基于瞬时功率相平面的柔性直流电网后备保护_王洪彬.pdf

第 49 卷 第 3 期：1273-1283 高电压技术 Vol.49,No.3:1273-1283 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20211860 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 基于瞬时功率相平面的柔性直流电网后备保护 王洪彬1，周念成1，廖建权2，范炳昕1，宋佳航1，倪静怡1（1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆 400044；2.四川大学电气工程学院，成都 610065）摘 要：基于双端信息的柔性直流电网保护方法具有无需整定阈值、耐受过渡电阻能力强、保护线路全长、可靠性高等优势，可以弥补单端信息保护的缺陷。为实现直流电网线路故障的全范围检测，同时实现后备保护与主保护的协调配合，提出了一种基于故障分量瞬时功率相平面的直流电网线路双端保护方法。首先建立多端柔性直流电网模型，利用回路分析法推导短路故障电流和电压，计算故障分量瞬时功率。然后分析不同故障类型下正负极故障分量瞬时功率的和差特征，分别利用功率差与功率和构造相平面，实现故障区域识别与故障选极。同时通过引入低电压判据，对故障分量瞬时功率重新进行计算，消除线路出口处存在保护死区的问题。该保护方法具有良好的选择性，能够保护线路全长，且具有较好的耐受过渡电阻能力。关键词：柔性直流电网；后备保护；瞬时功率；相平面；故障区域识别；故障选极 VSC-HVDC Backup Protection Based on Instantaneous Power Phase Plane WANG Hongbin1,ZHOU Niancheng1,LIAO Jianquan2,FAN Bingxin1,SONG Jiahang1,NI Jingyi1(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.College of Electrical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract：The VSC-HVDC protection method based on double-terminal information has the advantages of no setting threshold,strong resistance to transition resistance,full length of protection line,and high reliability.It can make up for the defects of single-terminal information protection.In order to realize the full range of fault detection for DC grid lines and realize the coordination between backup protection and main protection,a dual-terminal protection method based on fault component instantaneous power phase plane was proposed.Firstly,a multi-terminal flexible DC grid model was es-tablished,the short-circuit fault current and voltage were deduced by loop analysis method,and the instantaneous power of fault component was calculated.Then,the sum and difference characteristics of the instantaneous power of the positive and negative fault components under different fault types were analyzed,and the phase plane was constructed by the power difference and power sum,respectively,to realize fault area identification and fault pole selection.At the same time,by introducing low voltage criterion,the instantaneous power of fault component was recalculated to eliminate the prob-lem of protection dead zone at the line outlet.The protection method has good selectivity,can protect the whole length of the line,and has good resistance to transition resistance.Key words：VSC-HVDC;back up protection;instantaneous power;phase plane;fault area identification;fault pole selec-tion 0 引言1 随着电力网络规模的扩大与结构的复杂化，交流输电的固有缺陷愈发突出1-3。