交直流混联系统对交流电网继电保护影响综述

李振兴，叶诗韵，谭洪，王玲，孟晓星

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学），湖北宜昌 443002）

我国煤炭资源的日渐枯竭使新能源得到大力发展与支持。太阳能、风能广泛分布在西北地区，水能分布在西南地区，而大负荷中心往往集中在华中与华东地区[1-3]。能源分布决定交直流混联电网具有极其广泛的应用前景，特高压输电中，当距离超过800 km时，不加串补的交流输电线路不能满足其自然功率；当距离超过1 600 km时，在特高压交流输电线路，需考虑50%的串联补偿，其线路的输送容量也无法超过其自然功率5 000 MW[4]。在远距离输电中，要求电力输送满足容量大、损耗小、线路造价经济实惠等。相比较于特高压交流输电，直流输电具有更高的输电能力和输电效率，直流输电显著地发挥了能源资源优化配置的作用。

高压直流输电在我国起步较晚，“西电东送”使得直流输电在我国迅速发展。2010年6月，云南-广州±800 kV特高压直流输电工程正式投运，向家坝-上海±800 kV、锦屏-苏南±800 kV等特高压直流输电工程陆续投运。截止2016年9月，已有6项特高压直流工程投运，开工在建8项。特高压直流输电伴随交流-直流-交流的转换，目前国内逐渐形成的交直流混联格局使得交直流系统间相互转换更加频繁。相比于纯交流或纯直流输电，交直流混联的故障特征明显不同，传统继电保护存在对故障特性判断不明确的问题，其保护可靠性能降低，严重影响交直流混联电网运行的安全性与稳定性。在交直流混联系统继电保护中对故障特性进行分析并采取对策有着重要意义。本文将从以下几个内容总结综述。

1 交直流混联系统故障特征

交直流混联系统中，由整流站与逆变站结合完成交直流间的转换。如图1所示，整个系统主要分为送端系统（与整流站密切关联）、直流部分、受端系统（与逆变站密切关联）。与纯交流系统不同的是，换流站电力电子器件的非线性和直流控制的快速稳定响应特性都可能影响交流系统[5]，且直流系统与交流系统的地理位置与电气位置都很接近，其故障特征更为复杂。包括交、直流故障、换流阀动作、负荷变化等在内一系列动作产生的电磁暂态都会影响交流与直流系统，甚至是换相失败等严重事故[6]。其中与逆变站相连的受端系统对系统外电源依赖性最强，导致故障时自身的调频调压能力显著下降，严重影响系统稳定性。

图1 交直流混联系统结构简图Fig.1 The AC-DC simulation system

其次，逆变站极易受受端交流电网故障的影响，当交流线路故障时引起逆变器换相失败的可能性非常大。又由于直流系统具有快速调节能力，在换相失败过程中对交流系统有巨大冲击，对于原有交流继电保护所设的时序配合与工况带来巨大挑战。同时对变化量方向元件、距离元件、零序元件等保护元件和电流互感器传变性能产生影响。文献[7]具体分析总结了交直流混联系统中换相失败机理。文献[8]详细介绍了换相失败瞬间特征，提出当换流站发生换相失败时，受影响最大的是交流故障线路的平行线路，且其受影响程度与交流故障线路的故障位置与故障类型密切相关。

基于理论研究，文献[9-11]具体分析了换相失败时，不同于纯交流的电磁暂态过程对交流线路距离保护的影响。实际工程中，曾有过2003年北涌乙线误动与2005年横东甲乙线误动故障事件等，文献[12-13]通过这两次事件详细分析了直流接入后产生的特殊工况引起暂态功率导向，最终引起方向纵联保护不正确动作的案例。

本文从直流接入后产生的不同电磁暂态入手，侧重于直流接入后，分析逆变侧发生换相失败对交流电网距离保护、方向纵联保护、差动保护三个方面的影响。深入研究交流部分继电保护不正确动作机理，并对现存解决对策进行综述。

