牟大林，林 圣，李小鵬，戴文睿

白鶴灘-江蘇特高壓混合直流輸電線路行波保護適應性分析

牟大林1，林 圣1，李小鵬2，戴文睿3

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所，北京 100081)

為探究現(xiàn)有直流輸電線路行波保護對白鶴灘-江蘇特高壓混合直流輸電系統(tǒng)(簡稱：白江混合系統(tǒng))的適應性，根據(jù)白江混合系統(tǒng)直流線路故障附加網(wǎng)絡推導直流線路區(qū)內外故障時線路兩端故障行波的邊界傳播特性。分析發(fā)現(xiàn)，直流線路正向區(qū)外故障后邊界傳播特性與傳統(tǒng)直流系統(tǒng)存在差異。進一步分析行波保護判據(jù)的變化情況，表明行波保護判據(jù)主要受整流側反射系數(shù)和逆變側折射系數(shù)的影響。將白江混合系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)進行對比，發(fā)現(xiàn)當直流輸電線路正向區(qū)外發(fā)生短路故障后，白江混合系統(tǒng)電壓變化量、電壓變化率、極波變化量和極波變化率比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)變化更大，導致行波保護誤動風險增大。最后，基于PSCAD搭建白江混合系統(tǒng)仿真模型，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

混合直流輸電系統(tǒng)；直流輸電線路；行波保護；適應性分析；邊界傳播特性

0 引言

高壓直流輸電技術是解決我國電力能源與負荷需求逆向分布問題的有效手段[1-4]；其中，融合電網(wǎng)換相換流器(line commutated converter, LCC)與模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)優(yōu)點的混合直流輸電技術備受青睞[5-7]。目前對混合直流輸電系統(tǒng)結構的研究較多[8-11]，其中整流側采用LCC、逆變側采用MMC與LCC級聯(lián)的混聯(lián)結構，該結構因逆變側LCC具有可阻斷直流故障時MMC放電通路、降低換相失敗概率、實現(xiàn)逆變站多落點輸電等優(yōu)勢而被關注[12]。我國“西電東送”部署重點工程——白鶴灘-江蘇±800 kV特高壓混合直流輸電工程(簡稱：白江工程)便是采用該種技術，是世界首個級聯(lián)型混合直流輸電工程[13]。

白江工程于2022年建成投運，其整流側采用傳統(tǒng)的雙12脈動LCC，而逆變側的高壓端采用單12脈動LCC、低壓端采用3個MMC并聯(lián)，拓撲結構如圖1所示。該工程輸電距離全長2086 km，線路超長且運行環(huán)境復雜多變，其快速可靠的保護是系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基本保障。由于行波保護動作具有速度快的優(yōu)勢，國內已投運的直流輸電工程均將其作為輸電線路的主保護[14-17]。然而，白江工程采用了一種全新的混合型拓撲結構，這種結構差異是否會對系統(tǒng)故障行波的傳播特征產(chǎn)生影響？會產(chǎn)生什么影響？是否會導致現(xiàn)有行波保護發(fā)生誤動或者拒動？對于這些問題的分析與研究目前尚未見明確的報道。因此，有必要分析現(xiàn)有直流線路行波保護對白江工程的適應性，以指導其線路保護方案的設計或完善。

圖1 白鶴灘-江蘇混合直流輸電系統(tǒng)拓撲結構

基于此，本文以白江工程作為研究對象，分析了現(xiàn)有工程應用的兩類直流輸電線路行波保護對白江混合系統(tǒng)的適應性。首先根據(jù)直流線路故障附加網(wǎng)絡，分析直流系統(tǒng)在不同位置故障時的邊界傳播特性，進一步推導邊界傳播特性與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)邊界傳播特性的差異，分析行波保護對白江混合系統(tǒng)的靈敏性。分析發(fā)現(xiàn)電壓變化量和電壓變化率在直流線路正向區(qū)外故障時比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)變化更大，而電流變化量較傳統(tǒng)直流更??；極波變化量和極波變化率在直流線路正向區(qū)外故障時也比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)變化更大。最后，根據(jù)白江工程設計參數(shù)搭建仿真模型，仿真驗證理論推導和結論的正確性。

