交直流混聯系統對交流電網繼電保護影響綜述

李振興，葉詩韻，譚洪，王玲，孟曉星

（1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002；2.新能源微電網湖北省協同創新中心（三峽大學），湖北宜昌 443002）

我國煤炭資源的日漸枯竭使新能源得到大力發展與支持。太陽能、風能廣泛分布在西北地區，水能分布在西南地區，而大負荷中心往往集中在華中與華東地區[1-3]。能源分布決定交直流混聯電網具有極其廣泛的應用前景，特高壓輸電中，當距離超過800 km時，不加串補的交流輸電線路不能滿足其自然功率；當距離超過1 600 km時，在特高壓交流輸電線路，需考慮50%的串聯補償，其線路的輸送容量也無法超過其自然功率5 000 MW[4]。在遠距離輸電中，要求電力輸送滿足容量大、損耗小、線路造價經濟實惠等。相比較于特高壓交流輸電，直流輸電具有更高的輸電能力和輸電效率，直流輸電顯著地發揮了能源資源優化配置的作用。

高壓直流輸電在我國起步較晚，“西電東送”使得直流輸電在我國迅速發展。2010年6月，云南-廣州±800 kV特高壓直流輸電工程正式投運，向家壩-上?！?00 kV、錦屏-蘇南±800 kV等特高壓直流輸電工程陸續投運。截止2016年9月，已有6項特高壓直流工程投運，開工在建8項。特高壓直流輸電伴隨交流-直流-交流的轉換，目前國內逐漸形成的交直流混聯格局使得交直流系統間相互轉換更加頻繁。相比于純交流或純直流輸電，交直流混聯的故障特征明顯不同，傳統繼電保護存在對故障特性判斷不明確的問題，其保護可靠性能降低，嚴重影響交直流混聯電網運行的安全性與穩定性。在交直流混聯系統繼電保護中對故障特性進行分析并采取對策有著重要意義。本文將從以下幾個內容總結綜述。

1 交直流混聯系統故障特征

交直流混聯系統中，由整流站與逆變站結合完成交直流間的轉換。如圖1所示，整個系統主要分為送端系統（與整流站密切關聯）、直流部分、受端系統（與逆變站密切關聯）。與純交流系統不同的是，換流站電力電子器件的非線性和直流控制的快速穩定響應特性都可能影響交流系統[5]，且直流系統與交流系統的地理位置與電氣位置都很接近，其故障特征更為復雜。包括交、直流故障、換流閥動作、負荷變化等在內一系列動作產生的電磁暫態都會影響交流與直流系統，甚至是換相失敗等嚴重事故[6]。其中與逆變站相連的受端系統對系統外電源依賴性最強，導致故障時自身的調頻調壓能力顯著下降，嚴重影響系統穩定性。

圖1 交直流混聯系統結構簡圖Fig.1 The AC-DC simulation system

其次，逆變站極易受受端交流電網故障的影響，當交流線路故障時引起逆變器換相失敗的可能性非常大。又由于直流系統具有快速調節能力，在換相失敗過程中對交流系統有巨大沖擊，對于原有交流繼電保護所設的時序配合與工況帶來巨大挑戰。同時對變化量方向元件、距離元件、零序元件等保護元件和電流互感器傳變性能產生影響。文獻[7]具體分析總結了交直流混聯系統中換相失敗機理。文獻[8]詳細介紹了換相失敗瞬間特征，提出當換流站發生換相失敗時，受影響最大的是交流故障線路的平行線路，且其受影響程度與交流故障線路的故障位置與故障類型密切相關。

基于理論研究，文獻[9-11]具體分析了換相失敗時，不同于純交流的電磁暫態過程對交流線路距離保護的影響。實際工程中，曾有過2003年北涌乙線誤動與2005年橫東甲乙線誤動故障事件等，文獻[12-13]通過這兩次事件詳細分析了直流接入后產生的特殊工況引起暫態功率導向，最終引起方向縱聯保護不正確動作的案例。

本文從直流接入后產生的不同電磁暫態入手，側重于直流接入后，分析逆變側發生換相失敗對交流電網距離保護、方向縱聯保護、差動保護三個方面的影響。深入研究交流部分繼電保護不正確動作機理，并對現存解決對策進行綜述。

