直流饋入對工頻變化量距離保護影響分析及改進?

劉江山，李鳳婷，解 超，陳?？?/p>

(新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

高壓直流輸電技術具有遠距離、大容量等優勢.我國已經建成世界上最大的交直流混聯電網，對實現電力跨區傳輸具有重大意義.但由于交直流電網的強耦合和非線性特性，使得交流系統的單一故障通常會表現出復雜特性，為直流近區域繼電保護技術帶來了全新的挑戰[1?6].

為了研究直流饋入對直流近區域故障特征的影響，文獻[7-8]通過仿真研究了不同故障程度下的直流系統注入交流系統等值電流.文獻[9]利用動態向量的方法得出直流系統等值工頻電流的變化特征，在其基礎上文獻[10]進一步考慮了直流控制策略切換，研究了更為準確的等值工頻電流的變化特征.文獻[11]提出在直流系統發生換相失敗故障時，直流系統等值工頻變化量阻抗呈容性的特征.

直流饋入下的故障特征與純交流系統具有明顯差異，會造成保護的誤動，文獻[10]和文獻[12-14]分別分析了直流饋入下對電流差動保護、距離保護、方向縱聯保護的影響并提出了改進措施.工頻變化量距離保護作為快速距離保護的I段被廣泛應用于交直流電網，但是，針對工頻變化量距離保護的研究多集中在純交流的情況下.文獻[15]研究認為工頻變化量距離保護的保護范圍與保護背側系統阻抗和保護整定阻抗的比值大小有關.文獻[16]提出在實際工作中，保護背后投入的容性阻抗和保護正方向投入的故障限流器將導致工頻變化量距離保護誤動作.文獻[17]研究了風電場實際運行方式的變化及其弱電源特性給工頻變化量距離保護帶來的影響.文獻[18]研究了工頻變化量距離保護耐受過渡電阻的能力.文獻[19]通過仿真分析了直流饋入對工頻變化量距離保護的影響，但缺乏深入的理論分析.文獻[20]研究了送端系統故障對工頻變化量距離保護的影響.綜上所述，現有的研究對于直流饋入下的工頻變化量距離保護并未做深入的分析，針對直流饋入工頻變化量距離保護的改進措施更鮮有研究.因此，研究直流饋入對工頻變化量距離保護的影響機理及其改進措施對保障系統穩定運行具有實際意義.

基于此，本文首先以受端交流系統為研究對象，建立計及直流控制策略的直流系統等值阻抗模型，分析直流饋入下直流系統等值工頻變化量阻抗特性，進而深入研究直流饋入下傳統工頻變化量距離保護正向保護適應性問題.最后提出一種工頻變化量阻抗繼電器與全阻抗繼電器配合使用的策略，并基于PSCAD/EMTDC平臺仿真驗證理論分析的正確性和所提策略的有效性.

1 工頻變化量距離保護基本原理

工頻變化量距離保護是一種通過反應突變量工頻分量電壓、電流而工作的距離保護.其固定門檻動作判據為

接地故障和相間故障，補償電壓變化量的表達式為

其中：φ為a，b，c；φφ為ab，bc，ca；K為零序補償系數；為保護安裝處零序電流.

在正方向故障時，如圖1(a)所示，工頻變化量距離繼電器正方向阻抗圓以-Zs為圓心，以|Zs+Zset|為半徑的圓，其動作方程為

反方向故障時，如圖1(b)所示，工頻變化量距離繼電器反方向阻抗圓以反方向系統阻抗為圓心，以?Zset|為半徑，其動作方程為

圖1 工頻變化量距離繼電器動作特性Fig 1 Operating characteristics of power frequency variation distance relay

反方向故障時，短路阻抗位于第三象限，而動作區域位于第一象限，保護不動作.綜上所述，工頻變化量距離保護具有明確的方向性，可作為方向元件使用.

2 直流系統等值工頻變化量阻抗特性分析

由上述分析可知，Zs是決定工頻變化量距離保護范圍的關鍵.在故障時，交直流系統與純交流系統的阻抗特性差異很大，導致傳統工頻變化量距離保護在交直流系統中存在適應性問題.