1 邊界特性分析

1.1 故障附加網(wǎng)絡

白江混合系統(tǒng)逆變側低壓端采用3個MMC并聯(lián)，每個MMC均采用半橋子模塊。對于一個MMC，若單相橋臂所有投入子模塊通態(tài)電阻之和、橋臂電抗以及橋臂電容分別為20、20及20，則MMC的等效電阻、等效電抗與等效電容分別為20/3、20/3、60/，其中為每相投入子模塊的數(shù)量[18]。因此，3個并聯(lián)MMC換流器的等效電阻、等效電抗與等效電容分別為、、。其中，，，，，波阻抗通常為幾百歐姆，因，故MMC等效電阻可以忽略。由此可得逆變側低壓端MCC的等效阻抗為

當逆變側高壓端LCC等效阻抗、直流濾波器等效阻抗為，整流側LCC等效阻抗，直流濾波器等效阻抗為時，利用疊加定理可得到直流線路發(fā)生故障后的系統(tǒng)故障附加網(wǎng)絡如圖2所示。圖中為平波電抗器等效電抗，為直流線路波阻抗，為過渡電阻，為故障電壓分量，與故障點正常運行時的電壓大小相等方向相反。m、n分別為整流側與逆變側直流線路保護安裝處。

圖3 白江混合系統(tǒng)直流濾波器結構圖

Fig. 3 DC filter configuration for Bai-Jiang hybrid system

表1 直流濾波器參數(shù)

1.2 邊界傳播特性

圖4 反向區(qū)外故障附加網(wǎng)絡

Fig. 4 Additional network for backward externalF2 fault

當圖1所示逆變站正向區(qū)外F3處發(fā)生故障時，其故障行波分量通過折射傳輸?shù)絥處，其故障附加網(wǎng)絡如圖5所示。

圖5 正向區(qū)外故障附加網(wǎng)絡

從上述不同位置故障后邊界傳播特性表達式可知，直流線路故障時在邊界點m處的折射系數(shù)與反射系數(shù)、反向區(qū)外故障時在邊界點m處的折射系數(shù)與傳統(tǒng)LCC-HVDC系統(tǒng)，如云廣特高壓、賓金特高壓等工程相同[19-22]，基于此，本文側重于分析直流線路正向區(qū)外故障的工況。

2 行波保護適應性分析

2.1 行波保護

目前工程中應用的行波保護主要有電壓行波保護和極波行波保護兩類。我國貴廣直流工程、云廣直流工程等采用電壓行波保護，靈紹直流工程、賓金直流工程等采用極波行波保護。

電壓行波保護以輸電線路電壓變化量、電壓變化率和電流變化量等作為主要判據(jù)，以此快速判別直流線路故障，其具體判別式為

電壓行波保護典型的保護單元邏輯框圖如圖7所示。首先利用電壓變化率實現(xiàn)故障啟動，再根據(jù)電壓、電流的變化量識別線路故障。

圖7 電壓行波保護邏輯框圖

地模波表達式為

極波行波保護的典型保護單元邏輯框圖如圖8所示。圖8中極波行波保護的具體配合關系如下：當兩個采樣點之間的極波差值大于整定值時，啟動保護判別式，將前一個采樣點作為標定采樣點，繼續(xù)把之后第2、5、7個采樣點的極波值與標定采樣點的極波值做差，若差值均大于整定值，則表明直流線路發(fā)生故障，再根據(jù)地模波判斷故障極[22-23]。

圖8 極波行波保護邏輯圖

電壓行波保護包括電壓變化率、電壓變化量和電流變化量3個判據(jù)，且必須3個判據(jù)同時滿足才會發(fā)生電壓行波保護動作信號。極波行波保護包括極波變化率、極波變化量、地模波3個判據(jù)，必須都滿足才可以發(fā)出極波動作信號。

2.2 適應性分析

由1.2節(jié)的分析可知，白江混合系統(tǒng)結構與傳統(tǒng)直流系統(tǒng)相比，最大區(qū)別在于發(fā)生正向區(qū)外故障時逆變側邊界點n處的折射系數(shù)，而直流線路F1故障或反向區(qū)外F2故障時，混合直流輸電系統(tǒng)的邊界傳播特性與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)無異。因此，本文分析正向區(qū)外F3故障情況下電壓行波保護和極波行波保護的適應性。

