特高压直流输电线路单端电流方向暂态保护

陈仕龙张 杰刘红锐谢佳伟侯云川

（1.昆明理工大学电力工程学院 昆明 650500 2.中国南方电网超高压输电公司曲靖局 曲靖 655000）



特高压直流输电线路单端电流方向暂态保护

陈仕龙1张 杰2刘红锐1谢佳伟1侯云川2

（1.昆明理工大学电力工程学院 昆明 650500 2.中国南方电网超高压输电公司曲靖局 曲靖 655000）

摘要提出一种特高压直流输电线路单端电流方向暂态保护方法。来自特高压直流输电线路本侧区外和来自对侧的故障电流在突变方向上具有明显的差异，据此判断故障信号来自对侧还是本侧区外；如故障信号来自对侧，则利用希尔伯特黄变换求出故障信号的第一个固有模态函数（IMF1）瞬时频率，提取瞬时频率最大值从而判断故障位于对侧区内还是区外。给出一种特高压直流输电线路单端电流暂态保护方案。在PSCAD仿真平台上对提出的方法进行仿真验证。

关键词：特高压直流 线路保护 电流方向 单端暂态保护

国家自然科学基金（51267008）和昆明理工大学校人培基金（kkz3201304019）资助项目。

0 引言

特高压直流输电系统在远距离输电和大区域联网中具有独特的技术和经济优势[1]。但特高压直流系统输送容量大、输电距离远且线路沿途地貌复杂等特点使得直流线路故障成为直流系统中最常见的故障[2]。当今世界直流线路保护均以行波保护为主保护，以微分欠电压保护、差动保护为后备保护[3-6]。行波保护和微分欠电压保护在高阻接地故障时容易拒动[7]，电流差动保护灵敏度不高、保护动作较慢[8]。

利用边界对高频量衰减特性的暂态保护是特高压直流输电线路保护的发展方向，目前对直流输电线路暂态保护的研究主要集中于电压暂态保护。文献[9]基于直流滤波器和平波电抗器对故障信号高频量的衰减特性提出一种特高压直流输电线路暂态保护方法。文献[10]提出基于小波能量比的特高压直流输电线路单端保护方法。上述保护方法均忽略了特高压长线路对高频故障信号的衰减作用，导致不能实现真正意义上的全线保护。文献[11]考虑特高压直流输电线路对高频故障信号的衰减作用，提出了一种区分对侧区内外故障的特高压直流输电线路单端电压暂态保护原理，但该原理没有解决如何区分本侧区外故障的问题，也不能实现全线保护。针对文献[11]不能保护线路全长的缺点，文献[12]考虑线路和边界对高频信号的衰减特性，提出一种特高压直流输电线路双端电压暂态保护方法，具有较高的可靠性，但该方法需要双端信息交互，在速动性方面有所欠缺。

与电压量相比，电流量包含更丰富的故障信息。文献[13]提出的检测电流首峰值时间的直流线路保护新原理在消除过渡电阻影响方面具有较好的效果。文献[14]从故障电压和电流突变方向入手，为直流输电线路保护提供了新思路。研究利用电流量的特高压直流输电线路暂态保护具有重要意义。

本文首先分析故障暂态电流因故障点不同而呈现特定的突变方向性，基于这一点提出判断故障电流来源方向的方法；其次分析边界和线路对故障电流的衰减特性，提出区分对侧区内外故障的方法，结合希尔伯特黄变换，给出区分对侧区内外故障的判据；最后给出一种特高压直流输电线路单端电流方向暂态保护方案，并在PSCAD仿真平台上对本文提出的方法进行验证。

1 基本原理

1.1 线路频率特性

利用边界对高频量衰减特性的暂态保护是特高压直流输电线路保护的发展方向，其基本思路是利用边界元件对高频信号的衰减作用来判别故障发生于区内还是区外，但基于这种思路的保护方法通常忽略了线路对高频故障信号的衰减作用。

文献[11]推导出双极直流线路的传递函数为

式中，i表示0模或1模；iγ表示模衰减系数，其表达式为

式中，Ri表示线路单位长度的模电阻；Li表示单位长度的模电感；Ki表示单位长度的电容模分量。

将式（2）代入式（1），选取三个不同线路长度分析其幅频特性，幅频特性曲线如图1所示。

由图1可见，线路传输函数的幅值|A1（j ω）|随着频率升高逐渐降低，随着线路长度增加急剧减小。由此表明特高压直流线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越强烈。因此，对以利用边界对高频量衰减作用为基本原理的特高压直流输电线路暂态保护来说，线路衰减作用的影响不可忽略。