交直流系統中，系統阻抗是指直流系統在暫態過程中的等值工頻變化量阻抗，定義式為

為分析直流系統等值工頻變化量阻抗變化規律，采用圖2所示交直流系統進行分析[11].

圖2 直流饋入交流系統等值電路Fig 2 AC/DC system equivalent circuit

非故障情況下可得

故障情況下

式(11)與式(12)相加可得直流系統等值工頻變化量阻抗

當過渡電阻較大時，對式(13)進行簡化可得

式中：KSCR為短路比，δ為超前的角度.

由于KSCR?1，所以，K可近似為一個大于1的定值.由式(15)可知，?Zdc與Zs成正比，而與變化趨勢相反.

當過渡電阻較小時，對式(13)進行簡化可得

由式(16)可知，隨著過渡電阻的減小，Zs/Zs+Zf將趨近于1,Zs對?Zdc的影響程度降低.對式(15)、式(16)求偏導可得

顯然，式(18)的值恒小于式(17)的值，在過渡電阻較小時，對?Zdc影響更大，?Zdc的幅值變化將大于過渡電阻較大的時候.

由式(13)、(15)和(16)可以看出，直流系統等值阻抗與系統阻抗、無功補償裝置等效阻抗、等值工頻變化量電流等有關系.獲取直流系統等值阻抗變化規律的關鍵是得到故障下逆變側注入交流系統等值工頻電流變化情況，現采用計及控制策略切換的直流系統等效方法對直流系統等值工頻變化量電流進行計算.根據動態相量理論可得直流系統注入逆變側交流系統等值交流電流的P階相量為[10]

式中：idc是逆變側直流電流；si為各項電流開關函數；m和n為相應的動態相量的階數；〈a〉表示動態向量.由于工頻變化量阻抗是基于工頻變化量電流和電壓，所以取n=1，m=1.

逆變側交流系統故障導致換流母線處交流電壓下降，這種情況下，逆變側直流電壓下降并引起直流電流的迅速上升.不同的故障嚴重程度會導致控制系統動作情況不同，故障暫態期間直流電流特性也會有所差異，如圖3所示.

當故障導致直流電壓跌落不嚴重時，即逆變側直流電壓Udc大于0.9 p.u.，VDCOL輸出指令值不變，此時整流側的定電流控制器指令值不變；而逆變器始終采取定關斷角控制，隨著交流電壓的下降，直流電流的上升，逆變器關斷角下降，導致CEA主動降低其觸發角指令值，以避免換相失敗，此舉會導致逆變器消耗無功增多，引起故障初期直流電流進一步增大.該情況下直流電流波形見圖3中藍色曲線.

圖3 直流電流變化曲線Fig 3 The variation curve of DC current under different faults

當故障導致直流電壓進一步跌落時，即0.4 p.u.≤Udc≤0.9 p.u.，VDCOL輸出指令值會隨直流電壓的跌落程度的增加而降低，整流側的定電流控制器指令值將介于0.55 p.u.～1.0 p.u..隨著交流電壓的下降，直流電流的上升，CEA主動調高觸發角，進而降低整流側直流電壓，使直流系統兩端電壓差降低，直流電流減少.該情況下直流電流波形見圖3中紅色曲線.

當直流電壓跌落至0.4 p.u.以下時，VDCOL輸出指令值會保持0.55 p.u.不變，整流側的定電流控制器指令值為0.55 p.u.，CEA同樣會調高觸發角，使直流電流下降，但由于CEA的指令值與實際電流值相差較大，因此直流電流下降速度會大大加快，該情況下直流電流波形見圖3中綠色曲線.

將直流電流代入式(19)中可以得到準確的直流系統等值工頻電流.當Udc>0.9 p.u.時，直流系統等值工頻電流始終大于正常運行時的電流；當Udc≤0.9 p.u.時，直流系統等值工頻電流先增加，后減小至正常運行電流以下.隨著Udc跌落程度的增加，直流系統等值工頻電流突增的幅值越大，下降速度越快，如圖4所示.