同樣地，分析極波行波保護對白江混合系統(tǒng)的適應性。通過式(17)可知極波變化量表達式為

2.3 行波保護靈敏性分析

將白江混合系統(tǒng)與相同主回路參數(shù)的傳統(tǒng)兩端LCC-HVDC系統(tǒng)進行對比以進一步分析行波保護對白江混合系統(tǒng)的靈敏性。

圖9 傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)正向區(qū)外故障附加網(wǎng)絡

進一步分析兩類行波保護對白江混合系統(tǒng)的靈敏性。

1) 電壓行波保護

化簡式(31)并消除相同項可得

對式(32)進行化簡可得

從式(34)可知，白江混合系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流系統(tǒng)的電壓變化率比值在頻率3000 Hz時為1.2195，也大于1。表明相比于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，白江混合系統(tǒng)中電壓變化率在直流線路正向區(qū)外故障時更加靈敏。

化簡式(35)并消除相同項可得

對式(36)進行化簡可得

綜上表明，白江混合系統(tǒng)在直流線路正向區(qū)外故障時電壓變化量和電壓變化率比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)更大，表明其對正向區(qū)外故障的變化更大。白江混合系統(tǒng)電流變化量比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)更小。

2) 極波行波保護

將式(5)代入式(38)，并進行化簡可得

進一步將式(5)、式(14)、式(15)、式(25)、式(26)代入式(39)，并進行化簡后有

圖10 KΔu、KΔi、KΔP在頻率1000 ～5000 Hz區(qū)間的變化曲線

3 仿真驗證

基于我國正在建設的白鶴灘-江蘇特高壓混合直流輸電系統(tǒng)工程驗證上述理論分析的正確性。設置了直流輸電線路內部故障和正向區(qū)外故障兩種工況，仿真驗證白江混合系統(tǒng)的電壓行波和極波行波保護動作特性。

3.1 仿真模型和參數(shù)

本文基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，搭建了白鶴灘-江蘇特高壓混合直流輸電雙極系統(tǒng)。其中整流側單極采用雙12脈動LCC；逆變側高壓側采用單12脈動LCC、低壓側采用3個MMC并聯(lián)連接的方式?；旌现绷鬏旊娤到y(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。參考我國某實際投運工程，電壓行波保護中電壓變化量判據(jù)閾值取0.3 p.u.，電壓變化率判據(jù)閾值取0.14 p.u./ms，電流變化量判據(jù)閾值取為0.5 p.u.。極波保護中極波上升率的閾值取為60 kV/0.1 ms[23]，其采樣頻率為10 kHz。

3.2 白江混合系統(tǒng)

3.2.1電壓行波保護

1) 區(qū)內故障

對電壓保護方案在混合直流輸電系統(tǒng)結構中的適應性進行仿真分析，仿真正極線路距離整流側1000 km處發(fā)生過渡電阻為50W接地故障，故障發(fā)生時間為12 s，故障持續(xù)時間為0.1 s。電壓行波保護所用電氣量變化情況及保護動作情況仿真結果如圖11所示。

圖11 白江混合系統(tǒng)直流線路區(qū)內故障電壓行波仿真結果

從圖11的仿真結果可以看出，電壓行波保護的電流變化量、電壓變化量、電壓變化率均會大于整定閾值，對3個判據(jù)大于整定值時進行展寬，3個經(jīng)過展寬后的電壓行波保護判據(jù)同時大于整定值的時刻是12.015 s，此時行波保護發(fā)生動作指令，即區(qū)內1000 km處50 Ω接地故障可以被正確識別。

2) 區(qū)外故障

仿真了逆變側出口處在12 s時發(fā)生金屬性接地故障，故障持續(xù)時間為0.1 s，行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結果如圖12所示。

圖12 白江混合系統(tǒng)直流線路區(qū)外故障電壓行波仿真結果

由圖12可知，在逆變側發(fā)生區(qū)外故障后，3個經(jīng)過展寬后的電壓行波保護判據(jù)同時大于行波保護整定值，此時行波保護也會發(fā)生動作指令，行波保護誤動。

