交流侧故障与换相失败时序问题的分析

陈颖，李袖，李卓男

（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特010020）

交流侧故障与换相失败时序问题的分析

陈颖，李袖，李卓男

（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特010020）

计算交流侧故障与换相失败之间的时间间隔是研究换相失败对交流继电保护影响的基础。该文基于数学形态梯度提取逆变侧直流电流在换相失败期间的局部特征，进而利用不同的局部特征给出了一种统一的计算交流故障与换相失败时序的方法。并利用新的计算原则提出了一种防止由于暂态功率倒向而导致非故障线路纵联方向保护误动的措施。基于PSCAD/EMTDC搭建了仿真模型，仿真实验结果验证了分析结论的正确性。

数学形态学；交流侧故障；换相失败；功率倒向；继电保护

随着高压直流输电HVDC（high voltage direct current）的迅速发展，交直流混合输电电网在我国已逐步形成。HVDC在实现远距离、大容量、非同步电网互联等方面具有独特优势[1]。但直流系统故障会给交流系统带来新的暂态特性[5]，给交流电网保护带来不利影响，严重时会引起交流系统不正确动作[2-10]。换相失败作为直流系统最常见的故障之一，研究交流保护在其故障期间的动作性能意义重大。

2003年6 月27日广东电网发生的北涌乙线以及2005年12月15日的衡东甲乙线保护动作都属于换相失败引起的误动事故。事故发生的原因是由于换相失败引起的功率倒向问题。文献[3]在电磁暂态框架下研究交直流系统相互影响机理和交流故障特征的变异机理，给出了暂态功率倒向的计算模型和方法；并指出研究交流侧故障到换相失败的发生是研究换相失败对继电保护影响的前提，但没有给出两者时间间隔的计算方法；文献[8]提到交流侧故障到换相失败之间的时间间隔一般不大于10ms，但此数据并不精确，而且太过于保守。

本文首先对交流故障与换相失败之间的时序问题进行了说明，然后对换相失败期间直流电流的局部特征进行了详细的分析，引入数学形态梯度获取换流桥直流侧发生短路的时刻，对影响梯度计算的情形进行了详细的研究并给出相应的解决措施，进而给出了交流故障与换相失败之间的时间间隔的计算原则，根据分析结果给出了防止由于暂态功率倒向引起的非故障线路误动的措施。最后利用PSCAD/EMTDC验证了分析结果的准确性。

1 换相失败对继电保护的影响及数学形态学

1.1 换相失败对继电保护影响

传统的继电保护设计一般忽略2个小概率事件叠加的复故障。而在交直流互联系统中，若受端电网故障引起直流换相失败，则相当于出现了复故障。图1表示的是交流系统故障引起换相失败时的时序关系。其中时间t2可位于t3之后。

从继电保护的角度看，分析故障发生时刻t0到换相失败时刻t1的时间间隔Δt是必要的，一般分为3种情况[3]。

（1）Δt大于保护判别时间，此时保护判别所用的电气量完全由交流故障决定。

（3）Δt位于两者之间，则保护判别用的数据窗有部分是换相失败前的，有部分是换相失败后的，即数据窗存在突变的数据。

文献[3-4]指出，当采样数据窗全部为换相失败后的数据时，工频变化量电流幅值最大，此时对保护的影响最大，非常有可能引起区外误动，区内拒动的发生，因此分析换相失败后数据窗内的数据以得到工频变化量的电流特性，是分析换相失败对交流保护影响的关键。所以为了分析换相失败对继电保护的影响以及解决数据窗跨扰动前后时保护判别的可靠性，计算Δt的大小非常有必要。但现阶段关于Δt的分析计算尚未有明确的方法，本文从数学形态学出发，探讨性地给出Δt的计算方法。

1.2 数学形态学

数学形态学一般只需要进行加、减法和取极值等运算，是一种具有计算简单、并行快速等特点的数学分析方法，且在进行信号处理时只取决于待处理信号的局部形状特性。文献[11-15]对数学形态学的基本概念进行了详细的介绍，此处不再累述，只给出基本形态梯度的定义为

式中：(f⊕b)(x)和(f⊙b)(x)表示利用结构元素b（x）对f（x）的膨胀和腐蚀运算，其表达式为

基于上述分析，可明确实现地理信息生成与地图制图一体化概念模型的步骤：（1）强化制图数据内部的数据质量，面向制图与空间数据建立起共同的数据标准；（2）数据生产平台的建立应以符号化为基础；（3）数据管理与生产流程均需与生产目标相适应。