圖4 直流系統等值工頻電流Fig 4 Equivalent power frequency current of DC system

顯然，直流系統等值工頻變化量電流的幅值先增大后減??；隨著故障嚴重程度的增加，其增大的幅值也會越大.

逆變側無功補償策略為全補償，逆變側無功消耗為直流功率的50%～60%，所以超前.假設電網故障下交流母線電壓只有幅值的跌落，并無相位的變化.當過渡電阻較大，故障程度較輕時，直流從受端吸收無功，的幅值變化不大，并向逆時針旋轉一個較小的角度，處于第一象限，其相電壓、電流相位關系如圖5（a）所示，超前，直流系統等值阻抗?Zdc呈容性，與純交流系統不同.當過渡電阻較小，故障較嚴重時，直流從受端吸收大量的無功功率，的幅值會減小，同時向順時針旋轉較大的角度，處于第一或第四象限，其相電壓、電流相位關系如圖5（b）所示，超前，直流系統等值阻抗?Zdc呈感性，與純交流系統相同.

圖5 故障情況下電壓電流的關系Fig 5 Phasor diagram of currents and voltages for faults

由上述分析可知，在過渡電阻較大時，直流系統等值工頻變化量阻抗呈容性，幅值會先減小后增大；當過渡電阻較小時，直流系統等值工頻變化量阻抗呈感性，幅值同樣會先減小后增大，且會增大到一個較大的阻抗值.等值工頻變化量阻抗的幅值、相位特性在過渡電阻較大時與純交流系統阻抗特性不同，會改變工頻變化量距離保護的故障圓特性的圓心位置和半徑長度，造成保護不正確動作.

3 直流饋入對工頻變化量距離保護影響

聯立式(1)、式(2)和式(3)推導可得

等式兩邊同時除以kkUN/?Ek

直流饋入下的系統阻抗等于直流系統等值工頻變化量阻抗，因此直流饋入下的阻抗圓特性

忽略負荷的影響

由式(22)、(23)可以看出直流饋入下的阻抗圓特性會受到?Zdc和的影響，并且還會受到?Zdc和kk的影響.因此，直流饋入造成?Zdc的變化，會引起保護范圍的減小.

3.1 直流系統工頻變化量阻抗對保護范圍的影響

交直流系統工頻變化量距離保護阻抗圓特性，是以-?Zdc為圓心，|?Zdc+|為半徑的圓.直流系統發生換相失敗時，直流系統工頻變化量阻抗呈容性，位于第三象限、第四象限，阻抗圓的圓心位于第二象限.而純交流系統的系統阻抗呈感性，阻抗圓的圓心位于第三象限.因此，直流饋入會導致阻抗圓偏移，正方向保護范圍減小.

由上述分析可知，過渡電阻越小，故障越嚴重，直流系統等值工頻變化量阻抗幅值越大，正方向保護范圍越小.阻抗圓特性如圖6所示，A1為純交流系統下的阻抗圓動作特性，A2為直流饋入下阻抗圓動作特性，A3為直流系統等值工頻變化量阻抗幅值較小的阻抗圓動作特性.

圖6 直流饋入下工頻變化量距離元件動作特性Fig 6 Operating characteristics of distance element based on the power-frequency variation in HVDC system

顯然，直流饋入造成阻抗圓特性的圓心偏移，工頻變化量距離保護正方向保護范圍減小.

3.2 整定阻抗對保護范圍的影響

3.2.1 可靠系數對整定阻抗的影響

圖7 整定阻抗隨可靠系數變化向量圖Fig 7 Schematic diagram of setting impedance changing with reliability coefficient

由圖7可以看出，隨著kk的增大，的幅值不斷降低，且向第二象限趨近.由式(22)可得，工頻變化量阻抗圓的半徑會逐漸變小，導致正方向保護范圍降低，當kk增大到一定程度后，正方向可能會失去保護范圍.

3.2.2 直流系統等值阻抗對整定阻抗的影響

由上述分析可知，故障越嚴重，直流系統等值阻抗越大.當kk一定時，隨著直流系統等值阻抗的增加，的幅值會不斷增加，并且逐漸向第二象限轉動，導致正方向保護范圍減小，當故障嚴重到一定程度后，正方向會失去保護范圍.隨?Zdc變化如圖8所示.

