多端直流线路保护研究

施世鸿，贾红舟，伦振坚

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广州市510663)

0 引 言

直流输电具有大容量、远距离的输电优势［1-4］，在我国“西电东送”战略中发挥了重要作用。近年来，国家电网公司和南方电网公司都已有多个直流输电工程投入建设和商业运行。传统的双端直流输电工程仅能实现点对点直流功率传输。当多个交流系统需要直流互联、有多电源供电和多落点受电需求、征地条件无法满足原有双端系统扩容时，多端直流输电系统(multi-terminal DC，MTDC)具有明显优势［5-7］。多端直流输电系统是由多个换流站(3个及以上)及其相互连接的各直流输电线路所组成的高压直流输电系统。目前高压直流换流阀主要是基于单控器件的电流源型换流器(current source converter，CSC)，随着电力电子器件的发展，基于全控器件的电压源型换流器(voltage source converter，VSC)以及模块化多电平的全控器件(modular multilevel converter，MMC)已应用到柔性直流输电系统中［8-9］。根据采用的换流阀器件，MTDC 可 以 分 为3 类［10］:CSC 型MTDC、VSC 型MTDC、混合型MTDC(既含有CSC，又含有VSC)。

MTDC 最显著的特点是能够实现多电源供电、多落点受电，单线路故障不影响其他正常系统的运行，可提供更为灵活的运行方式。随着电力电子技术、控制保护技术和直流断路器技术的进一步发展，MTDC将得到快速发展，将有更多的MTDC 工程应用到电网中。控制保护技术作为制约MTDC 发展的重要因素，受到国内外学者的广泛关注［10-16］。文献［5-7］综述了MTDC 技术的现状和发展方向。文献［10］对包含电流源和电压源换流器的混合型多端直流系统的控制保护策略进行了物理模拟和数字仿真。文献［11］对利用GTO 换流阀的三端直流工程的现场测试进行了报道。文献［12-15］对MTDC 的控制保护策略进行了研究。文献［16］对多端直流的故障定位和隔离进行了研究，其原理是基于每个分支的两端都需要装设电流互感器，而多端系统直流线路接线复杂，势必要设置多个电流互感器，开关站建设成本增加，通讯更为复杂。本文针对MTDC 的线路特点，对双端直流线路保护原理的适用性及存在的问题进行了探讨，并且提出了一种故障支路判别元件，对多端直流线路故障的保护动作和恢复运行进行了探讨。

1 多端直流接线形式

多端直流系统的接线形式有串联型、并联型和混合型3 种。因并联接线方式易于控制，具有更大的调节范围、绝缘配合简单、经济性高等优点，目前投运的工程多采用该方式。并联连接的多端直流系统，其接线形式又可以分为环网式和放射式2 种，分别如图1、2 所示。

图1 环网式接线Fig.1 Ring connection

图2 放射式接线Fig.2 Distributed connection

若忽略直流线路压降，则各换流站运行在相同的直流电压下，只要选择一个换流站控制维持整个系统的运行电压，其他换流站则通过控制本站的直流电流来实现直流功率分配。

对于并联环网型接线，当某直流线路发生永久性故障退出时，通过隔离故障线路，可利用其他线路的过负荷能力，变成放射式使各站继续运行。对于并联放射式接线，当某直流线路故障时，可通过隔离故障线路及相关换流站，使正常部分换流站继续运行。由此可见，多端直流输电系统的故障支路快速准确判定和隔离，对多端直流的安全稳定运行具有重要作用。

2 直流线路保护原理在多端直流线路保护的适用性研究

2.1 双端直流线路保护原理

传统双端直流线路保护的配置见表1。配置了行波保护和低电压保护作为主保护，用于金属性接地故障的保护。配置纵联电流差动保护作为后备保护，用于金属性接地故障和高阻接地故障。同时还配置了金属回线横差保护和纵差保护用于金属回线的保护。

表1 直流线路保护配置Tab．1 Protection configurations of DC line

2.1.1 行波保护

行波保护的判据如式(1)所示:

