基于暂态电流行波突变的LCC-MMC 混合双极直流输电纵联方向保护

高淑萍，李元泽，宋国兵，吕宇星，左俊杰，沈渠旺

（1. 西安科技大学电气与控制工程学院，西安 710600；2. 西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

0 引言

目前输电网络正快速发展，高压直流输电技术也随之不断进步。传统高压直流输电是基于电网换向换流器高压直流输电（line-commutated converter based high volatage direct current，LCC-HVDC）技术，这种直流输电技术成熟，建设运行成本低。随着高压直流输电对换流器的要求越来越高，便诞生了一种基于模块化多电平换流器高压直流输电（modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC）技术。这种直流输电功率控制灵活，不存在换相失败的问题。为了将这两种直流输电的优势结合起来，近年来出现了混合直流输电系统。但在目前世界上的混合直流输电系统实际工程中，除了广泛应用的混合双端和混合多端直流输电系统，仅在挪威和丹麦之间存在一条混合四极直流输电系统，还没有混合双极直流输电系统投入运营，针对混合双极直流输电系统的研究较少。混合四极直流输电系统占地面积大，经济性较差，混合双极直流输电系统相较于混合四级直流输电系统控制方式简单，造价低，占地面积小，具有很好的应用前景［1-2］。LCC-MMC 型混合双极直流输电系统正极由电网换相换流器（LCC）构成，负极由模块化多电平换流器（MMC）构成。由于其兼有两者的优点，所以混合直流输电比传统直流输电和柔性直流输电具有更明显的优势，它的诞生将改善未来直流输电工程的传输特性，其应用领域会越来越大［3-4］。

反向行波通常被用来作为行波保护的判断依据，当线路发生故障时会产生以故障点为中心向线路两侧传播的行波，通过检测反向行波即可判定直流线路是否发生区内故障［5-7］。目前大多数输电线路将行波保护和微分欠压保护作为高压直流输电线路保护的主保护，电流差动保护和低电压保护作为后备保护［8-11］。SIMENS 和ABB 制定的行波保护作为主流保护方案被广泛使用，但两种保护在实际高压直流输电工程的运行经验表明其在耐过渡电阻的能力上均存在一定欠缺［12-15］。

文献［16］在分析行波传输特性的基础上基于高频阻抗在正反方向故障时的不同提出了一种混合直流输电纵联保护原理。文献［17］根据直流线路区内外故障时线路两端电流有无线性关系基于相关系数提出了一种混合直流输电线路纵联保护方法。文献［18］在传统行波保护基础上加以小步长采样提出了一种可提升保护灵敏性的新型直流线路保护方案。文献［19］通过比较区内外故障时线路两端测量波阻抗与测点背侧波阻抗和线路波阻抗的差异提出一种基于波阻抗的纵联保护原理。文献［20］根据区内外故障时故障前、反行波到达保护点时刻的不同构成了VSC-HVDC 纵联方向保护判据。文献［21］利用直流线路区内外故障时的电压特征信号的暂态高频分量差异，通过小波包变换得到的低频与高频能量和的比值构成保护判据。文献［22］利用小波包变换，基于保护安装处获得的暂态能量差异，提出了一种单端电气量的行波保护新方法。文献［23］通过对故障发生后的行波波前信息以及波前形状的分析和过波前相关系数的计算提出了一种直流输电线路超高速保护原理。

混合双极直流输电系统与普通直流输电系统相比在输电线路上的波过程一致，在行波方向的判别上没有差异。其差异主要体现在：由于LCC 和MMC换流站的拓扑结构和换流站元件参数不同，导致其边界对波过程的响应特性存在差异，即行波波头到达换流站后的折反射是不一样的，所以电压行波和电流行波幅值的整定应该是与边界特性相关的。

本文在分析直流输电系统中行波传播特性的基础上提出了一种新的利用暂态电流行波突变的纵联方向保护原理，该原理包括故障方向判别算法和故障极点识别算法。对所提方法在PSCAD/MATLAB中进行仿真实验，大量的仿真结果表明此保护原理不受故障类型以及故障发生距离的影响，并且具有很好的耐过渡电阻能力。