圖8 整定阻抗隨系統阻抗變化示意圖Fig 8 Schematic diagram of setting impedance changing with system impedance

4 工頻變化量距離保護改進策略

為解決直流饋入造成保護正方向范圍減小的問題.提出工頻變化量阻抗繼電器與全阻抗繼電器配合使用的方法.

全阻抗繼電器的特性圓的圓心位于原點，正方向整定阻抗與反方向整定阻抗大小相等，Zset1=Zset2，動作區域如圖9所示.

圖9 全阻抗圓特性Fig 9 Operating characteristics of impedance relay

其動作特性為

全阻抗圓特性在各個方向上的動作阻抗都相同，正反方向故障下具有相同的保護區，不容易受到系統變化的影響，但本身不具有方向性，在雙端電源系統中，應該與方向元件配合使用.而工頻變化量阻抗繼電器在正方向保護時快速可靠動作，而在反方向故障時，可靠不動作，因此可以作為方向元件使用.兩種繼電器取長補短，提出工頻變化量阻抗繼電器與全阻抗繼電器采用或相互配合策略，配合方式如圖10所示.

圖10 工頻變化量阻抗繼電器與全阻抗繼電配合Fig 10 Cooperation between power frequency variation impedance relay and impedance relay

工頻變化量阻抗繼電器仍采用固定門檻動作判據.純交流系統和直流饋入下的阻抗圓如圖11中A1、A2所示.全阻抗圓繼電器動作范圍如阻抗圓A3所示.全阻抗繼電器以工頻變化量阻抗繼電器的初始整定阻抗為半徑，以原點為圓心，內切與工頻變化量正方向阻抗圓.

由圖11可知，全阻抗繼電器的阻抗圓特性與工頻變化量阻抗繼電器不同，其圓心位于原點處，因此，無論系統如何變化，均不改變其阻抗圓的位置.而全阻抗繼電器阻抗圓的半徑為整定阻抗，與保護安裝處所測得電氣量的變化無關.因此全阻抗繼電器的動作特性不受直流饋入的影響.

圖11 兩繼電器配合動作特性Fig 11 Operating characteristics of two impedance relays

兩繼電器采用如圖12所示方式進行配合動作.

圖12 工頻變化量阻抗繼電器與全阻抗繼電器配合流程圖Fig 12 Flow chart of cooperation between power frequency variation impedance relay and impedance relay

全阻抗繼電器和工頻變化量阻抗繼電器協同工作.故障發生時刻，工頻變化量阻抗繼電器作為方向元件，對故障方向進行判斷.當發生反方向故障時，發出信號閉鎖兩繼電器，保護不動作.當發生正方向故障時，兩個繼電器同時工作，當滿足工頻變化量距離繼電器動作特性時，發出動作信號，保護動作.全阻抗繼電器在接受到工頻變化量發出的動作信號后，閉鎖繼電器，不發出動作信號.

當不滿足工頻變化量阻抗繼電器的動作特性時，工頻變化量阻抗繼電器將不發出動作信號，全阻抗繼電器進行判定，如果滿足動作條件且沒有工頻變化量阻抗繼電器發出動作的信號，保護動作.若不滿足動作條件，全阻抗繼電器和工頻變化量阻抗繼電器均不發出動作信號，保護不動作.

5 仿真驗證

5.1 直流饋入等值系統阻抗特性仿真驗證

工頻變化量阻抗繼電器主要受?Zdc的影響而導致正方向保護范圍減小，基于PSCAD/EMTDC建立如圖13所示模型.仿真模型采用GIGRE HVDC的標準測試系統，在其基礎上搭建交直流混聯系統仿真模型，不改變直流系統的情況下，調整了受端交流系統的容量.

