高淑萍,宋晓辰,叶换飞,宋国兵

(1.西安科技大学电气与控制学院,710054,西安;2.国网陕西省电力公司榆林供电公司,719000,陕西榆林;3.西安交通大学电气工程学院,710049,西安)

相对于交流输电,高压直流输电的优点是输电损耗小、传输容量大[1-3],但缺点是受端易换相失败。模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)系统能独立控制有功与无功,不存在换相失败的问题,且能对故障电网提供无功支撑[4-5]。结合二者的优点,混合高压直流输电系统是目前的研究热点。根据拓扑结构的不同,混合高压直流输电系统可分为:混合双端直流输电系统[6-7]、混合多端直流输电系统[8-11]、混合多馈入直流输电系统[12]、混合双极直流输电系统[13-14]等。本文主要对第4种系统进行研究,该系统利用电压源换流器(VSC)可对有功和无功快速控制的优点,改善系统的输电性能,逆变侧利用VSC的优点来减小电网换相换流器(LCC)换相失败的概率。该结构尤其适用于具有季节性电能双向流动需求的电网互联工程。

直流输电系统输电线路较长,易受沿线架设环境的影响,故障率较高。故障发生后,需要在数毫秒内准确判别故障的存在,使得保护可靠动作。因此,研究直流线路快速保护非常有意义[6-8]。

目前,混合直流输电系统的研究集中在对系统模型的构建、控制方式等方面,而对其线路保护的研究却几乎没有,因此本文在传统高压直流和柔性直流线路保护方法的基础上,寻求适合于混合双极直流输电系统的线路保护方法。在传统高压直流和柔性直流的线路保护方面:文献[9]提出利用暂态谐波的幅值来进行故障识别;文献[10]提出利用在分布参数模型的基础上,通过两端所测量的电流数据计算区内某点处的两侧电流和,构造出电流差动保护;文献[11]提出利用小波变换,提取区内外暂态特征值的差异,从而判别故障;文献[12]通过添加平波电抗器作为保护边界,从而提出边界保护原理;文献[13]利用平波电抗器抑制突变的原理,通过比较行波波头的陡度构造保护;文献[14]利用行波在保护边界的折反射构造保护,但是该保护对采样率要求高,可靠性不高;文献[15]利用平波电抗器对高频信号衰减的特性,比较高频信号的幅值,进行保护;文献[16]通过对行波电流波头极性的检测,判断区内外故障,进行线路保护;文献[17]通过平波电抗器、直流滤波器等构成边界,使信号暂态高频量产生衰减作用,从而构造保护判据,最后搭建模型进行仿真验证;文献[18]提出基于小波多频带能量的暂态保护。单端量保护不需要进行信息交互,可以快速识别故障。暂态能量比值的线路保护方法利用线路特征信号的高低频能量比值,具有较明显的特征。因此,本文将重点研究暂态能量之比的单端电气量保护方法对混合双极直流输电系统的适应性。

本文搭建了±500 kV混合双极直流输电系统模型,并设置了不同故障类型。根据直流线路区内外故障时的电压特征信号高低频能量不同,利用低频能量与部分高频能量和的比值构造保护判据,实现故障甄别。仿真结果表明,所提方法的数据采集时间窗长度为3 ms,具有较强耐过渡电阻的能力,适用于混合双极直流输电系统。

1 混合双极直流输电系统结构及控制策略

1.1 混合双极直流输电系统的结构

本文搭建了±500 kV混合双极直流输电系统,其结构及故障位置如图1所示。正极采用LCC-HVDC,换流单元由1组12脉冲换流器组成;负极采用MMC-HVDC,每相由100个半桥子模块级联而成。

在图1中:线路两端分别用M、N表示,区内线路保护安装点分别用a、c表示,整流侧正极及负极出口的分压器和分流器安装位置分别用p、q表示;L代表平波电抗器;Z代表交流测等值阻抗;f1代表整流侧正极区外故障,f2代表靠近整流侧10%距离的区内故障,f3代表靠近整流站90%距离的区内故障,f4代表逆变侧正极区外故障,f5、f6、f7、f8代表与正极对应的负极故障,f9代表区内双极故障。