1 LCC-MMC 混合双极直流输电系统结构分析

图1 所示为一个±500 kV 的LCC-MMC 混合双极直流输电系统结构框图。不同于LCC-MMC 混合双端直流输电系统的整流侧为LCC型换流器，逆变侧为MMC 型换流器，LCC-MMC 混合双极直流系统的正极采用LCC 型换流器，负极采用MMC 型换流器。图1 中a、b、c、d 分别为区内线路保护测量安装位置，L为平波电抗器，以平波电抗器为边界，将直流输电系统划分为区内部分和区外部分，其中直流线路为区内部分，其余的为区外部分。f1—f7分别为不同的故障，其中f1、f3、f4、f7为区外故障，f2、f5为区内单极故障，f6为区内双极故障。输电系统各部分具体参数如表1所示。

图1 LCC-MMC混合双极直流输电系统结构框图Fig. 1 Structure block diagram of LCC-MMC hybrid bipolar DC transmission system

表1 LCC-MMC混合双极直流输电系统各部分参数Tab. 1 Parameters for each part of LCC-MMC hybrid bipolar DC transmission system

2 行波传输原理分析

2.1 行波传输过程分析

行波保护原理是通过故障时故障点产生的行波来检测故障。当线路上发生故障时故障点处将产生行波，该行波会以故障点为中心向线路两侧传播。一般情况下故障信息反映在电压、电流或两者的组合中，因此在极端情况下这些参数可以用来检测故障［24］。

式中：u2、i2分别为行波传播线路末端电压和电流；v为行波波速；Z为输电线路波阻抗，其值为其中为L0、C0分别为感抗和容抗，根据表1参数计算可得线路波阻抗Z=319.556 Ω；γ为线路传播衰减常数，其值由线路的阻抗导纳决定；x为行波传输距离。

2.2 行波的折射与反射

图2 为行波在阻抗不连续线路上的传输示意图，A为阻抗不连续点，l1、l2分别为两条阻抗不同的线路，其阻抗值分别为Z1和Z2，ua、ia分别为电压和电流入射波，ub、ib分别为入射波通过阻抗不连续点后的电压和电流折射波，uc、ic分别为电压和电流反射波。

图2 行波传输示意图Fig.2 Schematic diagram of traveling wave transmission

故障发生后故障点将产生故障行波，该行波会以故障点为中心沿着线路向两侧传输，随后在行波到达阻抗不连续点（如故障点或电容电感处）时发生行波折射和反射现象。

行波传输反射系数和折射系数分别为：

式中λ、β分别为行波传输的反射系数与折射系数， -1≤λ≤1，β≥0。

3 故障特征分析

图3—5 分别为直流输电系统在区内故障和区外故障下的行波传播过程。M、N 分别为整流站、逆变站。M1、M2、M3、M4 为整流侧不同的行波突变点。N1、N2、N3、N4为逆变侧不同的行波突变点。

图3 直流输电系统区内故障时行波传播过程Fig.3 Traveling wave propagation process of DC transmission system when an internal fault occurs

表2—4 分别给出了直流输电系统在区内故障和区外故障时整流侧和逆变侧的电流行波。λM、λf和λN分别为电流行波在不同位置（整流侧、故障侧和逆变侧）的反射系数，βM、βf、βN分别为电流行波在不同位置（整流侧、故障侧和逆变侧）的折射系数，is为初始电流行波。

表2 区内故障时两端电流行波Tab. 2 Current traveling wave at both ends when an internal fault occurs

由表1 参数并结合式（6）计算可得，正极线路整流侧和逆变侧反射系数λM+=λN+=-0.961，正极线路整流侧和逆变侧折射系数βM+=βN+=1.961，负极线路整流侧反射系数λM-=-0.491，负极线路逆变侧反射系数λN-=-0.846，负极线路整流侧折射系数βM-=1.491，负极线路逆变侧折射系数βN-=1.846。设线路参考方向为母线指向线路，由图3—5 可知，is<0。

为满足继电保护速动性要求，取区内故障时暂态电流行波第一次到达保护安装处发生折反射为标准（即图3 和表2 中M1、N1 时）。当发生区内正极故障时，此时整流侧电流iM=-1.961is，逆变侧电流iN=-1.961is，因为is<0，故iM>0，iN>0。同理，当发生区内负极故障时，iM=-1.491is>0，iN=-1.846is>0。

同理，取区外整流侧故障时暂态电流行波第一次到达保护安装处发生折反射为标准（即图4 和表3中M1、N1 时），此时iM=1.961is，iN=-3.846is。因为is<0，故iM<0，iN>0。同理，当发生区外整流侧负极故障时亦有此结论，在此不再赘述。

