一种适用于混合三端直流系统的纵联保护方案_高淑萍.pdf

第 50 卷 第 4 期2 0 2 3 年 4 月Vol.50，No.4Apr.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）一种适用于混合三端直流系统的纵联保护方案高淑萍 1，沈渠旺 1，宋国兵 2（1.西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054；2.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049）摘 要：为提升多端系统的输电可靠性，提出一种基于Mann-Kendall检验法的混合三端直流输电线路纵联保护方法.该方法利用T接汇流母线三端电流故障分量判定故障发生区域；再利用Mann-Kendall检验法对故障区域内线路两端电流的变化趋势进行分析，进而实现故障类型的判别以及故障极的选择；最后，通过PSCAD/EMTDC搭建模型并对不同故障情况进行仿真，使用MATLAB对所提保护方法进行仿真验证.仿真结果表明：不同故障情况下，所提方法均可在2.5 ms内可靠动作，速动性好，并且具有较强的抗噪声干扰能力以及耐过渡电阻能力.关键词：混合三端直流输电线路；Mann-Kendall检验法；相模变换；故障电流；继电保护中图分类号：TM773；TM75 文献标志码：AA Pilot Protection Scheme for Hybrid Three-terminal DC SystemsGAO Shuping1，SHEN Quwang1，SONG Guobing2（1.School of Electrical and Control，Xi an University of Science and Technology，Xi an 710054，China；2.School of Electric Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract：To improve the transmission reliability of multi-terminal systems，this paper proposes a hybrid three-terminal DC trans-mission line pilot protection method based on the Mann-Kendall test method.The method uses the T-connected bus three terminal current fault component to determine the fault area，then uses the Mann-Kendall test method to analyze the changing trend of the current at both ends of the line in the fault area，and realizes the fault type identification and the fault pole selection.Finally，the model is built in PSCAD/EMTDC and different fault conditions are simulated，and the proposed protection method is verified with MATLAB.Simulation results show that the proposed method can operate reliably within 2.5 ms under various fault conditions，with good quick-action，and has strong resistance to noise interference and transition resistance.Key words：hybrid three-terminal DC transmission lines；Mann-Kendall test method；phase-mode transformation；electric fault currents；relay protection 收稿日期：2022-09-07基金项目：国家自然科学基金资助项目（51777166），National Natural Science Foundation of China（51777166）；国家自然科学基金国际合作与交流项目（52061635105），National Natural Science Foundation of China（NSFC-UKRI_EPSRC）（52061635105）作者简介：高淑萍（1970），女，陕西西安人，西安科技大学副教授，博士 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）04-0125-11DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023222湖南大学学报（自然科学版）2023 年基于电网换相换流器的高压直流输电（Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC），也被称为传统高压直流输电.其优点主要体现在经济成本相对较低、可快速控制有功功率、传输容量大、输电距离远等方面，但其逆变侧却存在换相失败的问题1-3.基于模块化多电平换流器的高压直流输电（Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC），具有可调节有功、无功功率，不存在换相失败，没有无偿补偿问题等优点，但其运行损耗较大、设备成本高、容量相对小、不适合长距离架空线输电4.