图1 系统结构及故障

1.2 混合双极直流输电系统的控制策略

对于正极LCC-HVDC,整流侧为定直流电流控制,附加触发角控制、低压限流控制。逆变侧为定直流电流控制和定关断角控制,附加低压限流部分,见图2。图中:Iref1为整流侧基准电流,Iref2为逆变侧基准电流;Idr为整流侧反馈电流,Idi为逆变侧反馈电流;α为触发滞后角,β为触发越前角,γ为关断角,γref为给定关断角。

图2 LCC控制框图

对于负极MMC-HVDC,控制方式为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制通过控制VSC换流器交流侧的相位和幅值,对整个系统的功率进行调控,其整个控制结构比较简单,但是受系统参数影响大。本文采用的是直接电流控制,分为外环电压控制和内环电流控制,解耦后再触发脉冲生成电路,产生脉冲控制信号[19-21],见图3。图中:ia、ib、ic为三相交流电流,uac为交流侧ac相电压,udc为直流侧电压;uabc为交流侧abc三相的相电压;iq为q轴交流电流,id为d轴直流电流,Uq1为q轴交流电压,Ud1为d轴直流电压。尽管正极采用的是LCC-HVDC,逆变侧存在换相失败的问题,但是负极MMC-HVDC的控制方式可以减小正极换相失败的概率。

图3 MMC控制框图

2 直流线路的故障特征

当直流侧发生的故障时,主要会发生单极接地故障和双极短路故障。若发生了单极接地故障,系统往往可以继续保持单极运行,或者降压运行,以此保证有功功率的传输。影响故障特征的因素包括两个方面:第一个方面是受扰后电网络中的储能及其重新分配过程,即电磁暂态过程,该过程与网架结构有关,网架结构中的输电线路并无差异,故模型相同;第二方面的特征为电源对扰动的响应过程,该过程是一个动态过程,稳态特性取决于电源的静特性,动态过程取决于电源出口测点的电气量以及电源控制器对其响应所做的调节过程,该工程MMC和LCC明显不同。需要说明的是,由于MMC和LCC对扰动的响应速度比过去的交流电网中的同步电机电源更快,因此导致了两个过程的混叠,即变流器对扰动的响应与网架的电磁暂态过程有重合。本文选取的特征信号为电压信号,故障发生时刻为1 s,持续时长为0.1 s。当发生各种故障时,在保护测量点处测量得到的故障波形图如图4所示。

(a)正常运行电压波形

从图4可以看出,正极故障和负极故障的电压波形迥然不同,且极间故障的特征也有别于单一输电方式的双极故障特征。造成差异的起始部分是网架结构(线路、滤波器、模块电容、电感等)及参数决定的电磁暂态过程,故障特征的差异是由MMC和LCC换流器带来的。故障起始过程有差别,这是因为虽然线路一样,但换流器拓扑不一样,所以故障初瞬不一样;故障调节过程有差别,是换流器的控制策略带来的动特性不同。由此可见,正负极采用的输电方式、控制策略影响了直流线路的故障特征。由于单极故障特征存在差异,导致了非故障极所感应的电压与电流也与传统单一直流输电方式存在差异。因此,有必要研究暂态能量之比的方法是否仍然适用于混合双极直流输电系统,即不仅需要研究这种故障特征差异下,故障极能否正确动作,还需要研究非故障极能否可靠不动作。

3 保护原理及算法

3.1 边界保护的原理

本文搭建的高压混合双极直流输电模型采用平波电抗器作为保护的边界,平波电抗器的作用是抑制故障发生时故障分量的变化,防止换相失败,减少谐波。直流电抗器的电感选取越大,对高频分量的抑制效果就越好,但若过大,容易在运行时产生过电压,系统控制性能变差,因此本文选取L=0.01 H。阻抗的计算公式为

Z=jωL

(1)

式中:ω为角频率;L为电感。由此可知,当L一定时,Z随着ω的增大而增大,因此直流电抗器对高频的抑制效果明显。

3.1.1 区内故障 若线路发生区内故障,以区内正极故障f2为例,故障附加网络图如图5所示。当线路发生区内故障时,行波从故障点流经线路两侧,遇到障碍物会发生折射和反射,最终经地形成回路[22]。