图4 直流输电系统区外整流侧故障时行波传播过程Fig.4 Traveling wave propagation process of DC transmission system at rectifier side when an external fault occurs

表3 区外整流侧故障时两端电流行波Tab. 3 Current traveling waves at both ends when an external fault occurs at rectifier side

同理，取区外逆变侧故障时暂态电流行波第一次到达保护安装处发生折反射为标准（即图5 和表4中M1、N1 时），此时iM=-3.846is，iN=1.961is。因为is<0，故iM>0，iN<0。同理，当发生区外逆变侧负极故障时亦有此结论，在此不再赘述。

图5 直流输电系统区外逆变侧故障时行波传播过程Fig.5 Traveling wave propagation process of DC transmission system at inverter side when an external fault occurs

表4 区外逆变侧故障时两端电流行波Tab. 4 Current traveling wave at both ends at inverter side when an external fault occurs

4 基于暂态电流行波突变的纵联方向保护原理

4.1 保护启动判据

启动功能的主要要求是可靠性，因为保护算法必须针对每一个可能的故障启动。通过使用一种可以区分正常运行和故障的电流判据可以快速检测直流线路故障，该判据可以表示为：

式中：di（n）和di（n+1）分别为采样点编号n、n+1的差分电流行波；M为累计次数（经验值为3）；Δset为基于保护标准的门槛值。

保护启动判据门槛值设定一般需要保证在最不灵敏情况下的故障时保护也可以可靠启动，此处设定为2 A。当式（4）中的条件满足时保护被激活。

4.2 保护方向识别判据

由图3 可知，当发生区内故障时整流侧与逆变侧均为正方向故障。由表2 分析可知，整流侧和逆变侧的暂态电流行波发生正向突变。

由图4 可知，当故障发生为整流侧区外故障时，此时对于整流侧为反方向故障，对于逆变侧为正方向故障。由表3 分析可知，整流侧的暂态电流行波发生负向突变，逆变侧的暂态电流行波发生正向突变。

由图5 可知，当逆变侧发生区外故障时对于逆变侧为反方向故障，对于整流侧则为正方向故障。由表4 分析可知，逆变侧的暂态电流行波发生负向突变，整流侧的暂态电流行波发生正向突变。即当电流行波i>0时为正向故障，当电流行波i<0时为反向故障。

由此可构成纵联方向保护判据，当故障发生后，整流侧与逆变侧检测到的暂态电流行波突变方向相同时则判断为区内故障，保护动作；整流侧与逆变侧检测到的暂态电流行波突变方向相反时则判断为区外故障，保护不动作。

4.3 故障极识别算法

当发生区内正极故障时正极作为故障极其电流行波突变幅值大于负极电流突变幅值，其值大于1；当发生区内负极故障时，负极作为故障极其电流行波突变幅值大于负极电流突变幅值，其值远小于1；当发生区内双极故障时，正负极电流行波均有一定突变。因此，可得到故障极识别公式如式（5）所示。

式中：β为故障极识别参数；|iPmax|和|iNmax|分别为正极和负极暂态电流行波的最大值。

选极判据的门槛值设定一般需要考虑故障距离以及所设过渡电阻最大情况下的影响，并留有一定的裕度，故本文β的门槛值取0.6和1。

则故障极点识别算法设置为：

4.4 影响因素分析

4.4.1 过渡电阻影响

过渡电阻的存在会削弱初始行波的幅值，不同过渡电阻对初始行波幅值的削弱程度不一样，且过渡电阻值越高则初始行波幅值越低，所以当初始行波到达边界发生折反射后保护安装处的电压电流行波幅值也会降低。

4.4.2 故障距离影响

故障距离对行波的影响体现在行波波头的上升沿陡度值，故障距离不同则上升沿陡度不同。故障距离保护安装处越远，则初始行波在线路上传播的距离越远，保护安装处检测的电压电流行波幅值的上升沿陡度越平缓。

综上所述，过渡电阻和故障距离仅仅对行波幅值和上升沿陡度产生影响，而对行波的突变方向不会产生影响。

4.4.3 保护流程图

图6 给出了基于暂态电流行波突变的保护流程框图。

图6 保护流程图Fig.6 Flow chart of the protection

5 仿真验证

如图1 所示，通过PSCAD/EMTDC 构建一个500 kV 的LCC-MMC 混合直流输电系统。此系统采用频域相关模型，输电线路采用架空线，线路长度为1 500 km，采样频率设置为100 kHz，采样周期为10 μs，仿真步长为10 μs，设置1 s 时刻发生故障。