2 直流接入對距離保護的影響及對策研究

目前單端電氣量距離保護在高壓交流系統中的應用較為廣泛，其在換相失敗環境下的動作特性對線路保護有影響，同時還可能影響直流系統的正常運行。

文獻[10]對傳統的交直流混聯系統模型進行等值分析，認為對不同故障的位置和嚴重程度會導致測量阻抗發生變化，當出口發生故障時阻抗呈容性，表現為反方向故障導致保護誤動；保護末端故障時阻抗呈感性，測量阻抗比實際值大，導致該Ⅰ段動作的故障延時為由Ⅱ段動作。文獻[11]提出換相失敗時可將直流電源等效為另一個故障源，當交流線路發生單相接地故障時，傅里葉算法不能準確測量短路阻抗，可能造成距離保護誤動。文獻[9-15]認為，由換相失敗導致的電磁暫態過程最重要的是影響交流線路工頻量距離保護。文獻[14]進一步提出，當交流線路產生故障時，直流部分對外呈現很大短路阻抗，這將導致以工頻變化量為判據的距離保護的保護范圍縮小或者失去保護范圍。文獻[15]從直流系統等值工頻量電流出發，發現其影響測量電抗值可能造成距離保護的欠范圍或超越動作。文獻[16]提出產生距離保護暫態超越的決定因素根本原因是暫態信號中的非周期分量。而對于縱聯距離保護，文獻[17]通過仿真驗證認為其幾乎不受換相失敗的影響。

對于電磁暫態對交流線路工頻量保護的影響，文獻[9]通過分析交流側等值工頻電流的暫態特性，提出利用零序方向元件與“縱續”動作實現全線速動。文獻[10]對交直流混聯模型進行改進，針對測量阻抗不準確的問題，提出增加零序功率方向元件做為輔助判據。文獻[11]定義了風險因子概念，利用風險因子說明故障影響程度，風險因子越大交流保護所受影響越大，同時提出利用微分方程算法以達到準確測量的效果。文獻[16]同樣利用微分方程算法，并以西北網交流系統和德寶直流系統參數建立RTDS模型為基礎，驗證了微分方程算法的可行性。

3 直流接入對方向縱聯保護的影響及對策研究

由上述對距離保護的影響分析可知，在交直流混聯系統中發生換相失敗時，直流控制系統快速的調節性使得直流系統相當于一個故障源[11]，其電氣量變化會對交流系統保護產生影響，包括通信通道延時等。文獻[18]把由此可能引起交流非故障線路功率方向的改變稱之為暫態功率倒向（如圖2），縱聯保護無延時，速動性高，暫態功率倒向的發生極易使縱聯保護誤動。

圖2 混聯系統交流暫態功率倒向圖Fig.2 Schematic diagram of the transient power converse in the AC/DC interconnected power grid

實際工程中，2003年廣東北涌乙線和2005年廣東橫東甲乙線的保護誤動均由暫態功率倒向引起的方向縱聯保護的誤動作。文獻[13]提出“電氣競爭”概念，認為暫態功率導向是由兩個不同的故障源同時發生并共同作用的結果[13，18]。文獻[19，20]從突變量方向元件著手，提出在逆變側的交流線路上，其正序和負序阻抗不相等，可能導致利用序分量原理的突變量方向元件誤判[19]。通過對暫態功率倒向機理分析，文獻[21]認為造成暫態功率倒向的主要原因是故障恢復時無功功率的需求急劇加大。

暫態功率倒向是否發生和后果嚴重程度與受端交流系統強弱、故障發生位置甚至過渡電阻等都有緊密聯系[22，23]。文獻[18]通過仿真驗證暫態功率倒向受故障處的過渡電阻大小的影響，過渡電阻逐漸增大暫態倒向功率先減少后增大。其次，與直流系統直接相連的交流線路的方向縱聯保護所受影響最嚴重[23]。

對于故障線路本身，文獻[23]認為在一定條件時，換相失敗將造成工頻變化量方向元件正方向故障誤判為反方向故障，導致縱聯保護拒動。

通過深入研究換相失敗對方向縱聯保護的影響機理，針對非故障線路發生暫態功率倒向引起保護誤動問題，文獻[18-24]提出可以通過設置一定的延時時間閉鎖方向縱聯保護，或減小突變量方向元件的動作區域[18]。但若此時發生功率暫態倒向的非故障線路發生區內故障，由于方向縱聯保護閉鎖，只能由后備保護予以切除，不能滿足其速動性[21]。針對由嚴重故障引起的暫態功率倒向，上兩種方法也不能完全避免保護誤動。文獻[21-22]從引起暫態功率倒向的根本原理出發，建議換流站附近與直流聯系緊密的交流線路采用電流差動保護的方法，從根本上防止由暫態功率倒向引起誤動的可能。針對基于正負序突變量的元件的誤判問題，由于換相變壓器的接線方式保證了零序方向元件的性能，文獻[19]提出使用基于0模電壓、電流的快速方向元件，使用最小二乘法使動作速度得到提升。