式中:UdH、IdLH分别为直流线路的直流电压和直流电流;Δ1、Δ2、Δ3分别为电压微分、电压变化量、电流变化量的整定值。当上述3个条件同时满足时，则判定为直流线路故障。保护动作启动线路重启动逻辑，若多次重启动不成功，则闭锁直流。主要用于金属性接地故障的保护，不适用高阻接地故障。

2.1.2 低电压保护

低电压保护的判据如式(2)所示:

当上述2个条件同时满足，则保护动作启动线路重启动逻辑，若多次重启动不成功，则闭锁直流。其中Δ1定值与行波保护相同，但电压微分上升沿的延时比行波保护略长，速度比行波保护略慢，但可靠性比行波保护略高。该原理也主要用于金属性接地故障的保护，不适用于高阻接地故障。

2.1.3 纵联电流差动保护

纵联电流差动保护的判据如式(3)所示:

式中:IdLH为直流线路本侧直流电流;IdLH_OST为直流线路对侧直流电流。理论上，纵联差动保护能保证绝对的选择性，但实际上该差动保护判据只是两侧电流的简单加和，未考虑线路分布电容电流，在暂态过程中判据不成立，因此需要设置长延时躲过暂态过程，导致动作速度慢。作为线路保护的后备保护，主要用于高阻接地故障的保护。

2.1.4 金属回线横差保护

金属回线横差保护的判据如式(4)所示:

式中:IdLH_OP为金属回线的直流电流;Δa为横差保护整定值。该保护主要用于在单极金属回线运行模式下，发生在直流线路以及金属回线上的接地故障。该保护不需要对侧的数据，可在通信中断的情况下，作为线路保护的后备保护。

2.1.5 金属回线纵差保护

金属回线纵差保护的判据如式(5)所示:

式中:IdLH_OP为金属回线本侧直流电流;IdLH_OP_OST为金属回线对侧直流电流;Δb为纵差保护整定值。该保护主要用于单极金属回线运行模式下，金属回线的接地故障。与纵联电流差动保护一样，需要设置长延时躲过故障的暂态过程，保护动作速度慢。

2.2 多端直流线路保护的适用性

2.2.1 多端直流系统模型

多端直流系统模型如图3 所示，为简单起见，且不失一般性，采用四端模型，其中换流站1 与换流站2 为整流站，整流站3 和整流站4 为逆变站。T1 和T2 为多端直流线路的T 接点，可在T 接点设置开关站或与相应的换流站合并设置开关站。L1、L2、L3、L4 和L5 分别为支路AT1、BT1、CT2、DT2、T1T2 的长度。SW11、SW12、SW21、SW22、SW31、SW32、SW41、SW42 为多端直流线路的开断设备，可选择直流断路器、交流断路器或快速直流开关。选择直流断路器，可实现不停电隔离故障，但成本昂贵。选用交流断路器和快速直流开关成本较低，但需要短时停电。可根据工程实际，考虑技术经济综合比较选择，F1、F2、F3 为假设线路故障点。

图3 多端直流系统模型Fig.3 MTDC model

2.2.2 保护原理的适用性

对于多端直流，行波保护和低电压保护只需要采集本站的数据，纵联电流差动保护除采集本站数据外，还需要采集其他各站的数据。从上节保护原理判据可知，当发生线路金属性接地时，行波保护与低电压保护的判据条件满足。判断为区内故障，但无法判别故障支路。同理，当发生高阻接地故障时，纵联差动保护经过长延时可动作，但也仅能判别是区内还是区外故障，无法判别故障支路。

保护动作后，对各换流站同时启动线路重启动逻辑，如瞬时性故障，重启动后可自动恢复运行，如永久性故障，多次重启动失败后，闭锁直流。需要沿线查找判别故障点后，动作相应开关设备隔离故障，恢复正常部分的系统运行。因此对多端直流线路保护，在应用双端直流线路保护原理的基础上，需要增加故障支路判别元件，从而快速定位隔离故障分支，恢复正常系统运行。