圖13 HVDC仿真模型Fig 13 Simulation model of HVDC system

受過渡電阻影響，導致交流系統換流母線電壓跌落情況不同，引起的直流系統換相失敗情況不同.當受端系統SCR=2.5時，逆變側交流母線電壓發生A相經過渡電阻接地故障，分別經60 ?、100 ?、140 ?接地，其中A相經140 ?過渡電阻接地時，未發生換相失敗，為發生換相失敗的臨界值；當受端系統SCR=5時，逆變側交流母線電壓發生A相經過渡電阻接地故障，分別經30 ?、50 ?、70 ?接地，其中A相經70 ?過渡電阻接地時，未發生換相失敗，為發生換相失敗的臨界值，直流系統等值工頻變化量阻抗仿真結果如圖14、圖15所示.

圖14 不同故障下直流系統等值工頻變化量阻抗相角Fig 14 DC-system impedance phase based on power-frequency variation under different commutation failure

圖15 不同故障下直流系統等值工頻變化量阻抗幅值Fig 15 DC-system impedance amplitude based on power-frequency variation under different commutation failure

由圖14、圖15可知，直流系統等值工頻變化量阻抗幅值在未發生換相失敗時，持續上升.在換相失敗的過程中，幅值先突增后減小.在一定過渡電阻下，直流系統等值工頻變化量阻抗呈容性.

5.2 工頻變化量距離保護改進策略仿真驗證

設定系統參數，線路長度為50 km，線路正序參數如表1所示.

表1 線路參數Tab 1 Line parameters

采用式(1)和式(5)作為工頻變化量阻抗元件的判據，可靠系數取1.1，保護范圍為線路全長的80%.分別在線路出口保護安裝處、線路全長40%、線路全長60%處發生AB兩相短路，以上故障均為區內故障.工頻變化量距離繼電器判定的仿真結果如圖16所示.

圖16 區內故障工頻變化量距離元件判定結果Fig 16 Response of power frequency variation impedance relay under internal faults

全阻抗繼電器采用式(25)作為判據，仿真結果如圖17所示.圖中黑色的線為繼電器測量電壓，紅色的線為保護末端整定電壓.

圖17 區內故障全阻抗距離元件判定結果Fig 17 Response of impedance relay under internal fault

仿真結果表明，在線路出口處故障時，存在補償電壓幅值大于工頻變化量阻抗繼電器的整定電壓幅值的現象.除此之外，工頻變化量阻抗繼電器的整定電壓幅值均大于補償電壓幅值，因此，工頻變化量距離保護不能正確發出動作信號.而全阻抗繼電器的整定電壓均大于繼電器測量電壓，因此可以正確發出動作信號，使保護正確動作.

在線路末端發生AB兩相短路故障時，仿真結果如圖18、圖19所示.由圖18、圖19可知，在區外故障時，工頻變化量阻抗繼電器和全阻抗繼電器均不會發出動作指令，保護不會動作，驗證了所提改進措施的有效性.

圖18 區外故障工頻故障分量距離元件判定結果Fig 18 Response of power frequency variation impedance relay under external faults

圖19 區外故障全阻抗距離元件判定結果Fig 19 Response of impedance relay under external fault

6 結論

本文以CIGRE HVDC標準測試模型為例，研究了直流饋入對工頻變化量距離保護的影響，并提出全阻抗繼電器與工頻變化量阻抗繼電器相互配合的改進措施，得出如下結論.

(1) 直流饋入下直流側等值工頻變化量阻抗呈容性，處于第三或第四象限.使得阻抗圓圓心由純交流時候的第三象限變為第二象限，使得阻抗圓由第一象限向第二象限移動，造成正方向保護范圍的減小.可靠系數的增大會進一步造成正方向保護范圍的減小.

(2) 全阻抗繼電器與工頻變化量阻抗繼電器的配合使用，可以有效地防止由于直流饋入而造成工頻變化量阻抗繼電器區內拒動，同時兼顧保護的方向性和速動性.

(3) 全阻抗繼電器雖能防止區內故障不正確動作，但由于其動作圓特性內切于工頻變化量阻抗繼電器，所以保護范圍會略有減小.

本文通過仿真驗證了上述結論的正確性和有效性，研究成果可為交直流混聯系統其他類型保護提供思路，對于維護交直流混聯系統安全穩定運行具有重要意義.