對于故障線路自身受換相失敗影響可能導致方向縱聯保護拒動問題，很少有文獻就此深入研究并提出解決方法。

4 直流接入對電流差動保護的影響及對策研究

4.1 換相失敗對交流線路差動保護的影響及對策

隨著通信技術的大力發展，電流差動保護作為主保護廣泛應用到電力線系統中[23]。上面提到，交直流混聯電網中發生換相失敗時，由于不同于純交流系統的暫態特性，對等值工頻量的影響很大。文獻[25]提出由交流系統故障引發換相失敗時，等值工頻電流幅值減少且相角的波動范圍大，使得區內故障時動作量小于制動量，可能導致差動保護拒動[26]。在交直流混聯系統中，通常通過安裝并聯電抗器來抑制過電壓和補償線路無功功率，由于部分非周期分量與低頻分量通過并聯電抗器流入差動電流中，除換相失敗外，線路發生區外故障或區內高阻接地故障時，難以保證差動保護動作的可靠性和靈敏度[27]。

同時在交直流混聯系統中，交流系統電源越弱其交流線路受直流影響越嚴重，單回線路受影響程度也比雙回線路大[28]。

交直流混聯系統中，對于區內故障，電流差動保護可能拒動的問題，文獻[25-26]提出通過增加僅基于幅值的輔助判據來判斷區內故障，與傳統電流差動保護配合。對于電流差動保護可靠性或靈敏度降低問題，文獻[27]提出通過判別故障參數模型中電感參數的符號與幅值的不同來區分區外與區內故障，該方法不受非周期分量等影響，有效提高交直流混聯系統交流線路的保護性能。

4.2 直流接入對換流變差動保護的影響及對策

交直流混聯電網中，由于直流接入，其對換流變影響主要在于直流偏磁與換相失敗。當直流系統以大地回路運行時，部分直流會通過變壓器接地中性點流入交流電網導致直流偏磁。直流偏磁會引起變壓器局部過熱、噪聲增大、鐵芯飽和以及絕緣損壞等一系列危害，其產生的大量諧波和無功損耗也會降低變壓器使用壽命[29-32]，嚴重威脅變壓器的正常運行[33-35]。實際生活中，由地磁風暴（GIC）引起的直流偏磁就曾導致上世紀加拿大魁北克大停電事故。直流輸電接地極附近土壤結構也會影響直流偏磁嚴重程度，土壤電阻率越大，流入變壓器的直流電流越大，直流偏磁越嚴重[36]。直流偏磁會對電流互感器傳變特性產生影響，從而影響變壓器差動保護的可靠性[37-39]。文獻[40]提出，嚴重直流偏磁時，加之變壓器區內發生弱故障，此時差動電流中二次諧波含量很高，對于采用二次諧波制動方法的變壓器，其差動保護閉鎖，保護拒動。而當調壓變壓器空載合閘時，其勵磁涌流雖然很大，但二次諧波含量仍小于閉鎖值，變壓器差動保護又可能誤動[41]。

對直流偏磁問題，國內外側重點存在較大不同，對于交直流混聯系統中變壓器耐受直流的能力，國外具有更嚴格的設計標準，且在歐洲是不允許直流輸電系統以單級大地回路的方式運行的，在此前提下對引起直流偏磁的研究也較少[42]。換相失敗時交流系統類似于一個諧波源[40]，類似于直流偏磁情況，換流變內部故障時差動保護閉鎖而拒動[40，43]。

對于換相失敗或直流偏磁時，變壓器區內故障而差動保護閉鎖拒動問題，文獻[40]提出利用故障分量綜合阻抗。此方案具有較高可靠性。文獻[43]則提出了適用于交直流混聯系統的新邏輯綜合制動方案，保證了內部故障時差動保護可靠動作、外部故障可靠閉鎖。

5 結語

目前我國交直流混聯格局已逐漸形成，其具有與純交流系統完全不同的電磁暫態過程，這些都會對交流系統繼電保護保護部分產生影響。國內外的研究更偏重直流輸電線路保護問題，對新故障特性下交流電網繼電保護部分的影響研究相對較少，且局限性較多，其中具體影響所提出的解決方案深入不夠，缺乏系統的整理。因此，從理論方面或者實際工程方面，應對交直流混聯電網中故障特性對交流部分繼電保護的影響展開深入的研究。

1）對于距離保護，換相失敗情況下直流電源等效為另一個故障源，其對傅里葉算法產生影響導致測量阻抗不準確，同時直流接入對工頻量的影響較大。

2）對于方向縱聯保護，大部分側重點集中在研究非故障線路出現暫態功率倒向問題，所提出的延時解決辦法不能解決嚴重故障與非故障線路緊接又發生故障的問題。對于故障線路可能出現的拒動問題目前研究較少。

3）對于線路電流差動保護而言，其受直流接入影響可靠性或靈敏度降低。在交直流混聯系統中，相比于距離保護與方向縱聯保護，差動保護較為穩定可靠。對于根據二次諧波制動方法的換流變而言，由于國內存在直流系統以大地回路方式運行，直流偏磁情況更為嚴重，對電流互感器傳變特性的影響也間接影響差動保護可靠性。直流偏磁與換相失敗都會使得換流變差動保護不正確動作。

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