3.2.2 極波行波保護

1) 區(qū)內故障

對極波保護方案在混合直流輸電系統(tǒng)結構中的適應性進行仿真，仿真正極線路距離整流側1000 km處發(fā)生過渡電阻為50W的接地故障，故障發(fā)生時間為12 s，故障持續(xù)時間0.1 s。極波行波保護中直流電壓、電流的故障分量，兩極的極波變化情況仿真結果如圖13所示。其中1為正極極波；2為負極極波，下同。

圖13 白江混合系統(tǒng)區(qū)內故障極波行波仿真結果

從圖13仿真結果可以看出，在故障發(fā)生后故障極的直流電流迅速增大，直流電壓迅速減小，此時，故障極的極波也迅速增大。在12.0035 s時檢測到當前采樣點與后一個采樣點之間的極波差值為321.2 kV/0.1 ms，遠遠大于極波保護的閾值60 kV/ 0.1 ms，極波保護啟動。同時，第2、5、7等3個采樣點極波與12.0035 s極波的差值也均大于閾值，因此，判斷直流線路發(fā)生接地故障。

2) 區(qū)外故障

仿真了逆變側出口處在12 s時發(fā)生金屬性接地故障，故障持續(xù)時間0.1 s，極波行波保護中直流電壓和電流、兩極極波變化情況的仿真結果如圖14所示。

從圖14仿真結果可以看出，在直流線路正向區(qū)外發(fā)生金屬性接地故障后，故障極的直流電流迅速增大、直流電壓迅速減小。故障極的極波在故障發(fā)生后也迅速增大，在12.0072 s時檢測到當前采樣點與后一個采樣點之間的極波差值為61.12 kV/ 0.1 ms，大于極波閾值60 kV/0.1 ms，此時，極波保護啟動。此后第2、5、7等3個采樣點的極波與12.0072 s的極波差值均大于閾值，因此，判斷直流線路發(fā)生了故障，極波保護發(fā)出動作指令。

圖14 白江混合系統(tǒng)區(qū)外故障極波行波仿真結果

3.3 傳統(tǒng)直流系統(tǒng)

因傳統(tǒng)特高壓直流輸電系統(tǒng)與混合直流輸電系統(tǒng)在正向區(qū)外故障行波邊界傳播特性差異最大，因此，本文以賓金直流輸電工程為例，仿真了逆變側出口處在12 s時發(fā)生金屬性接地故障，故障持續(xù)時間為0.1 s，電壓行波保護所用電氣量及保護動作情況的仿真結果如圖15(a)所示，極波行波保護所用電氣量仿真結果如圖15(b)所示。

圖15 傳統(tǒng)直流系統(tǒng)直流線路區(qū)外故障仿真結果

由圖15(a)可知，在逆變側區(qū)外故障發(fā)生后，極波行波保護中電壓變化量、電流變化量、電壓變化率均大于保護整定值，因此電壓行波保護會發(fā)出動作指令導致保護誤動。表明兩種直流輸電系統(tǒng)結構下正向區(qū)外發(fā)生接地故障時電壓行波保護均會誤動作。并且與圖10對比可以看出，白江混合系統(tǒng)電壓變化量、電壓變化率明顯大于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，而白江混合系統(tǒng)電流變化量小于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，仿真結果與理論分析一致。

從圖15(b)仿真結果可以看出，對于傳統(tǒng)特高壓直流輸電系統(tǒng)，故障連續(xù)采樣點之間的極波差值一直小于極波保護閾值60 kV/0.1 ms。因此，傳統(tǒng)直流系統(tǒng)的極波保護可靠不動作。然而，圖14表明，對于白江混合系統(tǒng)，直流線路正向區(qū)外故障后極波保護會誤判。與圖14仿真結果對比可知，白江混合系統(tǒng)極波變化量比傳統(tǒng)直流系統(tǒng)的更大，仿真結果與理論分析一致。

3.4 采樣步長對行波保護的影響

為分析采樣步長對行波保護的影響，仿真了采樣步長為10ms和150ms的兩種情況。故障工況：直流正極線路距整流側1000 km處發(fā)生50W接地故障時，故障發(fā)生時間為12 s，故障持續(xù)時間為0.1 s。電壓行波保護中電壓變化量、電壓變化率和電流變化量，其仿真結果分別如圖16所示，其中圖16(a)采樣步長為10ms，圖16(b)采樣步長為150ms；極波行波保護的直流電壓和電流、兩極極波變化情況的仿真結果如圖17所示，其中圖17(a)采樣步長為10ms，圖17(b)采樣步長為150ms。

