高壓直流（high voltage direct current, HVDC）輸電技術(shù)是實現(xiàn)國家及區(qū)域能源互聯(lián)互通、清潔能源遠距離外送、跨時區(qū)互補、跨季節(jié)互濟、優(yōu)化配置的關(guān)鍵技術(shù)，在構(gòu)建跨國、跨洲電網(wǎng)的過程中進一步呈現(xiàn)出遠距離、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，適合長距離大功率輸電，在異步互聯(lián)和海底電纜長距離傳輸方面更具競爭力。大多數(shù)HVDC線路都用于長距離電力傳輸，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行，這會導(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，嚴重威脅換流站的安全。

為了保護電力電子設(shè)備，超快速直流線路保護需要在2～3ms內(nèi)識別故障線路，并有選擇地隔離故障點。如何解決直流輸電線路的超高速保護是未來基于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，國內(nèi)外專家和學者在直流線路超高速保護領(lǐng)域進行了大量研究，提出的保護方案按照是否需要通信可以分為單端量保護和縱聯(lián)保護兩類。單端量保護利用本地測量的信息來快速識別故障，常被用作線路主保護；縱聯(lián)保護利用被保護線路兩側(cè)信息來識別高阻故障，并為主保護提供后備保護。

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

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

1 基于時空特性的保護性能分析方法

1.1 現(xiàn)有直流線路保護性能分析方法

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

圖1 現(xiàn)有直流線路保護性能分析方法

由圖1可以看出，該方法存在不足：首先該分析方法將保護動作特征量與保護整定值放在同一坐標系進行比較，而對于不同的保護方案保護動作特征量不同，保護整定值相應(yīng)不同，無法在同一坐標系進行呈現(xiàn)，這就導(dǎo)致該分析方法只能對保護方案縱向分析，無法實現(xiàn)不同保護方案的橫向?qū)Ρ龋黄浯卧摲治龇椒▋H呈現(xiàn)了保護方案在一種故障條件下的動作特性，對于不同過渡電阻、不同故障距離下的保護動作特性，只能通過添加數(shù)量有限的動作特征量曲線，體現(xiàn)效果并不完善。

有的文獻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的動作時間，即無法了解保護的速動性。有研究文獻介紹了一種直流線路保護對比分析方法，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方案動作特征量的大小，同樣缺少對保護速動性的體現(xiàn)。

1.2 基于時空特性的保護性能分析方法

為了解決上述問題，本文提出一種利用時空特性分析直流線路保護性能的方法。其中，“時”即動作時間，“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的動作時間。動作時間包括保護故障啟動、故障識別、故障選極、動作延時時間，為了簡化分析，沒有包括保護出口到斷路器動作時間，而這段時間一般為固定值對保護性能分析影響不大。

一個保護方案性能優(yōu)良，一方面體現(xiàn)在能夠識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)在保護動作時間較短。為了保證三元素隨著坐標軸數(shù)值正向增加時，所體現(xiàn)的保護性能越好，本文將動作時間的倒數(shù)作為Z軸坐標，但這會導(dǎo)致當保護動作時間變化程度較大時，保護動作性能變化程度分辨率不高，故本文將Z軸坐標改為對數(shù)坐標系。基于時空特性的保護性能分析方法示意圖如圖2所示。

圖2 保護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、保護動作時間的倒數(shù)分別為X、Y、Z軸構(gòu)造三維坐標圖，清晰直觀地呈現(xiàn)了保護在不同故障條件下的動作特性。為了實現(xiàn)不同保護判據(jù)動作特性的平行對比，圖中并不呈現(xiàn)保護動作特征量，而是呈現(xiàn)保護判據(jù)更加關(guān)注的元素。

此外，考慮到保護方案的實際應(yīng)用，系統(tǒng)的運行方式、邊界元件的參數(shù)、故障類型等均會對保護動作時間造成影響，因此相比于保護動作的具體時間，時空特性圖更加關(guān)注保護動作時間倒數(shù)的數(shù)量級，這更有益于繼電保護工作人員根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的保護方案，保護動作時間倒數(shù)的數(shù)量級所對應(yīng)的時間尺度見表1。

