計及換流站控制響應的多端混合直流線路后備保護設計

李海鋒，許燦雄，梁遠升，賴江宇，王 鋼

計及換流站控制響應的多端混合直流線路后備保護設計

李海鋒1，許燦雄1，梁遠升1，賴江宇2，王 鋼1

(1.華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510641；2.廣東電網公司廣州供電局，廣東 廣州 510620)

多端混合直流系統故障暫態過程受直流控制響應的影響較大，針對其線路故障特征的分析和保護原理的研究，應當充分計及直流控制特性的影響。為此，根據多端混合直流系統的特點，計及故障后不同換流站的控制響應過程，對其直流線路故障暫態電流的變化趨勢關系進行研究分析。并基于此提出了基于滑窗均值電流的多端混合直流線路區內、區外故障識別判據，給出了具體的保護方案。通過PSCAD/EMTDC對所提保護方案的可行性進行了仿真驗證。仿真結果表明，所提方案能夠可靠識別包含T接匯流母線在內的各種直流線路故障，天然具有故障選極能力，耐受故障過渡電阻能力和抗噪聲干擾能力強，且無需數據同步，可作為多端混合直流線路的快速后備保護。

多端混合直流系統；控制響應；故障暫態電流；故障識別；快速后備保護

0 引言

作為一種新型的直流輸電方式，多端混合直流系統在整流側采用LCC(line commutation converter)換流技術，逆變側采用MMC(modular multilevel converter)換流技術，結合了兩者優勢，避免了換相失敗，還可實現多端供電和多落點受電，具有廣闊的工程應用前景[1-3]。多端混合直流輸電技術仍有諸多技術難題有待攻克，其直流線路故障暫態特征分析及線路保護研究正是其中亟待解決的關鍵問題之一。

目前多端混合直流線路保護方案主要參照LCC傳統直流工程和MMC柔直工程的運行經驗，以行波保護和微分欠壓保護為主保護，電流差動保護作為后備保護[4-5]。雖然電流差動保護不受故障過渡電阻的影響[6-8]，但為了保證選擇性，需要通過延時來躲開控制系統響應以及較長線路分布電容的影響，犧牲了速動性。針對現有后備保護存在的不足，國內外專家學者基于故障信號的時域或頻域特征提出了很多解決方案?；跁r域特征分析的保護方案主要利用邊界元件兩側電壓或電流的變化量、變化率或梯度等信息實現故障區域識別[9-11]，此類方法一般原理簡單且動作迅速，但卻易受高頻噪聲信號的干擾，可靠性有待進一步提高。而基于頻域特征分析的保護方案往往采用如小波變換[12-14]、S變換[15]、Hilbert-Huang變換[16]等信號處理技術來提取區內、區外故障時的頻域能量信息，利用邊界元件特性構造保護判據[17-19]，但往往存在計算繁瑣、速動性較差等問題。

上述保護原理主要針對LCC雙端直流系統和MMC柔直電網。然而由于多端混合直流系統在拓撲結構、運行方式和控制策略等各方面皆與常規直流和柔性直流存在一定的差異，T接匯流母線的存在使得其直流線路邊界特性復雜多變，再加上故障后不同換流站的控制響應及相互作用，使得這些保護方案無法直接應用于多端混合直流系統。

為此，專家學者也開展了一些相關的研究。文獻[20]提取了多端混合直流線路的故障暫態高頻電流變化量構造保護判據，然而當應用到較長的直流線路上時，由于長線路對高頻分量的衰減作用，該方法的可靠性大大降低。文獻[21]利用小波變換提取故障暫態電流，基于并聯型多端混合直流系統各線路兩側暫態電流的中低頻能量差進行故障區域判別，但該方法整定繁瑣，計算量較大。文獻[22]研究分析了故障行波在多端混合系統不同線路邊界處的折反射差異，提出了基于故障電壓首極值時間的快速保護方案，但該方法無法識別T接匯流母線故障。上述幾種方法主要基于暫態初始行波信息，都沒有考慮直流控制響應的影響。

由于LCC和MMC的控制響應特性不同，多端混合直流線路故障暫態階段受直流控制響應的影響較大，現有的保護方法或是利用控制響應前的故障特性，或是利用控制后的穩態信息躲開了控制系統的影響，致使直流控制暫態階段缺乏相應的保護。為此，本文計及多端混合直流系統故障后不同換流站的控制響應過程，研究分析了其直流線路故障暫態電流的變化趨勢關系，構造了基于滑窗均值電流的多端混合直流線路區內、區外故障識別的保護判據，最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型并驗證了所提保護方案的正確性。

