直流保护出口时间的不确定性及其时序特性

李佳曼

(广东电网有限责任公司汕头澄海供电局，广东 汕头 515800)

直流保护出口时间的不确定性及其时序特性

李佳曼

(广东电网有限责任公司汕头澄海供电局，广东 汕头 515800)

针对直流保护在交流故障下动作结果不确定的问题，就直流保护在交流故障下出口时间的不确定性及其特有的出口时序特性展开研究。首先分析了直流保护的计时原理，指出直流保护计时采用累计方式导致动作出口时间不确定；然后基于实际的控制保护模型与参数的PSCAD/EMTDC仿真平台，通过设置不同故障条件，研究不同故障、不同故障角对直流保护出口时间的影响，结果表明直流保护出口时间在不同故障和不同故障角下具有不确定性；最后分析了直流保护在交流故障下的出口时序特性，结果表明不同直流保护的出口时序配合决定了最后保护动作的结果。

直流保护；交流故障；出口时间；不确定性；出口时序

近年来，高压直流输电技术发展迅速且应用广泛[1]，南方电网目前已形成“八交九直”的交直流混联格局，且随着直流工程的增加，混联程度将日趋复杂[2-3]。交直流混联电网的形成为电网的安全稳定运行带来新的约束条件，交直流相互作用对电网安全运行带来的新挑战不可忽视[4-6]，南方电网已出现多起由交直流相互作用导致直流保护误动的事故[7-10]。现有学者对此作了大量研究，文献[11]分析了交流暂态入侵给直流继电保护带来的问题和挑战；文献[12]揭示了直流保护对交流故障的响应机理，并梳理出在原理上能反映交流故障的直流保护类型。

对直流保护而言，由于直流系统存在换流阀的切换及控制系统的作用问题，使得直流保护的动态行为与交流保护相比具有特殊性，比如换流阀的状态切换带来保护出口时间的离散性，而现有文献对此却鲜有提及。现场经验及仿真结果均表明，交流系统故障时，直流保护的动作结果呈现一定的不确定性，即同一故障发生在不同时刻，直流保护的动作结果可能不同。直流保护在交流故障下的出口时序特性给现场人员带来较大的困惑，也给运行处理带来较大的不便。

本文针对直流保护在交流系统故障下动作结果的不确定性，从直流保护的计时原理入手，分析直流保护采用累计方式计时导致直流保护动作出口时间的不确定性；结合PSCAD/EMTDC软件的仿真数据，分析直流保护在不同故障下及不同故障时刻保护动作出口的时间特性；最后分析直流保护在交流故障下的出口时序特性。

1 直流保护的计时原理

交流保护的动作出口时间通常为故障发生后的一个固定时限，基本与保护的整定延时相同；而对于直流保护，在现场运行经验与仿真试验中，均发现其出口时间会出现与整定延时不一致的情况。保护的出口时间与保护的计时原理密不可分，针对此，需要对直流保护的计时原理进行全面分析。

在直流保护中，常采用的计时器并不像交流保护一样在判据不满足时便清零，而是采用累计的方式。在直流工程中，主流技术——Siemens公司和ABB公司的技术均存在直流保护出口时间不确定的问题，本文以Siemens公司的技术路线为例进行说明。基于Siemens公司技术路线的直流保护采用保护专用模块来实现保护功能，按计时方法可分为快充慢放型和直接计时型。

1.1 快充慢放型

快充慢放型采用DISA1保护模块。按有无返回时间，DISA1保护模块又分为单阶保护模块及双阶保护模块。

1.1.1 单阶保护模块

单阶保护模块如图1所示，其逻辑如图2所示。

R—重置端；X1、X2—保护特征量输入端；XR—保护定值(标幺量)输入端；XN—基准值输入端；T—保护延时输入端；L—锁存命令端，决定是否将QU段的值存储在RS触发器中；QU—在计时器达到上限时置“1”，否则为“0”；ANQ—在计时器不为零时置“1”，在计时器为零时置“0”。图1 DISA1单阶保护模块

SR—重置端信号，SL—锁存命令端信号，SANQ—ANQ端信号，SQU—QU端信号，X1、X2—保护特征量，XR—保护定值(标幺量)，XN—基准值，T—保护延迟时间，Z—计时器数值。图2 DISA1单阶保护模块逻辑

由图2可知：在每个采样周期，若保护特征量满足判据，则Z值每次增加20；若故障过程中保护特征量不满足判据，则Z值每次减1。在计时器不被重置的情况下，保护特征量满足判据的时间是可以累计的，当Z值累计达到上限20T时，保护出口。

