基于暫態電流行波突變的LCC-MMC 混合雙極直流輸電縱聯方向保護

高淑萍，李元澤，宋國兵，呂宇星，左俊杰，沈渠旺

（1. 西安科技大學電氣與控制工程學院，西安 710600；2. 西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

目前輸電網絡正快速發展，高壓直流輸電技術也隨之不斷進步。傳統高壓直流輸電是基于電網換向換流器高壓直流輸電（line-commutated converter based high volatage direct current，LCC-HVDC）技術，這種直流輸電技術成熟，建設運行成本低。隨著高壓直流輸電對換流器的要求越來越高，便誕生了一種基于模塊化多電平換流器高壓直流輸電（modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC）技術。這種直流輸電功率控制靈活，不存在換相失敗的問題。為了將這兩種直流輸電的優勢結合起來，近年來出現了混合直流輸電系統。但在目前世界上的混合直流輸電系統實際工程中，除了廣泛應用的混合雙端和混合多端直流輸電系統，僅在挪威和丹麥之間存在一條混合四極直流輸電系統，還沒有混合雙極直流輸電系統投入運營，針對混合雙極直流輸電系統的研究較少?；旌纤臉O直流輸電系統占地面積大，經濟性較差，混合雙極直流輸電系統相較于混合四級直流輸電系統控制方式簡單，造價低，占地面積小，具有很好的應用前景［1-2］。LCC-MMC 型混合雙極直流輸電系統正極由電網換相換流器（LCC）構成，負極由模塊化多電平換流器（MMC）構成。由于其兼有兩者的優點，所以混合直流輸電比傳統直流輸電和柔性直流輸電具有更明顯的優勢，它的誕生將改善未來直流輸電工程的傳輸特性，其應用領域會越來越大［3-4］。

反向行波通常被用來作為行波保護的判斷依據，當線路發生故障時會產生以故障點為中心向線路兩側傳播的行波，通過檢測反向行波即可判定直流線路是否發生區內故障［5-7］。目前大多數輸電線路將行波保護和微分欠壓保護作為高壓直流輸電線路保護的主保護，電流差動保護和低電壓保護作為后備保護［8-11］。SIMENS 和ABB 制定的行波保護作為主流保護方案被廣泛使用，但兩種保護在實際高壓直流輸電工程的運行經驗表明其在耐過渡電阻的能力上均存在一定欠缺［12-15］。

文獻［16］在分析行波傳輸特性的基礎上基于高頻阻抗在正反方向故障時的不同提出了一種混合直流輸電縱聯保護原理。文獻［17］根據直流線路區內外故障時線路兩端電流有無線性關系基于相關系數提出了一種混合直流輸電線路縱聯保護方法。文獻［18］在傳統行波保護基礎上加以小步長采樣提出了一種可提升保護靈敏性的新型直流線路保護方案。文獻［19］通過比較區內外故障時線路兩端測量波阻抗與測點背側波阻抗和線路波阻抗的差異提出一種基于波阻抗的縱聯保護原理。文獻［20］根據區內外故障時故障前、反行波到達保護點時刻的不同構成了VSC-HVDC 縱聯方向保護判據。文獻［21］利用直流線路區內外故障時的電壓特征信號的暫態高頻分量差異，通過小波包變換得到的低頻與高頻能量和的比值構成保護判據。文獻［22］利用小波包變換，基于保護安裝處獲得的暫態能量差異，提出了一種單端電氣量的行波保護新方法。文獻［23］通過對故障發生后的行波波前信息以及波前形狀的分析和過波前相關系數的計算提出了一種直流輸電線路超高速保護原理。

混合雙極直流輸電系統與普通直流輸電系統相比在輸電線路上的波過程一致，在行波方向的判別上沒有差異。其差異主要體現在：由于LCC 和MMC換流站的拓撲結構和換流站元件參數不同，導致其邊界對波過程的響應特性存在差異，即行波波頭到達換流站后的折反射是不一樣的，所以電壓行波和電流行波幅值的整定應該是與邊界特性相關的。

本文在分析直流輸電系統中行波傳播特性的基礎上提出了一種新的利用暫態電流行波突變的縱聯方向保護原理，該原理包括故障方向判別算法和故障極點識別算法。對所提方法在PSCAD/MATLAB中進行仿真實驗，大量的仿真結果表明此保護原理不受故障類型以及故障發生距離的影響，并且具有很好的耐過渡電阻能力。