式中：Df和Db分别是f和b的定义域；max和min分别为从数据中取得极大值和极小值。

本文定义了一种新的形态梯度，表达式为式中，(f∘b)(x)，(f∙b)(x)分别表示灰度开和闭运算，具体表达式为

自定义的形态梯度能准确提取梯度值发生突变的时刻。对于结构元素的选取，需要一次次的试探和证明。若大小选取合适，则能有效屏抑类别内的细节差异，且不会弱化类别间的边界[14]，但是形状越复杂长度越长，需要的计算量会快速增加。本文选取一种长度为6，与水平方向成0°的扁平结构元素，利用此结构元素能准确提取出信号中形态梯度发生突变的时刻。在此结构元素下，信号的变化速度越大，其形态梯度值越大，反之越小。

2 分析方法的基本原理

2.1 换相失败直流电流局部特性的研究

图2给出了直流系统逆变侧换流器示意，阀v4，v6，v2为上排阀，阀v1，v3，v5为下排阀。

图3给出了换相失败期间直流电流与阀电流波形曲线，其中图3（a）是逆变侧发生换相失败后直流电流的变化曲线，图3（b）中曲线表示的是D桥V3的电流波形，实线表示V6的电流波形；图3（c）中曲线表示的是Y桥V1的电流波形，实线表示的是Y桥V4的电流波形。换相失败的显著表现是引起直流侧短路：如图3（b）中时V3与V6在t=0.506 s同时导通，造成了D桥直流侧短路，即图3（a）中“1”所示；图3（c）中V1与V4在t=0.517 s时同时导通，造成了Y桥直流侧短路状态，与图3（a）中的“3”相对应。显然，直流电流在“1”和“3”处发生了突变，而交流侧故障开始“0”到直流侧发生短路“1”这段时间内直流电流变化较为缓慢，这是由于逆变侧直流电压幅值在此期间下降有限，同时平波电抗器抑制了直流电流的上升速度，致使故障开始时刻“0”处直流电流的变化速度有限。

因此换相失败期间，直流电流在“1”、“3”处的速度变化明显，所以在这两点处会产生较大的形态梯度值。从计算Δt的角度来看，需要检测“1”出现的时刻，表1列出了在不同交流故障条件下，“1”被检测的时刻。其中KAB80（1，1）表示发生AB相经80Ω过渡电阻接地故障，其他表示的含义与此类似。

综上所述，计算交流侧故障到发生换相失败之间的时间间隔Δt的关键是检测“1”发生的时刻。但检测“1”的时刻需要考虑直流纹波引起的梯度变化的影响。

2.2 直流纹波的影响

当直流系统正常运行或者交流侧故障对直流系统影响不大时，逆变侧直流电流仍不是恒定不变的，而是存在一定的波动，即直流电流在各个时刻都存在一定的形态梯度值。图4（a）给出了直流系统正常运行时直流电流的波形，图4（b）表示的是其形态梯度值。通过图4（b）可看出，虽然直流电流在每个时刻都产生了形态梯度值，但数值都较小；图4（c）表示的是交流侧故障恰好未引发换相失败时的直流电流波形。由于此时交流侧故障对直流系统影响不大，因此交流侧电压降十分有限[13]，再考虑到平波电抗器的作用，导致直流电流的变化趋势非常平缓，因此其形态梯度值也较小，如图4（d）所示；图4（e）表示的是换相失败时直流电流的形态梯度值，通过图4（e）可看出此时直流电流存在几个较大的形态梯度值。

为了解决直流纹波带来的影响，可通过设定一个梯度门槛值Gres来提取直流电流中突变较大的点，将不大于Gres点的梯度值的信息剔除。这样就可以提取换相失败的时刻。

2.3 Δt的计算原则

根据上面的分析可以得出Δt的计算原则，交流侧故障开始后，利用数学形态学对直流电流进行形态梯度的检测，并记录交流侧故障时刻t0，然后分如下情形对Δt进行计算：

（1）情形1：如果利用式（3）检测出的第1个大于门槛值的点对应的时刻t，那么记录当前检测点的时刻为t1，此时取Δt=t1-t0；

（2）情形2：如果在一个周期内都没有检测出梯度大于阈值Gres的点，那么此时Δt=∞，表明没有换相失败的发生。

2.4 Δt对保护的影响研究

近年来，交直流互联电网广东横东甲、乙线保护误动事故和北涌乙线保护误动事故都是由于换相失败引起的功率倒向造成纵联方向保护的误动。传统功率倒向的一般防止措施是启动元件动作一段时间后（30～40ms）后尚未跳闸，就认为是外部故障，随后如果功率方向变为正方向，此时需要经过延时动作以躲过功率倒向的影响。但在交直流互联系统中，功率倒向一般发生在30ms以内，所以传统的防止功率倒向的方法在交直流互联系统中已经不再适用，因此造成了纵联方向保护在交直流互联系统中适用性不足。本文从Δt的观点出发，给出防止非故障线路由于功率倒向而误动的措施。显然如果交流侧故障没有引发换相失败，那么仍然可以采用传统的策略来防止功率倒向引起的保护误动作。

