基于单端高频电流量的MMC-MTDC输电线路保护方案

杨志勇，杨炳元，任永峰，杨 帅，段晓旭

基于单端高频电流量的MMC-MTDC输电线路保护方案

杨志勇1，杨炳元1，任永峰1，杨 帅2，段晓旭1

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古电力经济技术研究院，内蒙古 呼和浩特 010090)

为克服传统高压直流输电线路保护利用单端电气量无法可靠区分区内、外故障的缺陷，提出一种通过广义S变换提取直流线路故障电流高频频带幅值特征的单端量保护新方法。该方法在配备有混合直流断路器的直流线路发生故障时，利用1000～2500 Hz各采样频率电流横差值在区外明显小于区内的特征，构造了区内、外故障判据。利用300～1000 Hz的特征频率在单极接地故障时故障极特征频率电流幅值比非故障极大，以及两极短路故障时两极的特征频率电流幅值近似相等的特征，构造了故障启动判据和选极判据。在RTDS仿真平台搭建了风光储联合发电站经高压直流外送的三端柔性直流输电系统模型。仿真结果表明，所提方法能快速、可靠地识别故障类型和故障范围。同时，仿真验证了基于混合直流断路器的直流故障穿越方案的有效性。

广义S变换；单端量保护；高频频带；混合直流断路器；直流故障穿越

0 引言

柔性直流系统具有有功功率和无功功率可解耦控制、谐波特性优良及开关器件损耗小等特点，从而被广泛应用于高压直流输电、新能源并网及电网互联等领域[1-3]。随着新能源发电量的不断增长，基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(Modular Multilevel Converter based Multi-terminal Direct Current, MMC-MTDC)在高电压和大容量的场合发挥了巨大的优势，如南澳三端、张北四端和舟山五端柔直系统[4-6]。柔性直流系统由于具有低阻尼特性，直流侧发生故障后故障发展极快，故障电流呈陡增态势[7-8]，因此对直流保护的速动性和可靠性提出了更严格的要求。

目前直流输电线路主保护多采用行波保护和微分欠压保护，存在抗过渡电阻能力差、动作速度缓慢、可靠性不高和灵敏性不足等问题[9-11]，不能满足柔性直流输电线路对主保护的实际需求，故需研究适用于柔性直流线路快速的、可靠的保护技术。

近年来，关于柔性直流输电线路保护的研究主要包括：文献[12]对各类行波保护的主要原理和保护性能做了简要分析，提出行波保护存在波头检测依靠经验、采样频率过高等问题；文献[13-14]基于全电流特征的纵联保护新方法具有较高的可靠性，但保护动作仍需要两端电气量通信，其快速性受到一定的限制；文献[15-16]为解决直流输电线路单极故障时传统电流差动保护所产生的可能误动、速动性低和灵敏度低等问题，利用线路补偿点计算电流构造了差动保护改进判据；文献[17]利用双极故障的电流特征，给出了基于Pearson相关系数的故障区间判别方法和故障隔离方案，该保护方案具有较强的抗扰动和耐受过渡电阻的能力；文献[18]提出一种基于暂态电流故障分量相关系数的混合多端高压直流输电线路保护策略，只须测量T接汇流母线3个端口各自的暂态电流故障分量并计算相关系数即可准确识别故障区间；文献[19]通过对MMC-HVDC直流线路在不同位置发生各类故障时线路边界电流波形的变化特征进行分析，在此基础上，提出基于边界电流波形差异度的MMC-HVDC直流线路保护判据。广义S变换能精确提取不同频率成分的时幅特性[20-21]，文献[22-23]利用高频突变点确定故障时间，利用两端突变电流极性区分区内、外故障。为解决基于两端电气量的保护方案的快速性受限问题，文献[24-25]利用直流输电线路故障后的暂态特征，构造出能快速识别故障类型和故障位置的判据，提出无需双端通信的单端直流保护。文献[26]基于换流器电容放电特征，提出一种基于单端电气量的保护方案，但其主保护可能存在检测失败的问题。

