高壓直流（high voltage direct current, HVDC）輸電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)國(guó)家及區(qū)域能源互聯(lián)互通、清潔能源遠(yuǎn)距離外送、跨時(shí)區(qū)互補(bǔ)、跨季節(jié)互濟(jì)、優(yōu)化配置的關(guān)鍵技術(shù)，在構(gòu)建跨國(guó)、跨洲電網(wǎng)的過程中進(jìn)一步呈現(xiàn)出遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗、高效率、靈活穩(wěn)定的新需求。

與高壓交流（high voltage alternating current, HVAC）輸電系統(tǒng)相比，高壓直流輸電系統(tǒng)具有較大傳輸容量和靈活的電源配置，適合長(zhǎng)距離大功率輸電，在異步互聯(lián)和海底電纜長(zhǎng)距離傳輸方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。大多數(shù)HVDC線路都用于長(zhǎng)距離電力傳輸，不可避免地要經(jīng)過崎嶇的地形并在惡劣的天氣條件下運(yùn)行，這會(huì)導(dǎo)致線路頻繁發(fā)生故障。

基于電壓源型換流器（voltage source converter, VSC）的高壓直流輸電系統(tǒng)具有較低的阻尼和慣性，換流站中的電容器會(huì)迅速放電，從而導(dǎo)致故障電流快速上升，其數(shù)值在幾毫秒內(nèi)可能超過額定值的10倍，嚴(yán)重威脅換流站的安全。

為了保護(hù)電力電子設(shè)備，超快速直流線路保護(hù)需要在2～3ms內(nèi)識(shí)別故障線路，并有選擇地隔離故障點(diǎn)。如何解決直流輸電線路的超高速保護(hù)是未來基于VSC的直流電網(wǎng)建設(shè)中亟待解決的關(guān)鍵難題之一。

目前，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者在直流線路超高速保護(hù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，提出的保護(hù)方案按照是否需要通信可以分為單端量保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)兩類。單端量保護(hù)利用本地測(cè)量的信息來快速識(shí)別故障，常被用作線路主保護(hù)；縱聯(lián)保護(hù)利用被保護(hù)線路兩側(cè)信息來識(shí)別高阻故障，并為主保護(hù)提供后備保護(hù)。

目前，學(xué)者在充分挖掘直流線路故障特征的基礎(chǔ)上，提出眾多切實(shí)有效的保護(hù)方法，然而對(duì)于面向工程實(shí)際應(yīng)用的直流線路保護(hù)來說，在認(rèn)知保護(hù)方案的創(chuàng)造性的同時(shí)，更加關(guān)注保護(hù)方案在應(yīng)對(duì)不同過渡電阻、不同故障距離下的動(dòng)作性能，進(jìn)而多方面了解保護(hù)方案的優(yōu)勢(shì)及缺陷，但是多數(shù)文獻(xiàn)在介紹保護(hù)方案的同時(shí)并不能全面地呈現(xiàn)其性能；另外，已有研究成果缺乏對(duì)不同保護(hù)方案針對(duì)同一直流輸電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平行比較，而這恰恰是加深對(duì)保護(hù)方案的理解、為開發(fā)新型保護(hù)提供方向的重要方法。

鑒于以上兩點(diǎn)，本文在深入分析現(xiàn)有保護(hù)方案的基礎(chǔ)上，提出一種將故障距離、故障時(shí)間、故障過渡電阻相結(jié)合的時(shí)空特性分析方法，綜合考慮保護(hù)在不同故障距離、不同故障過渡電阻下的動(dòng)作時(shí)間，旨在為現(xiàn)有直流線路保護(hù)分析提供支撐，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建合理的直流線路保護(hù)系統(tǒng)。

1 基于時(shí)空特性的保護(hù)性能分析方法

1.1 現(xiàn)有直流線路保護(hù)性能分析方法

現(xiàn)有直流線路保護(hù)性能分析方法可以表述為：在某種故障條件下，利用保護(hù)特征量數(shù)值與動(dòng)作整定值進(jìn)行比較，當(dāng)滿足動(dòng)作條件時(shí)保護(hù)出口動(dòng)作，保護(hù)裝置動(dòng)作出口狀態(tài)利用階躍波表示，如圖1所示。該保護(hù)性能分析方法通俗易懂，是目前眾多文獻(xiàn)所采用的分析方法。

