采用波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略

李晓华, 吴嘉琪,2, 丁晓兵, 吴立珠, 张冬怡, 蔡泽祥

(1. 华南理工大学电力学院, 广东省广州市 510640; 2. 国网湖北省电力公司检修公司, 湖北省武汉市 430050; 3. 中国南方电网有限责任公司电力调度控制中心, 广东省广州市 510623)

采用波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略

李晓华1, 吴嘉琪1,2, 丁晓兵3, 吴立珠1, 张冬怡1, 蔡泽祥1

(1. 华南理工大学电力学院, 广东省广州市 510640; 2. 国网湖北省电力公司检修公司, 湖北省武汉市 430050; 3. 中国南方电网有限责任公司电力调度控制中心, 广东省广州市 510623)

结合近几年来南方电网多次出现的变压器空投涌流引起直流50 Hz保护动作事件,仿真研究了励磁涌流、和应涌流及故障电流波形特征差异性,在不降低保护灵敏度的原则下,提出了一种基于波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略,并在高压直流PSCAD/EMTDC控制保护仿真模型的基础上结合优化改进策略自定义创建直流50 Hz保护闭锁模型,从交流系统强度变化、换流变压器空载合闸角变化、换流变压器铁芯剩磁变化三个角度对所提出的优化策略进行仿真验证。结果表明,所提出的基于波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略能正确地实现直流50 Hz保护的闭锁和解锁,在不影响直流系统安全稳定运行的情况下很好地解决了变压器空投涌流引起直流50 Hz保护误动的问题。

变压器; 励磁涌流; 和应涌流; 故障电流; 波形识别; PSCAD/EMTDC; 直流50 Hz保护

0 引言

直流50 Hz保护是交直流系统相互配合的基本保护[1]。近年来,出现的直流50 Hz保护误动情况值得关注,即高压直流输电系统一极换流变压器空载投入时,导致与之并联的另一极换流变压器出现复杂性和应涌流[2-8]。

复杂性和应涌流中存在大量正序二次谐波分量,经换流器以及直流输电线路的传递放大作用,引起对侧直流50 Hz保护误动[9-10],严重影响了直流系统安全稳定运行。实际工程中和应涌流引发的保护误动问题从直流规划设计、运行管理上进行了主动规避,也有采取相应的涌流抑制策略[11-14],但是工程中存在的离散性问题,使得涌流的抑制效果并不好,为了进一步减小和应涌流对直流50 Hz保护的影响,提高直流系统运行安全稳定性,从保护的角度寻求一种直流50 Hz保护有效的优化改进策略显得尤为重要。

文献[15]针对和应涌流引起变压器差动保护误动问题提出了一种通过判断差动电流的基波幅值变化过程的变压器和应涌流识别方法;文献[16]根据一台变压器空载合闸时另一台变压器要经过一段延时才能产生和应涌流的特点,提出了利用时差法对和应涌流进行鉴别。两种方法均采用差动电流特征作为判断依据,理论上可行,但是电流采集相对繁琐,且并没有在实际直流控制保护系统中进行仿真论证。

换流变压器和应涌流特性已经突破了原有直流50 Hz保护预期的边界,但是到目前为止,直流50 Hz保护没有专门针对和应涌流问题而设置有效的识别闭锁判据。基于以上目的,本文通过分析励磁涌流、和应涌流以及故障电流的波形特征差异性,提出了一种基于波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略,并在PSCAD/EMTDC中自定义建模仿真验证,结果表明该策略能有效地识别出和应涌流,实现直流50 Hz保护的闭锁及和应涌流过后的保护开放,对解决工程中直流50 Hz保护误动问题有一定参考。

1 直流50 Hz保护误动事件及影响

近几年来,南方电网出现了多起因变压器空载合闸而导致的直流50 Hz保护误动事件,严重影响了高压直流输电系统安全稳定运行[9-10]。以某双回双极系统为例,梳理直流50 Hz保护误动典型情况,如表1所示。

变压器充电涌流引发的直流50 Hz保护误动事实表明:①换流变压器涌流特性已突破了原有直流50 Hz保护预期的边界,可引发功率回降,甚至直接导致直流闭锁,严重牺牲了直流输送功率;②换流站临近电厂主变空投、换流站换流变压器空投都会导致直流50 Hz保护误动,保护动作情况、严重程度取决于直流结构、参数,运行工况等;③实际造成直流50 Hz保护误动的是和应涌流。