随着中西部新能源的迅速发展，以及对大容量、长距离、可靠高效的输电技术的迫切需求，兼具两者优势的混合直流输电技术应运而生5.昆柳龙直流工程便是世界首条混合三端直流输电线路，它的投产标志着我国混合输电技术逐步走向成熟6.然而，目前国内外对于混合三端输电线路保护的研究依然存在不足，寻找更加快速、可靠的保护方案很有必要.目前，混合电网的保护仍是以传统保护方案为切入点，文献 7 基于补偿电流提出保护方案，利用故障时分布参数模型的不平衡电流差异，构造保护判据.文献 8 提出一种基于前行波波形特征的保护方案，根据所提取波头的陡度及波尾下降的时间完成故障识别，该方案可快速有效识别雷击故障，可靠性高，然而其对线路两端故障的保护辅助判据仍有待研究.文献 9-10 提出一类单端量保护方案，其利用边界元件对暂态信号的阻滞作用，根据边界元件阻抗幅频特性，构造识别判据.文献 11 提出一种基于最小二乘法的纵联保护方法，通过拟合电容放电阶段线路两端电流信号斜率，识别电流变化趋势，进而判断故障类型.该方案对双端数据同步有一定要求，并且易受噪声干扰.综合上述分析，当前线路保护方案大多将单端量保护作为线路的主保护，其具备快速动作的优点，但却易受过渡电阻的影响且过度依赖边界条件12.双端量保护多用于后备保护，主流的双端量保护可分为：纵联保护、电流差动保护以及波形相关性保护.其可靠性高，但对双端通信有一定要求，速动性差.Mann-Kendall检验法是一种非参数检验（无分布检验），主要用于气候诊断与预测，对河流、气温、降雨等时间序列的突变点与变化趋势进行分析.因其不受异常值干扰的特点，电力系统中常应用于输电线路运动趋势、断线预测以及输电工程造价研究13-14.当混合输电线路发生故障时，由于不同换流器控制策略及时间尺度的差异，传统保护方案可能不适用，为解决当前混合线路保护方案存在的耐过渡电阻能力弱、抗干扰能力差、保护速动性不足等问题，结合文献 15-17，分析了输电线路不同故障时的故障特征，提出了基于Mann-Kendall检验法的混合三端直流输电线路纵联保护方案，该方案利用故障发生后线路两端电流的变化趋势完成故障类型判别以及故障极的选择.并在此基础上对过渡电阻、噪声干扰等因素的影响进行分析.最后利用 PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，输出各种不同故障情况下的故障数据，利用MATLAB对故障数据进行处理，用以实现保护算法，对所提保护方法的可靠性与速动性进行仿真验证.仿真结果表明该保护方法具有速动性好、可靠性高的优点，并且具有较强的抗噪声干扰能力及耐过渡电阻能力.1 混合三端特高压直流输电系统结构本文针对昆柳龙直流输电系统展开研究，该系统为并联型混合三端直流输电线路，如图1所示，其整流站为双 12 脉动 LCC，两逆变站均采用半桥型MMC结构，各换流站通过架空线连接并在出口处设置电抗器与滤波器，直流线路电压等级为800 kV.与传统直流输电系统不同，三端系统由于存在T区，为保证非故障线路不发生误动，在判断故障类型前，需先对故障发生区域进行选择，即故障发生在T区左侧、右侧或是T区.本文沿用文献 17 所提故障区域选择判据，下文不再赘述.2 直流线路故障保护原理2.1 混合输电系统故障特征分析由于LCC换流站两极对称且相对独立，因此，当线路发生双极故障时，可近似等效为两极同时发生单极故障，其故障回路相互独立.下文以线路发生单极接地故障为例，分析故障时电流变化特征.如图2（a）所示，当直流侧接地时，回路阻抗减小、交流侧电流增大，使得直流侧电流增加并流向故障点，且在低压限流控制作用前继续如图2（a）所示方向增大.直至电压跌落至低压限流保护门槛值，此时换流器增大触发角以抑制故障电流，最后通过强制移相到120以上，使得整流器变成逆变状态，故障电流在控制过程中呈减小趋势1.126第 4 期高淑萍等：一种适用于混合三端直流系统的纵联保护方案对于MMC侧，文献 18 对其直流侧发生极间短路故障的暂态过程进行了分析：当故障发生后，换流器进入直流电容放电阶段，该阶段直流侧电容向故障点放电，短路电流上升，直流电压下降；当直流电压低于交流系统线电压时，进入二极管自由换相阶段，在该阶段内二极管自由换向，经过并联电容共同向故障点继续放电；当直流电压降为0后，进入二极管自由导通阶段，此阶段所有二极管自然导通，由线路电感续流，电流下降直至与交流系统不控整流的电流相等后，进入不可控整流阶段；发生单极接地故障时，其暂态过程与极间故障类似，却不包含二极管自由导通阶段.尽管两种故障暂态过程存在差异，但其第一阶段均为电容放电，此阶段直流侧电流增加，并流向故障点.故障回路如图2（b）所示，回路1、2分别为极间故障短路、单极接地故障.综合上述分析，无论哪一侧直流线路发生故障，故障初始阶段换流站均向故障点馈流，直至保护控制启动.相对于传统直流输电系统，混合系统由于不同换流器控制方式、时间尺度的差异，导致输电线路可利用的有效故障信息受到影响.因此，为准确识别故障，本文选择换流器控制作用前的初始阶段电流进行故障特征的分析.2.2 故障线路电流特征结合上节分析，故障发生首段换流器向故障点放电.以LCC侧线路为例，如图3、图4所示，取输电线路首末两端电流量Ia、Ib，规定其正方向为母线指向线路，Ia、Ib分别为线路两端电流故障分量.区内故障时，如图 3 所示，故障电流流向故障点，首末两端电流变化方向与参考方向相同，极性为正，区内故障电流仿真图如图5（a）所示.区外故障时，如图4所示，线路首端电流突变方向与参考方向相反，极性为负；末端电流突变方向与图1 混合三端直流输电系统拓扑图Fig.1 Structure of a hybrid three-terminal DC transmission system（a）LCC故障回路（b）MMC故障回路图2 故障初始阶段换流站故障回路Fig.2 Fault circuit of the converter station during the initial phase of the fault图