金恩淑，马仲涛，张振洋，马淑婧

（1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2.阜阳市供电公司，安徽阜阳263000）

0 引 言

作为再次新兴输电方式的直流输电，由于其输送容量大、建造成本低、线路损耗小、适应各种恶劣环境、无同步运行问题等优点，被广泛应用于远距离大容量输电系统中。我国幅员辽阔，能源中心与负荷中心呈逆向分布，为直流输电提供了广阔的应用空间。迄今为止，中国直流输电工程数量已位居世界前列［1-3］。

直流输电线路输送距离长，所处环境恶劣，50%以上系统故障发生在线路上，而线路保护正确动作率仅为50%左右，因此研究直流输电线路保护是提高直流输电系统安全性与稳定性的有效途径。目前，直流输电线路主要配置有行波保护及电流差动保护。行波保护动作迅速，能实现全线速动，但耐过渡电阻能力差且易受到噪声雷击等干扰；电流差动保护专为切除高阻接地故障而配置，但该保护需要避免由于区外故障引起的线路电压变化而导致的线路分布电容充放电电流造成的误动作，动作延时较长，导致换流站内保护可能先于线路差动电流保护动作而使整个系统停运［4-9］。

基于上述问题，国内外学者进行了大量的研究。文献［10］提出了一种利用电流突变特性的线路纵联保护原理，该原理根据区内外故障时整流与逆变侧电流突变特性，构成了全线速动保护，但未考虑故障极对正常极的影响，可能将正常极误切。文献［11］提出了单端小波能量保护原理，该原理利用小波变换分解电压信号，通过比较高频信号与低频信号能量的大小来区分区内外故障，但未考虑故障极对健全极的耦合影响，可能导致非故障极保护误动。文献［12］提出了一种暂态能量保护原理，该原理利用两端的电压与电流故障分量乘积之差的极性来判别故障位置，能满足直流线路对保护性能的要求，但需测量两端的电流与电压量，数据繁多。

本文通过研究直流输电线路电流及电压高频小波能量暂态特性，提出了一种单端电气量暂态保护新方法。该方法采用单端信息、不依靠通信，动作更迅速；考虑耦合因素，不会误动；且利用小波变换提取高频分量，不受过渡电阻影响。

1 暂态特性分析

图1为双极直流输电系统图，M+代表整流侧正极，M-代表整流侧负极。

图1 双极直流输电系统图Fig.1 HVDC transmission system diagram with two electrodes

1.1 电压高频分量暂态特性分析

直流输电线路两侧均装有平波电抗器与直流滤波器，由于二者组成的边界特征阻抗不等于输电线路波阻抗，即直流线路边界处波阻抗不连续，因此其组合构成了直流输电线路事实的物理边界，如图2所示，图中U1为换流器出口电压，U2为U1通过边界元件传变至直流线路的保护安装处的电压。

图2 平波电抗器与直流滤波器构成的边界图Fig.2 Boundary diagram consisting of the smoothing reactor and DC filter

电压U1和U2之间的传递函数Z（jω）为：

式中ZD（jω）为直流滤波器阻抗，ZL（jω）为平波电抗器阻抗。

由式（1）可得边界元件传递函数Z（jω）的幅频特性如图3所示。

图3 Z（jω）的幅频特性Fig.3 Amplitude frequency characteristic of Z（jω）

由图3可知，当频率处于低频段0＜f＜100 Hz时，Z（jω）的幅值约为 1；高频段（f＞2 kHz）除了两个谐振点以外，其他频段的Z（jω）基本为0，可见边界元件对高频信号有很强的阻滞效果［13］。由于物理边界对高频信号的阻滞作用，使得区外故障时，电压高频分量较小，而区内故障时，电压高频分量较多。

1.2 电流暂态特性分析

图4为正极直流输电系统简化图。为方便定性推导电流突变特性，将整流站与逆变站等效为恒定电源。Um和Un分别为整流侧与逆变侧母线电压，Im和In分别为整流侧与逆变侧线路电流。

图4 正极直流输电系统简化图Fig.4 Simplified diagram of positive electrode HVDC transmission system

1.2.1 整流侧故障

整流侧故障时，利用故障分量法将故障后系统等效为故障前系统和故障引入的故障分量系统的叠加［14］。故障分量系统如图5所示，其中 ΔIm和 ΔIn分别整流侧与逆变侧线路电流的故障分量。