1 多端混合直流系統故障后的控制響應

圖1 ±800 kV三端混合直流系統

圖2 MMC換流站出口處直流電流

2 多端混合直流線路故障電流分析

圖3 直流故障電流方向示意圖

表1 故障電流變化趨勢與參考方向的關系對比

注：電流變化趨勢與參考方向相同時記為“+”，相反時記為“-”

3 快速后備保護方案設計

3.1 啟動判據

當多端混合直流線路發生故障時，直流電壓迅速跌落，因此可以利用線路兩側直流電壓的變化率作為快速后備保護的啟動判據：

3.2 保護動作判據

3.2.1故障電流的滑窗均值特征

當直流側發生故障時，直流電流中可能包含有各次諧波分量，為濾除其中的工頻分量和高頻諧波分量，削弱可能存在的奇異點影響，可將線路兩側直流電流取20 ms內的平均值。

3.2.2基于滑窗均值電流的相似度判據

當發生直流線路故障時，其兩側電流的變化趨勢相反，為此可引入余弦相似度函數，通過測量兩個向量的夾角余弦值來度量它們之間的相似性，而且該函數對信號進行歸一化處理，只考慮信號的變化趨勢，消除了信號幅值的影響，計算公式為

綜合上述分析，可以基于滑窗均值電流變化趨勢構造多端混合直流線路的區內、區外故障識別判據：

對于圖1所示的三端混合雙極直流系統，發生不同類型故障時的識別判據分別為

除上述3種情況外，其余情況均判別為區外故障。

需要指出的是，由于該保護判據天然具有故障選極能力，因此無需額外的故障選極判據。

與以往的保護方案不同的是，所提保護方案并不需要故障后一個完整數據窗的時間才動作；在故障初始階段，數據滑窗內同時包含有故障前和故障后的電流信息，由于故障前信息為零，只需故障后信息令滑窗內采樣點整體上滿足故障判據即可動作，實際上此時相當于變窗均值，其實際動作時間會小于完整的數據滑窗時間，也在一定程度上確保了作為后備保護的速動性。

3.3 保護方案流程框圖

根據上述分析，綜合啟動判據和故障動作判據，提出基于滑窗均值電流變化趨勢的多端混合直流線路保護方案，其具體流程圖如圖5所示。

圖5 多端混合直流線路保護方案流程圖

4 仿真驗證

4.1 故障仿真分析

(1) Line1區內故障

圖6 Line1區內故障時保護動作結果

(2) Line2區內故障

圖7 Line2區內故障時保護動作結果

(3) T接匯流母線故障

圖8 T接匯流母線正極故障時保護動作結果

(4) 區外故障

圖9 區外故障時保護動作結果

通過上述仿真驗證可以發現，當發生金屬性故障時，所提保護方案僅需幾毫秒的時間便可準確識別出多端混合直流系統的Line1區內故障、Line2區內故障和T接匯流母線故障，并不需要等待一個完整數據窗的時間，而且能夠正確選極，具有較好的速動性。

4.2 耐受過渡電阻能力測試

當多端混合直流系統發生高阻接地故障時，相對于金屬性接地，其直流故障特征明顯削弱；為了驗證不同故障過渡電阻對所提保護判據性能的影響，在不同故障位置分別設置不同的故障過渡電阻，包括0.001 Ω、300 Ω和800 Ω，基于所提保護原理進行大量的仿真分析，由此可得表2。

由表2可知，在不同的故障過渡電阻下，所提保護原理均可正確識別出Line1區內故障、Line2區內故障、T接匯流母線故障以及區外故障，并能夠可靠動作，具有較強的耐受故障過渡電阻的能力。

4.3 抗噪聲干擾能力測試

本文所提保護原理基于故障暫態電流的變化趨勢，因此若電流信號受到高頻噪聲干擾，理論上可能會使電流變化趨勢改變，影響到保護的可靠動作；但由于所提保護原理對電流信號進行了滑窗均值處理，對屬于高頻信號的噪聲起到了一定的濾波作用。為此，在電流信號中分別加入信噪比為10 dB、20 dB和30 dB的噪聲干擾，對所提保護原理的抗噪聲干擾能力進行仿真驗證，結果如表3所示。