图1　特高压直流输电线路传输函数的幅频特性Fig.1 Magnitude-frequency characteristic of transfer function of UHVDC transmission line

1.2 电流方向识别

在交流线路上，电流呈周期性变化因而没有方向性可言，但可以通过比较线路两侧检测的电流相位判断故障是发生在区内还是区外，这就是电流相位比较式纵联保护[15]。和交流线路相比，直流线路中电流的最大特点是电流具有特定的方向，正常情况下总是从整流侧流向逆变侧。规定电流由直流母线流向直流线路为正，那么正常运行时，图2所示的云广±800kV特高压直流输电系统中流过整流侧正极线的电流Inormal方向始终为正。

图2　故障电流情况Fig.2 Fault current

当d1处发生接地故障时，故障电流If1不经过保护装置而是从故障点通过接地极流回整流侧，导致保护装置处检测到的电流减小；当线路d2处或者逆变侧母线d3处发生接地故障时，同样会产生故障电流If2和If3，但此时的故障电流仍然经过整流侧保护装置处，导致保护装置处检测到的电流增大。直流系统通常为双极系统，线路发生故障后非故障极因线路耦合也会产生一个暂态量。为消除线路耦合对保护的影响，通常取模量进行分析研究。分析发现在双极直流系统线路发生故障后，其故障暂态模量也满足上述规律。在图2所示的模型中，分别选取整流侧直流母线、距离整流侧300km的线路和逆变侧直流母线模拟接地故障发生，整流侧保护安装处检测到的线模故障电流波形如图3所示。

图3　区内和区外故障时保护安装处检测到的线模电流波形Fig.3 Line mode currents waveforms of installation position detection of internal or external fault

由图3可见，从整流侧保护安装处来看，来自本侧区外的故障电流因减小而向下突变，来自线路和逆变侧直流母线的故障电流因增大而向上突变。上述分析表明，通过对故障暂态电流突变方向加以检测识别，便可判断故障信号来自本侧区外还是来自对侧。

1.3 对侧区内外故障识别

云广特高压直流输电线路两端均加装平波电抗器、直流滤波器和PLC滤波器，三者共同构成一个实体物理边界[10]，边界构成如图4所示。

图4　云广特高压直流输电线路边界Fig.4 The boundary of Yun Guang UHVDC transmission lines

平波电抗器的阻抗为

直流滤波器的等效阻抗为

平波电抗器具有低通滤波器的特点，而直流滤波器具有高通滤波器的特点[12]。

为了便于分析PLC滤波器，将PLC分为两部分，其阻抗分别为Z3和Z4，如图5所示。

图5　PLC滤波器Fig.5 PLC filter

文献[5]中提出，在分析特高压直流输电线路“边界”的频率特性时，假设线路侧处于开路状态。这里也做同样的假设，即线路侧开路，那么阻抗Z3上将不会有压降，因而PLC滤波器的阻抗可等效为

其幅频特性表明，PLC滤波器也是呈高通滤波器的特点[12]。

式（3）～式（5）表明特高压直流输电线路边界元件对高频信号有很强的衰减作用，文献[12]的直流线路暂态保护方法正是基于此提出的。

特高压直流线路对高频量有衰减作用，线路越长，衰减作用越大[16]。由特高压直流输电线路边界的频率特性可知：特高压直流输电线路的边界元件对高频信号有很强的衰减作用。线路对高频信号衰减作用的大小与线路长度有关，当特高压直流输电线路达到一定长度时，线路对故障高频暂态信号的衰减作用将有可能超过特高压直流输电线路“边界”对故障高频暂态信号的衰减作用。考虑特高压直流输电线路对故障高频暂态信号的衰减作用，提出一种区分对侧区内外故障的方法，其原理如图6所示。

区分对侧区内外故障原理的基本思想是：利用保护元件检测来自对侧的故障信号进而判断故障发生在区内还是区外，即利用整流侧保护元件来区分

逆变侧的区内故障和区外故障，利用逆变侧的保护元件来区分整流侧的区内故障和区外故障。

图6中，保护装置位于整流侧，当逆变侧区外d2点发生故障时，故障处产生的故障高频暂态电流信号要通过特高压直流输电线路“边界”和线路的双重衰减后才能到达整流侧保护安装处；而当区内线路末端d1点发生故障时，故障处产生的故障高频暂态电流信号则只通过特高压直流输电线路的衰减就能到达整流侧保护安装处。因此通过提取来自对侧的故障电流特征量，并与预先设置的阈值作比较，便可判断故障发生在线路上还是对侧区外。

