张凌跃，陈睿
（昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500）
摘 要：在考虑直流控制系统影响的情况下，详细分析了HVDC输电线路区内、区外的故障特征以及直流控制系统的动作特性和控制状态，并提出了一种基于故障期间换流器触发角、逆变器关断角和两端阀侧到直流出线区域的差流变化特征的直流线路后备保护新原理，通过仿真分析验证了该原理的正确性和有效性。动作可靠性分析结果表明：本文所提保护较微分欠压保护具有更高的耐受过渡电阻能力，达300Ω以上，其动作时间较直流纵差保护提高了约63%。
关键词：直流控制系统；HVDC输电线路；后备保护新方案
与交流输电系统比较而言，高压直流(HVDC)输电由于具有输送距离远、输送容量大以及功率调控方便等诸多优点，而被广泛应用于远距离电能传输、异步联网、海岛供电等领域。目前，直流输电线路主要保护方案包括行波保护、微分欠压保护、直流差动保护等。
本文分析了考虑控制特性后的直流线路区内外故障特性，在此基础上提出了一种直流线路后备保护新方案，并通过数值仿真方法，深入分析不同故障条件下直流后备保护判据的动作特性，以此为依据确定保护整定值并分析其动作可靠性相关影响因素；最后，仿真分析了过渡电阻、故障距离对所提保护动作可靠性的影响。
对于如图1所示的双极直流输电系统，直流线路保护范围为本极线路全长，对极线路故障、直流出线故障、交流系统故障、换流器故障等均属于区外故障。本文以正极线路为例，进一步研究直流线路后备保护各判据的动作特性。
图1 直流输电系统结构图
图1 中f1表示本极线路不同位置接地故障；f2表示对极线路不同位置接地故障；f3、f4分别表示整流侧、逆变侧交流母线各种短路故障。除了f1为应该动作的区内故障，其余均为待识别的区外故障。
2.1 直流输电系统稳态数学模型及基本控制手段
由换流器的稳态数学模型可得直流系统各表达式。从整流侧流向逆变侧的直流电流：
整流侧伏安特性：
逆变侧伏安特性：
式中：Udor为整流侧换流变压器阀侧空载电压，与整流侧交流系统相电势成正比。
Udoi为逆变侧换流变压器阀侧空载电压，与逆变侧交流系统相电势成正比；α、β、γ为整流侧触发控制角、逆变侧触发控制角、关断角；Xr、Xi为整流器换相电抗、逆变器换相电抗；Ri为直流输电线路等值电阻。
由式(1)～(3)可知，直流电流及直流电压取决于控制角α、β以及换流变压器阀侧空载电压Udor、Udoi，即上述4个量是直流输电系统的控制量，并且除此之外不存在其它控制量。因此，直流输电控制系统的基本控制手段即通过对上述4个变量的调节以满足不同的运行要求。
为了方便分析，首先给出逆变侧关断角γ的计算公式：
式中：Xc为逆变侧等值换相电抗；Uv为逆变侧阀电压有效值；Id为直流电流；β为极控测量单元提供的逆变侧触发超前角采样值；φ为逆变侧交流系统不对称故障造成的换相线电压过零点前移角，逆变侧交流系统对称故障及其它故障时为0。
2.2 本极直流线路短路故障
本极直流线路短路故障发生在图1中f1处。直流线路发生短路故障瞬间，整流侧直流电流增大而逆变侧直流电流减小。整流侧在定电流控制的作用下迅速增加α角以抑制直流电流。直流电流整定值跟随直流电压而减小，整流侧最终运行于定电流(最小电流限制)控制。逆变侧由定γ角控制转换为定电流控制，且在低压限流环节的作用下减小电流整定值，并最终使逆变侧运行于最小电流限制。此时，逆变侧定电流控制器整定值有所减小，由式(3)中第一式可知其输出的β角较正常运行时有所增大，继而由式(4)可知，逆变侧直流电流减小及β角增大都将导致关断角γ较正常运行时有所增大。
综上所述，直流线路短路故障稳态时的故障特性为：α＞αN，γ＞γN。其中，αN为正常运行时整流侧触发角，γN为正常运行时逆变侧关断角。
2.3 整流侧交流系统短路故障
整流侧交流系统短路故障发生在图1中f3处。
整流侧交流系统发生对称故障时，整流侧在定电流控制作用下迅速减小α角以抑制直流电流下降，整流侧最终运行于定αmin控制；逆变侧为定电流控制，若直流电压大幅下降，则逆变侧最终运行最小电流限制控制模式。此时，逆变侧为定电流控制，但由于最小电流限制，逆变侧电流较额定值有所降低，因而关断角γ亦大于其额定值。
综上所述，整流侧交流系统发生对称短路故障时的故障特性为：α=αmin=5°，γ＞γN。
整流侧交流系统发生不对称故障时，整流器出口直流电流将持续波动进而导致直流侧控制方式在定电流控制和定αmin控制间不断切换继而导致α角不断波动，其最小值为α=αmin=5°、最大值αmax由故障类型决定；逆变侧最终运行于定电流控制并且逆变侧γ角有所增大。综上所述，整流侧交流系统发生不对称短路故障时的故障特性为：α角在α=αmin=5°至αmax间持续波动且αmax≥αN，γ＞γN。
2.4 逆变侧交流系统短路故障
逆变侧交流系统短路故障发生在图1中f4处。
逆变侧交流系统发生对称故障时，整流侧在定电流控制作用下迅速增大α角以抑制直流电流增大。不考虑过渡电阻影响，直流电压迅速衰减至0附近继而导致整流侧最终运行于最小电流限制状态；逆变侧则始终为定γ角控制，并且在逆变侧交流母线电压降低的作用下导致γ角减小，但由于逆变侧交流电压跌落幅度过大，定关断角控制器已无法消除γ角整定值与实际值之间的误差，导致γ角小于其额定值。
综上所述，逆变侧交流系统发生对称短路故障时的故障特性为：α＞αN，γ＜γN。