5.1 不同典型故障仿真分析

图7 给出了区内正极故障（距整流侧750 km，如图1中f2）的暂态电流行波波形图。

图7 区内正极故障时暂态电流行波波形图Fig.7 Waveform diagram of transient current traveling wave when an internal fault occurs in positive pole

由图7 可知整流侧正极暂态电流行波与逆变测正极暂态电流行波均发生正向突变，即故障为区内故障。

图8给出了区外整流侧正极故障（如图1中f1）的暂态电流行波波形图。

图8 区外整流侧正极故障时暂态电流行波波形图Fig.8 Waveform diagram of transient current traveling wave when an external fault occurs at rectifier side in positive pole

由图8 可知，当发生区外整流侧正极故障时整流侧正极暂态电流行波发生负向突变，逆变侧正极暂态电流行波发生正向突变。

图9给出了区外逆变侧正极故障（如图1中f3）的暂态电流行波波形图。

图9 区外逆变侧正极故障时暂态电流行波波形图Fig.9 Waveform diagram of transient current traveling wave when an external fault occurs at inverter side in positive pole

由图9 可知，当发生区外逆变侧正极故障时逆变侧正极暂态电流行波发生负向突变，整流侧正极暂态电流行波发生正向突变。

5.2 直流线路不同过渡电阻故障选极仿真分析

4.4.1 节分析了过渡电阻对所提出的保护的影响。以下对不同故障类型分别设置不同过渡电阻进行仿真验证，如表5和图10所示。

图10 不同故障类型不同过渡电阻下故障选极仿真结果图Fig.10 Simulation results of fault pole selection under different fault types and different transition resistors

表5 不同过渡电阻作用下故障选极仿真结果分析（750 km）Tab. 5 Analysis of simulation results of fault pole selection under different transition resistors（750 km）

表5中iM+和iM-分别为整流侧正极和负极暂态电流行波突变的最大值。iN+和iN-分别为逆变侧正极和负极暂态电流行波突变的最大值。βM和βN分别为整流侧和逆变侧故障极识别参数。

本文以故障发生在距离整流侧750 km 为例，考虑了不同故障类型（如图1 中f2、f5、f6）分别在不同故障电阻（0 Ω、100 Ω、200 Ω、300 Ω、500 Ω）情况下的仿真结果。

由表5和图10可知，系统在不同故障类型时在不同过渡电阻下β值均处于设定的选极算法门槛值范围区间中，故所提出的保护对于不同的故障类型、不同的故障电阻下的故障均具有正确识别故障方向和故障极点的能力。

5.3 直流线路不同故障距离位置选极仿真分析

4.4.2 节分析了故障距离位置对所提出的保护的影响。分别对不同类型故障以及不同距离位置故障进行仿真验证，如表6和图11所示。

图11 不同故障距离位置下故障选极仿真结果图Fig.11 Simulation results of fault pole selection under different fault distance positions

表6 不同故障距离位置下故障选极仿真结果分析Tab. 6 Analysis of simulation results of fault pole selection at different fault distances

本节考虑了不同故障类型（如图1 中f2、f5、f6）分别在不同故障距离位置（距离整流侧150 km、375 km、1 125 km、1 350 km）下的仿真结果。（距离整流侧750 km 情况下的故障已在上节中详细叙述，在此不再赘述。）

由表6和图11可知，系统在不同故障类型以及不同故障距离下的β值均处于设定的选极算法门槛值范围区间中，故所提出的保护对于不同类型故障下、不同距离故障均具有正确识别故障方向和故障极点的能力。

6 结语

通过对行波在直流输电系统中的传播特性进行分析，本文提出了一种基于暂态电流行波突变的LCC-MMC 混合双极直流输电系统纵联方向保护原理，利用整流侧和逆变侧在不同故障下暂态电流行波变化方向的不同来判别区内外故障，并通过暂态电流行波突变最大值的比值来对故障极进行判别。与其他传统直流线路保护原理相比，该保护原理简单，故障后保护动作迅速，且门槛值易整定，保护受故障类型、过渡电阻以及故障发生距离位置的影响较小，具有一定的实用性。