技术分享｜柔性直流输电网线路保护配置方案-第2页-北极星输配电网

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1 直流输电线路继电保护研究现状

1.1 主保护

实际投入运行的直流输电线路主保护主要有行波保护和微分欠压保护2种,最先是应用于常规高压直流输电系统[13-14],而柔性直流输电线路的保护则直接借鉴了这2种保护。其中行波保护主要采用ABB和SIEMENS两家公司的单端量行波保护原理。两家公司的保护都利用极波(即反向电压行波)来构成保护判据。ABB的行波保护根据极波的变化量的大小来判断故障。当极波的变化量大于保护定值时,即认为线路发生了故障,保护不经过延时就可以出口,保护的动作时间与故障后极波的变化率密切相关,一般情况下动作时间为几个ms。SIEMENS的行波保护则引入了电压的微分来构成保护的启动判据,同时使用了保护启动后极波的变化量在10 ms内的积分值构成保护判据。这样可以在一定程度上降低各种干扰对保护的影响,提高保护的可靠性,但牺牲了保护的动作速度。

上述2种保护方案本质上只是一种简单的突变量保护,由于它们的采样率都只有10 kHz,实际利用的信号频带范围只有0~4 kHz,因此仅利用了故障行波信号中的低频信息,噪声、雷击及其他干扰所引起的暂态突变有可能导致保护的误动,保护的可靠性不高。此外,区外故障时极波的变化量也有较大的数值,为保证保护的选择性,保护的定值不得不设置为较大的数值,这就导致区内线路末端故障或者故障过渡电阻较大的情况下可能拒动,保护的灵敏度不足。有研究表明,ABB的行波保护方案只能耐受1%以下的噪声,SIEMENS的行波保护方案由于引入了极波的积分,因此能耐受3%以下的噪声。2种保护方案都只能耐受几十Ω的过渡电阻[14]。

在现有的直流工程中,微分欠压保护往往与行波保护一同构成直流线路的主保护。当电压的微分大于一定的定值且电压值在一定的时间窗内小于定值,则判断为线路故障。微分欠压保护的整定较为困难,缺乏理论分析和计算的方法,往往只能通过仿真来整定,且同样存在着经大过渡电阻接地故障时灵敏度不足的问题。

现有工程中的直流输电线路主保护存在理论不严密、缺乏整定依据、动作速度较慢、易受噪声等干扰的影响,可靠性不高及灵敏度不足等问题,不能满足柔性直流电网对线路主保护的实际需求,需研究适用于柔性直流电网的直流线路快速保护技术。

近年来关于柔性直流输电线路保护的研究包括：文献[15]通过电压变化量和电压变化率来区分区内和区外故障,与微分欠压保护相类似;文献[16]在初始行波特征分析的基础上,综合利用电压、电流的微分以及电压是否降低来区分区内和区外故障,保护性能比微分欠压保护有所提升;文献[17]利用正、反向电压行波的高频分量构成保护判据,相比于利用电压微分或电压行波微分可靠性更高;文献[18]利用直流线路两端安装的平波电抗器的电压来区分区内和区外故障,文献[19]则在此基础上又综合利用了线路电流的高频分量来构成保护判据,在保证选择性的同时具有较高的灵敏性。然而,总的来说,现有研究仍存在以下不足：1)缺乏对故障特征的理论分析和数学公式定量描述,保护原理往往是定性的,定值通常通过仿真得到;2)部分研究没有考虑正负极间的耦合,张北直流电网将采用架空线输电方式,正负极之间存在较强耦合,受耦合的影响,非故障极可能被错误地切除;

3)保护较为灵敏,易受雷击、噪声等干扰的影响,需要有相应的措施防止保护误动,以保证保护的可靠性。

1.2 后备保护

现有的直流输电系统的线路后备保护往往采用纵联电流差动保护。但由于线路故障后暂态过程较为严重,有非常大的暂态分布电容电流,因此为了躲过暂态过程的影响,电流差动保护往往引入较大的延时[20]。其后备纵联电流差动保护的典型动作时间为500~800 ms。对于柔性直流电网来说,上述动作时间显然太长了,交流侧的保护将有可能先于直流线路后备保护动作[21],造成换流站退出运行,极大地扩大了故障隔离和切除的范围。柔性直流电网线路的后备保护应当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可靠地动作,作为线路超高速主保护的补充和配合。同时还应当具有较快的动作速度,以在时序上配合直流线路主保护和交流侧的保护,尤其是在直流线路发生故障时要先于交流侧保护动作。

2 柔性直流电网线路保护的配置方案及关键问题

2.1 主保护

2.1.1 可能的配置方案

直流线路发生故障后,故障信息首先以故障行波的形式在整个直流电网中传播,故障行波理论是分析直流线路发生故障后的故障初始阶段的极为有效的理论工具,基于故障行波的保护原理是实现满足柔性直流电网需求的线路快速主保护的理想选择。柔性直流电网线路主保护应当采用基于单端量的保护原理,在保证动作速度的同时,需要具有保护线路全长的能力,这就需要深入挖掘发生区内、区外故障时的故障行波特征差异,并选取合适的数学手段提取故障特征,构造保护算法。故障行波是一个宽频带的信号,在直流电网线路主保护要求ms级的动作速度的背景下,保护算法所能使用的数据时间窗必然很短,这就需要采用较高的采样率,使得短时窗中包含有更多的数据点和更丰富的信息,充分利用故障行波丰富的高频故障信息构建高性能的保护算法。

张北±500 kV柔性直流电网示范工程将在每条直流线路两端加装平波电抗器,以抑制直流线路发生故障后故障电流的上升速度,为直流线路的保护和直流断路器的动作争取一定的时间。平波电抗器的引入同时也为单端量行波保护的构造创造了极大的便利。在图3所示的4端直流电网中,各符号的意义均与图1相同。在F1处发生故障时,故障行波传播到直流线路边界的平波电抗器处时,其高频分量将受到阻隔,因此故障行波的高频分量将被限制在l1线路上而不会透射到系统的其他部分,根据这一特性可以明显地区分区内和区外故障。图4给出了装有平波电抗器时,F1处发生双极故障后R1处和R8处的正极电压、正极电流、反向电压行波和正向电压行波波头的波形图,其中平波电抗器取为典型值200 mH,图中电压电流均为标幺值,电压基值为线路电压额定值500 kV,电流基值为电压基

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