基于采样值差动原理的低频输电线路差动保护研究_潘武略.pdf

第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.02Feb.25.2023基于采样值差动原理的低频输电线路差动保护研究潘武略1，钱政旭1，孙志攀2，3，洪丰2，3，曹文斌1，王松1，方愉冬1（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.南瑞集团有限公司，南京 210000；3.国电南瑞南京控制系统有限公司，南京 210000）摘要：低频输电线路发生区内故障时，因线路两端M3C（模块化多电平矩阵变换器）对故障电流幅值、相位的限制，使得两侧电流呈现穿越特性，进而造成传统基于相量的线路差动保护灵敏度降低甚至拒动。为解决上述问题，首先基于低频输电系统架构分析了线路故障后的电气特征及相量差动保护适应性；随后结合采样值差动原理，给出了3个基于采样值的逻辑判据，与稳态量差流门槛及低比率制动方程共同构成适用于低频输电线路的差动保护实现方法；最后在RTDS（实时数字仿真系统）中搭建了低频输电系统模型，通过对低频线路区内、区外不同类型故障的仿真分析，验证了该方法在低频输电线路中的有效性，为后续工程应用奠定了基础。关键词：低频输电；线路保护；差动保护；采样值差动DOI:10.19585/j.zjdl.202302005 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research on differential protection of low frequency transmission lines based on differential principle of sampling valuesPAN Wulue1，QIAN Zhengxu1，SUN Zhipan2，3，HONG Feng2，3，CAO Wenbin1，WANG Song1，FANG Yudong1（1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.NARI Group Corporation，Nanjing 210000，China；3.Nanjing Control System Co.，Ltd.，NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210000，China）Abstract:As a fault occurs in a low-frequency transmission line zone，the modular multilevel matrix converters（M3Cs）at both ends of the line limit the fault current amplitude and phase.Under such a circumstance，the current on both sides displays the characteristics of through current，which in turn leads to poor sensitivity or even failure to operate of the traditional phase-based line differential protection.To solve the above problems，the electrical characteristics of the line after a fault and the adaptability of the phase differential protection are analyzed first based on the architecture of the low-frequency transmission system.Then three logical criteria based on the sampling values are given in combination with the differential principle of sampling values，which together with the steady-state differential threshold current and the low ratio braking equation constitute a differential protection method applicable to low-frequency transmission lines.Finally，a model of the low-frequency transmission system is built in RTDS（real-time digital simulation）system，and the effectiveness of the method used in low-frequency transmission lines is verified through the simulation analysis of different types of faults within and outside the lines，which lays the foundation for subsequent engineering applications.Keywords:low-frequency transmission；line protection；differential protection；sampling value differential0引言柔性低频交流输电技术是通过交交变频装置将50 Hz工频电能降低为20 Hz或更低频率电能的新型输电技术，可明显降低线路电抗与充电无功，提升线路输送容量；同时也可继续沿用交流变压器和断路器技术，具备电压等级变化易实现、易组网、故障易开断的优势1。