表1 直流50 Hz保护动作典型情况Table 1 Typical cases of 50 Hz protection action

2 现场直流50 Hz保护误动解决方案

直流50 Hz保护动作特性见附录A图A1(a),所对应的实际直流工程中的直流50 Hz保护典型逻辑如附录A图A1(b)所示。采集直流线路电流IDCN经过6阶50 Hz带通滤波器及最大峰值保持器保持25 ms后,得到直流线路电流中的50 Hz分量IDCN-50 Hz。当50 Hz保护投入信号及保护使能信号均置1,如果保护判据满足式(1),同时在时间上满足:延迟时间达到切换时间定值T50 Hz-SS,保护信号出口进行控制系统切换;延迟时间达到功率回降时间定值T50 Hz-RB,保护信号出口进行功率回降;延迟时间达到动作时间定值T50 Hz-TR,信号出口进行极闭锁[17]。

IDCN-50 Hz>IFUND+KFUNDIDCN

(1)

式中:IFUND为最小启动电流,一般取0.02左右;KFUND为比率系数,一般取0.05左右。

实际直流工程从保护定值的角度进行了适当的优化改进,如溪洛渡直流工程针对送端换流站近区大型变压器和应涌流引起的直流50 Hz保护误动问题,直接取消了直流50 Hz保护的降功率段并将动作段延时T50 Hz-TR改为3 s。

该措施在防止保护误动上能起到一定作用。但简单修改延时,以牺牲直流系统的安全稳定运行为代价来防止直流50 Hz保护误动的方法，并不是最佳方案。因此，迫切需要利用和应涌流的特征构造新的闭锁判据。

3 直流50 Hz保护优化改进策略

3.1 电流特征差异性分析

附录A图A2为极1换流变压器空载合闸、极2换流变压器正常运行的等效电路图,其中换流变压器网侧等效电源电压为Us,等效电阻为Rs,等效电感为Ls，相比于换流变压器漏抗可以忽略;极1换流变压器T1的原边等效电阻为R1,电感为L1;极2换流变压器T2的原边等效电阻为R2,电感为L2;线圈匝数为N;is为系统电流,i1为流过换流变压器T1的电流,i2为流过换流变压器T2的电流。

根据图A2等效电路列写动态时域方程,经方程积分变换得到换流变压器T1和T2的磁通变化量矩阵形式:

(2)

式中:T为一个周期时间。

设换流变压器T2处于稳定运行状态,为了简化分析过程,假设其空载运行,其铁芯磁通Φ2很小,接近为0。与换流变压器T2并联的换流变压器T1在某时刻空载合闸,因磁通饱和产生励磁涌流i1,其中含有大量衰减的非周期分量,不妨设为正值,则其铁芯磁通Φ1>0。经式(2)推出磁通变化量ΔΦ1和ΔΦ2均为负,即两台换流变压器铁芯中的磁通每个周期都向负方向产生一定的偏移。

因此换流变压器T1铁芯磁通Φ1逐渐减小,励磁涌流i1也随之逐渐减小,与此同时换流变压器T2铁芯磁通以负方向逐渐增加进入饱和区,和应涌流i2逐渐增大且与励磁涌流i1方向相反。因为i1的减小以及i2的反向增大导致ΔΦ2逐渐增大,当ΔΦ2为0时,和应涌流i2增加到最大,随后ΔΦ2为正,和应涌流i2慢慢衰减。而对于故障电流,在故障瞬间存在电流冲击,瞬间增大减小,最后保持直至故障恢复。

励磁涌流、和应涌流、故障电流波形及其基波分量有效值仿真情况如附录A图A3至图A5所示。

从图A4(a)可以看出,和应涌流的产生过程包括暂态增大阶段和逐渐衰减阶段,即其幅值先逐渐增加到最大值,后再缓慢衰减至稳定状态。对和应涌流进行快速傅里叶变换分析,发现其基波分量也是先增大到最大而后逐渐减小至稳定,如图A4(b)所示。与此相比,图A3中的励磁涌流及其基波分量均持续衰减至稳定。而当发生换流器交流侧故障瞬间,存在电流冲击,换流变压器网侧电流基波分量先有较大突变,接着保持不变,最后恢复,如图A5所示。结合上述分析及文献[1-4]可总结出励磁涌流、和应涌流以及故障电流波形特征之间的差异性如表2所示。

