特高压直流线路保护研究现状分析郑瑛

特高压直流线路保护研究现状分析郑瑛

郑瑛

国网山西供电工程承装有限公司山西省太原市030001

摘要：中国地域辽阔，能源资源与负荷中心分布极不均衡，随着经济建设的快速发展，大容量长距离输电成为必然。特高压直流输电在远距离、大容量输电场合和大区互联场合相比于交流输电系统有着突出的优势。随着经济和技术发展，直流输电的换流设备昂贵、技术不够成熟、控制装置复杂等缺点也逐渐淡化，因此特高压直流输电有着广阔的应用前景。

关键词：特高压；直流线路保护；研究现状分析

1特高压直流输电系统建模研究

与传统电力系统相比，特高压直流输电系统的结构更加复杂，对输电线路、滤波器等都提出了诸多限制。因此在当前工作中，需要构建完整的特高压直流输电系统模型，并模拟输电线路的实际情况，分析整个输电线路运行中可能出现的问题，进而为整个输电系统保护提供帮助。在正常运行状态下，特高压直流输电系统模型中的电流与电压曲线基本是平稳的，并且两者之间呈现出正相关关系；而一旦出现故障后，整流侧不对称故障就会导致测试系统相应的曲线发生明显变化，电流、电压的运行曲线明显浮动；并且在故障发生后，直流电压快速下降，此时依靠控制器快速反应，就能调节系统运行，将直流电压控制到合理范围内。一般在模型分析中，需要对输电系统中可能出现的扰动情况进行仿真，模拟出现故障后的直流线路两端电气量变化。这种信息模拟技术能够为特高压直流输电系统功能优化提供必要的帮助，并且能真实还原系统控制参数变化情况，为未来输电线路管理奠定基础。以主电路拓扑为例，在该体系中，其中的关键点包括整流换流站、直流传输线路等，并且在换流变压器与12脉波换流桥之间，存在△/Y与Y/Y两种配置。

2特高压直流线路关键保护分析

2.1行波保护

由于电流调节器对电流的快速调节，直流线路故障瞬间的过冲电流和故障稳态电流相比较交流线路故障时都要小很多（一般短路电流的峰值仅为正常额定电流值的2倍），这样就很难根据正常与故障时的稳态电流值来判别故障，于是借助电压变化量或电流的暂态分量来甄别故障，即行波暂态量保护。目前，国内外研究人员提出了许多原理和实施方式的行波保护。现有特高压直流工程行波保护应用最多的是SIEMENS和ABB公司的方案。SIEMENS方案故障检测采用的是反行波突变量的积分，启动判据采用的是电压微分。其在常规高压直流线路的配置采用3取2原则，而在特高压直流线路中采用冗余配置，可消除因保护装置故障引起的停运，但同时也存在保护原理不互补的缺点。ABB公司的行波保护方案采用极模波（polemodewave）来检测故障、用地模波（groundmodewave）来选择故障极的。上述两种方案都存在着理论不够严密、耐过渡电阻能力有限、对采样频率要求过高等问题。为了解决存在于行波保护中的问题，学者们做了许多工作，主要包括两个方面：一类是将小波变换、数学形态学等信号处理方法引入到行波保护中；另一类则是基于直流线路的故障暂态特征，从不同角度实现对直流线路故障的识别，如直流线路的单端暂态保护、双端暂态保护、自适应行波保护等。为了提高特高压直流线路行波保护的可靠性和抗干扰能力，将小波变换的方法引入行波保护中；提出利用小波变换的方法来分析暂态电压，根据其故障分量谱能量的分布来识别故障，构成判据；利用多尺度小波变换提取故障信息，根据暂态行波的高频能量和低频能量在不同故障情况下（区内、区外故障及雷电干扰）所表现的不同特性构成判据；提出利用对端暂态电压的故障分量在区内外高、低频段小波能量的不同构造区内外判据，根据故障后暂态电压在两极线上的差异构造选极判据，具有良好的反映过渡电阻的能力；提出一种基于形态学的保护方案，利用多分辨形态梯度变换提取故障信息来区分对侧区内、外故障。根据直流线路故障的暂态特征，从不同角度实现对故障的识别；利用暂态量低频部分在线路两端的差值实现区内、外故障的判断；利用保护元件来实现对侧区内、外故障的判别；提出利用线路两端暂态电流信号的频率特征识别故障的方案，具有装置简单、通信速度快、可靠性高的特点；提出了基于极波的暂态量保护方案；利用故障行波波头阶段的固定采样点和固定时间窗内的信息进行故障判别，可靠性好、时间窗短、耐受过渡电阻能力强。为了解决先有方案采样频率高和需要额外的滤波设计等缺陷，提出了工程实用性强的保护方案；提出了一种利用电压比自适应调整保护定值的极线行波保护新原理及其定值整定原则，可实现于现有的行波保护软硬件平台，具有很强工程实用性；提出基于电流峰值时间（thefirstpeaktimeoffaultcurrent，FPTFC）检测的保护原理，从而无需检测电气量变化率，规避了过渡电阻的影响。