图5 区内故障附加网络图

图5中:ZL为线路平波电抗器等效阻抗;ZRe、ZIn分别为换流器等效阻抗的实部和虚部;Uf为故障时故障附加网络电压源。uf为故障发生时产生的行波,其由故障点流经线路两侧分为u1f和u2f,在遇到平波电抗器时,行波在线路上发生了折射和反射,分为u1f′、u1b和u2f′、u2b。当发生区内故障,行波在传播过程中遇到平波电抗器,会发生能量衰减,即

Ea>Ep

(2)

式中Ea与Ep分别表示a与p处行波电压的高频暂态能量。同理,在负极整流侧处可得

Eb>Eq

(3)

当发生区内故障时,故障信息中包含丰富的高频和低频信息,行波流经保护安装处a、c,然后流经边界元件的平波电抗器。平波电抗器对于高频具有抑制阻碍作用,经过后的故障电流包含的低频信息居多,高频能量衰减,而测量点a得到的信息是原始的高低频信息。由此可见,区内故障时保护测量处得到的高频分量多。其他的区内故障与之类似,不再赘述。

3.1.2 整流侧直流线路区外故障 整流侧区外故障行波图如图6所示。

图6 整流侧直流出口处区外故障行波图

由图6可知,行波在线路传播时,流经p处到达平波电抗器,发生折射与反射。由此可见,发生区外故障时,行波经p点过平波电抗器发生能量衰减,到达区内a点时,a与p处行波暂态能量的关系为

Ea

(4)

同理,在负极整流侧处可得

Eb

(5)

当发生区外故障时,行波先流经p处,之后经过平波电抗器,其后到达保护安装处。由此可见,在保护安装处测量得到的高频信息较少。其他的区外故障与之类似,可得到相同的结论,故不再赘述。

3.2 小波包变换算法

本文利用边界元件处高低频暂态能量进行故障判别,需要对信号的高频成分进行分解。小波变换只会对信号的低频成分进行分解,而小波包分解弥补了这一缺陷,是对信号的近似系数与细节系数都进行分解。

(6)

(7)

式中S为最大分解层数。

采用卷积定理,将式(7)转换到频域

(8)

在小波包的定义式中,有

(9)

式中h(k)与g(k)为小波滤波器组。

在式(9)中,令t=2-jx,然后两端分别做傅立叶变换,得到

(10)

(11)

考虑到H(ω)的定义,并结合式(8)(11)可得

转换到时域,得到

(12)

(13)

利用小波包变换,得到不同频段下的小波包系数,由此得到小波包能量

(14)

式中:xj,k表示小波包系数,j=0,1,2,…,2i-1,k=1,2,…,N;N表示离散采样点数;Ei,j表示故障信号通过小波包分解得到的第i层第(i,j)个节点的能量。

3.3 小波包变换参数

本文采用100 μs的采样周期,即10 kHz的采样频率。在实际的工程中,采样频率达到2 kHz以上就可以提取有用的故障信息。小波包分解的层数为3,各节点是按照频率从高到低分布,共分解为8个节点。通过奈奎斯特采样定律可知,采样信号最高频率是5 kHz,将其分解为8个频段,各节点的频率段分布如表1所示。

表1 小波包分解第3层各节点对应的频率段

4 基于能量分布的单端电气量保护

本文利用混合双极直流输电线路两侧固有的平波电抗器,构造了一种基于边界元件暂态能量之比的单端电气量保护方案。通过对保护安装处提取的电压特征信号进行小波包变换,获得各节点的小波包分解系数,利用式(14)得到各频段暂态能量。由于电感通低频阻高频的特性,所以利用低频能量与部分高频能量和的比值构造出保护判据,识别区内外故障进行故障选极。

4.1 保护启动

根据故障后的电压变化量幅值构造出启动判据

|ΔU|>0.1Un

(15)

式中:ΔU是正负极的电压变化量;Un是电压额定值。如果保护安装处测量的数据满足式(15),则保护启动;如果不满足,则保护不启动。

4.2 故障判据

通过3.1小节分析可得,保护测量点得到的电压高频能量大,区外故障时测量点得到的电压高频能量较小,导致高低频能量的比值不同。由此,构造保护判据

(16)

式中:Ka、Kb分别表示正极、负极的高低频能量之比;ELa表示在正极保护安装处a测量得到的电压信号经小波包3层变换后的第2个节点能量;EΣHa表示在正极保护安装处a测量得到的数据经小波包3层变换得到的第3层后6节点能量之和;Kset为保护设定的门槛值。