1.1.2 双阶保护模块

双阶保护模块比单阶保护模块多了一个输入端TVR，用于设置保护的重置时间，其他输入端的作用均与单阶保护模块的相应输入端相同。双阶保护模块比单阶保护模块多了一个计时器Z2，用来计算保护特征量不满足判据时是否达到返回时间，若达到重置时间，则重置保护模块的输出。

1.2 直接计时型

直接计时型采用DIS1模块，与快充慢放型相比，直接计时型没有减时功能。在计时器不被重置的情况下，保护特征量满足判据的时间同样是可以累计的，当计时器的数值累计达到上限时，保护出口。

由以上的分析可知，直流保护中的保护模块均有累计的功能，即在故障过程中，保护特征量若不满足判据，保护模块的计时器不会被清零。只要保护模块没有被重置或者达到返回时间，下一次采样满足判据，计时器可以继续累加，累计达到保护延时，保护才出口。这是考虑到直流系统的暂态过程波动性较大，采用累计方式可提高直流保护的灵敏度，然而这也决定了在故障期间，故障特征量不能持续满足保护判据时，直流保护的实际出口时间会出现与整定延时不一致的情况。

2 直流保护出口时间的不确定性

在直流系统中，由于存在换流阀的切换以及直流系统的非线性控制的问题，故障期间经常出现故障特征量间断性满足判据的情况，此时直流保护的出口时间大于直流保护的延时定值。保护出口的具体时间与故障期间的故障特征量的动态特性密切相关，而非固定时间。

2.1 测试系统概述

本文采用基于实际的控制保护模型与参数的PSCAD/EMTDC仿真平台来研究某特高压直流工程直流保护出口时间的不确定性。测试系统的一次系统如图3所示，试验时设置不同故障条件并观察直流保护的动作情况和出口时间。仿真中采用的高压直流系统的额定电压为±800 kV，额定电流为3 125 kA，额定功率为5 GW，整流侧交流系统阻抗为8.66∠83.86°Ω，逆变侧交流系统阻抗为5.11∠86.91° Ω。该模型的控制保护系统与实际工程的参数一致，本文仅列出所涉及的直流保护的配置，具体见表1，其中Udh、IacD、IacY、Iac、IdH、IdN、Uac均取标幺值。仿真中直流保护所用的保护模块均为DISA1的双阶保护模型。

图3 测试系统的一次系统

2.2 直流保护出口时间在不同故障下的不确定性

直流系统内部故障时，保护特征量一般可以在故障期间持续满足判据，这样直流保护的出口时间便与保护的延时定值相同。而当故障较为轻微或者发生换相失败等，保护特征量只能周期性满足判据，这时直流保护的出口时间便大于保护的延时定值。这里以桥差保护为例进行说明。

区内故障时，以直流侧出口中性端对换流器中点短路为例，故障期间由于D桥换流阀被短路，故D桥交流电流增大，使Y桥产生差动电流，如图4所示。

表1 直流保护配置

直流保护保护区段动作判据与定值标幺值动作延时/s保护出口直流低电压保护102504；D桥，Iac-IacD>04Y桥，Iac-IacY>007；D桥，Iac-IacD>00702Uac>08时为02，Uac<08时为08阀组紧急停运阀组差动保护12min(IdH，IdN)-Iac>007min(IdH，IdN)-Iac>05Uac>08时为02，Uac<08时为08003阀组紧急停运

注：Udh—换流器直流侧电压，IacD—D桥换流变压器阀侧交流电流的整流值，IacY—Y桥换流变压器阀侧交流电流的整流值，Iac—IacD与IacY的最大值，IdH—换流阀高压侧出口电流，IdN—换流阀中性线直流电流，Uac—换流母线交流电压。

图4 直流侧出口中性端对换流器中点短路时桥差保护的差动电流与出口信号

由图4可知：故障初期，桥差保护差动电流标幺值增大至5.5，之后在控制系统的作用下下降；在故障后20 ms左右，差动电流虽然一直在波动，但都大于桥差保护2段的定值(标幺值为0.07)，所以桥差保护的内部计时器一直在累加而没有减时，在内部计时器计到桥差保护的延时定值200 ms时，保护出口，此时桥差保护的出口时间与延时定值相同。其他区内故障情况类似，由于故障期间保护特征量都能满足定值，桥差保护以200 ms出口。

区外故障时，保护特征量的幅值比区内故障时小，若区外故障期间保护特征量的幅值在直流保护的定值上下波动，则直流保护有误动的风险，此时直流保护的出口时间决定于故障期间保护特征量的动态过程，而非固定值。逆变侧换流母线单相接地故障时，桥差保护的差动电流如图5所示。