图5 故障分量系统图（整流侧故障）Fig.5 Fault component system diagram（rectifier fault）

由图5可知，ΔIm的方向为线路流向母线，与系统正常运行电流Im的方向相反，电流突变为负向。

1.2.2 直流线路内部故障

图6为直流线路内部故障时的故障分量系统图。由图6可知，ΔIm方向为母线流向线路，与正常运行电流Im方向相同，其电流突变为正向［15］。

图6 故障分量系统图（直流线路内部故障）Fig.6 Fault component system diagram（internal fault）

逆变侧发生故障时，分析方法与上述相同，在此不加以赘述，分析结果表明，整流侧的电流ΔIm突变为正向。

综上所述，当整流侧保护的反向发生故障时，整流侧电流突变为负向；当其正向发生故障时，整流侧电流突变为正向。

2 直流输电系统单端线路保护方案

2.1 区内外故障判别

由于小波变换具有可以迅速准确迅速将信号投影到不同尺度上且明显的表现出高频信号的特性的特点，因此本文利用小波变换对电压高频信号进行提取。

对电压进行小波变换，提取高频分量，计算其小波能量，小波能量代表其高频信号的多少，根据电压高频分量暂态特性，通过比较高频分量小波能量的大小判别区内外故障。

本文采用dB3小波对电压进行3层次小波变换，采样频率f为20 kHz，小波变换后第1层次（5 kHz＜f＜10 kHz）即为所需要的高频信号。故障发生后高频信号的暂态特性存在时间短，因此需适当选取时间窗长度，取为5 ms。定义某尺度下信号的小波能量为该尺度小波变换系数平方沿时间轴的积分，即：

式中E为小波能量；W（k）为小波变换系数；N为时间窗内采样点个数［6］。

区外故障时，电压高频分量少，其小波能量小；区内故障时，电压高频分量多，其小波能量大，利用上述特征可实现区内外故障判别，其判别式为：

式中Kn为门槛值，按躲过区外故障时正极小波能量峰值整定，本文取为100。

若满足式（3），则判断为内部故障；否则为区外故障或无故障。

2.2 故障极选取

在判别区内外故障后，进行故障极选取。根据电流暂态特性，本极内部故障时，为保护正向故障，则电流突变量为正值；相邻极故障时，为保护背侧故障，则电流突变量为负值。利用上述特征可实现故障极的选取，其判据式为：

式中M为时间窗5 ms内采样点个数，Iset为门槛值，按躲过故障极对健全极影响进行整定，取为0.2IN，IN为线路额定电流。

若满足式（4），则判断为故障极，否则为正常极。

2.3 线路单端电气量暂态保护策略

根据上述分析，可得出直流输电线路单端电气量暂态保护新方法，其流程图如图7所示。

图7 流程图Fig.7 DC line protection flow chart

3 仿真验证

运用PSCAD仿真软件，参照CIGRE HVDC标准测试系统模型，建立图1所示的±500 kV双极直流输电系统仿真模型。其控制系统参照模型主要包括定电流控制、定电压控制及定功率控制。由于控制系统从接收到调节指令至一次电流量发生变化的固有时间延迟在5 ms以上。因为本文时间窗长度选为5 ms，可忽略控制系统的影响［16］。输送功率为1500 MW，额定电流为1.5 kA，输送距离为1 000 km，两极直流线路采用同杆并架，均为4分裂导线，数据采样频率为20 kHz，故障发生时刻为1 s。

3.1 区外故障

事例1：逆变侧发生金属性接地故障。图8为事例1即区外故障时保护动作情况图。

图8 逆变侧故障保护动作情况图Fig.8 Result of relay protection operation（inverter fault）

图8表示的分别为正、负极高频信号小波能量、电流、保护动作信号。由图8可知，逆变侧故障时，正极与负极小波能量均增大，经过边界后高频信号被大量滤除，故其小波能量未能超过槛值Kn；由于故障发生在保护正向，正极与负极电流皆为正向突变。最终正负极保护皆可靠不动作。

3.2 区内故障

事例2：正极线路末端经300Ω过渡电阻接地故障。图9为事例2保护动作情况。由图9可知，正极末端经300Ω过渡电阻接地时，正极与负极高频信号未经过边界元件滤除，其小波能量幅值很大，均超过槛值Kn；故障发生在正极，正极电流突变量为正值，对负极来说，相当于背侧故障，负极突变量为负值。因此正极保护在10.8 ms时正确动作，负极保护可靠不动作。

图9 线路末端经300Ω过渡电阻接地故障保护动作图Fig.9 Result of relay protection operation when the end of line ground faultwith 300Ωresistance

事例3：正极与负极同时故障，且正极发生经300 Ω过渡电阻故障，负极金属性接地故障。

图10为事例3保护动作情况。由图10可知，故障发生后，皆为区内故障，正极与负极高频信号小波能量均超过槛值Kn；正极与负极电流突变量均为正向且超过槛值Iset。负极保护于2.5 ms时动作，正极保护于4.6 ms时动作，二者皆为正确动作。

图10 正负极发生不同类型故障时保护动作图Fig.10 Result of relay protection operation when the positive and negative occur different types of faults at the same time

4 结束语

利用直流输电线路两端的平波电抗器与直流滤波器组成的边界元件对高频信号的阻滞作用以及故障电流突变特性构成了高压直流输电线路单端电气量暂态保护新方法。该方法原理简单，故障特征明显、不依赖通信、动作速度快、耐过渡电阻能力强。大量仿真结果表明：在各种工况下，该方法均能快速、灵敏、可靠判别区内外故障及选取故障极。利用该方法增加了单极运行的可能，提高了系统的稳定性，有一定的实用价值。