基于时空特性的直流线路保护性能分析方法

知识点：直流线路

高压直流（high voltage direct current, HVDC）输电技术是实现国家及区域能源互联互通、清洁能源远距离外送、跨时区互补、跨季节互济、优化配置的关键技术，在构建跨国、跨洲电网的过程中进一步呈现出远距离、大容量、低损耗、高效率、灵活稳定的新需求。

与高压交流（high voltage alternating current, HVAC）输电系统相比，高压直流输电系统具有较大传输容量和灵活的电源配置，适合长距离大功率输电，在异步互联和海底电缆长距离传输方面更具竞争力。大多数HVDC线路都用于长距离电力传输，不可避免地要经过崎岖的地形并在恶劣的天气条件下运行，这会导致线路频繁发生故障。基于电压源型换流器（voltage source converter, VSC）的高压直流输电系统具有较低的阻尼和惯性，换流站中的电容器会迅速放电，从而导致故障电流快速上升，其数值在几毫秒内可能超过额定值的10倍，严重威胁换流站的安全。

为了保护电力电子设备，超快速直流线路保护需要在2～3ms内识别故障线路，并有选择地隔离故障点。如何解决直流输电线路的超高速保护是未来基于VSC的直流电网建设中亟待解决的关键难题之一。

目前，国内外专家和学者在直流线路超高速保护领域进行了大量研究，提出的保护方案按照是否需要通信可以分为单端量保护和纵联保护两类。单端量保护利用本地测量的信息来快速识别故障，常被用作线路主保护；纵联保护利用被保护线路两侧信息来识别高阻故障，并为主保护提供后备保护。

目前，学者在充分挖掘直流线路故障特征的基础上，提出众多切实有效的保护方法，然而对于面向工程实际应用的直流线路保护来说，在认知保护方案的创造性的同时，更加关注保护方案在应对不同过渡电阻、不同故障距离下的动作性能，进而多方面了解保护方案的优势及缺陷，但是多数文献在介绍保护方案的同时并不能全面地呈现其性能；另外，已有研究成果缺乏对不同保护方案针对同一直流输电拓扑结构的平行比较，而这恰恰是加深对保护方案的理解、为开发新型保护提供方向的重要方法。

鉴于以上两点，本文在深入分析现有保护方案的基础上，提出一种将故障距离、故障时间、故障过渡电阻相结合的时空特性分析方法，综合考虑保护在不同故障距离、不同故障过渡电阻下的动作时间，旨在为现有直流线路保护分析提供支撑，并在此基础上构建合理的直流线路保护系统。

1  基于时空特性的保护性能分析方法

1.1  现有直流线路保护性能分析方法

现有直流线路保护性能分析方法可以表述为：在某种故障条件下，利用保护特征量数值与动作整定值进行比较，当满足动作条件时保护出口动作，保护装置动作出口状态利用阶跃波表示，如图1所示。该保护性能分析方法通俗易懂，是目前众多文献所采用的分析方法。

图1  现有直流线路保护性能分析方法

由图1可以看出，该方法存在不足：首先该分析方法将保护动作特征量与保护整定值放在同一坐标系进行比较，而对于不同的保护方案保护动作特征量不同，保护整定值相应不同，无法在同一坐标系进行呈现，这就导致该分析方法只能对保护方案纵向分析，无法实现不同保护方案的横向对比；其次该分析方法仅呈现了保护方案在一种故障条件下的动作特性，对于不同过渡电阻、不同故障距离下的保护动作特性，只能通过添加数量有限的动作特征量曲线，体现效果并不完善。

有的文献采用表格列举的方式来呈现多种故障条件，但该方法并不直观且缺少保护的动作时间，即无法了解保护的速动性。有研究文献介绍了一种直流线路保护对比分析方法，其在不同的故障距离和过渡电阻的故障条件下利用条形图列举不同保护方案动作特征量的大小，同样缺少对保护速动性的体现。

1.2  基于时空特性的保护性能分析方法

为了解决上述问题，本文提出一种利用时空特性分析直流线路保护性能的方法。其中，“时”即动作时间，“空”即输电线路故障距离和过渡电阻，充分考虑在不同故障距离、不同故障过渡电阻下保护的动作时间。动作时间包括保护故障启动、故障识别、故障选极、动作延时时间，为了简化分析，没有包括保护出口到断路器动作时间，而这段时间一般为固定值对保护性能分析影响不大。