表2 不同故障過渡電阻下的保護性能測試

表3 噪聲干擾下的保護性能測試

由表3可知，在不同的白噪聲干擾下，所提保護判據依然能夠可靠動作，具有良好的抗噪聲干擾能力。

4.4 數據同步誤差影響測試

本文所提保護判據需要利用線路兩側電流數據，而多端混合直流系統中架空輸電線路一般較長，兩側數據可能存在一定的同步誤差。為了驗證數據同步誤差對所提保護判據性能的影響，設置線路兩側5 ms的通信延時，基于不同故障位置和不同故障過渡電阻情況進行仿真，結果如表4所示。

表4 數據同步誤差下的保護性能測試

由表4可知，即便在5 ms的數據同步誤差下，所提保護判據依然能夠準確識別出各種故障類型，因此無需數據嚴格同步。

4.5 與差動保護方案對比測試

目前高壓直流輸電線路后備保護以差動保護為主，針對圖1所示的三端混合直流系統，傳統差動保護判據如式(9)所示。

圖10 區外故障時的差動電流

現有的差動保護改進方案大多通過對電流進行補償[6-8]，考慮線路暫態分布電容電流的影響，無需延時，提高了速動性，但和傳統差動保護方案一樣，容易受到電流信息中高頻諧波分量的影響，且要求數據嚴格同步，存在誤動的可能；同時差動保護無法準確識別多端混合直流系統中的T接匯流母線故障，存在一定的局限性。

本文所提保護方案經過仿真驗證，可以在噪聲干擾以及數據同步誤差下準確識別包括T接匯流母線在內的各種直流線路故障，相較于差動保護而言，更適合作為多端混合直流線路的后備保護。

5 結論

本文計及多端混合直流系統故障后換流站控制切換及MMC直流閉鎖情況，利用故障暫態電流的變化趨勢關系，構造了基于滑窗均值電流的多端混合直流線路區內、區外故障識別判據，并給出了具體的保護方案。

該方案原理構成和計算過程簡單，該方案原理構成和計算過程簡單，通過大量的電磁暫態故障仿真算例，對所提保護方案的正確性和可行性進行了驗證，仿真結果表明：

(1) 本文所提保護方案能在較短的時間內準確識別出直流線路區內故障、T接匯流母線故障以及區外故障，并具有天然的故障選極能力。

(2) 本文所提保護方案具有較強的耐受故障過渡電阻能力和抗噪聲干擾能力，且無需嚴格的數據同步，可靠性和靈敏性高，可作為多端混合直流線路的快速后備保護。

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Backup protection design for multi-terminal hybrid HVDC lines considering control response

LI Haifeng1, XU Canxiong1, LIANG Yuansheng1, LAI Jiangyu2, WANG Gang1

(1. School of Electric Power Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. Guangzhou Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510620, China)

The fault transient process of a multi-terminal hybrid HVDC system is affected greatly by DC control response. The impact of DC control characteristics should be taken into consideration in the analysis of line fault features and research on the protection principle. Based on the characteristics of this type of HVDC system and the control response of different converter stations, the variation tendency relationship between fault transient currents after a DC line fault occurs is studied and analyzed. Then the fault identification criterion based on the sliding mean currents to identify the DC characteristics of internal and external line fault is proposed, and a specific protection scheme is presented. The validity of the proposed protection scheme is verified by PSCAD/EMTDC simulation. The results show that the proposed scheme can quickly and correctly identify line faults including on the T-junction DC bus. It can be implemented with superior performance for a fault transition resitance and with noise interference. Synchronous data is not needed. With fault pole selection capability, the proposed scheme qualifies as fast backup protection for multi-terminal hybrid HVDC transmission lines.

multi-terminal hybrid HVDC system; control response; fault transient current; fault identification; fast backup protection

10.19783/j.cnki.pspc.220565

國家自然科學基金項目資助(52077082)；廣東省基礎與應用基礎研究面上項目資助(2022A1515010906)

This paper is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077082).

2022-04-19；

2022-07-04

李海鋒(1976—)，男，博士，教授，研究方向為電力系統故障分析與繼電保護；E-mail: lihf@scut.edu.cn

許燦雄(1996—)，男，碩士，研究方向為高壓直流輸電線路保護；E-mail: jzmyxcx@163.com

梁遠升(1980—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為電力系統保護、控制與自動化。E-mail: ysliang@ scut.edu.cn

(編輯 許 威)