与整流侧交流系统发生不对称故障相似，逆变侧α角在逆变侧交流系统不对称故障作用下将产生持续波动，但其最小值较正常运行时仍有大幅增大，故障期间整流侧最终运行于最小电流限制状态；逆变侧控制方式及γ角实际值变化趋势与逆变侧对称故障时相同。
综上所述，逆变侧交流母线发生不对称短路故障时的故障特性为：α＞αN，γ＜γN。
由前一节分析可以得到如下结论：利用α角的响应特性可以有效识别对极故障和整流侧交流系统短路故障；对于逆变侧交流系统故障，则可利用γ角的响应特性进行有效识别。基于上述结论，以正极线路为例，形成直流线路后备保护方案如式(5)所示。
式中：α为由极控测量单元提供的整流侧触发角α采样值；γ为由极控测量单元提供的逆变侧关断角γ采样值。
3.1 整定方法
综合前文分析及仿真结果，形成本文所提直流线路后备保护各判据整定原则及计算方法如下：
（1）整流侧触发延迟角α判据。该判据应在直流线路故障后可靠动作，其整定值应按照躲过f2处故障及f5处故障时控制系统可能输出的α角最大值αmax进行整定。此外，该判据也应在考虑故障初期保护闭锁时间的基础上进行整定。可得该判据整定值计算公式为：
式中，Krel为可靠系数，为保证保护可靠动作，其值应大于1，本文取1.3。
（2）逆变侧关断角γ判据。该判据应在直流线路故障后可靠动作。其整定值应按照躲过f6处故障时可能出现的γ角最大值γmax进行整定。此外，该判据也应与故障初期保护闭锁时间相互配合。综上，可得该判据整定值计算公式为：
式中，Krel为可靠系数，为保证保护可靠动作，其值应大于于1，本文取1.5。
正常运行情况下直流电流较为平稳，其变化不大。无论在何处发生故障都会由于运行方式的突变引发直流电流的急剧变化，这时直流电流的导数必然大于正常运行时直流电流导数的最大值。将此判据作为本方案的启动判据，其整定值如式（8）。
式中dId/dt为直流电流导数的实时值，ΔIset为正常情况下直流电流导数最大值，Krel为可靠系数。
由于所有故障都会导致系统电气量突变，电磁暂态过程的自由分量使电气量剧烈震荡，震荡过程持续大概300ms，此震荡对此后备保护的整定带来很大的干扰，故此后备保护方案应设置ts=300ms闭锁信号回避自由分量，不考虑与直流线路行波保护及其它后备保护相配合时的本文后备保护动作逻辑如图2。
图2 直流线路后备保护动作逻辑
4.1 直流输电系统模型
本文根据云南楚雄—广州惠州±800kV特高压直流输电工程实际参数，在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立了云广±800kV特高压直流输电系统仿真模型。控制系统是根据国际大电网会议组织(CIGRE)直流输电标准测试系统建立的。
4.2 基于模型的保护判据整定
由3.1节可知，α判据整定中αmax应取f2及f5区域内所有故障中控制系统可能输出的α角最大值；γ判据其整定值应按照f6区域内所有故障中可能出现的γ角最大值γmax进行整定；差流判据整定值计算应在考虑故障初期闭锁时间的基础上，按照f1短路故障时可能出现的差流最大值进行整定。
在本模型中的f1～f6区域设置各种故障，仿真得到各故障后的差流信号、直流控制系统中触发角α最大值、关断角γ最大值和闭锁结束后差流值Ire1,2、Iinv1,2，带入式（6）～（8）可得αmax=47°，γmax=36°。
以正极线路中点0.1s分别发生经20Ω、100Ω及200Ω短路故障为例进行说明，仿真结果见图3。
图3 不同过渡电阻时后备保护动作仿真结构
由图3可知，过渡电阻为20Ω、100Ω及200Ω时本保护均能正确动作。整流侧触发角α及关断角γ的动作程度随着过渡电阻的增大而呈下降趋势，并且其达到整定的时间有所增加，但在闭锁结束后，均大于整定值且保持稳定；过渡电阻在一定程度上限制了短路电流的自由分量，因而两侧差流振幅及衰减时间将随着过渡电阻的增加而减小，且在闭锁结束后，两侧差流判据均稳定与0附近。此外，本文通过大量仿真，得到直流线路故障时本后备保护各判据正确动作的“临界”过渡电阻均大于300Ω。
本文首先在分析直流系统控制特性的基础上，得出了直流线路区内外故障时的故障特性。基于换流器触发角、逆变器关断角和两端阀侧到直流出线区域的差流变化特征的直流线路后备保护新原理，并且给出了保护定值计算方法。该保护能正确区分直流线路区内、区外故障，且耐过渡电阻能力强，动作可靠性高。与目前应用的直流线路纵联差动保护相比，本保护的闭锁时间仅为300ms，动作速度明显优于直流电流差动保护；与微分欠压保护相比，本保护具有很强的抗过渡电阻能力，明显优于微分欠压保护。
参考文献：
[1]LONG W, NILSSON S. HVDC transmission: yesterday and today[J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2007,5(2): 22-31.
[2]王峰, 徐政, 黄莹, 等. 高压直流输电主回路稳态参数计算[J]. 电工技术学报, 2009, 24(5): 135-140.
中图分类号：TM773
文献标识码：A
文章编号：1671-0711（2017）04（下）-0070-03
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