一个保护方案性能优良，一方面体现在能够识别全线路的故障且具有较高的耐过渡电阻能力，另一方面体现在保护动作时间较短。为了保证三元素随着坐标轴数值正向增加时，所体现的保护性能越好，本文将动作时间的倒数作为Z轴坐标，但这会导致当保护动作时间变化程度较大时，保护动作性能变化程度分辨率不高，故本文将Z轴坐标改为对数坐标系。基于时空特性的保护性能分析方法示意图如图2所示。

图2  基于时空特性的保护性能分析方法示意图

从图2可以看出，本文令故障距离、过渡电阻、保护动作时间的倒数分别为X、Y、Z轴构造三维坐标图，清晰直观地呈现了保护在不同故障条件下的动作特性。为了实现不同保护判据动作特性的平行对比，图中并不呈现保护动作特征量，而是呈现保护判据更加关注的元素。

此外，考虑到保护方案的实际应用，系统的运行方式、边界元件的参数、故障类型等均会对保护动作时间造成影响，因此相比于保护动作的具体时间，时空特性图更加关注保护动作时间倒数的数量级，这更有益于继电保护工作人员根据实际应用场景选择合适的保护方案，保护动作时间倒数的数量级所对应的时间尺度见表1。

表1  保护动作时间倒数的数量级对应的时间尺度

2  直流线路保护仿真分析

2.1  仿真模型

为了验证本文所提保护性能分析方法的适用性，通过仿真对具有代表性的直流线路保护方案进行分析。目前，基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电（modular multilevel converter-high voltage direct current, MMC-HVDC）技术是VSC-HVDC输电系统的新型拓扑结构，世界各国已开展相关研究。

依据CIGRE B4—57 working group搭建400kV四端MMC-HVDC仿真模型如图3所示。图3中线路OHL1～OHL4均为对称双极线路，线路长度为400km，其频率相关模型及杆塔模型如图4所示。限流电抗器电感均为100mH；R1～R8为直流线路保护安装点；f1～f5分别为距离保护安装处R1 50km、150km、200km、250km、350km区内故障点；换流站内MMC选用半桥子模块，其参数见表2。PSCAD/ EMTDC系统仿真步长为10μs，采样频率为20kHz，故障时间为4s。

图3  四端MMC-HVDC仿真模型

图4  频率相关模型及杆塔模型

表2  MMC仿真模型参数

以图3中线路保护R1、R2为例，分别设置不同的过渡电阻，在区内故障f1～f5对保护方案进行仿真分析。本文旨在展现所提方法在体现保护动作特性时的优势，故仅分析正极单极接地的故障类型，不讨论其他故障类型。

2.2  单端量保护仿真分析

单端量保护利用本地测量的信息来快速识别故障，本文对基于频域数据和波形特征的单端量保护进行仿真分析。参考以下文献进行仿真分析：有研究文献介绍的基于频域数据的单端量保护，令其为方案1；有研究文献基于行波波形特征的单端量保护，令其为方案2。

为了更好地体现本文所提分析方法在体现不同保护方案平行特性方面的优势，将上述两种方案进行对比分析如图5所示。在直流线路发生故障时，电压电流中丰富的高频分量有助于识别故障。

图5  单端量保护方案动作特性对比

由图5可知，基于频域数据的单端量保护引入高频分量，获得较高的耐过渡电阻能力，但是动作时间有所增加，这是由于高频分量的提取算法均需要一定数据时间窗，相应会使保护算法的故障识别速度变慢。

另外，基于行波波形特征的单端量保护耐受过渡电阻可达1000Ω，其动作时间尺度仅为1ms。然而从图5也可以明显看出，保护方案无法反应线路末端的故障，其原因主要是该方案在实现过程中需要利用拟合函数，线路末端拟合误差较大无法正确识别故障。

从图5还可以看出，单端量保护的动作特性整体从左上到右下呈现平滑下降趋势，这也是单端量保护动作的特点，动作时间随故障距离增加而增加，而过渡电阻对故障时间的影响有限。基于频域数据的单端量保护在耐过渡电阻能力方面大大提升，但是引入了数据时间窗，在增加保护灵敏性的同时牺牲了保护速动性，这在本文所提分析方法中得到了体现。