柔性低频交流输电可应用于中远距离海上风电送出、陆上新能源汇集与送出、直流落点地区潮流疏散、多岛屿互联及电缆化城网供电、偏远地区长距离输电等场景，基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（2021ZK07）第 42 卷是实践新发展理念、构建高弹性电网的重要探索，也是高质量实现“双碳”目标的重大举措2。传统电流相量差动保护原理简单，灵敏度高，适用于系统振荡和非全相等各种复杂工况，适合各种网架结构的电力网络，具有天然的选相能力，在电力系统中大量应用。但在线路发生区内故障时，因低频输电线路两端M3C（模块化多电平矩阵变换器）的调控作用，使线路两端故障电流幅值受限且呈现一定的穿越特性，造成传统差动保护灵敏度下降甚至拒动，严重影响低频输电系统的正常运行；且低频输电系统频率的降低，使相量差动保护的计算数据窗相应变长，保护的速动性会降低。目前，柔性低频输电关键技术研究和设备开发还处于初级阶段，更多的文献是针对低频系统架构及M3C控制策略等方面进行研究3-10，有关低频输电线路保护相关原理的讨论几乎没有。因此，研究适用于柔性低频输电线路的差动保护新原理是十分必要的。采样值差动保护基于每个采样时刻的采样值进行动作判别，受坏数据点影响较小，且数据窗相对较短，因此在可靠性和速动性方面与相量差动保护相比均占有一定优势。文献 11 对采样值差动保护的主要问题进行了研究，明确了其可行性和优越性；文献 12 讨论了采样值差动与瞬时值差动的区别，并给出了采样值差动关键参数在不同应用对象时的选择方法；文献 13 分析了采样初相、数据窗长度选取、整定门槛和重复判断次数的关系及对保护动作性能的影响；文献 14讨论了采样值差动存在的动作边界变化区的问题，分析了采样值差动保护出口的适宜速度。但以上文献均未对采样值差动保护在低频输电线路中的适用性进行分析。本文从低频系统架构入手，分析低频输电线路故障的电气特征，在此基础上分析传统基于相量的线路差动保护的适应性和存在问题，再将低频输电线路的故障特征与采样值差动原理相结合，提出适应柔性低频输电线路的差动保护技术，并通过RTDS（实时数字仿真系统）验证了该技术能够满足低频输电系统的要求。1低频输电系统的构成图1（a）为基于M3C的两端电源低频输电系统的主回路拓扑，其中电源A、B均为工频电源，额定电压220 kV，电源A为送端电源，电源B为受端电源；工频电经过工频Yg/变压器，从220 kV降压为60 kV。经过M3C后变换为20 Hz的低频60 kV交流电；再经过低频/Yg变压器，从60 kV升压为220 kV。低频侧通过线路连接送端和受端。与传统工频输电系统相比，稳态时低频输电系统中低频侧电压中高次谐波含量较高，电流较为平滑，频率均为20 Hz，如图1（b）所示。图2为M3C拓扑结构，共9个桥臂，每个桥臂有10个子模块，为全桥子模块。M3C控制系统产生调制电压后，通过最近电平逼近法确定每个桥臂投切子模块个数。2相量差动保护原理及适应性分析传统相量差动保护是基于基尔霍夫定律，通过对线路动作电流、制动电流有效值的计算和比较来判别区内外故障的。图3为典型双端输电线路，M和N为差动保护边界，I?m和I?n分别为线路两端测量电流，ZL为被保护线路阻抗，f为故障点。动作电流一般可表示为：Id=|I?m+I?n|（1）制动电流一般可表示为：Ir1=|I?m-I?n|（2）电流差动继电器的比率制动特性一般为：IdIqdIdKrIr（3）式中：Iqd为差动继电器启动电流；Kr为比率制动系数，常规线路差动保护一般取0.60.75。低频输电线路区内发生故障时，故障电流主要呈现出以下几个特性：1）幅值受限：受 M3C 器件自身安全性的要求，故障电流幅值受限，体现为弱馈特征。2）波形畸变：控制器的动态调节过程，使得故障发生后电流频率出现偏移。3）穿越特性：低频输电系统在故障时以维持原有功率输送为控制目标，故障电流呈现出明显的穿越特性。以低频输电线路区内单相接地故障为例进行分析。低频输电线路中点发生AN故障时的两端电流分别如图4（a）、4（b）所示，故障发生后A相电36 第 2 期潘武略，等：基于采样值差动原理的低频输电线路差动保护研究流增大，但由于M3C中电力电子器件控制策略的作用，短时间内将故障电流幅值、相位限制到近似于故障前负荷电流的形态。图 5 为故障 20 ms 后两端 A 相电流的幅相特性。故障发生后，受端功率基本没有变化，受端故障电流基本与负荷电流类似，两侧A相电流相角差为145，呈现出较为明显的穿越特性，与传统工频线路发生区内金属性故障时两侧电流相角关系相差甚远。图6为采用全傅氏计算出的A相差动电流与制动电流的幅值，故障期间差动电流最大为0.7 A，且与制动电流的比值在0.20.3波动，不能满足常规线路差动保护灵敏度的要求。3适用于低频输电线路的差动保护方法基本的采样值差动保护原理可表示为：|id|idset（4）（a）低频输电系统拓扑（b）低频变高压侧电气量图1 低频输电系统图及电气量Fig.1 Diagrams of low-frequency transmission system and electrical quantities图2 M3C拓扑Fig.2 M3C topology图3 典型双端输电线路Fig.3 Typical double-end transmission line37第 42 卷id=im+in（5）式中：id为差动电流采样值；idset为动作门槛，为正实数。采样值差动保护判据一般遵循“R取S”原则，即在一定的采样率下，如果连续的R个采样点中，有S个点满足动作条件，则保护动作。充分考虑上文提及的低频输电系统线路故障特性，对采样值差动基本原理进行改进，给出以下3个采样值差动判据：|id|idset1（6）|id|idset2（7）1）判据1：连续S1个采样点满足式（6）。2）判据2：连续R2个采样点中，累积有S2