一种高压直流输电线路的电流差动保护

一种高压直流输电线路的电流差动保护

0hvdc输电线路电流差动保护电力直接输电站（hvdc）以其高传输能力强、线路成本低、控制能力好等优点，在远程、大规模供电和慢路网络中发挥着越来越重要的作用。目前,中国HVDC输电工程数量在世界上已名列前茅。HVDC输电线路一般作为大区联网的联络线,它不仅关系到本系统的稳定性,而且影响与其连接电网的稳定运行。由于直流线路长、故障概率高,因此提高HVDC输电线路继电保护的运行水平对保证HVDC输电系统的安全可靠运行意义重大。然而,从国内外投运的HVDC输电工程来看,HVDC输电线路继电保护存在着理论不完备、没有普遍适用的整定原则、仅依赖于仿真结果进行整定等问题,从而导致了HVDC输电线路保护的可靠性不高。近年来的研究已使交流输电线路电流差动保护性能优良,成为交流输电线路天然的主保护;然而HVDC输电线路差动保护的动作速度慢、性能不佳。HVDC输电线路多以行波保护作为快速主保护,电流差动保护作为慢速后备保护。行波保护动作速度快,不受过渡电阻、负载、长线分布电容等因素的影响,但可靠性不高,易误动。因此,有必要对HVDC输电线路的差动保护进行改进,使其性能得以提升,以期在HVDC输电线路故障全过程中都具有优良的保护性能。为了克服现有HVDC输电线路差动保护的不足,本文提出的HVDC输电线路电流差动保护原理建立在两端数据同步的基础上,基于分布参数线路模型,考虑了直流控制特性对故障特征的影响,在时域中构造差动判据识别故障。该电流差动保护原理简单、速动性好、可靠性高,与现有的直流电流差动保护方法相比,从理论上消除了故障暂态和负荷调整过程中直流电压变化带来的分布电容电流影响,灵敏度高。1hvdc输电线路电流差动保护双极HVDC输电系统如图1所示,由整流站(M端)、逆变站(N端)和HVDC输电线路构成。图中:uMp,uMn,iMp,iMn为M端正、负极电压和电流;uNp,uNn,iNp,iNn为N端正、负极电压和电流。与交流系统不同,HVDC输电线路发生故障时的短路电流是受控的。因此,研究HVDC输电线路的保护时应该考虑HVDC输电系统的控制特性。图1所示HVDC输电系统的控制特性如图2所示。整流侧的控制特性为abcde,逆变侧的控制特性为fghij,该方法称为电流裕度法。由于HVDC输电系统的能量仅由整流侧供给,且整流侧工作在定电流模式,发生短路后输电线路的电流变化不大,且由于半导体器件的单向导电性,逆变侧并不向故障点提供短路电流。由图2可知,在区内故障的情况下,无论故障严重与否、故障电压为何值,区内故障稳态情况下的差动电流仅为0.1In(In为额定负荷电流)。如此小的故障电流,即使是在交流系统中也很难区分是否发生故障,况且HVDC输电线路一般很长,负荷调整和故障暂态过程中的电压变化将带来很大的电容电流冲击,为了在如此低的定值下判别故障,必须确保暂态过程已经结束,这就是目前HVDC输电线路电流差动保护靠长延时来躲故障暂态和负荷调整过程从而速动性差的原因。以上分析的仅是控制特性作用下的稳态故障特征。事实上,在故障后控制系统调节器的调节过程中,差动电流会大于0.1In,但该过程的长短以及暂态差动电流的大小与故障位置、过渡电阻、调节器参数等因素有关。因此,可以考虑设定高定值短延时的快速差动保护来有效利用该暂态过程。众所周知,交流系统中的差动保护灵敏度高,能反映高阻接地故障。而图2的控制特性表明,无论故障严重与否,区内故障时其稳态差动电流不会超过0.1In,因此,必须增设低定值长延时的保护,以躲过区外故障以及负荷调整过程中最大的不平衡电流和分布电容电流。为了进一步提高其灵敏度,在HVDC输电线路电流差动保护方案中,应该采用减少或消除电容电流影响的措施。