圖1 現(xiàn)有直流線路保護(hù)性能分析方法

由圖1可以看出，該方法存在不足：首先該分析方法將保護(hù)動(dòng)作特征量與保護(hù)整定值放在同一坐標(biāo)系進(jìn)行比較，而對(duì)于不同的保護(hù)方案保護(hù)動(dòng)作特征量不同，保護(hù)整定值相應(yīng)不同，無法在同一坐標(biāo)系進(jìn)行呈現(xiàn)，這就導(dǎo)致該分析方法只能對(duì)保護(hù)方案縱向分析，無法實(shí)現(xiàn)不同保護(hù)方案的橫向?qū)Ρ?；其次該分析方法僅呈現(xiàn)了保護(hù)方案在一種故障條件下的動(dòng)作特性，對(duì)于不同過渡電阻、不同故障距離下的保護(hù)動(dòng)作特性，只能通過添加數(shù)量有限的動(dòng)作特征量曲線，體現(xiàn)效果并不完善。

有的文獻(xiàn)采用表格列舉的方式來呈現(xiàn)多種故障條件，但該方法并不直觀且缺少保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，即無法了解保護(hù)的速動(dòng)性。有研究文獻(xiàn)介紹了一種直流線路保護(hù)對(duì)比分析方法，其在不同的故障距離和過渡電阻的故障條件下利用條形圖列舉不同保護(hù)方案動(dòng)作特征量的大小，同樣缺少對(duì)保護(hù)速動(dòng)性的體現(xiàn)。

1.2 基于時(shí)空特性的保護(hù)性能分析方法

為了解決上述問題，本文提出一種利用時(shí)空特性分析直流線路保護(hù)性能的方法。其中，“時(shí)”即動(dòng)作時(shí)間，“空”即輸電線路故障距離和過渡電阻，充分考慮在不同故障距離、不同故障過渡電阻下保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間包括保護(hù)故障啟動(dòng)、故障識(shí)別、故障選極、動(dòng)作延時(shí)時(shí)間，為了簡(jiǎn)化分析，沒有包括保護(hù)出口到斷路器動(dòng)作時(shí)間，而這段時(shí)間一般為固定值對(duì)保護(hù)性能分析影響不大。

一個(gè)保護(hù)方案性能優(yōu)良，一方面體現(xiàn)在能夠識(shí)別全線路的故障且具有較高的耐過渡電阻能力，另一方面體現(xiàn)在保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較短。為了保證三元素隨著坐標(biāo)軸數(shù)值正向增加時(shí)，所體現(xiàn)的保護(hù)性能越好，本文將動(dòng)作時(shí)間的倒數(shù)作為Z軸坐標(biāo)，但這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間變化程度較大時(shí)，保護(hù)動(dòng)作性能變化程度分辨率不高，故本文將Z軸坐標(biāo)改為對(duì)數(shù)坐標(biāo)系?；跁r(shí)空特性的保護(hù)性能分析方法示意圖如圖2所示。

圖2 保護(hù)性能分析方法示意圖

從圖2可以看出，本文令故障距離、過渡電阻、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的倒數(shù)分別為X、Y、Z軸構(gòu)造三維坐標(biāo)圖，清晰直觀地呈現(xiàn)了保護(hù)在不同故障條件下的動(dòng)作特性。為了實(shí)現(xiàn)不同保護(hù)判據(jù)動(dòng)作特性的平行對(duì)比，圖中并不呈現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作特征量，而是呈現(xiàn)保護(hù)判據(jù)更加關(guān)注的元素。

此外，考慮到保護(hù)方案的實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)的運(yùn)行方式、邊界元件的參數(shù)、故障類型等均會(huì)對(duì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間造成影響，因此相比于保護(hù)動(dòng)作的具體時(shí)間，時(shí)空特性圖更加關(guān)注保護(hù)動(dòng)作時(shí)間倒數(shù)的數(shù)量級(jí)，這更有益于繼電保護(hù)工作人員根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的保護(hù)方案，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間倒數(shù)的數(shù)量級(jí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度見表1。

表1

2 直流線路保護(hù)仿真分析

2.1 仿真模型

為了驗(yàn)證本文所提保護(hù)性能分析方法的適用性，通過仿真對(duì)具有代表性的直流線路保護(hù)方案進(jìn)行分析。目前，基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電（modular multilevel converter-high voltage direct current, MMC-HVDC）技術(shù)是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，世界各國(guó)已開展相關(guān)研究。

依據(jù)CIGRE B4—57 working group搭建400kV四端MMC-HVDC仿真模型如圖3所示。圖3中線路OHL1～OHL4均為對(duì)稱雙極線路，線路長(zhǎng)度為400km，其頻率相關(guān)模型及桿塔模型如圖4所示。限流電抗器電感均為100mH；R1～R8為直流線路保護(hù)安裝點(diǎn)；f1～f5分別為距離保護(hù)安裝處R1 50km、150km、200km、250km、350km區(qū)內(nèi)故障點(diǎn)；換流站內(nèi)MMC選用半橋子模塊，其參數(shù)見表2。PSCAD/ EMTDC系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)為10μs，采樣頻率為20kHz，故障時(shí)間為4s。