表2 3种波形特征差异性比较Table 2 Feature difference comparison of three waves

3.2 波形识别基本原理

表2中的3种电流波形特征差异性比较分析表明:单纯从间断角的有无、二次谐波含量大小难以区分励磁涌流、和应涌流和故障电流。但是三者电流波形变化趋势不尽相同,可作为识别依据以实现和应涌流下直流50 Hz保护闭锁。本文拟利用换流变压器网侧电流的变化过程来识别出和应涌流,即采集换流变压器网侧电流并经过快速傅里叶变换处理后取基波分量求取其幅值变化速率(利用数值差分求取)。对于数字保护,可定义换流变压器网侧电流iA基波幅值变化速率:

(3)

式中:Ib(t)和Ib(t+Δt)分别为t和t+Δt时刻的电流基波分量幅值;Δt为采样间隔。

根据式(3),仿真求解出励磁涌流、和应涌流及故障电流基波分量有效值变化率的情况如图1所示。

显然R(t)可以反映换流变压器网侧电流的变化规律。若找到一个定值Rref,对于和应涌流,在其暂态增加过程中总有|R(t)|Rref,在衰减过程中总保持有R(t)<0;对于故障电流,在其发生时刻存在有|R(t)|>Rref,在故障过程中总保持有R(t)≈0;对于正常电流,在整个过程中总有|R(t)|=0。

综上所述,若励磁涌流、和应涌流、故障电流及正常电流满足式(4)判据,则可判别为励磁涌流;若满足式(5)判据,则可判别为和应涌流;若满足式(6)判据,则可判别为故障电流;若满足式(7)判据,则可判别为正常电流。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Rpos和Rneg分别为R(t)的正向和负向最大峰值。

图1 电流基波分量有效值变化率Fig.1 Change rate of root mean square of current fundamental component

4 直流50 Hz保护优化改进策略仿真验证

4.1 直流50 Hz保护闭锁仿真模型

为验证基于波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略可信性,结合此策略在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中建立直流50 Hz保护闭锁仿真模型[18-19](A相)如附录A图A6所示,其中自定义编程模型IM对应的闭锁逻辑如图2虚线框所示。

4.2 直流50 Hz保护闭锁仿真模型验证

为了进一步验证优化改进策略的可靠性,分别改变金中直流PSCAD/EMTDC控制保护模型交流系统、换流变压器空载合闸角、换流变压器剩磁,以创造不同的直流运行条件,模拟不同严重程度涌流、故障类型,进行仿真分析,其中故障分别设为换流阀短路、换流器交流侧相间短路、换流器交流侧相对地短路故障。

图2 直流50 Hz保护闭锁仿真模型逻辑Fig.2 Logic of simulation model for direct current 50 Hz protection blocking

4.2.1交流系统强弱变化的影响

保持极2单极大地运行方式,直流输送功率为1 600 MW,换流变压器剩磁为0,换流变压器空载合闸角为0°,分别改变交流系统阻抗幅值依次为4.582 28,6.907,9.907,19.907,29.907,34.367,39.904,44.907,49.907 Ω。统计仿真结果如附录A表A1所示。

4.2.2换流变压器空载合闸角变化的影响

保持极2单极大地运行方式,直流输送功率为1 600 MW,换流变压器剩磁为0,系统阻抗分别为4.582 28 Ω和49.907 Ω,分别改变换流变压器空载合闸角为0°,45°,90°,135°,180°,225°,270°,315°,360°。统计的仿真结果如附录A表A2和表A3所示。

4.2.3换流变压器剩磁变化的影响

保持极2单极大地运行方式,直流输送功率为1 600 MW,换流变压器空载合闸角为0°,系统阻抗为4.582 28 Ω,分别改变极1换流变压器剩磁为0,0.4,0.8,1.0(标幺值)。变压器的励磁电流大约为0.2%的额定电流,且最大剩磁电流大约为80%的励磁电流。考虑到变压器剩磁大小取决于变压器切除角,且变压器剩磁较难测量,计算最大剩磁电流为0.001 048 kA,剩磁基准值取0.001 048 kA。仿真验证结果如附录A表A4所示。