2 直流接入对距离保护的影响及对策研究

目前单端电气量距离保护在高压交流系统中的应用较为广泛，其在换相失败环境下的动作特性对线路保护有影响，同时还可能影响直流系统的正常运行。

文献[10]对传统的交直流混联系统模型进行等值分析，认为对不同故障的位置和严重程度会导致测量阻抗发生变化，当出口发生故障时阻抗呈容性，表现为反方向故障导致保护误动；保护末端故障时阻抗呈感性，测量阻抗比实际值大，导致该Ⅰ段动作的故障延时为由Ⅱ段动作。文献[11]提出换相失败时可将直流电源等效为另一个故障源，当交流线路发生单相接地故障时，傅里叶算法不能准确测量短路阻抗，可能造成距离保护误动。文献[9-15]认为，由换相失败导致的电磁暂态过程最重要的是影响交流线路工频量距离保护。文献[14]进一步提出，当交流线路产生故障时，直流部分对外呈现很大短路阻抗，这将导致以工频变化量为判据的距离保护的保护范围缩小或者失去保护范围。文献[15]从直流系统等值工频量电流出发，发现其影响测量电抗值可能造成距离保护的欠范围或超越动作。文献[16]提出产生距离保护暂态超越的决定因素根本原因是暂态信号中的非周期分量。而对于纵联距离保护，文献[17]通过仿真验证认为其几乎不受换相失败的影响。

对于电磁暂态对交流线路工频量保护的影响，文献[9]通过分析交流侧等值工频电流的暂态特性，提出利用零序方向元件与“纵续”动作实现全线速动。文献[10]对交直流混联模型进行改进，针对测量阻抗不准确的问题，提出增加零序功率方向元件做为辅助判据。文献[11]定义了风险因子概念，利用风险因子说明故障影响程度，风险因子越大交流保护所受影响越大，同时提出利用微分方程算法以达到准确测量的效果。文献[16]同样利用微分方程算法，并以西北网交流系统和德宝直流系统参数建立RTDS模型为基础，验证了微分方程算法的可行性。

3 直流接入对方向纵联保护的影响及对策研究

由上述对距离保护的影响分析可知，在交直流混联系统中发生换相失败时，直流控制系统快速的调节性使得直流系统相当于一个故障源[11]，其电气量变化会对交流系统保护产生影响，包括通信通道延时等。文献[18]把由此可能引起交流非故障线路功率方向的改变称之为暂态功率倒向（如图2），纵联保护无延时，速动性高，暂态功率倒向的发生极易使纵联保护误动。

图2 混联系统交流暂态功率倒向图Fig.2 Schematic diagram of the transient power converse in the AC/DC interconnected power grid

实际工程中，2003年广东北涌乙线和2005年广东横东甲乙线的保护误动均由暂态功率倒向引起的方向纵联保护的误动作。文献[13]提出“电气竞争”概念，认为暂态功率导向是由两个不同的故障源同时发生并共同作用的结果[13，18]。文献[19，20]从突变量方向元件着手，提出在逆变侧的交流线路上，其正序和负序阻抗不相等，可能导致利用序分量原理的突变量方向元件误判[19]。通过对暂态功率倒向机理分析，文献[21]认为造成暂态功率倒向的主要原因是故障恢复时无功功率的需求急剧加大。

暂态功率倒向是否发生和后果严重程度与受端交流系统强弱、故障发生位置甚至过渡电阻等都有紧密联系[22，23]。文献[18]通过仿真验证暂态功率倒向受故障处的过渡电阻大小的影响，过渡电阻逐渐增大暂态倒向功率先减少后增大。其次，与直流系统直接相连的交流线路的方向纵联保护所受影响最严重[23]。

对于故障线路本身，文献[23]认为在一定条件时，换相失败将造成工频变化量方向元件正方向故障误判为反方向故障，导致纵联保护拒动。

通过深入研究换相失败对方向纵联保护的影响机理，针对非故障线路发生暂态功率倒向引起保护误动问题，文献[18-24]提出可以通过设置一定的延时时间闭锁方向纵联保护，或减小突变量方向元件的动作区域[18]。但若此时发生功率暂态倒向的非故障线路发生区内故障，由于方向纵联保护闭锁，只能由后备保护予以切除，不能满足其速动性[21]。针对由严重故障引起的暂态功率倒向，上两种方法也不能完全避免保护误动。文献[21-22]从引起暂态功率倒向的根本原理出发，建议换流站附近与直流联系紧密的交流线路采用电流差动保护的方法，从根本上防止由暂态功率倒向引起误动的可能。针对基于正负序突变量的元件的误判问题，由于换相变压器的接线方式保证了零序方向元件的性能，文献[19]提出使用基于0模电压、电流的快速方向元件，使用最小二乘法使动作速度得到提升。

