华北电力大学科研人员提出柔性直流输电线路保护的新方案

传统柔性直流输电线路行波保护存在高阻故障时灵敏度不足及拒动的问题。华北电力大学电气与电子工程学院、国网扬州供电公司的研究人员戴志辉、刘自强 等，在2021年第9期《电工技术学报》上撰文，针对传统柔性直流输电线路单端量保护在高阻故障时的低灵敏度及拒动问题，在分析故障首行波传播特性的基础上，提出了一种基于首行波曲率的单端量保护原理。

随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流输电技术克服了传统基于晶闸管换流器直流输电的诸多缺陷，在功率控制、电能质量、供电可靠性方面具有明显优势。但与常规直流输电相比，柔直输电系统阻尼低、惯性小、故障发展快，故障后电流在几毫秒内即可达到换流器耐受上限，对继电保护系统，尤其线路保护提出了巨大挑战。

现有的直流输电线路保护可分两大类：

1）单元保护，主要利用线路两端电气量实现故障判别。

但是有关研究在一定程度上减小了同步对时误差带来的不利影响，但依然需要传递大量非逻辑信号、存在通信延迟，因此现阶段纵联保护仍难以作为主保护用于柔直输电线路。

2）非单元式保护，主要利用单端电气量实现故障识别。

实际柔直工程中，线路两端往往配置了限流电抗器限制电流的上升速度，为保护判断及断路器动作争取时间，同时也为边界保护应用于柔直系统中提供了基础。目前直流线路主保护主要有行波保护和微分欠电压保护两种。

其中，行波保护如ABB和SIEMENS公司的单端量行波保护，动作时间在几毫秒，满足速动性要求，但存在高阻故障时保护灵敏度低的问题，两种保护方案都仅能耐受几十欧姆过渡电阻。

鉴于现有行波保护的不足，有学者基于限流电抗器等边界元件对高频信号的阻滞作用，利用区内外故障时高低频能量的不同构造单端量保护原理，不同程度地提升了现有行波保护的性能。但上述保护中频带的选取十分依赖线路边界元件的结构和参数，且保护定值一般通过仿真得到，给工程应用带来了困难。

针对以上问题与挑战，华北电力大学、国网扬州供电公司的研究人员首先定量分析了首行波在线路上的色散效应及在边界处传播特性，揭示了区内外故障首行波弯曲程度的显著差异。在此基础上提出基于首行波曲率的直流输电线路单端量保护原理，并实现了数据窗的自适应选取。此外，根据双极柔性直流输电系统故障暂态特性，提出一种简单可靠的故障选极判据，并结合雷击干扰识别判据，形成了完整的柔直输电线路单端量保护方案。在PSCAD/EMTDC中搭建模型进行了仿真，结果表明，保护方案能有效识别区内外故障并正确选极，耐受过渡电阻能力强。

图1 保护方案流程

研究人员最后得出结论如下：

1）线路的色散效应是故障首行波的弯曲程度变化的主要因素，因此首行波的曲率的大小与故障距离有直接关系，受过渡电阻影响较小，不受系统降压运行等工况影响。

2）所提保护方案能够可靠选极并通过数据窗长的自适应选择，避免反射波对保护判据的影响。

3）通过合理简化的线路频变参数模型，得到区内外故障首行波表达式，为保护的整定提供了理论依据。

仿真表明该保护方案的判据简单、动作速度快、可靠性高、耐受过渡电阻能力强。本保护对采样频率要求较高，后续需进一步优化，保证在较低采样频率下依然具有优良性能，以更好地适应目前工程应用要求。

以上研究成果发表在2021年第9期《电工技术学报》，论文标题为“基于首行波曲率的柔性直流输电线路单端量保护”，作者为戴志辉、刘自强 等。