此外,由于整流侧和逆变侧电流在区内故障情况下同向且稳态电流差别仅为0.1In,这将意味着具有优良特性的比率制动特性不适用于HVDC输电线路电流差动保护。综上所述,HVDC输电线路电流差动保护应该采用分布参数模型来消除分布电容电流的影响;同时应该设置高定值的快速差动以保证严重故障动作的快速性、设置低定值的长延时差动以保证其灵敏度与选择性;并尽可能减小直流电流传感器带来的不平衡电流。2hvdc-hvdc电源线路的电压损失测量原理和纠正原则2.1计算量在时域中分别计算整定点两侧电流值,以本文提出的电流差动保护原理为:选取HVDC输电线路上某一点为整定点,在分布参数模型下,用本端和对端电气量在时域中分别计算整定点两侧的电流值,以它们之和作为动作量,并将动作量与设定的定值进行比较:大于定值则为区内故障,小于定值则为区外故障。理论上整定点的选取是任意的,但从减小计算量的角度考虑,应该将整定点选取在线路端点;从减小数据窗长度、提高动作速度的角度考虑,则应该选取线路的中点。本文选择线路的中点为整定点。2.2模量下的电流分布由于本文所述的电流差动保护需要在分布参数模型下计算其对整定点的注入电流,因此首先要考虑如何计算线路的沿线电流分布。与交流系统不同,HVDC输电系统中没有主频率强制分量,故差动电流应在时域中计算。由文献和图1可知,在贝瑞隆线路模型下,根据两端换流站采样的电压、电流数据计算得到的沿线模电流分布分别为:ijΜ(x,t)=12ΖcjΖcj+rjx4ΖcjijM(x,t)=12ZcjZcj+rjx4ZcjuMjt+xvjt+xvjiMjt+xvjt+xvjΖcj+rjx4Zcj+rjx4-12ΖcjΖcj-rjx4Ζcj[uΜj(t-xvj)+iMjt-xvjΖcj-rjx4-12Ζcjrjx2ΖcjuΜj(t)-rjx4iΜj(t)2〗(1)ijΝ(x,t)=12ΖcjΖcj+rjx4ΖcjuNjt+xvjiNjt+xvjΖcj+rjx4-12ΖcjΖcj-rjx4Ζcj[uΝj(t-xvj)+iNjt-xvjΖcj-rjx4-12Ζcjrjx2ΖcjuΝj(t)-rjx4iΝj(t)2〗(2)式中:j=1,0,为模量标号;rj,Zcj,vj分别为线路j模下的电阻率、特征阻抗和波速度;iMj(t),uMj(t)为t时刻M端的j模电流、电压;ijM(x,t)为用M端电气量计算的距离M端x处的j模电流,x为以M端为基准的距离;iNj(t),uNj(t)为t时刻N端的j模电流、电压;ijN(x,t)为用N端电气量计算的距离N端x处的j模电流,x为以N端为基准的距离。式(1)、式(2)给出的是模量下的电流分布计算,根据模量可构造差动保护,但存在故障极的选择问题,此时可以根据低电压来进行故障极的选择。如果用整定点处的极电流构成差动,则无须进行故障极选择,但在计算极电流时,需要进行模量到极量的反变换。2.3lfige-l用点确定由基尔霍夫电流定律可知,根据计算得到的整定点处极或模电气量可构成如下差动保护判据:|ijM(lset,t)+ijN(l-lset,t)|>Iset(3)式中:j表示模或极,如果为模量差动,则j为1模或0模,如果为极量差动,则j为极1或极2;lset为整定点距离M端母线的距离;Iset为整定值。根据第1节分析,本方案给出如下2个差动保护判据:1电流暂态保护的平衡|ijM(lset,t)+ijN(l-lset,t)|>Iset.1(4)Iset.1的整定原则为躲过区外故障暂态过程中所产生的最大不平衡电流。而区外故障暂态最大短路电流Imax约为额定电流In的2.5倍。