选取区内故障的保护整定值时,保证其可以避开所有的区外故障即可。由大量仿真数据可知,发生区内外故障时,能量比存在明显的分界。因此,在一定的裕值下,选取Kset=3。

最终,保护的判据设置如下:

区内正极故障,Ka<3 &Kb>3;

区内负极故障,Ka>3 &Kb<3;

区内双极故障,Ka<3 &Kb<3;

区外故障,Ka>3 &Kb>3。

4.3 保护流程

保护算法流程如图7所示,先判断是否发生故障,保护是否启动,若是,则对测量得到的数据进行小波包变换,求取各节点能量,求取高低频能量比,从而判别区内外故障以及进行故障选极。

图7 保护算法流程

此外,雷击的数据采集时间窗长度是微秒级,而本文方法的数据采集时间窗长度是毫秒级。理论上,本文方法受雷击影响小,未来会专门研究雷击影响问题。

5 仿真验证与分析

本文选择的电缆长度是200 km,电压等级是±500 kV,故障发生时刻是3 s,持续时间是0.1 s,数据窗长度是3 ms,采样周期是100 μs。

5.1 区内故障

当线路发生区内故障时,在不同接地故障和过渡电阻下,正极的高低频能量比Ka与负极的高低频能量比Kb如表2所示。

表2 区内故障时的Ka和Kb

图8是区内正极故障时不同过渡电阻下的Ka、Kb。可以看出,保护安装处a测量得到的Ka均小于3,保护安装处b测量得到的Kb均大于3。区内正极故障保护判据的有效性得到了验证。

图8 区内正极故障时不同过渡电阻下的Ka和Kb

图9是区内负极故障时不同过渡电阻下的Ka、Kb。可以看出,保护安装处a测量得到的Ka均大于3,保护安装处b测量得到的Kb均小于3。区内负极故障保护判据的有效性得到了验证。

图9 区内负极故障时不同过渡电阻下的Ka和Kb

图10是双极故障(f9)时不同过渡电阻的Ka、Kb。可以看出,在保护安装处a测量得到的Ka均小于3,在保护安装处b测量得到的Kb均小于3。区内双极故障保护判据的有效性得到了验证。

图10 双极故障时不同过渡电阻的Ka和Kb

5.2 区外故障

保护判据的整定是按躲过最严重的区外故障来进行的,区外金属性接地与区内高阻接地故障最接近,因此若保护能成功避开区外金属性接地故障,即可保证可以躲过其他区外故障。当发生区外故障时,过渡电阻取0.01 Ω,发生f1、f4、f5、f8时的Ka为5.31、10.94、13.89、17.06,Kb为4.76、9.86、5.15、9.30。可以看出,在保护安装处a测量得到的Ka均大于3,在保护安装处b测量得到的Kb均大于3。区外故障保护判据的有效性得到了验证。

5.3 故障选极

对于线路而言,一极故障,则另外一极也将受到影响。当发生单极故障时,故障极线路保护启动,保护元件动作,故障极被隔离,系统实现单极运行。当线路发生双极故障时,保护动作,系统无法继续工作。因此,区内故障最严重的就是双极故障。通过PSCAD搭建混合双极直流输电模型,对保护判据进行验证,结合5.1、5.2小节,可得仿真验证结果,如表3所示。

表3 仿真验证结果

6 结 论

本文利用混合双极直流输电系统特有的边界结构,构造了一种基于信号暂态高低频能量比的直流线路故障判别方法。通过PSCAD/EMTDC仿真平台搭建混合双极高压直流输电系统,模拟不同工况下的故障情形,提取电压特征信号,进行小波包变换,得到各节点的暂态能量。利用特定低频能量与部分高频能量和的比值构造出保护判据,从而识别区内外故障以及进行故障选极。实验结果显示:

(1)在不同的工况下,甚至在区内故障短路接地电阻为1 000 Ω时,本文方法仍可以准确识别故障,满足保护的可靠性;

(2)数据窗长度只有3 ms,满足继电保护的速动性;

(3)本文方法保护的是直流线路全长,满足保护的灵敏性;

(4)本文方法可以快速识别故障,并自动进行故障选极,满足了保护的选择性。

本文方法具有较强的耐过渡电阻能力,保护的可靠性、速动性、灵敏性和选择性都得到了满足,且具有较高的精度,可以准确识别故障。