2.2低电压保护

特高压直流线路的高阻接地故障是常见的故障，快速准确地检测故障对保障电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。低电压保护以电压降低为判据，常用来监测高阻接地故障。为了解决行波保护高阻接地时耐过渡电阻能力差的问题，很多直流工程采用低电压保护监测直流线路高阻接地的情况。然而，其判据一般采用的是固定值，这就会引起保护在高、低负荷时分别出现拒动和误动的情况。针对该情况提出依据不同的系统和负荷状况对判据定值调整的方法。虽然以上文献改进了低电压保护的整定依据，但存在着通用性差，无法克服低电压保护选择性差、动作速度慢的缺点。

2.3电流纵差保护

特高压直流线路的电流纵差保护是通过对两端换流站线路电流的比较来甄别故障的，理论上具有绝对的选择性，但由于受到线路分布电容的影响，需要等暂态过程结束后保护判据才成立，因此动作时间稍长，常用于切除高阻故障。同时，电流纵差保护需要专门的通信通道，而其通信通道具有可靠性差的先天不足。针对电流纵差保护存在的问题和不足提出了改进。提出了基于分布参数模型的保护原理，消除了分布电容电流的影响。基于分布参数模型，提出了不受数据不同步影响的直流差动保护，避免差动保护因区外故障数据不同步而误动。考虑到现有工程的实际采样率低的现状，提出了基于电流频率特性的纵差保护。提出利用线路两端电流的突变量识别区内、外故障。该方法不需要两端数据严格同步，对采样频率和通道的通信速度要求都不高，具有很强的工程实用性。为了提高对线路末端故障判断的准确性，利用特定频率电流方向一致时波形匹配程度高，反之匹配程度低的性质来判别区内、外故障，避免了谐波电流相位的精确计算，可以可靠识别线路末端故障。为了缩短差动保护动作时间，提出利用频谱比较来闭锁保护的判据，可以有效地提高动作的正确率，缩短动作时间。现有特高压直流线路的电流纵差保护通过对两端换流站线路电流的比较来甄别故障，由于受到线路分布电容的影响，动作时间稍长。同时，电流纵差保护需要专门的通信通道，而其通信通道具有可靠性差的先天不足。因此，电流纵差保护的性能亟待改善。

3结语

文中首先分析了特高压直流输电技术的发展背景和其继电保护技术研究的重要性，然后综述了几种主要保护的国内外研究现状。通过分析，指出现有的特高压直流线路保护技术存在的理论不完备、可靠性不高、灵敏度不够、保护种类单一等问题。最后，为特高压直流线路保护技术的研究提出了展望与建议。

参考文献

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[2]陈仕龙，张杰，刘红锐，谢佳伟，侯云川.特高压直流输电线路单端电流方向暂态保护[J].电工技术学报，2016，31（02）：171-177.

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