本文通过RTDS搭建了MMC-MTDC模型，提出了一种基于单端高频频带电流幅值特征保护新方法，并给出直流故障穿越方案。信号处理采用分辨率较高的广义S变换，并利用其输出的时频矩阵，提取特征频率电流的时模信息，构造故障启动判据，来判断故障时刻；提取高频频带中各频率横差值的平均值和正负极特征频率电流的最大值，构造区内、外故障判据和故障选极判据，来判断故障类型。最后，通过仿真实验验证了所提保护方案的快速性和可靠性，以及直流故障穿越策略的有效性。

1 系统拓扑及故障穿越方案

图1 风光储联合发电站经柔直送出系统拓扑

图2 混合直流断路器拓扑

图3 故障点设置简图

基于模型拓扑和故障点设置，直流系统故障穿越协调控制策略做以下设计：对于柔性直流输电线路故障造成直流电压跌落的问题，可通过所提保护方法快速、可靠地判别故障类型和故障位置后发出DCCB开断指令，在MMC闭锁前快速隔离直流故障，保证未故障线路快速恢复正常运行状态；而对于可能引起的直流输电线路过电压问题，可通过投入卸荷电阻解决。

2 故障高频分量特征分析

2.1 广义S变换

在直流输电线路发生故障后，将会有大量高频电流分量从故障点向线路两端进行传播，而高压直流线路保护往往需要借助高频分量信息构成保护判据，故本文采用具有较好时频分析能力的广义S变换分析故障暂态信号。

广义S变换离散化表达式为

采样信号经离散形式的广义S变换得到一个复矩阵，如式(2)所示。

2.2 边界特性差异

直流输电线路两端安装平波电抗器对提高电网故障穿越及生存能力具有重要的实践意义和作用，其不仅能限制系统故障电流，而且对故障暂态高频分量具有阻滞作用。因此，平波电抗器作为电网保护的边界元件，能区别线路保护区内、外故障，为保护的选择性提供了保障。区外故障时，相对于区内故障，会出现一个高频阻滞边界，高频暂态分量经高频边界大幅减小，通过设置汇流母线和L2线路发生两极短路故障，给出了如图4所示的区内、外故障等效电路。因此，可根据上述区内、外高频分量幅值特性差异，来实现保护的选择性。

图4 区内、外故障高频边界特性图

2.3 线路对高频信号的衰减作用

图5 MMC简化等值电路

根据其等值电路，当L2线路保护区内发生两极短路故障时，GSMMC1直流侧的高频等值阻抗可表示为

由式(3)可知，当故障点距离保护安装处越远或过渡电阻越大时，高频等值阻抗越大，保护安装处的高频电流分量越小；当线路足够长时，距离线路首端的距离越远，相应的电流幅值越小，线路对高频分量的衰减作用将大于边界的衰减。

3 保护基本原理

3.1 特征频率的选择

以正负极特征频率电流构造故障启动判据，判据为

3.2 故障位置判别

由于平波电抗器具有阻滞高频暂态分量的作用，当直流线路区内故障时，高频电流分量横差值大于直流侧区外故障及汇流母线故障时的横差值。本文利用1000～2500 Hz频带中各频率下电流横差值的平均值，实现区内、外故障的可靠区分，保护动作判据为

3.3 故障选极

通过大量实验，构造故障选极判据为

此判据门槛值的选择要求能够区分直流线路末端故障与汇流母线的区外故障即可。

表1 MMC-MTDC系统部分参数

4 仿真验证

图6 保护算法流程图

4.1 故障仿真结果

由于故障设置和保护安装位置较多，本节仿真验证部分均为逆变站侧保护安装处部分故障判断信息，首先给出几种表现保护性能的故障仿真结果图，其他故障仿真结果以表的形式给出。