1 LCC-MMC 混合雙極直流輸電系統結構分析

圖1 所示為一個±500 kV 的LCC-MMC 混合雙極直流輸電系統結構框圖。不同于LCC-MMC 混合雙端直流輸電系統的整流側為LCC型換流器，逆變側為MMC 型換流器，LCC-MMC 混合雙極直流系統的正極采用LCC 型換流器，負極采用MMC 型換流器。圖1 中a、b、c、d 分別為區內線路保護測量安裝位置，L為平波電抗器，以平波電抗器為邊界，將直流輸電系統劃分為區內部分和區外部分，其中直流線路為區內部分，其余的為區外部分。f1—f7分別為不同的故障，其中f1、f3、f4、f7為區外故障，f2、f5為區內單極故障，f6為區內雙極故障。輸電系統各部分具體參數如表1所示。

圖1 LCC-MMC混合雙極直流輸電系統結構框圖Fig. 1 Structure block diagram of LCC-MMC hybrid bipolar DC transmission system

表1 LCC-MMC混合雙極直流輸電系統各部分參數Tab. 1 Parameters for each part of LCC-MMC hybrid bipolar DC transmission system

2 行波傳輸原理分析

2.1 行波傳輸過程分析

行波保護原理是通過故障時故障點產生的行波來檢測故障。當線路上發生故障時故障點處將產生行波，該行波會以故障點為中心向線路兩側傳播。一般情況下故障信息反映在電壓、電流或兩者的組合中，因此在極端情況下這些參數可以用來檢測故障［24］。

式中：u2、i2分別為行波傳播線路末端電壓和電流；v為行波波速；Z為輸電線路波阻抗，其值為其中為L0、C0分別為感抗和容抗，根據表1參數計算可得線路波阻抗Z=319.556 Ω；γ為線路傳播衰減常數，其值由線路的阻抗導納決定；x為行波傳輸距離。

2.2 行波的折射與反射

圖2 為行波在阻抗不連續線路上的傳輸示意圖，A為阻抗不連續點，l1、l2分別為兩條阻抗不同的線路，其阻抗值分別為Z1和Z2，ua、ia分別為電壓和電流入射波，ub、ib分別為入射波通過阻抗不連續點后的電壓和電流折射波，uc、ic分別為電壓和電流反射波。

圖2 行波傳輸示意圖Fig.2 Schematic diagram of traveling wave transmission

故障發生后故障點將產生故障行波，該行波會以故障點為中心沿著線路向兩側傳輸，隨后在行波到達阻抗不連續點（如故障點或電容電感處）時發生行波折射和反射現象。

行波傳輸反射系數和折射系數分別為：

式中λ、β分別為行波傳輸的反射系數與折射系數， -1≤λ≤1，β≥0。

3 故障特征分析

圖3—5 分別為直流輸電系統在區內故障和區外故障下的行波傳播過程。M、N 分別為整流站、逆變站。M1、M2、M3、M4 為整流側不同的行波突變點。N1、N2、N3、N4為逆變側不同的行波突變點。

圖3 直流輸電系統區內故障時行波傳播過程Fig.3 Traveling wave propagation process of DC transmission system when an internal fault occurs

表2—4 分別給出了直流輸電系統在區內故障和區外故障時整流側和逆變側的電流行波。λM、λf和λN分別為電流行波在不同位置（整流側、故障側和逆變側）的反射系數，βM、βf、βN分別為電流行波在不同位置（整流側、故障側和逆變側）的折射系數，is為初始電流行波。

表2 區內故障時兩端電流行波Tab. 2 Current traveling wave at both ends when an internal fault occurs

由表1 參數并結合式（6）計算可得，正極線路整流側和逆變側反射系數λM+=λN+=-0.961，正極線路整流側和逆變側折射系數βM+=βN+=1.961，負極線路整流側反射系數λM-=-0.491，負極線路逆變側反射系數λN-=-0.846，負極線路整流側折射系數βM-=1.491，負極線路逆變側折射系數βN-=1.846。設線路參考方向為母線指向線路，由圖3—5 可知，is<0。

為滿足繼電保護速動性要求，取區內故障時暫態電流行波第一次到達保護安裝處發生折反射為標準（即圖3 和表2 中M1、N1 時）。當發生區內正極故障時，此時整流側電流iM=-1.961is，逆變側電流iN=-1.961is，因為is<0，故iM>0，iN>0。同理，當發生區內負極故障時，iM=-1.491is>0，iN=-1.846is>0。