表1

2 直流線路保護仿真分析

2.1 仿真模型

為了驗證本文所提保護性能分析方法的適用性，通過仿真對具有代表性的直流線路保護方案進行分析。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)的新型拓撲結(jié)構(gòu)，世界各國已開展相關(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均為對稱雙極線路，線路長度為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為直流線路保護安裝點；f1～f5分別為距離保護安裝處R1 50km、150km、200km、250km、350km區(qū)內(nèi)故障點；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)仿真步長為10μs，采樣頻率為20kHz，故障時間為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對保護方案進行仿真分析。本文旨在展現(xiàn)所提方法在體現(xiàn)保護動作特性時的優(yōu)勢，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 單端量保護仿真分析

單端量保護利用本地測量的信息來快速識別故障，本文對基于頻域數(shù)據(jù)和波形特征的單端量保護進行仿真分析。參考以下文獻進行仿真分析：有研究文獻介紹的基于頻域數(shù)據(jù)的單端量保護，令其為方案1；有研究文獻基于行波波形特征的單端量保護，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)不同保護方案平行特性方面的優(yōu)勢，將上述兩種方案進行對比分析如圖5所示。在直流線路發(fā)生故障時，電壓電流中豐富的高頻分量有助于識別故障。

圖5 單端量保護方案動作特性對比

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

另外，基于行波波形特征的單端量保護耐受過渡電阻可達1000Ω，其動作時間尺度僅為1ms。然而從圖5也可以明顯看出，保護方案無法反應(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別故障。

從圖5還可以看出，單端量保護的動作特性整體從左上到右下呈現(xiàn)平滑下降趨勢，這也是單端量保護動作的特點，動作時間隨故障距離增加而增加，而過渡電阻對故障時間的影響有限?；陬l域數(shù)據(jù)的單端量保護在耐過渡電阻能力方面大大提升，但是引入了數(shù)據(jù)時間窗，在增加保護靈敏性的同時犧牲了保護速動性，這在本文所提分析方法中得到了體現(xiàn)。

通過上述對比可以看出，方案1在低阻故障時的動作時間比方案2長，隨著故障距離和過渡電阻的增加，方案1的動作時間較方案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，基于時空特性的保護性能分析方法可以通過三重元素多方面了解保護動作特性，而傳統(tǒng)二維曲線圖無法實現(xiàn)這一點。通過對比可以清晰了解不同保護方案的優(yōu)缺點，為優(yōu)化保護判據(jù)提供參考。

2.3 縱聯(lián)保護仿真分析

縱聯(lián)保護利用被保護線路兩側(cè)信息來識別高阻故障，并為主保護提供后備保護。本文以相關(guān)文獻的傳統(tǒng)縱聯(lián)差動保護及其改進方案為例，介紹本文所提方法在縱聯(lián)保護中的適用性。令傳統(tǒng)差動保護為方案3，令改進差動保護為方案4，上述兩種保護方案的時空特性對比如圖6所示。

圖6 縱聯(lián)保護方案動作特性對比

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

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

3 直流線路保護系統(tǒng)動作性能仿真分析

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

由圖7可知，由于主保護無法識別高阻及遠距離故障，需要靠具有長延時的差動保護來識別故障，因此直流線路保護系統(tǒng)的動作時間不平滑。由前文敘述可知，傳統(tǒng)差動保護動作延時較長，存在擴大停電范圍的風險，故傳統(tǒng)直流線路保護系統(tǒng)動作性能存在缺陷，需要進行一定的改進。

圖7 直流線路保護系統(tǒng)動作性能

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

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

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

4 結(jié)論

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

本文在對現(xiàn)有直流線路保護性能分析方法與基于時空特性的保護性能分析方法對比分析的基礎(chǔ)上，得出本文方法在呈現(xiàn)不同故障條件下保護動作特性具有優(yōu)勢的結(jié)論。通過對直流線路單端量保護和縱聯(lián)保護的仿真分析，驗證了本文方法的有效性。同時，本文將現(xiàn)有直流工程中采用的線路保護系統(tǒng)與所提線路保護系統(tǒng)分析對比，認識到具有良性的主、后備保護配合是未來直流線路保護系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

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

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