王奇 苏浩辉 唐浩 毛建维

摘   要：特高压交直流（UHVAC-DC）互联系统的迅速发展使得谐波变得更加不稳定。研究了有功电流差动保护方法在UHVAC-DC互联系统中的应用。分析了特高压直流（UHVDC）输电对传统电流保护方法有效性的负面影响，介绍了有功电流差动保护方法的原理，表明该方法对系统参数的变化和不稳定谐波的影响较小。同时，在PSCAD平台上进行了仿真，探讨了该方法在AC输电线路各种故障类型情况下的应用。仿真结果表明，有功电流差动保护可以提高UHVAC-DC互联系统的保护灵敏度。

关键词：特高压交直流;基波电流;差动保护;特征谐波;

中图分类号：TM433                                       文献标识码：A

文章编号：1003—6199（2020）02—0062—05

Abstract：The rapid development of UHVAC-DC interconnected system makes harmonics more unstable. This paper mainly studies the application of active current differential protection in UHVAC-DC interconnected system. The negative influence of UHVDC transmission on the effectiveness of traditional current protection method is analyzed. The principle of active current differential protection method is introduced. It shows that the method has less influence on the variation of system parameters and unstable harmonics. On this basis，the simulation is carried out on the PSCAD platform，and the application of this method in AC transmission line under various fault types is discussed. The simulation results show that active current differential protection can improve the protection sensitivity of UHVAC-DC interconnected system.

Key words：UHVAC-DC;fundamental current;differential protection;characteristic harmonics;

由于我国能源和用户负荷分布的不利，国家电网大力发展适用于长距离大容量输电的特高压交直流（UHVAC-DC）技术[1]，以满足清洁能源输送、电力供应的迫切需要。隨着UHVAC-DC互联电网的建成，电网大规模优化资源配置能力显著提高[2]。同时，电网的集成化特征越来越突出使得发送端与接收端、AC端与DC端耦合更加紧密[3]。文献[4]提出了用有功功率代替电流的纵向差动保护方法。该方法不受分布容量和无功补偿装置运行条件的影响，对数据同步的要求相对较低，并在变压器上的应用得到了广泛的研究。文献[5]发现纵向差动保护方法对电压死区很敏感，在发生金属故障时灵敏度较低。

基于提取单相瞬时有功电流的原理，对UHVAC-DC系统的AC线路在发生故障时的有功差动电流进行了分析。研究了一种分频有功瞬时基波电流差动保护方法及其整定原理。从根本上避免了分布式电容电流和无功补偿电流的影响，不需要借助电阻参数且计算量小，从而满足UHV输电线路对差动保护的选择性和灵敏度的要求。

1   UHVDC换相失效对AC保护的影响

典型的UHVAC-DC互联系统模型如图1所示。当AC系统与DC系统相连接时，AC保护操作发生在AC故障引起的DC通信故障和相应的控制操作后的暂态期间[6]。同时，AC系统在运行特性上变化较大，并产生干扰AC电网的非特征谐波，进而影响了基于基波电流相量的传统AC线路保护运行性能[7]。

在AC-DC互联系统中，当AC系统发生故障并触发DC系统换相故障时，由于变换器的非线性特性，AC电网会受到DC系统非特征谐波的严重干扰[8]。尤其是频率在50 Hz左右的次谐波和间谐波的干扰不能通过传统保护方法的单周期或半周期傅里叶算法滤除[9]。因此，基波电流相量的提取存在较大的计算误差。

2   有功电流差动保护原理

2.1   单相有功电流的提取方法

图1中UHVAC-DC互联系统的等效电路，如图2所示。

其次，利用低通滤波器（LPF）得到ip（t）的基波有功电流的幅值[12]，其中包含基波频率最小的AC分量。因此，图3中LPF的截止频率应小于50 Hz。

2.2   分相差动有功电流分析

为了简化分析，忽略了线路阻抗。在保护区内发生内部接地故障时，输电线路可等效于图4中的电路，其中r为过渡电阻，ir为故障电流。

在M侧，假设基波电压相位为ωt，则故障电流为：

其中，ILM为感应电流幅值，ICM电容电流幅值，IrM为流过M侧的基本故障电流幅值。当使用图3所示的提取对iM进行处理时，可以得到如下公式：

其中，iph和iqh分别表示在p轴和q轴上频率为基频的两倍的谐波分量。当使用截止频率小于100Hz的滤波器进行处理时，可以得到p轴上的DC分量[13]，即iaqM。iaqM的幅值与M侧基本故障电流幅值相同：

