交直流互联电网暂态功率倒向及对继电保护的影响

交直流互联电网暂态功率倒向及对继电保护的影响

周书宇

（国网三门峡供电公司河南三门峡472000）

摘要：交流输电线路的功率出现快速倒方向，导致快速纵联方向保护误动，使重要输电线路停运的严重事件随着我国高压直流输电的进一步发展。直流系统对交流保护的影响间题会越发突出，特别是在故障情况下所表现出的交流电气故障特征变化，给传统交流电力系统的继电保护领域提出了新的课题。因此，应深入研究交直流互联电网中直流系统对交流系统的影响，发现并解决这些影响给交流系统带来的负面效应，以保障交直流互联电网的安全可靠运行。

关键词：直流输电；功率倒向；继电保护；暂态

1功率倒向

1.1平行双回线路中的劝率倒向

传统的功率倒向是指在平行双回线路中，一条,线路发生故障，故障切除时可能会导致另外一条无故障线路上短路功率的方向发生转换，造成无故障线路方向纵联保护误动，这种情况如图1所示。

假设L2线路上采用允许式纵联保护，故障发生在线路L1上靠近M侧的F点，断路器1CF先于断路器2CF跳闸。在1CF跳闸前，假设线路L2中的短路功率由N侧流向M侧，线路L2的N侧正方向元件动作，向M侧发允许信号并准备跳闸。在1CF跳闸后，2CF跳闸前，线路L2中的短路功率倒向。那么，L2的M侧正方向元件动作，向N侧发允许信号并准备跳闸，此时N侧的正方向元件将返回并停止发允许信号。但是，由于正方向元件以及反方向元件的动作时间不同，允许信号传输的延时以及发信的展宽延长等原因，3CF侧收到的允许信号未能及时复归，可能导致线路L2上的3CF侧方向纵联保护误动。对于传统的功率倒向，因为开关动作时间不可能太快，解决这个间题的办法是启动元件动作经过一段时间(如40ms)后尚未跳闸，就认为是外部故障，延迟方向纵联保护的动作时间以躲过功率倒向的过程。

1.2交直流互联电网中的暂态劝率倒向

在交直流互联电网中的交流系统故障期间，电压下降导致直流系统换相失败，随后在控制系统作用下，直流系统快速恢复再次投入。如在此暂态过程中，直流等值系统的外在表现为吸收有功和无功功率，类似直流系统表现为一个故障点，可能导致交流系统的功率在故障期间出现倒方向流向直流系统的过程，称为暂态功率倒向。

由于保护都按照启动元件动作经过一段时间(如40ms)后才延时躲过功率倒方向的过程，因此现有的保护，特别是快速突变量方向纵联保护，在40ms内出现暂态功率倒向时可能发生误动。这种情况如图2所示。在F点故障期间，如果线路L2出现暂态功率倒向，会导致线路L2的纵联方向保护误动跳闸，在F1点故障期间，线路L1和L2可能同时出现暂态功率倒向，导致线路L1和L2的纵联方向保护误动跳闸的严重事件。

2基于CIGRE直流输电标准系统的暂态劝率倒向现象仿真

CIGRE直流输电标准测试系统(CIGRE~VDCbenchmarkM。del)是用于~VDC控制研究的标准系统，采用~VDC标准模型仿真暂态功率倒向现象，可得到共性和普适性的研究结论。在CIGRE直流输电标准模型中设置的故障点F和测量点K如图3所示，图中示出测量电流IK电压UK的参考正方向。

2.1在测量点K处发生的交流功率倒向现象

从图4（a）（b）（c）可看出:在0.10s故障前系统正常运行时，按图3测量点K处的参考方向，逆变侧向交流系统输出有功功率、无功功率分别为0.95G0.07GVar。A相基频电压超前电流的相位约1830表明A相的有功功率和无功功率均流向交流等值系统且以有功功率为主无功功率很小。在故障后的0.10s～0.12s测量点K处的A相基频电压超前电流的相位仍为900～1800表明A相有功功率流向交流等值系统，无功功率流向直流系统。

但在0.12s～0.22s，测量点K处的A相基频电压超前电流的相位为00～900，表明A相有功功率和无功功率均流向直流系统。也就是说，在此暂态过程中直流系统的外在表现为一个故障点，A相的功率倒方向。

与A相功率相似，b相功率也有暂态功率倒向的现象。

3对交流继电保护的影响及可采取的技术措施

仿真还发现，暂态功率倒向的发生与交流故障的类型和地点、逆变站交流系统的电气强度、直流系统的控制方式等有关，还有待进一步研究。但与直流逆变站相连的都是较重要的高压交流输电线路，往往是输电的主要通道，如果出现暂态功率倒向引起保护误动，后果是十分严重的，甚至会影响电力系统的稳定性。

暂态功率倒向主要影响纵联方向保护。目前，高压及超高压线路普遍配置了纵联方向保护作为主保护。采用突变量方向元件，其优点是灵敏度高、动作速度快，但由于保护是按照躲开传统的功率倒方向设计，在启动元件动作后的一段时间(如40ms)内出现暂态功率倒向时，又由于故障波形的畸变、保护通道的延时与展宽等原因，保护发生误动的概率较大。采用距离阻抗元件进行方向判别时，采样计算数据窗较长，在算法上能够较好地避免误动,误动的概率较小,但也应考虑由于型号、采样频率、整定值等差别而影响两侧保护测量故障的一致性。

线路纵联差动保护是在每一侧都直接比较两侧的电气量，根据对两侧电流幅值和相位比较的结果判别是区内还是区外故障，因此不会受到线路功率倒向的影响，从保护原理上防止了功率倒向导致保护误动的发生。与直流系统联系紧密的交流输电线路应考虑采用原理较为成熟的光纤分相电流差动保护。

4结论

由以上分析，可得到以下结论：1)在交直流互联电网环境下，交流系统故障的暂态过程中，交流电气特征可能出现变异，在交流输电系统中会出现暂态功率倒向的现象。2)暂态功率倒向会引起交流输电线路的快速方向纵联保护误动，线路纵联差动保护可从保护原理上防止这类误动的发生。3)面对交直流混合输电这种全新的输电形式，国内外缺乏成熟的运行经验，其安全运行面临重大挑战。深入研究交直流互联系统的故障电气特征，并提出其对传统继电保护影响的解决方案，是直流输电快速健康发展的重要前提。

参考文献：

[1]刘之尧，唐卓尧，张文峰等.直流换相失败引起继电保护误动分析.电力系统自动化，2006，30(19）：104-107.