图6　利用保护元件区分对侧区内外故障的原理Fig.6 Schematic diagram which uses protector to distinguish the opposite inside and outside faults

2 故障电流方向判据

1.2节分析结果表明，对于整流侧保护装置，来自本侧区外和对侧的故障电流信号突变方向相反，来自本侧区外的故障电流向下突变，来自对侧的故障电流向上突变。据此，对突变点处的信号进行求导运算，如果求导结果在一段连续时间内恒大于零可认为故障电流信号来自线路或者对侧区外，如果求导结果在一段连续时间内恒小于零可认为故障电流信号来自本侧区外。但这种判断方法的缺陷是：信号中的高频谐波分量会影响求导结果，导致判断不准确。

如果定义直接检测到的故障状态下的线模电流减去正常运行状态下的线模电流为故障电流变化量，云广特高压直流系统正常运行时的线模电流为6.25kA，那么故障电流变化Δi可表示为

式中，il表示故障状态下检测到的线模电流。很显然，式（6）的作用就是将故障电流在坐标系中向下平移6.25个单位，使得故障电流变化量在故障起始一段时间内偏向横轴某一侧。如果故障电流信号来自对侧，故障电流变化量在故障起始一段时间内偏向横轴上方；如果故障电流信号来自本侧区外，故障电流变化量在故障起始一段时间内偏向横轴下方。例如对图2中的三个线模电流求故障电流变化量，得到的结果如图7所示。对故障电流作这样处理的好处是：如果对Δi在故障起始一段时间进行积分运算，结果将只有大于零和小于零两种情况，从而可以判断故障信号来自哪个方向。

图7　线模电流故障电流变化量Fig.7 Fault current variation of line mode current

由于采集的信号和计算机处理信号都是离散的，用式（7）求和方式代替对Δi的求积分运算为

式中，t0表示故障起始时刻；Δt表示采样间隔；KΔt表示故障后一段时间。故障电流来自对侧时，Δi＞0，则有P＞0；故障电流来自本侧区外时，Δi＜0，则有P＜0。故通过判断P＞0还是P＜0就可知道信号是来自本侧区外还是来自对侧，判据如下：若P＞0，判断为故障电流信号来对侧；若P＜0，判断为故障电流信号来自本侧区外。

3 对侧区内外故障判据

利用经验模态分解法（Empirical Mode Decomposition,EMD）可以将一个复杂的信号分解成一组被称为“固有模态函数”信号分量，再对各分量信号进行希尔伯特变换，可以得到各分量中的瞬时频率情况，这就是希尔伯特黄变换[17]。瞬时频率反映了信号频率随时间变化而变化的位置信息[18]。

对采集的来自对侧的故障电流信号进行EMD分解，对第一个分量信号进行希尔伯特变换求取瞬时频率，因第一个分量包含高频故障信息，所以通过提取第一个分量中最大的瞬时频率值和对应时刻不仅可以确定故障发生在对侧区内还是区外[18]，还可以确定故障信号到达保护安装点的时刻。在如图2所示的模型中分别模拟线路末端和逆变侧直流母线（区外）接地故障，过渡电阻为1Ω，在整流侧保护安装点处以10kHz的采样率记录故障电流，为消除正负极线耦合的影响，对直接采集的正负极线路上的电流进行相模变换，得到线模故障电流波形如图8所示。

图8　故障电流波形Fig.8 Fault current waveforms

由图8可见，正常运行时，整流侧记录到的线模电流受换流装置的影响在6.25kA上下有一定波动，但整体平稳。线路故障时，线模电流突然增大，线路末端故障时整流侧保护安装点处记录到的故障电流波形有很多毛刺，而逆变侧母线故障时整流侧保护安装点处记录到的故障电流波形较为光滑，说明前者比后者包含更多的高频成分。对两者进行EMD分解后的高频分量进行希尔伯特变换，得到的瞬时频率如图9所示。