圖16 不同采樣步長電壓行波仿真結果

圖17 不同采樣步長極波行波仿真結果

從圖16的電壓行波保護的仿真結果可以看出，當采樣步長為10ms時，直流電壓變化率較大，但是當采樣步長分別為10ms和和150ms時對電壓行波保護動作結果沒有影響。從圖17極波行波保護的仿真結果可以看出，當采樣步長為10ms時的直流電壓和電流、兩極極波的波形與采樣步長為100ms時完全一樣，而采樣步長為150ms時的仿真波形與采樣步長100ms時相比誤差較大。但3個采樣步長的極波保護判據(jù)均滿足大于保護閾值，行波保護發(fā)生動作指令，準確判斷為直流線路故障。由此可見，采樣步長為10ms、100ms、150ms時對極波行波保護判斷結果沒有影響。

4 結論

本文分析了實際工程中常用的電壓行波保護和極波行波保護對白江混合系統(tǒng)的適應性。通過理論分析和仿真驗證，得到如下結論：

1) 推導了白江混合系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障后整流側和逆變側的折射系數(shù)和反射系數(shù)，獲取故障電壓、電流行波在白江混合系統(tǒng)中的邊界傳播特性。

2) 對比分析了行波保護判據(jù)對白江混合系統(tǒng)和傳統(tǒng)直流系統(tǒng)兩種結構下的變化特征。對于正向區(qū)外故障，對比了兩種結構的電壓變化量、電壓變化率、極波變化量、極波變化率的變化情況。對比分析發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)直流系統(tǒng)，白江混合系統(tǒng)在正向區(qū)外故障時變化更明顯，發(fā)生誤動的風險增大。

3) 通過仿真進一步驗證了電壓行波保護和極波行波保護適應性分析的正確性，對線路保護體系構建提供一定的參考。

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Adaptability analysis of traveling wave protection for the Baihetan-Jiangsu serial hybrid LCC-MMC UHVDC transmission line

MU Dalin1, LIN Sheng1, LI Xiaopeng2, DAI Wenrui3

(1. School of Electric Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610041, China; 3. Standards and Metrology Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)

To explore the adaptability of existing traveling wave protection for the DC line to Baihetan-Jiangsu serial hybrid ultra-high voltage direct current (UHVDC) transmission system (Bai-Jiang hybrid system for short), this paper deduces the boundary propagation characteristics of the fault traveling wave at both ends of the DC line during faults inside and outside the DC line zone based on the fault additional network of the Bai-Jiang hybrid system. The analysis finds that the boundary propagation characteristics of the forward zone of the DC line faults differ from those of the conventional line commutated converter (LCC) HVDC system. The changes for the traveling wave protection criterion are analyzed, and this analysis shows that the traveling wave protection criterion is mainly affected by the reflection coefficient on the rectifier side and the refraction coefficient on the inverter side. Comparing the Bai-Jiang hybrid system with a conventional LCC-HVDC system, it is found that when a short-circuit fault occurs outside the forward zone of the DC line, the voltage change amount and change rate, the polar wave change amount and change rate of the Bai-Jiang hybrid system change more than those of the conventional LCC-HVDC system. That leads to an increased risk of false operation of the traveling wave protection. Finally, a simulation model of the Bai-Jiang hybrid system is built based on PSCAD, and the results verify the correctness of the theoretical analysis.

serial hybrid LCC-MMC UHVDC system; DC transmission line; travelling wave protection; adaptability analysis; boundary propagation characteristics

10.19783/j.cnki.pspc.220016

國家自然科學基金項目資助(51977183)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51977183).

2022-01-04；

2022-03-09

牟大林(1994—)，女，博士研究生，研究方向為高壓直流輸電系統(tǒng)保護與控制；E-mail: dalin9009@163.com

林 圣(1983—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為交直流混聯(lián)電網(wǎng)保護與控制；E-mail: slin@swjtu.edu.cn

李小鵬(1987—)，男，博士，高級工程師，研究方向為交直流混聯(lián)電網(wǎng)故障分析與保護。E-mail:lxpbsd@163.com

(編輯 周金梅)