圖3 四端MMC-HVDC仿真模型

圖4 頻率相關(guān)模型及桿塔模型

表2 MMC仿真模型參數(shù)

以圖3中線路保護(hù)R1、R2為例，分別設(shè)置不同的過渡電阻，在區(qū)內(nèi)故障f1～f5對(duì)保護(hù)方案進(jìn)行仿真分析。本文旨在展現(xiàn)所提方法在體現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作特性時(shí)的優(yōu)勢(shì)，故僅分析正極單極接地的故障類型，不討論其他故障類型。

2.2 單端量保護(hù)仿真分析

單端量保護(hù)利用本地測(cè)量的信息來快速識(shí)別故障，本文對(duì)基于頻域數(shù)據(jù)和波形特征的單端量保護(hù)進(jìn)行仿真分析。參考以下文獻(xiàn)進(jìn)行仿真分析：有研究文獻(xiàn)介紹的基于頻域數(shù)據(jù)的單端量保護(hù)，令其為方案1；有研究文獻(xiàn)基于行波波形特征的單端量保護(hù)，令其為方案2。

為了更好地體現(xiàn)本文所提分析方法在體現(xiàn)不同保護(hù)方案平行特性方面的優(yōu)勢(shì)，將上述兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析如圖5所示。在直流線路發(fā)生故障時(shí)，電壓電流中豐富的高頻分量有助于識(shí)別故障。

圖5 單端量保護(hù)方案動(dòng)作特性對(duì)比

由圖5可知，基于頻域數(shù)據(jù)的單端量保護(hù)引入高頻分量，獲得較高的耐過渡電阻能力，但是動(dòng)作時(shí)間有所增加，這是由于高頻分量的提取算法均需要一定數(shù)據(jù)時(shí)間窗，相應(yīng)會(huì)使保護(hù)算法的故障識(shí)別速度變慢。

另外，基于行波波形特征的單端量保護(hù)耐受過渡電阻可達(dá)1000Ω，其動(dòng)作時(shí)間尺度僅為1ms。然而從圖5也可以明顯看出，保護(hù)方案無法反應(yīng)線路末端的故障，其原因主要是該方案在實(shí)現(xiàn)過程中需要利用擬合函數(shù)，線路末端擬合誤差較大無法正確識(shí)別故障。

從圖5還可以看出，單端量保護(hù)的動(dòng)作特性整體從左上到右下呈現(xiàn)平滑下降趨勢(shì)，這也是單端量保護(hù)動(dòng)作的特點(diǎn)，動(dòng)作時(shí)間隨故障距離增加而增加，而過渡電阻對(duì)故障時(shí)間的影響有限。基于頻域數(shù)據(jù)的單端量保護(hù)在耐過渡電阻能力方面大大提升，但是引入了數(shù)據(jù)時(shí)間窗，在增加保護(hù)靈敏性的同時(shí)犧牲了保護(hù)速動(dòng)性，這在本文所提分析方法中得到了體現(xiàn)。

通過上述對(duì)比可以看出，方案1在低阻故障時(shí)的動(dòng)作時(shí)間比方案2長(zhǎng)，隨著故障距離和過渡電阻的增加，方案1的動(dòng)作時(shí)間較方案2變短，但是方案1耐最大過渡電阻為500Ω，方案2耐最大過渡電阻可達(dá)1000Ω，這與兩種方案自身的原理相關(guān)。

由以上分析可得，基于時(shí)空特性的保護(hù)性能分析方法可以通過三重元素多方面了解保護(hù)動(dòng)作特性，而傳統(tǒng)二維曲線圖無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過對(duì)比可以清晰了解不同保護(hù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為優(yōu)化保護(hù)判據(jù)提供參考。

2.3 縱聯(lián)保護(hù)仿真分析

縱聯(lián)保護(hù)利用被保護(hù)線路兩側(cè)信息來識(shí)別高阻故障，并為主保護(hù)提供后備保護(hù)。本文以相關(guān)文獻(xiàn)的傳統(tǒng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)及其改進(jìn)方案為例，介紹本文所提方法在縱聯(lián)保護(hù)中的適用性。令傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)為方案3，令改進(jìn)差動(dòng)保護(hù)為方案4，上述兩種保護(hù)方案的時(shí)空特性對(duì)比如圖6所示。

圖6 縱聯(lián)保護(hù)方案動(dòng)作特性對(duì)比

由圖6可以看出，傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)方案能夠可靠識(shí)別全線路的故障，并且具有較高的耐過渡電阻能力，但是由于延時(shí)的引入，其動(dòng)作時(shí)間尺度高達(dá)100ms。改進(jìn)差動(dòng)保護(hù)利用補(bǔ)償電流建立低定值高延時(shí)、高定值低延時(shí)的保護(hù)配合判據(jù)，在保證差動(dòng)保護(hù)實(shí)現(xiàn)高阻故障識(shí)別的前提下使動(dòng)作時(shí)間有所降低。