不同直流工程的整定值Rref和N可能有所差异,对于金中直流工程,结合控制保护模型仿真测试结果总结得出:N取1,Rref取100较为合理。在金中直流控制保护模型中进行仿真,即极1换流变压器进行空载合闸,极2正常运行(极1换流变压器上会产生励磁涌流,极2换流变压器上会产生和应涌流)。各种仿真情况下闭锁信号的正确性表明:直流50 Hz保护闭锁模型能有效地识别励磁涌流、和应涌流及故障电流,间接地验证了基于波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略的合理性。

5 直流50 Hz保护与保护闭锁模块配合问题

传递到对侧引起直流50 Hz保护误动的是和应涌流正序二次谐波分量,因此只需将保护闭锁模块的SY出口信号经延时接到直流50 Hz保护使能端就能实现直流50 Hz保护在和应涌流出现情况下闭锁以及在涌流躲过后开放的功能。直流50 Hz保护与保护闭锁模块的配合情况如图3所示,其中,IM-A,IM-B,IM-C分别表示A,B,C三相保护闭锁模块,其各自动作逻辑如图2(b)所示,延时Td为直流50 Hz保护闭锁后延时到开放的时间(可参考涌流衰减时间极值整定)。

图3 直流50 Hz保护与保护闭锁模块配合示意图Fig.3 Schematic diagram of direct current 50 Hz protection coordinating with protection blocking module

6 结语

南方电网中直流输送功率所占比例较大,换流变压器涌流导致直流50 Hz保护误动会引发直流功率回降,对电网经济损失较大。为了防止换流变压器和应涌流引起直流50 Hz保护误动,本文提出了一种基于波形识别的直流50 Hz保护优化改进策略,在不修改原保护定值、不降低保护灵敏度的情况下,能有效地识别和应涌流,防止直流50 Hz保护误动。同时该优化改进策略不仅限应用于直流50 Hz保护,还可推广应用于所有受变压器空投涌流影响的交直流保护。本文策略采用固定延时的方式开放保护,并不是最佳方案,后续会采用自动开放的方法进一步完善,并于实际工程运用中加以提升。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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OptimizationandImprovementStrategyforDirectCurrent50HzProtectionUsingWaveformRecognition

LIXiaohua1,WUJiaqi1,2,DINGXiaobing3,WULizhu1,ZHANGDongyi1,CAIZexiang1

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou510640, China;2. Maintenance Company of State Grid Hubei Electric Power Company, Wuhan430050, China;3. Power Dispatching and Communication Center of China Southern Power Grid Co. Ltd., Guangzhou510623, China)

Combined with direct current (DC)50Hz protection action events caused by transformer inrush current occurred in China southern power grid in recent years, the waveform characteristics difference of inrush current, sympathetic inrush current and fault current are simulated and studied. Under the principle of without reducing sensitivity of the protection, an optimization and improvement strategy for DC50Hz protection based on waveform recognition is proposed. A DC50Hz protection lockout model is designed and developed in the PSCAD/EMTDC control and protection simulation model based on the optimization and improvement strategy. The proposed strategy is verified by means of simulation from the change of the alternating current system strength, no-load closing angle of converter transformer and core remanence of converter transformer. The results show that the proposed strategy can realize the blocking and unlocking of DC50Hz protection correctly, which solves the misoperation problem of DC50Hz protection caused by inrush current of the transformer without affecting the safety and stability of the DC system, and it has some reference significance to the research work and protection design.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51677073).

transformer; inrush current; sympathetic inrush current; fault current; waveform recognition; PSCAD/EMTDC; direct current50Hz protection

2017-02-18;

2017-08-21。

上网日期: 2017-09-22。

国家自然科学基金资助项目(51677073)。

李晓华(1975—),女,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统故障分析与继电保护、高压直流输电运行。E-mail： eplxh@scut.edu.cn

吴嘉琪(1990—),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:高压直流输电与新型输电技术。E-mail: WJQ1071822286@gmail.com

丁晓兵(1979—),男,高级工程师,主要研究方向:电网继电保护运行。E-mail: imdxb@126.com

(编辑万志超)