对于故障线路自身受换相失败影响可能导致方向纵联保护拒动问题，很少有文献就此深入研究并提出解决方法。

4 直流接入对电流差动保护的影响及对策研究

4.1 换相失败对交流线路差动保护的影响及对策

随着通信技术的大力发展，电流差动保护作为主保护广泛应用到电力线系统中[23]。上面提到，交直流混联电网中发生换相失败时，由于不同于纯交流系统的暂态特性，对等值工频量的影响很大。文献[25]提出由交流系统故障引发换相失败时，等值工频电流幅值减少且相角的波动范围大，使得区内故障时动作量小于制动量，可能导致差动保护拒动[26]。在交直流混联系统中，通常通过安装并联电抗器来抑制过电压和补偿线路无功功率，由于部分非周期分量与低频分量通过并联电抗器流入差动电流中，除换相失败外，线路发生区外故障或区内高阻接地故障时，难以保证差动保护动作的可靠性和灵敏度[27]。

同时在交直流混联系统中，交流系统电源越弱其交流线路受直流影响越严重，单回线路受影响程度也比双回线路大[28]。

交直流混联系统中，对于区内故障，电流差动保护可能拒动的问题，文献[25-26]提出通过增加仅基于幅值的辅助判据来判断区内故障，与传统电流差动保护配合。对于电流差动保护可靠性或灵敏度降低问题，文献[27]提出通过判别故障参数模型中电感参数的符号与幅值的不同来区分区外与区内故障，该方法不受非周期分量等影响，有效提高交直流混联系统交流线路的保护性能。

4.2 直流接入对换流变差动保护的影响及对策

交直流混联电网中，由于直流接入，其对换流变影响主要在于直流偏磁与换相失败。当直流系统以大地回路运行时，部分直流会通过变压器接地中性点流入交流电网导致直流偏磁。直流偏磁会引起变压器局部过热、噪声增大、铁芯饱和以及绝缘损坏等一系列危害，其产生的大量谐波和无功损耗也会降低变压器使用寿命[29-32]，严重威胁变压器的正常运行[33-35]。实际生活中，由地磁风暴（GIC）引起的直流偏磁就曾导致上世纪加拿大魁北克大停电事故。直流输电接地极附近土壤结构也会影响直流偏磁严重程度，土壤电阻率越大，流入变压器的直流电流越大，直流偏磁越严重[36]。直流偏磁会对电流互感器传变特性产生影响，从而影响变压器差动保护的可靠性[37-39]。文献[40]提出，严重直流偏磁时，加之变压器区内发生弱故障，此时差动电流中二次谐波含量很高，对于采用二次谐波制动方法的变压器，其差动保护闭锁，保护拒动。而当调压变压器空载合闸时，其励磁涌流虽然很大，但二次谐波含量仍小于闭锁值，变压器差动保护又可能误动[41]。

对直流偏磁问题，国内外侧重点存在较大不同，对于交直流混联系统中变压器耐受直流的能力，国外具有更严格的设计标准，且在欧洲是不允许直流输电系统以单级大地回路的方式运行的，在此前提下对引起直流偏磁的研究也较少[42]。换相失败时交流系统类似于一个谐波源[40]，类似于直流偏磁情况，换流变内部故障时差动保护闭锁而拒动[40，43]。

对于换相失败或直流偏磁时，变压器区内故障而差动保护闭锁拒动问题，文献[40]提出利用故障分量综合阻抗。此方案具有较高可靠性。文献[43]则提出了适用于交直流混联系统的新逻辑综合制动方案，保证了内部故障时差动保护可靠动作、外部故障可靠闭锁。

5 结语

目前我国交直流混联格局已逐渐形成，其具有与纯交流系统完全不同的电磁暂态过程，这些都会对交流系统继电保护保护部分产生影响。国内外的研究更偏重直流输电线路保护问题，对新故障特性下交流电网继电保护部分的影响研究相对较少，且局限性较多，其中具体影响所提出的解决方案深入不够，缺乏系统的整理。因此，从理论方面或者实际工程方面，应对交直流混联电网中故障特性对交流部分继电保护的影响展开深入的研究。

1）对于距离保护，换相失败情况下直流电源等效为另一个故障源，其对傅里叶算法产生影响导致测量阻抗不准确，同时直流接入对工频量的影响较大。

2）对于方向纵联保护，大部分侧重点集中在研究非故障线路出现暂态功率倒向问题，所提出的延时解决办法不能解决严重故障与非故障线路紧接又发生故障的问题。对于故障线路可能出现的拒动问题目前研究较少。

3）对于线路电流差动保护而言，其受直流接入影响可靠性或灵敏度降低。在交直流混联系统中，相比于距离保护与方向纵联保护，差动保护较为稳定可靠。对于根据二次谐波制动方法的换流变而言，由于国内存在直流系统以大地回路方式运行，直流偏磁情况更为严重，对电流互感器传变特性的影响也间接影响差动保护可靠性。直流偏磁与换相失败都会使得换流变差动保护不正确动作。

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