此外，改進(jìn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)利用判據(jù)的配合使其整體的動(dòng)作特性呈現(xiàn)階梯下降趨勢(shì)，并且在過渡電阻≤700Ω時(shí)，保護(hù)由高定值低延時(shí)判據(jù)識(shí)別故障，過渡電阻在≥800Ω時(shí)，保護(hù)由低定值高延時(shí)來識(shí)別故障。故本文所提方法可以正確反映不同保護(hù)方案的原理，呈現(xiàn)不同的時(shí)空特性結(jié)構(gòu)。

3 直流線路保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作性能仿真分析

前文對(duì)單端量保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)進(jìn)行了仿真分析，本文方法對(duì)保護(hù)動(dòng)作特性的分析效果良好。下面以直流工程的主、后備保護(hù)為例，采用本文方法進(jìn)行分析。目前大多數(shù)直流工程采用行波保護(hù)為主保護(hù)、電流差動(dòng)保護(hù)為后備保護(hù)，本文以相關(guān)研究文獻(xiàn)中的天廣直流工程為例，其動(dòng)作性能如圖7中方案5所示。

由圖7可知，由于主保護(hù)無法識(shí)別高阻及遠(yuǎn)距離故障，需要靠具有長(zhǎng)延時(shí)的差動(dòng)保護(hù)來識(shí)別故障，因此直流線路保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間不平滑。由前文敘述可知，傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)，存在擴(kuò)大停電范圍的風(fēng)險(xiǎn)，故傳統(tǒng)直流線路保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作性能存在缺陷，需要進(jìn)行一定的改進(jìn)。

圖7 直流線路保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作性能

根據(jù)第2節(jié)分析結(jié)果，基于頻域數(shù)據(jù)的單端量保護(hù)動(dòng)作速度較快并且具有一定的耐過渡電阻能力，而改進(jìn)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)在應(yīng)對(duì)高阻故障時(shí)所采用的雙判據(jù)策略使其動(dòng)作時(shí)間較為平滑，故本文以上述保護(hù)方案為例，構(gòu)造改進(jìn)直流線路保護(hù)系統(tǒng)，令其為方案6。

圖7中方案6顯示了改進(jìn)直流線路保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作性能，由改進(jìn)直流線路保護(hù)系統(tǒng)時(shí)空特性可以看出，該保護(hù)動(dòng)作性能具有明顯的“三段式階梯”特征。對(duì)于過渡電阻≤400Ω的故障主保護(hù)動(dòng)作，可以在1ms的時(shí)間尺度識(shí)別故障；對(duì)于過渡電阻在500～700Ω之間的故障由后備保護(hù)的高定值判據(jù)識(shí)別，可以在10ms的時(shí)間尺度識(shí)別故障；對(duì)于過渡電阻≥ 800Ω的故障由后備保護(hù)的低定值判據(jù)識(shí)別，可以在100ms的時(shí)間尺度識(shí)別故障。

從上述分析可以得出，改進(jìn)直流線路保護(hù)系統(tǒng)在不同過渡電阻下采用了不同的保護(hù)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了低阻故障快速動(dòng)作、高阻故障可靠動(dòng)作的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了主、后備保護(hù)的良性配合，具有較好的速動(dòng)性和可靠性。

4 結(jié)論

立足于全方面體現(xiàn)直流線路保護(hù)動(dòng)作特性，本文提出一種基于時(shí)空特性的保護(hù)性能分析方法，充分考慮保護(hù)在不同故障距離、不同故障過渡電阻下的動(dòng)作時(shí)間，清晰地呈現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作特性。

本文在對(duì)現(xiàn)有直流線路保護(hù)性能分析方法與基于時(shí)空特性的保護(hù)性能分析方法對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，得出本文方法在呈現(xiàn)不同故障條件下保護(hù)動(dòng)作特性具有優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。通過對(duì)直流線路單端量保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)的仿真分析，驗(yàn)證了本文方法的有效性。同時(shí)，本文將現(xiàn)有直流工程中采用的線路保護(hù)系統(tǒng)與所提線路保護(hù)系統(tǒng)分析對(duì)比，認(rèn)識(shí)到具有良性的主、后備保護(hù)配合是未來直流線路保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

本文所提基于時(shí)空特性的直流線路保護(hù)性能分析方法實(shí)現(xiàn)方便，有助于繼電保護(hù)工作者發(fā)現(xiàn)保護(hù)潛在缺陷，為優(yōu)化保護(hù)方案提供依據(jù)，并為開發(fā)新型保護(hù)提供方向，對(duì)直流線路保護(hù)方案的實(shí)際工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于時(shí)空特性的直流線路保護(hù)性能分析方法”，作者為李建輝、王波等，本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。