同理，取區外整流側故障時暫態電流行波第一次到達保護安裝處發生折反射為標準（即圖4 和表3中M1、N1 時），此時iM=1.961is，iN=-3.846is。因為is<0，故iM<0，iN>0。同理，當發生區外整流側負極故障時亦有此結論，在此不再贅述。

圖4 直流輸電系統區外整流側故障時行波傳播過程Fig.4 Traveling wave propagation process of DC transmission system at rectifier side when an external fault occurs

表3 區外整流側故障時兩端電流行波Tab. 3 Current traveling waves at both ends when an external fault occurs at rectifier side

同理，取區外逆變側故障時暫態電流行波第一次到達保護安裝處發生折反射為標準（即圖5 和表4中M1、N1 時），此時iM=-3.846is，iN=1.961is。因為is<0，故iM>0，iN<0。同理，當發生區外逆變側負極故障時亦有此結論，在此不再贅述。

圖5 直流輸電系統區外逆變側故障時行波傳播過程Fig.5 Traveling wave propagation process of DC transmission system at inverter side when an external fault occurs

表4 區外逆變側故障時兩端電流行波Tab. 4 Current traveling wave at both ends at inverter side when an external fault occurs

4 基于暫態電流行波突變的縱聯方向保護原理

4.1 保護啟動判據

啟動功能的主要要求是可靠性，因為保護算法必須針對每一個可能的故障啟動。通過使用一種可以區分正常運行和故障的電流判據可以快速檢測直流線路故障，該判據可以表示為：

式中：di（n）和di（n+1）分別為采樣點編號n、n+1的差分電流行波；M為累計次數（經驗值為3）；Δset為基于保護標準的門檻值。

保護啟動判據門檻值設定一般需要保證在最不靈敏情況下的故障時保護也可以可靠啟動，此處設定為2 A。當式（4）中的條件滿足時保護被激活。

4.2 保護方向識別判據

由圖3 可知，當發生區內故障時整流側與逆變側均為正方向故障。由表2 分析可知，整流側和逆變側的暫態電流行波發生正向突變。

由圖4 可知，當故障發生為整流側區外故障時，此時對于整流側為反方向故障，對于逆變側為正方向故障。由表3 分析可知，整流側的暫態電流行波發生負向突變，逆變側的暫態電流行波發生正向突變。

由圖5 可知，當逆變側發生區外故障時對于逆變側為反方向故障，對于整流側則為正方向故障。由表4 分析可知，逆變側的暫態電流行波發生負向突變，整流側的暫態電流行波發生正向突變。即當電流行波i>0時為正向故障，當電流行波i<0時為反向故障。

由此可構成縱聯方向保護判據，當故障發生后，整流側與逆變側檢測到的暫態電流行波突變方向相同時則判斷為區內故障，保護動作；整流側與逆變側檢測到的暫態電流行波突變方向相反時則判斷為區外故障，保護不動作。

4.3 故障極識別算法

當發生區內正極故障時正極作為故障極其電流行波突變幅值大于負極電流突變幅值，其值大于1；當發生區內負極故障時，負極作為故障極其電流行波突變幅值大于負極電流突變幅值，其值遠小于1；當發生區內雙極故障時，正負極電流行波均有一定突變。因此，可得到故障極識別公式如式（5）所示。

式中：β為故障極識別參數；|iPmax|和|iNmax|分別為正極和負極暫態電流行波的最大值。

選極判據的門檻值設定一般需要考慮故障距離以及所設過渡電阻最大情況下的影響，并留有一定的裕度，故本文β的門檻值取0.6和1。

則故障極點識別算法設置為：

4.4 影響因素分析

4.4.1 過渡電阻影響

過渡電阻的存在會削弱初始行波的幅值，不同過渡電阻對初始行波幅值的削弱程度不一樣，且過渡電阻值越高則初始行波幅值越低，所以當初始行波到達邊界發生折反射后保護安裝處的電壓電流行波幅值也會降低。

4.4.2 故障距離影響

故障距離對行波的影響體現在行波波頭的上升沿陡度值，故障距離不同則上升沿陡度不同。故障距離保護安裝處越遠，則初始行波在線路上傳播的距離越遠，保護安裝處檢測的電壓電流行波幅值的上升沿陡度越平緩。

