线路主保护由于灵敏度不足拒动时的可靠地动作,作为线路超高速主保护的补充和配合。同时其动作时间应少于20~30 ms,以保证在直流侧发生故障时直流线路后备保护能够先于交流侧保护动作,进而在时序上更好地配合超高速的直流线路主保护和交流侧的保护。

2.2.1 纵联差动保护

纵联电流差动保护具有良好的性能,是柔性直流电网线路后备保护的选择之一。然而,柔性直流电网线路的后备保护同样应当具有较快的动作速度,现有的通过引入一定的延时躲开暂态过程影响的方法是不可行的。考虑到直流线路故障后的剧烈的暂态过程,尤其是暂态分布电容电流的影响,行波差动保护是解决这一问题的有效方法之一。

行波差动保护的基本原理如式(2)所示,其中下标m和n分别表示线路两端的量;反向电流行波和正向电流行波分别等于反向电压行波除以负的波阻抗和正向电压行波除以波阻抗;iF为区内故障点的故障电流,区外故障下为零;τ为行波从线路一端传播到另一端所需的时间,τm和τn分别为行波从故障点传播到线路m端和n端所需的时间。

从式(2)可以看出,用反向电流行波或者正向电流行波构造的差动电流能够更为真实准确地反映故障点处的故障电流。行波差动保护基于行波原理和线路分布参数模型,已经将线路的分布电容考虑在内,因此其在原理上就不受暂态分布电容电流的影响,同时还不受直流控制系统的影响,具有非常优越的性能。然而行波差动保护需要较高的采样率以较为精确地计算差动电流,在高采样率下数据通信量较大,对保护的速度会有一定的影响[25],如何高效而又较为精确地实现行波差动保护仍然是需要解决的问题。

2.2.2 纵联方向保护

纵联方向保护不需要大量的数据传输,虽然还没有实际应用于直流输电系统的纵联方向保护,但研究直流电网中故障方向的判别方法并构成纵联方向保护不失为柔性直流电网线路后备保护的一个研究思路。文献[26]提出的基于无功能量的纵联方向保护虽然是以常规直流输电系统为背景进行描述的,但其原理却对柔性直流输电系统同样适用。由于线路具有分布电容和分布电感,因此在直流线路发生故障时,线路上将有暂态无功功率的流动,该保护通过暂态无功功率的流动方向来判断故障方向,即区内故障时,线路两端的暂态无功功率流动方向相同;区外故障时,线路两端的暂态无功功率流动方向相反。可以进一步研究这一原理对柔性直流电网的适应性,尤其是柔性直流电网的控制系统响应更快,需要研究控制系统对线路后备保护的影响。

3 柔性直流电网线路保护与交流输电线路保护和常规直流输电线路保护的比较

3.1 故障处理模式的比较

常规直流输电系统的直流线路发生故障时,可以通过闭锁换流站来切断故障电流,从而实现故障线路的隔离,因此不需要直流断路器。而柔性直流输电系统中的故障电流不可控,因此为满足柔性直流电网的需求,柔性直流电网应采用类似于交流电网的模式,即在直流线路两端应当都配有直流断路器,每一个直流断路器都应当配置一个保护装置来控制该直流断路器的动作。与现有的直流输电系统中控制和保护集成一体化的设计不同[27-28],在柔性直流电网中直流线路的保护也应当借鉴交流电网中的模式,即直流线路保护与控制系统相分离,单独组成一套直流线路保护装置,以提升保护的动作速度和可靠性。

3.2 主保护的比较

柔性直流电网线路的主保护应当采用基于单端电气量的保护原理,这一点与交流线路主保护采用纵联保护构成有所不同。由于通信设备和信号传输所引入的延时的存在,纵联保护将不能满足柔性直流电网对线路主保护3 ms动作速度的严苛要求。常规直流输电系统的线路主保护虽然也采用的是基于单端电气量的保护原理,但其保护的动作速度远不能满足3 ms的要求,同时,由于常规直流输电系统可以通过增大整流侧的触发角来降低线路电压,从而将故障稳态电流控制到较低水平,即故障电流完全可控,因此常规直流输电系统的线路保护也不需要很快。

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