通过上述对比可以看出，方案1在低阻故障时的动作时间比方案2长，随着故障距离和过渡电阻的增加，方案1的动作时间较方案2变短，但是方案1耐最大过渡电阻为500Ω，方案2耐最大过渡电阻可达1000Ω，这与两种方案自身的原理相关。

由以上分析可得，基于时空特性的保护性能分析方法可以通过三重元素多方面了解保护动作特性，而传统二维曲线图无法实现这一点。通过对比可以清晰了解不同保护方案的优缺点，为优化保护判据提供参考。

2.3  纵联保护仿真分析

纵联保护利用被保护线路两侧信息来识别高阻故障，并为主保护提供后备保护。本文以相关文献的传统纵联差动保护及其改进方案为例，介绍本文所提方法在纵联保护中的适用性。令传统差动保护为方案3，令改进差动保护为方案4，上述两种保护方案的时空特性对比如图6所示。

图6  纵联保护方案动作特性对比

由图6可以看出，传统的差动保护方案能够可靠识别全线路的故障，并且具有较高的耐过渡电阻能力，但是由于延时的引入，其动作时间尺度高达100ms。改进差动保护利用补偿电流建立低定值高延时、高定值低延时的保护配合判据，在保证差动保护实现高阻故障识别的前提下使动作时间有所降低。

此外，改进纵联差动保护利用判据的配合使其整体的动作特性呈现阶梯下降趋势，并且在过渡电阻≤700Ω时，保护由高定值低延时判据识别故障，过渡电阻在≥800Ω时，保护由低定值高延时来识别故障。故本文所提方法可以正确反映不同保护方案的原理，呈现不同的时空特性结构。

3  直流线路保护系统动作性能仿真分析

前文对单端量保护和纵联保护进行了仿真分析，本文方法对保护动作特性的分析效果良好。下面以直流工程的主、后备保护为例，采用本文方法进行分析。目前大多数直流工程采用行波保护为主保护、电流差动保护为后备保护，本文以相关研究文献中的天广直流工程为例，其动作性能如图7中方案5所示。

由图7可知，由于主保护无法识别高阻及远距离故障，需要靠具有长延时的差动保护来识别故障，因此直流线路保护系统的动作时间不平滑。由前文叙述可知，传统差动保护动作延时较长，存在扩大停电范围的风险，故传统直流线路保护系统动作性能存在缺陷，需要进行一定的改进。

图7  直流线路保护系统动作性能

根据第2节分析结果，基于频域数据的单端量保护动作速度较快并且具有一定的耐过渡电阻能力，而改进纵联差动保护在应对高阻故障时所采用的双判据策略使其动作时间较为平滑，故本文以上述保护方案为例，构造改进直流线路保护系统，令其为方案6。

图7中方案6显示了改进直流线路保护系统动作性能，由改进直流线路保护系统时空特性可以看出，该保护动作性能具有明显的“三段式阶梯”特征。对于过渡电阻≤400Ω的故障主保护动作，可以在1ms的时间尺度识别故障；对于过渡电阻在500～700Ω之间的故障由后备保护的高定值判据识别，可以在10ms的时间尺度识别故障；对于过渡电阻≥ 800Ω的故障由后备保护的低定值判据识别，可以在100ms的时间尺度识别故障。

从上述分析可以得出，改进直流线路保护系统在不同过渡电阻下采用了不同的保护判据，实现了低阻故障快速动作、高阻故障可靠动作的目标，实现了主、后备保护的良性配合，具有较好的速动性和可靠性。

4  结论

立足于全方面体现直流线路保护动作特性，本文提出一种基于时空特性的保护性能分析方法，充分考虑保护在不同故障距离、不同故障过渡电阻下的动作时间，清晰地呈现保护动作特性。本文在对现有直流线路保护性能分析方法与基于时空特性的保护性能分析方法对比分析的基础上，得出本文方法在呈现不同故障条件下保护动作特性具有优势的结论。通过对直流线路单端量保护和纵联保护的仿真分析，验证了本文方法的有效性。同时，本文将现有直流工程中采用的线路保护系统与所提线路保护系统分析对比，认识到具有良性的主、后备保护配合是未来直流线路保护系统发展的重要方向。

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