綜上所述，過渡電阻和故障距離僅僅對行波幅值和上升沿陡度產生影響，而對行波的突變方向不會產生影響。

4.4.3 保護流程圖

圖6 給出了基于暫態電流行波突變的保護流程框圖。

圖6 保護流程圖Fig.6 Flow chart of the protection

5 仿真驗證

如圖1 所示，通過PSCAD/EMTDC 構建一個500 kV 的LCC-MMC 混合直流輸電系統。此系統采用頻域相關模型，輸電線路采用架空線，線路長度為1 500 km，采樣頻率設置為100 kHz，采樣周期為10 μs，仿真步長為10 μs，設置1 s 時刻發生故障。

5.1 不同典型故障仿真分析

圖7 給出了區內正極故障（距整流側750 km，如圖1中f2）的暫態電流行波波形圖。

圖7 區內正極故障時暫態電流行波波形圖Fig.7 Waveform diagram of transient current traveling wave when an internal fault occurs in positive pole

由圖7 可知整流側正極暫態電流行波與逆變測正極暫態電流行波均發生正向突變，即故障為區內故障。

圖8給出了區外整流側正極故障（如圖1中f1）的暫態電流行波波形圖。

圖8 區外整流側正極故障時暫態電流行波波形圖Fig.8 Waveform diagram of transient current traveling wave when an external fault occurs at rectifier side in positive pole

由圖8 可知，當發生區外整流側正極故障時整流側正極暫態電流行波發生負向突變，逆變側正極暫態電流行波發生正向突變。

圖9給出了區外逆變側正極故障（如圖1中f3）的暫態電流行波波形圖。

圖9 區外逆變側正極故障時暫態電流行波波形圖Fig.9 Waveform diagram of transient current traveling wave when an external fault occurs at inverter side in positive pole

由圖9 可知，當發生區外逆變側正極故障時逆變側正極暫態電流行波發生負向突變，整流側正極暫態電流行波發生正向突變。

5.2 直流線路不同過渡電阻故障選極仿真分析

4.4.1 節分析了過渡電阻對所提出的保護的影響。以下對不同故障類型分別設置不同過渡電阻進行仿真驗證，如表5和圖10所示。

圖10 不同故障類型不同過渡電阻下故障選極仿真結果圖Fig.10 Simulation results of fault pole selection under different fault types and different transition resistors

表5 不同過渡電阻作用下故障選極仿真結果分析（750 km）Tab. 5 Analysis of simulation results of fault pole selection under different transition resistors（750 km）

表5中iM+和iM-分別為整流側正極和負極暫態電流行波突變的最大值。iN+和iN-分別為逆變側正極和負極暫態電流行波突變的最大值。βM和βN分別為整流側和逆變側故障極識別參數。

本文以故障發生在距離整流側750 km 為例，考慮了不同故障類型（如圖1 中f2、f5、f6）分別在不同故障電阻（0 Ω、100 Ω、200 Ω、300 Ω、500 Ω）情況下的仿真結果。

由表5和圖10可知，系統在不同故障類型時在不同過渡電阻下β值均處于設定的選極算法門檻值范圍區間中，故所提出的保護對于不同的故障類型、不同的故障電阻下的故障均具有正確識別故障方向和故障極點的能力。

5.3 直流線路不同故障距離位置選極仿真分析

4.4.2 節分析了故障距離位置對所提出的保護的影響。分別對不同類型故障以及不同距離位置故障進行仿真驗證，如表6和圖11所示。

圖11 不同故障距離位置下故障選極仿真結果圖Fig.11 Simulation results of fault pole selection under different fault distance positions

表6 不同故障距離位置下故障選極仿真結果分析Tab. 6 Analysis of simulation results of fault pole selection at different fault distances

本節考慮了不同故障類型（如圖1 中f2、f5、f6）分別在不同故障距離位置（距離整流側150 km、375 km、1 125 km、1 350 km）下的仿真結果。（距離整流側750 km 情況下的故障已在上節中詳細敘述，在此不再贅述。）

由表6和圖11可知，系統在不同故障類型以及不同故障距離下的β值均處于設定的選極算法門檻值范圍區間中，故所提出的保護對于不同類型故障下、不同距離故障均具有正確識別故障方向和故障極點的能力。

6 結語

通過對行波在直流輸電系統中的傳播特性進行分析，本文提出了一種基于暫態電流行波突變的LCC-MMC 混合雙極直流輸電系統縱聯方向保護原理，利用整流側和逆變側在不同故障下暫態電流行波變化方向的不同來判別區內外故障，并通過暫態電流行波突變最大值的比值來對故障極進行判別。與其他傳統直流線路保護原理相比，該保護原理簡單，故障后保護動作迅速，且門檻值易整定，保護受故障類型、過渡電阻以及故障發生距離位置的影響較小，具有一定的實用性。