如果交流侧故障引发了换相失败故障，当数据窗全部为换相失败信息时，如图1中数据窗1所示，此时所计算出的结果非常容易引起非故障线路误动，而当数据窗位于其他位置时，保护方向元件可以做到正确识别[5]。对于情形1而言，由于能准确计算Δt的大小，所以当保护数据窗计算Δt时间后，此时数据窗内的数据全部为换相失败后的数据，如果此后计算的功率方向由负变为正方向，保护不需要立即动作，而要闭锁一段时间，考虑到反方向元件要有足够的时间发出高频闭锁信号，可以闭锁40～50ms；对于情形2，由于交流侧故障尚未引发换相失败，传统的防止功率倒向的措施仍然有效。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

基于CIGRE直流输电标准测试系统搭建了仿真模型，如图5所示，故障时间为0.5 s，持续时间为0.05 s。采样频率为4 000 Hz，梯度门槛值Gres取为0.015 p.u.。其中线路全长为100 km，线路参数为：R1=0.025×10-3Ω/m，x1=0.3×10-3Ω/m；R0= 0.075×10-3Ω/m，x0=0.9×10-3Ω/m。

3.2 仿真分析

3.2.1 情形1的仿真结果分析

图6表示的故障类型是在交流母线处发生了A相接地故障，过渡电阻为80Ω。通过图6（b）可以看出，直流电流的局部点“1”、“2”和“3”的形态梯度都能检测出来。根据Δt的计算原则可得出此时Δt=0.507-0.500=0.007 s。图6（c）表示的是D桥V3与V6的电流波形，通过图6（c）可以看出V3与V6共同导通的时刻也为0.507 s，与计算结果相同。图6中横坐标表示采样点数，采样点0表示故障开始时刻0.5 s。

3.2.2 情形2的仿真结果分析

图7表示的故障类型是在交流母线处发生了A相接地故障，过渡电阻为100Ω。通过图7（b）可以看出，由于直流电流的形态梯度值都不大于设定的门槛值，梯度值都被置为0。根据Δt的计算原则可以得出此时Δt=∞，即故障不会引起换相失败。

4 结语

形态学的引入为分析换相失败对交流电网继电保护的影响提供了新的发展空间，而且形态学只需做加减和取极值运算，因此算法简单快速。本文根据换相失败期间直流电流的局部特性和定义的数学形态梯度，给出了计算交流侧故障和换相失败之间时间间隔的方法，解决了交直流互联系统中换相失败的时序问题，这为数据窗的自适应调整、增强纵联方向保护的适用性和分析换相失败对继电保护的影响打下了坚实的基础。同时考虑到直流侧的保护与控制与交流侧继电保护之间理应存在配合关系，所以广域信息的应用是未来交直流互联系统中的一个发展趋势。

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Analysisof Time Sequence Between AC Faultand Commutation Failure

CHENYing，LIXiu，LIZhuonan
（Electric PowerResearch Institute，StateGrid East InnerMongolia Electric PowerCompany Limited，Hohhot 010020，China）

The calculation of time intervalbetween AC faultand commutation failure is a basis for studying the effectof commutation failure on the AC relay protection.After the extractions of local features of DC currentduring commutation failure in the inverter side，by using themorphologicalgradient，a unified calculationmethod of the time sequence be⁃tween AC faultand commutation failure is proposed based on different local features.In addition，a countermeasure is put forward to prevent themal-operation ofdifferential directional protection on un-faulted line caused by transientpow⁃er converse.A model is builtbased on EMTDC/PSCAD，and the simulation results show the validity of the calculation method.

mathematicalmorphology；AC fault；commutation failure；power converse；relay protection

TM774

A

1003-8930（2017）03-0116-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.019

陈颖（1988—），女，硕士，工程师，研究方向为特高压直流、电力系统稳定分析。Email：chenyingnm1988@163.com

2015-09-02；

2016-06-14

李袖（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统稳定。Email：297163093@qq.com

李卓男（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统稳定。Email：277360727@qq.com