因此,高定值差动整定的原则是:Iset.1=krelknpImax≤2.5krelknpIn(5)式中:krel为可靠系数,取1.1～1.2;knp为两电流传感器之间的传变误差,在2.5倍额定电流下,其值不超过0.1。因此,高定值差动的定值可以取为:Ιset.1=0.3Ιn(6)高定值差动判据的确认时间可取10ms～20ms。2低定值差动整定的基础分析考虑到高定值差动判据在区内故障进入稳态时没有能力切除故障,可采用降低定值、长延时策略来提高判据的灵敏度和选择性。判据如下:|ijM(lset,t)+ijN(l-lset,t)|>Iset.2(7)Iset.2的整定原则为躲过区外故障稳态时所产生的最大不平衡电流。由图2可知,区外故障稳态时的最大短路电流Imax不超过额定电流In。根据以上分析,低定值差动整定的原则是:Iset.2≤krelknpIn(8)式(8)中可靠系数krel与高定值差动相同,取1.2;电流传感器之间的传变误差knp在1.3倍额定电流下,其值不超过0.002。则按区外故障稳态最大不平衡电流整定的低定值差动的定值取为:Ιset.2=0.003Ιn(9)由于区内故障时,其差动电流的稳态值为(0.10～0.15)In,因此,没有必要按照式(9)取如此低的定值。根据以上分析,为保证可靠性,低定值差动建议按照如下原则整定:Ιset.2=max{(1.5∼2.0)Ιcd0,0.05Ιn}(10)式中:Icd0为正常运行时的差动电流。Icd0反映的正是两侧传感器在额定电流时的误差的真实值。由于低定值差动判据的门槛较低,建议确认时间不低于300ms。3电力系统仿真±500kV双极输电系统的仿真模型如图1所示,额定电流2kA,线路全长1000km,用PSCAD进行电力系统仿真,用MATLAB进行算法仿真。仿真中,线路模型采用频变参数模型,其杆塔结构参见文献。数据采样频率为20kHz,故障发生在t=0.5s,故障持续时间为0.5s。另外,仿真中也给出了传统差动电流的动作值,以便对比。3.1本方法的仿真结果图3和图4分别给出了距离M端500km处发生正极金属性接地和经500Ω接地故障时的差动电流波形。从图3、图4可以看出,区内无论发生金属性接地还是高阻接地故障,本方法计算的模电流差流(包含1模差流、0模差流)、故障极差流均能反映故障电流而正确动作。与传统差动的差流相比,本方法在直流系统启动、调整以及逆变失败等能够导致直流电压变化的非区内故障期间,差流的计算值很小;而传统差动的电流在此期间数值会超过400A,且存在时间较长。由图2可知,HVDC输电线路区内故障稳态期间的差流仅为0.1In,对于本仿真系统来讲也只有200A。因此,传统差动在区外故障的差流会大于区内故障的稳态差流,存在误动的可能。这也是传统差动在任意电压波动后,要求延时环节重新计时且动作时限较长的原因。因此,传统差动的速动性和灵敏性不可能很高。对于健全极而言,本方法计算得到的差流远小于传统方法计算得到的差流。传统差动的健全极在直流电压波动期间,存在误动的可能性,需要高定值或长延时来保证选择性。因此,与传统方法相比,该方法具有较高的灵敏度。3.2灵敏度分析结果图5和图6分别给出了逆变侧平波电抗器外侧,发生正极金属性接地和经500Ω过渡电阻接地时的差动电流波形。从图5、图6可知,无论区外发生金属性接地或高阻接地故障,用本文方法计算得到的差流不超过50A,具有较高的灵敏度;而用传统方法在这些过程中的计算得到的差流却达到了500A以上,无法做到快速和灵敏。综上所述,本差动原理能够有效降低非故障期间的差流和非故障线的差流,与传统直流差动相比,灵敏度大大提高。由于无须躲过电压调整过程中的电容电流,判据无须长延时而动作较快。4分布参数模型本文在分析HVDC输电系统的控制特性、故障电