图5 逆变侧换流母线单相接地故障时桥差保护差动电流

由图5可知：故障期间桥差保护的差动电流标幺值在0.01～0.82范围波动，波动幅度较大，故只能周期性满足桥差保护2段动作判据。由于桥差保护采用的是快充慢放型计时方式，故桥差保护累计满足延时定值的时间较长，在故障后1.37 s保护才出口，比保护延时定值0.20 s长了1.17 s。

表3 两相接地故障发生在不同故障时间直流保护的动作情况

故障时间/s故障角/(°)27DC⁃2动作时间/s87CBY⁃2动作时间/s87CG⁃2动作时间/s51000000×60787060543551001673×60731060543051003336×60818560468051005009612095615310×510066712612095615620×5100833152612095616380×5101000182612095616435×5101167212612095616750×510133324×601500×510150027612095617185×510166730612065617620×510183333612065617875×510200036612195××510216739612295××510233342612295××510250045612295××510266748612395×610935510283351612395×610935510300054612495×610875510316757612459×610810510333360612595×610560510350063612595×610370510366766612596×610875510383369××600880510400072612600×610500510416775612505×610500510433378×5585000600745510450081×5983700600435510466784×5981850600435510483387××599810510500090××599495

逆变侧换流母线发生不同类型的故障时，由于保护特征量的动态过程不同，故桥差保护的出口时间也不同。逆变侧母线发生两相接地故障时，桥差保护检测到的差动电流如图6所示。

图6 逆变侧换流母线两相接地故障时桥差保护差动电流

对比图5与图6可知：两相接地故障时桥差保护差动电流的动态过程与单相接地故障时相比，波形差异性较大。两相接地时桥差保护差动电流标幺值在0.01～0.3之间波动，波动幅度较小，但其平均值比单相接地时大，故桥差保护的Z值比单相接地故障时较快达到上限。由图6可知，在逆变侧换流母线两相接地故障时，桥差保护在故障后0.82 s后动作，比保护的延时定值0.20 s多了0.62 s，比单相故障时的出口时间短了0.45 s。

2.3 保护出口时间在不同故障时刻的不确定性

在逆变侧交流故障时，换流器发生换相失败，且故障期间保护特征量的动态过程与故障发生时刻有关，故同一故障发生在不同时刻，直流保护的出口时间也会呈现出不确定性。

以单相故障为例，在逆变侧换流母线上设置发生时刻不同的单相接地故障，记录每次故障桥差保护的出口时间，结果见表2。

表2 单相接地故障发生在不同时间桥差保护的出口时间

故障发生时间/s故障角/(°)保护动作时间/s保护出口时间/s故障发生时间/s故障角/(°)保护动作时间/s保护出口时间/s51000000637127510250045651141510016736421325102667486381285100333663912951028335164613651005009644134510300054622112510066712646136510316757620110510083315654144510333360624114510100018645135510350063625115510116721647137510366766624114510133324647137510383369631121510150027655145510400072618108510166730645135510416775618108510183333645135510433378618108510200036645135510450081617107510216739645135510466784617107510233342648138510483387617107

由表2可知，在不同故障时间，保护的出口延时并不相同，差别可高达0.34 s，比保护本身的延时0.2 s还大。可见，在研究直流保护的动作特性时，不能忽略故障发生时间的影响。

3 直流保护的出口时序特性

在逆变侧交流系统故障时，直流低电压保护、桥差保护以及阀组差动保护都有动作的可能[12]，而这3个保护是否动作并不仅仅取决于故障和保护本身，还受到其他保护动作时间的约束。由上一节的分析可知，逆变侧交流故障发生在不同故障时刻，直流保护的出口时间不同，故逆变侧交流故障时直流保护的动作结果还与故障时刻有关。

以逆变侧换流母线两相接地故障为例，分析直流保护在该故障下的出口时序特性。在1/4周期(电气角度90°)内每隔3°设置故障，每个故障的持续时间为1.5 s。记录不同故障时刻下直流保护的动作结果和动作时间，具体见表3，其中“×”表示保护不动作，27DC-2表示直流低电压保护2段，87CBY-2表示Y桥桥差保护2段，87CG-1表示阀组差动保护1段，以下同。由表3可以看出，同一故障发生在不同故障时刻保护动作结果呈现一定的不确定性。直流保护动作结果的不确定性是直流保护出口时序配合的结果。

桥差保护2段和阀组差保护1段的延时定值相同，均为0.8 s，低电压保护2段的延时定值1 s也与这两个保护较为接近。需要说明的是，低电压保护在极闭锁时会被闭锁，阀组差保护会在阀组闭锁时被闭锁，而桥差保护无闭锁信号，但其2段有返回时间0.2 s。