3 多端直流线路故障支路判别方法

在各分支的T 接点处若设置高压直流电流互感器，则可容易实现各故障支路的分区判别，但这需要增加多台高压直流光学电流互感器，成本高昂。本文在T 接点处不设置电流互感器，仅靠各换流站侧接收到的故障行波构造故障支路判据。

2.所有专业工种都必须结合工种和施工现场地形特点，加强岗前培训，系统掌握有关安全知识，并通过考核合格后持证上岗。

令v 为故障行波传播速度，设t1，t2，t3，t4分别为故障行波到达A、B、C、D 这4个换流站所需要的时间。但对于保护装置来说，故障发生的时刻未知，因此t1，t2，t3，t4无法获得，但各站接收到的故障行波的时间差值是可以计算得到。

构造函数:

(1)当故障发生在AT1 支路，假设x 为故障点距离换流站1 的距离，有:

代入式(6)得:

(2)当故障点发生在BT1 支路，假设x 为故障点距离换流站2 的距离，有:

代入式(6)得:

(3)当故障点发生在其他支路时，有:

代入式(6)得:

因此可得判据:

同理构造函数:

可得判据:

综合式(15)和式(17)，可得如表2 所示故障支路判据。

表2 故障支路判据Tab．2 Criterion of fault branch

该故障支路判据简单，计算量小，在线路保护动作判定区内故障后投入，能可靠判定故障支路，有利于快速故障隔离。

4 多端直流线路保护动作及恢复运行

多端直流具有运行方式灵活，单一故障不影响其他正常系统功率输送等特点。保护动作的首要原则是切除和隔离故障，保证非故障系统继续运行。当发生直流线路故障后，式(1)～(5)保护判据判定发生故障，经式(15)和(17)判定故障支路，采取以下保护动作行为。

(1)线路故障重启动。线路故障重启动逻辑，可以有效的消除瞬时性故障。任一换流站线路保护动作应向其他整流站发送线路保护动作信号。各整流站收到该信号后，执行再启动逻辑。再启动逻辑的控制时序为:继电保护检测到区内故障时，相应极的所有整流站的触发脉冲强制移相到120° ～150°，将整流站转变为逆变站运行，将直流线路的能量快速释放，经过一段去游离时间以确保故障点电弧熄灭，再解除强制移相并重启动。如一次重启动失败，则表示故障依然存在，再进行多次全压重启动或一次降压重启动，经过设定的重启动次数仍失败，则判定为永久故障，闭锁直流。其中去游离时间应确保多端直流的各换流站整定一致。

(2)直流闭锁。为避免投旁通对后造成直流侧短路，影响其他换流站的运行。多端直流可采用如下闭锁控制:整流站快速移相转变为逆变站运行，逆变站调整触发角将直流电流降低，待直流电流接近于零时，闭锁触发脉冲，这有别于双端直流直接投旁通对的闭锁方法。

(3)故障隔离与恢复运行。直流闭锁后，应快速隔离故障，然后恢复正常系统运行。通过第3 节所述的故障支路判别方法可确定故障支路。故障隔离的控制方法为:判定永久性故障并且直流闭锁后，发远跳命令将故障支路两侧的快速直流开关拉开，如图4中的F1 点故障，则将SW11 和SW12 拉开，将故障点隔离;此时直流系统已闭锁，无故障电流流通，采用交流断路器或直流快速开关均能可靠断开隔离故障点;将换流站2、3、4 重新启动;原四端直流转变为三端直流继续运行。

5 结 论

(1)双端直流线路保护原理在并联型的多端直流系统中仍然适用，但为快速隔离故障恢复正常系统的运行，需增加故障支路判别方法。

(2)表2 所示的故障行波的故障支路判别方法，判据简单、速度快，能可靠判别故障支路。

(3)多端直流的保护动作经线路故障重启动，可消除瞬时性故障。对于永久性故障，采用逆变侧降电流的直流闭锁方法，避免了投旁通对给系统造成的冲击。通过判别故障支路，采用快速直流开关或交流断路器等较廉价设备可替换直流断路器实现故障隔离，恢复正常系统运行。

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