同样，P轴上的DC分量，即iapM，也可以用N侧相同的变换得到：

同样，当发生外部故障时，可以得到M侧和N侧的差动有功电流，如下所示：

当δMN≈0，公式（12）可以改写为：

2.3   分相差动有功电流保护的判据和整定原理

当UHVAC-DC互联系统的接收端在最大操作条件或电压测量点发生金属接地故障时，M侧和N侧之间的电压差不一定接近于0，因此差动有功电流不一定是接近于0。针对传统电流差动保护的判据，提出了一种带制动系数的有功电流差动保护方法，以增强对外部故障或内部故障诊断的选择性。标准如下：

操作阈值Iap0的设置原则是在发生最严重的外部故障时，避免电流不平衡[15]。制动系数Kap的设定原则是在最大运行工况和外部故障最严重的情况下避免产生有功电流。

3   实验仿真

3.1   PSCAD中的仿真模型

根据广州至深圳±800 kV的UHVDC输电工程的系统参数，在PSCAD平台上采用单极接地回路运行方式建立了仿真模型。

（1）AC子系统模型：为了使发送端和接收端的电网等效简化，采用恒压模拟了整流侧和逆变器侧的电网，并用等效内阻反映了系统的实际强度。

（2）DC输电线路模型：UHVAC-DC线路的额

定DC电压为800 kV，在最大运行工况下实际电压可达825 kV。DC线路长1000 km，额定电流3 kA，额定传输功率3200 MW。

（3）变压器模型：变压器由两个6脉冲变换器串联组成的12脉冲变换器对变压器进行了仿真，如表1所示。

在UHVDC系统中，平滑电抗器的感抗值设为0.29 mH。位于变流器侧的AC滤波器电路如图7所示。

图7中，a为第3次谐波调谐的三阶高通滤波器，b为第11次谐波调谐的二阶高通滤波器，c为并联电容器，广州和深圳变电站的AC滤波器参数分别如表2和表3所示。

（4）UHVDC控制器模型：整流器和逆变器由PI控制器通过恒流控制，其参数根据CIGRE标准设置。

3.2   仿真结果与分析

（1）故障相位跟踪：当电压测量点附近发生金属接地故障时，电压波形会严重失真。此时SPLL能否克服电压暂降、谐波等因素的影响，不断准确地跟踪电压相位对于后续有功电流的提取至关重要。例如，当金属接地故障发生在L侧测量时，如图2所示，故障相位电压波形和SPLL相位角如图8所示。

从图8可以看出，故障发生时相位电压波形发生突变，由此产生高频谐波分量，而SPLL仍能及时跟踪相位信息。

（2）正常工况状态下的不平衡有功电流：为了保证有功电流差动保护在处理外部故障时的选择性，采用了制动系数的保护判據。用Kap表示制动系数，即运行电流与制动电流之比。

在最大运行工况条件下，当终端N或L处发生最严重的金属故障时K的变化曲线如图9所示。其中，Kap的最大值为0.19。

（3）无功补偿装置的影响：无功补偿装置是UHVAC-DC互联系统不可缺少的组成部分。变压器在正常运行过程中消耗了大量的无功功率。当DC系统发生故障时，DC系统需要从AC系统中吸收大量的无功功率。因此，变电站通常配备大量的无功补偿装置。当使用传统电流差动保护时，由于无功补偿装置产生的电流可认为是不平衡电流，因此，可计算补偿电流（感应电流）。综上所述，提出的有功电流差动保护方法不受有功电流与无功电流空间关系的影响，如图10所示。

（4）过渡电阻对灵敏度的影响：将传统的电流差动保护方法与本文提出的方法在同一传输线上进行灵敏度比较。以单相接地故障为例，两种方法的灵敏度曲线如图11所示。

从图11可以看出，所提方法的灵敏度始终高于传统方法。即使在过渡电阻达到700 时，所提方法仍具有足够的灵敏度来区分内部和外部故障;而传统方法在过渡电阻仅为300 时无法区分。

4   结   论

分析了UHVDC接线对接收端电流的影响。针对这一问题，研究了有功电流差动法在UHVAC-DC互联系统保护中的应用。该方法的主要优点可以总结为两点：（1）原理简单，可避免无功补偿装置产生的电容电流和补偿电流的影响;（2）不需要系统阻抗参数，即比传统的电流差动保护方法更具有适用性。最后仿真结果表明，有功电流差动保护可以提高UHVAC-DC互联系统的保护灵敏度。

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