由图9可见，线路末端故障时，故障电流中瞬时频率最大值为4 928Hz；逆变侧直流母线即对侧区外故障时，故障电流中瞬时频率最大值为312Hz。因为线路末端故障信号只经过线路的衰减到达整流侧，所以最高频率值较大；而逆变侧直流母线故障信号经过逆变侧边界和线路的双重衰减到达整流侧，因而信号中最高频率值较小。并且当线路上其他位置故障时，故障信号中最高瞬时频率值必然大于区外故障时的最高瞬时频率值。基于此，依据直流系统结构参数和运行经验，通过实测或大量仿真的方法预先设置一个Fset，对故障信号进行EMD分解，求出IMF1中瞬时频率最大值fmax，若fmax≥Fset，判断为区内故障；若fmax＜Fset，判断为对侧区外故障。

图9　瞬时频率Fig.9 Instantaneous frequency

4 单端电流保护方案及仿真结果

4.1 保护方案

基于前面的分析提出如下整流侧的特高压直流输电线路单端电流暂态保护方案：对检测到的线模故障电流信号利用式（6）求出故障电流变化量，对故障电流变化量按式（7）作积分运算求出P值，若P＜0直接判断为区外故障，直流线路保护不动作；如果P＞0，判断为故障信号可能来自线路或者逆变侧区外，进而对线模故障电流信号进行EMD分解，计算IMF1瞬时频率，并提取其中最大值fmax，将fmax与预设门槛值Fset进一步作比较。若fmax≥Fset，判断为区内故障，直流线路保护动作；若fmax＜Fset，判断为逆变侧区外故障，直流线路保护不动作。流程如图10所示。

4.2 仿真结果

利用如图2所示的云广特高压直流输电系统模型，对本文提出的保护方案进行了大量的仿真试验，仿真采样率为10kHz，过渡电阻在1～500Ω之间变化，随机选取不同的故障距离，Fset取1kHz。仿真结果见表1。

从表中可以看出，当故障位置在整流侧母线，即整流侧区外故障时，P＜0，不用计算fmax，由保护方案流程可以直接判断为整流侧区外故障；当故障位置位于线路或者逆变侧区外时，计算得到的都是P＞0的，继续计算求取fmax，线路故障时fmax高达几kHz，而逆变侧区外故障时fmax为几百Hz，两者相差一个数量级。通过变换故障极和过渡电阻，均能实现线路区内外故障的判断。

图10　保护方案流程Fig.10 Flow chart of protection scheme

表1　仿真试验结果Tab.1 Simulation results

5 结论

本文通过分析直流输电线路区内外故障时故障电流的方向性从而确定故障信号来自对侧还是本侧区外；通过分析特高压直流输电线路和边界对故障电流信号的衰减作用，提出判断故障位于区内还是对侧区外。综上得出如下结论：

1）从故障起始时刻对故障电流变化量进行积分运算。积分结果P＜0表明故障点位于本侧区外；积分结果P＞0表明故障点位于线路或对侧区外。

2）对故障暂态电流进行希尔伯特黄变换，提取最高瞬时频率fmax。若fmax≥Fset，判断为区内故障，直流线路保护动作；若fmax＜Fset，判断为逆变侧区外故障。

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陈仕龙 男，1973年生，博士，副教授，研究方向为高压直流输电。

E-mail:kmcsl3@sina.com

刘红锐 女，1982年生，博士，讲师，研究方向为柔性直流输电。

E-mail:15887260304@126.com（通信作者）

A Single-Ended Current Direction Transient Protection of UHVDC Transmission Line

Chen Shilong1Zhang Jie2Liu Hongrui1Xie Jiawei1Hou Yunchuan2
（1.School of Electric Power Engineering Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2.Qujing Bureau CSG EHV Transmission Company Qujing 655000 China）

AbstractA single-ended current direction transient protection of UHVDC transmission line is put forward.Fault current signal outside the region is obviously different in mutation direction from the one at the opposite side.So the direction where the fault signal comes from can be judged.UHVDC boundary and transmission line have attenuation to fault current.If the fault signal comes from the opposite internal,with HHT the instantaneous frequency of IMF1 is calculated.Then,from the maximum value of instantaneous frequency,whether the fault is from the opposite internal or external fault can be judged.A transient current protection scheme of UHVDC transmission line is given.The simulation results of PSCAD verify the protection scheme.

Keywords：Ultra-high voltage direct current,line protection,current direction,single-ended transient protection

作者简介

收稿日期2014-05-08 改稿日期 2015-03-05

中图分类号：TM773