相比于交流输电，直流输电的传输容量大、输送距离远、线路有功损耗小、调节速度快、控制灵活，且不存在无功平衡、频率稳定和系统同步等问题4-6。自实现工程应用以 基金资助项目：国家自然科学基金(52077017；52207126)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(52077017,52207126).来，被广泛应用于远距离大容量的电能传输等场合。然而，直流线路故障后故障电流剧烈上升，极大地威胁系统的安全运行7-8。为减小直流断路器的开断容量，同时避免因故障电流过大而引起系统停运，需要准确地检测直流线路故障，实现快速保护4。目前，直流电网的保护方案分为两类，即单端法和双端法，其中基于单端暂态量提取方法包括时域法和频域法8-9。文献10采用了时域暂态量提取方法，利用电压变化率进行保护与定位，该文献中1274 高电压技术 2023,49(3)还讨论了与直流断路器的配合问题，提高了保护动作速度。文献11利用电流幅值及变化率进行保护与故障选极，但该方法易受线路耦合的影响，且该文献未分析所提出保护方法受过渡电阻等因素的影响。文献12利用直流线路故障的暂态电流和电压在不同故障区域和故障极情况下的差异，快速准确辨识故障类型，具有一定耐受过渡电阻能力，但未验证过渡电阻值超过 100 时保护是否还能正确动作。文献13中提出了一种基于电压反射行波二阶差分的保护方法，该方法克服了高阻故障，但所需的时间窗超过了 3 ms。文献14和文献15分别提出了基于波前故障电流共模分量的失真度和振幅的保护方法，及基于行波共模差模浪涌到达时间差的保护方法，然而由于共模分量仅存在于极对地故障中，上述两种保护方法均不能适用于极间短路故障。文献16-17采用了频域暂态量提取方法，均基于直流断路器线路侧的电压高频分量，这种方法动作时间短且适用于所有故障情况，但它的灵敏度受过渡电阻的影响很大，且当直流断路器值减小时，需要增加采样频率去维持足够的灵敏度。文献18通过提取区内外短路电流高频暂态能量，以实现故障区域识别，但该方法未进行故障类型判别，且完全依赖于仿真所得数据来对判据进行整定。从以上文献可以看出，基于单端量的保护方法可以实现保护的快速动作，但是存在阈值整定困难、耐受过渡电阻能力有限、保护范围非线路全长、以及可靠性差的缺陷，且往往依赖于线路边界元件。相较于单端法，双端法具有可靠性强、保护范围覆盖全长且抗过渡电阻能力较强等特性。常见的双端保护有电流差动保护、方向纵联保护以及基于波形相关性的纵联保护19。双端保护是将线路两端的保护装置通过通信通道纵向联结，通过采集线路两侧的电气量(如电压、电流、功率及行波等)，比较其大小、相位、方向等信息来识别故障，从而判断故障是否发生在保护范围内而切断线路20-23。文献24提出了一种基于直流电抗器两端电压差的单元保护方案，利用小波变换提取暂态电压的高频信息，适用于用于直流电网的后备保护。文献25提出了一种方向纵联保护方案，利用边界元件两侧电压小波变换细节系数幅值比实现故障区域识别，通过正负极电压幅值比实现故障选极，耐受过渡电阻能力强，虽无需数据同步，降低了硬件实现难度，但其速动性仍不够理想。文献26和文献27分别利用行波和电流波形相关性构成纵联保护，实现线路保护。文献28提出一种基于分布式参数模型的新型电流差动保护方法，具有很好的可靠性速动性，但对采样频率的要求较高。由以上分析可知，目前双端保护主要作为直流电网的后备保护，用于弥补单端保护无法保护线路全长，受过渡电阻影响等缺陷。但是现有的双端保护仍然存在算法复杂、对采样频率要求高、受分布参数影响等问题29-30。本文提出一种基于故障分量瞬时功率相平面的直流电网线路双端保护方法，该方法利用功率差与功率和构造相平面，实现故障区域识别与故障选极。首先分析了不同故障类型的电流和功率方向，利用回路分析法推导短路故障电流和电压，计算故障分量瞬时功率；然后分析不同故障类型下正负极故障分量瞬时功率的和差特征。所提出的算法还通过引入低电压判据，对故障分量瞬时功率重新进行计算，消除线路出口处存在保护死区的问题。与传统的方法相比，本文提出的方法具有原理简单、对采样要求低、不受分布参数影响、结果直观明了等优势。1 柔性直流电网瞬时功率特征分析 1.1 多端柔性直流电网拓扑结构 本文研究对象为一个对称双极接线的多端柔性直流电网，其拓扑结构如图 1 所示。假设被保护线路 l12两端分别为保护 1 和 2，图中 Lsr1、Lsr2分别为被保护线路两端平波电抗器的电抗值；Lsr3、Lsr4分别为连接在 MMC1 和 MMC2 母线上另外线路出口处的平抗值。以平抗为界，F3代表被保护线路区内故障；F6、F9代表区外故障。图 1 所示的四端柔性直流电网发生区内两极故障 F3时，在子模块放电阶段的等效电路图如图 2 所示。假设被保护线路为 l12，则线路 l12上发生的故障为区内故障，而线路 l13、l24上发生的故障为区外故障。图 2 中，Ri、Li、Ci分别表示换流站 i 的等效电阻、电感和电容。ic1、ic2、ic3、ic4和 uc1、uc2、图 1 多端柔性直流电网拓扑结构 Fig.1 Topological structure of multiterminal flexible DC grid 王洪彬，周念成，廖建权，等：基于瞬时功率相平面的柔性直流电网后备保护 1275 uc3、uc4分别为 4 个换流站的馈入直流电网的电流和换流站等效电容上的电压。Rlij和 Llij分别代表换流站 i 和换流站 j 之间的线路 lij的电阻和电感。这里将故障设在线路 l12上 0 点处，Rl1、Rl2和 Ll1、Ll2分别为故障点左侧、右侧单极直流线路的电阻和电感。1.2 不同故障的电流方向分析 图 3 为不同故障情况下的瞬时电流和功率的方