在逆变侧两相接地故障时，桥差保护与阀组差动保护的差动电流都是间断性满足判据，故保护出口时间比整定值0.8 s长，仿真结果显示为1 s左右，具体时间与故障发生时刻有关。而直流低电压保护在不同故障时刻下发生的故障，都能持续性满足其判据，故其出口时间相对固定，整定值为1 s左右，与故障发生时刻无关。这3个保护在逆变侧交流母线两相接地故障时的出口时间十分接近，故时序配合关系决定了最终的保护动作结果。

5.100 000 s(故障角0°)故障时，桥差保护和阀组差动保护动作，低电压保护不动作，保护的动作时间和闭锁时间见表4。

表4 5.100 000 s故障时保护动作结果

由表4可知阀组差动保护最早动作，动作后闭锁直流系统，因而直流低电压保护在阀组差动保护动作后被闭锁。而桥差保护没有闭锁信号，差动电流在直流闭锁前能达到保护延时要求，故仍能动作。

5.1 005 s(故障角9°)发生故障时，直流低电压保护和阀组差动保护动作，桥差保护不动作。保护的出口时间和闭锁时间见表5。

表5 5.100 500 s故障时保护动作结果

保护动作时间/s闭锁时间/s27DC⁃261209561415087CBY⁃2615310×87CG⁃1×618000

由表5可知，故障期间直流低电压保护最先动作，在6.120 95 s动作，然后闭锁直流系统，阀组桥差保护在6.180 00 s收到闭锁信号。由于保护出口动作到直流系统完全闭锁仍需一段时间，因此在直流系统完全闭锁前，桥差保护能达到延时至6.151 30 s动作。

5.102 00 s(故障角36°)故障时，只有直流低电压保护动作。保护的出口时间和闭锁时间见表6。直流电压保护的动作时间比较确定，基本上都在故障后1 s左右。而在直流低电压保护动作闭锁直流系统前，计时器累计未能达到延时上限，因而桥差保护和阀组差动保护不动作。

表6 5.102 000 s故障时保护动作结果

保护动作时间/s闭锁时间/s27DC⁃261220061450087CBY⁃2××87CG⁃1×618000

由以上仿真与分析可知，直流保护在交流故障时，由于保护特征值处于保护定值边界，故直流保护间的出口时序关系决定了直流保护的最终动作结果。部分直流保护如桥差保护和阀组差动保护受故障发生时刻的影响较大，故障发生在不同时刻保护的出口时间不同。故故障发生在不同时刻时，直流保护间的出口时序关系不同，导致不同的动作结果。直流保护在不同故障时刻动作结果的不确定性既不利于运行人员处理直流事故，也不利于直流的运行维护，故在整定时需考虑直流保护间的时序配合以避免直流保护响应的不确定性。

4 结论

本文针对直流保护在交流故障下的出口不确定性问题，深入分析了直流保护在交流故障下的出口时序特性，主要内容和结论如下：

a)分析了现有直流工程中应用的两类保护模块的计时原理，指出直流保护的内部计时器在保护特征量不满足定值时并不像交流保护一样清零，而是采用累计的方式。

b)直流保护的计时原理决定了直流保护出口时间的不确定性。直流保护的出口时间决定于故障期间保护特征量的动态过程、故障类型和故障发生时刻。

c)逆变侧交流系统发生故障时，保护特征值处于直流保护定值边界，故直流保护的最终动作结果取决于直流保护间的出口时序关系。故障发生在不同时刻，直流保护间的出口时序关系不同，导致不同的动作结果。

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(编辑 李丽娟)

Uncertainty and Timing Sequence Characteristic of DC Protection Trip Time

LI Jiaman

(Shantou Chenghai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Shantou, Guangdong 515800, China)

In allusion to the problem of uncertainaction result of DC protection in the case of AC fault, this paper studies uncertainty and special trip timing sequence characteristic of DC protection trip time. It firstly analyzes timing principle for DC protection and points out the reason for uncertain trip time is using cumulative mode for DC protection timing. Then based on actual control protection model and PSCAD/EMTDC simulation platform for parameters, it studies influence of different faults and fault angles on DC protection trip time according to different fault conditions. Results indicate that DC protection trip time has uncertainty under different faults and fault angles. Finally it analyzes timing sequence characteristic of DC protection in the case of AC fault and the result shows different DC protection trip time coordination determines final protection result.

DC protection; AC fault; trip time; uncertainty; trip timing sequence

2016-08-19

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.016

TM773

A

1007-290X(2016)12-0085-07

李佳曼(1989)，女，广东汕头人。工学硕士，从事继电保护工作。