4.1.1 L2线路末端故障仿真结果

表2 线路末端正极经过渡电阻接地故障仿真结果

4.1.2近端故障仿真结果

图9 直流汇集母线正极接地故障判别

图10 直流汇集母线两极短路故障判别

结果表明：当临近点发生区外故障时，即使是两极短路故障，保护算法也能可靠识别出区外故障，不会引起保护误动。

4.1.3故障仿真结果分析

表3 区内、外故障位置判别仿真结果

表4 故障判别仿真结果

4.2 风光储联合发电站输出容量对保护的影响

风光储联合发电实现了可再生能源的可控制、可调度，有效避免了弃光、弃风，提高了风、光资源的利用率。但可再生能源输出电能仍受季节、天气等因素的影响，存在变化幅度较大的情况，并可能影响所提保护方案整定值的准确性，需结合新能源跨区直流输送特性进行考虑。某风光储联合发电站经高压直流外送的功率特性曲线，如图11所示(功率值已按NEMMC额定容量进行归一化处理)。

图11 风光储联合发电站高压直流外送功率特性曲线

4.3 直流系统故障穿越仿真结果

图13 两极短路直流系统故障特征

5 结论

本文利用广义S变换对保护安装处电流信号进行时频分析，通过对本模型直流故障高频频带特征的梳理，利用平波电抗器的作用，提出了一种基于单端高频电流幅值的保护新方法，并得到以下结论。

1) 当直流系统正常运行时，MMC-MTDC直流系统波形质量高，谐波特性优良。而当直流系统发生故障时，会产生明显的300～2500 Hz的高频频带，其中特征频率一般处于300～1000 Hz和1000～2500 Hz范围内电流幅值相对较小。

2) 所提保护为单端信息量保护，利用了平波电抗器阻滞高频分量的作用、1000～2500 Hz的电流分量横差值和300～1000 Hz的正负极特征频率电流分量，实现了直流线路全线的保护，克服了传统保护利用单端电气量无法可靠区分区内、外故障的缺陷，且不需考虑双端通信和信息同步带来的问题。

3) 仿真验证表明，该保护方案能快速、可靠地区分区内、外故障，实现故障选极；直流故障穿越方案可以在MMC闭锁前隔离直流故障，对未故障线路无较大影响。本文所研究内容对MMC-MTDC系统主保护的研究具有一定的参考意义。

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Transmission line protection scheme of MMC-MTDC based on single terminal high frequency current

YANG Zhiyong1, YANG Bingyuan1, REN Yongfeng1, YANG Shuai2, DUAN Xiaoxu1

(1. School of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China;2. Inner Mongolia Electric Power Economic Research Institute, Hohhot 010090, China)

A new single terminal protection that extracts the amplitude characteristics of the high frequency band of the DC line fault current through a generalized S-transform is presented to overcome the defect of traditional HVDC transmission line protection. That problem is where the single terminal relaying cannot differentiate between internal and external faults. The research shows that when the DC line equipped with a hybrid DC circuit breaker fails, the transverse current difference of sampling frequency from 1000 Hz to 2500 Hz is obviously smaller when the external fault occurs than when the internal fault occurs. Fault criteria are established. The current amplitude of the characteristic frequency of the fault pole is greater than that of the non-fault in the case of single pole-to-ground fault. The current amplitude of the characteristic frequency of the two poles is approximately equal when a two poles short circuit occurs. The fault starting and pole selection criteria are built using a characteristic frequency from 300 Hz to 1000 Hz. On the RTDS simulation platform, a three terminal flexible HVDC system model of wind-solar-storage hybrid power generation station transmitted through HVDC is built. The simulation results show that the fault type and area can be identified rapidly and reliably. The effectiveness of the proposed DC fault ride-through scheme based on a hybrid DC circuit breaker is verified using an RTDS simulation experiment.

generalized S-transform; single ended protection; high frequency band; hybrid DC circuit breaker; DC fault ride through

10.19783/j.cnki.pspc.211155

国家自然科学基金项目资助(51967016，51567020)

This work supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51967016 and No. 51567020).

2021-08-24；

2021-11-11

杨志勇(1995—)，男，硕士，研究方向为电力系统高压直流输电、继电保护；E-mail: 990445769@qq.com

杨炳元(1967—)，男，通信作者，教授，研究方向为电力系统规划运行分析，继电保护；E-mail: yangbingyuan@ imut.edu.cn

任永峰(1971—)，男，博士，教授，研究方向为新能源发电运行与控制、储能技术、智能电网技术。E-mail: renyongfeng@vip.sina.com

(编辑 姜新丽)