含边界元件的MMC-MTDC直流侧单端量故障辨识方法

付 华 陈浩轩 李秀菊 陈润晶

含边界元件的MMC-MTDC直流侧单端量故障辨识方法

付 华1陈浩轩1李秀菊2陈润晶3

（1. 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院 葫芦岛 125105 2. 国网葫芦岛供电公司 葫芦岛 125100 3. 国网丹东供电公司 丹东 118000）

直流侧故障辨识是基于模块化多电平换流器（MMC）的多端直流输电（MTDC）系统急需解决的重大科学问题。分析直流线路的边界特性与极间耦合特性，提出一种基于单端暂态能量的故障辨识方法。通过区内、外故障的暂态特征以及方向元件，构建故障线路选择判据；并利用母线相连线路的方向元件和交流侧故障的暂态特性，构造母线故障识别判据；再根据两极低频电流差异，设计故障极判别判据。该方法能快速辨识直流侧故障，无需两端通信，能够满足MMC-MTDC系统对辨识方法速动性与选择性的要求。最后结合张北四端柔性直流系统的PSCAD仿真模型，验证了所提方法在不同的故障类型、故障位置和过渡电阻下均能准确检测到故障，且具备一定的抗过渡电阻能力。

故障辨识 模块化多电平换流器 多端直流输电 暂态能量 方向元件

0 引言

随着分布式可再生新能源发展规划的推进，传统交流输电在新能源发电并网和功率输送方面存在诸多瓶颈[1]。基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统的运行方式经济、灵活且损耗小[2-3]，在多交流电网互联、远距离负荷供电和海上风电功率外送等方面优势突出[4-5]，为解决我国能源资源和负荷需求的逆向分布问题提供了有效的技术手段[6]。多端柔性直流系统端数多且线路阻尼小，线路故障后，多个换流站故障出力的叠加使得过电流现象突出，在几毫秒内就能危及整个电网安全[7]，尤其未来电网更趋向于架空线路输电，系统更易发生短路、闪络等瞬时性故障[8]。因此快速而有选择地辨识直流侧故障是目前急需解决的关键技术之一。

目前相关的故障辨识研究集中在基于电压源换流器的两端柔性直流系统[9]，对基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的多端柔性直流系统的研究时间较短，有以下几种故障辨识方法。文献[10-11]提出基于直流线路电压变化率的辨识方法，原理简单、易于实现，但对高电阻故障的灵敏性较差且难以清晰区分故障电气量边界。文献[12]提取线路首末两端高频电压分量构成故障辨识方法。文献[13]利用小波变换提取故障电流的模极值极性来判断故障，具有较好的耐噪声能力和抗过渡电阻能力，但该类方法依赖两端通信，故障辨识速度有所降低。文献[14]利用电流的行波时间常数构成区内、外故障判据，具有很强的稳定性和一定的抗过渡电阻能力。文献[15]利用单端暂态量计算得到的等效电抗实现故障的辨识，保护速动性好，可靠性高，但提出的算法较为复杂。文献[16]根据直流电抗器的电压压降提出故障辨识方法。文献[17]利用区内、外暂态电流能量的差异，实现故障辨识，但上述方法的方向元件判据的可靠性与速动性较差。文献[18]利用小波变换和模糊C均值算法提取故障特征量，但未考虑过渡电阻的影响。鉴于以上原因，亟需研究一种能适用于基于模块化多电平换流器的多端直流（Modular Multilevel Converter-Multi-Terminal DC, MMC-MTDC）输电直流侧的新型故障辨识方法。

本文首先分析MMC-MTDC直流线路故障时的边界特性和极间电流耦合特性；并基于上述特性，提出故障线路选择、母线故障识别以及故障极判别的故障辨识方法及判据；最后在PSCAD搭建张北四端柔性直流系统模型，通过大量的仿真分析，证明了辨识方法的可行性。

1 MMC-MTDC直流线路故障特性

1.1 区内、外故障边界特性分析

由于MMC-MTDC直流线路“低阻尼”特点[19]，发生故障后，故障电流迅速上升，其稳态值能达到数千安培[20-21]。在直流线路两端加装限流电抗器能有效限制故障电流上升[22]，继而提高电网故障穿越能力[23-24]，同时，该装置也成为直流线路的唯一物理边界。图1为装设限流电抗器的张北四端柔性直流电网正极示意图，其中a、b、c、d、e、g、h、i为各线路的电气量测点。

图1 张北四端口柔性直流电网正极模型图

图2 故障f1直流线路等效电路

1.2 极间电流耦合特性分析

当两极线路中的某极发生单极接地故障时，由于极间线路的耦合效应，健全极也将感应出故障行波，并产生较大的暂态故障分量。文献[26]根据双极直流线路的无损模型，给出了正极和负极电流耦合式，即

表1 输电线路单位长度参数

Tab.1 Parameter of unit length of transmission line

图3为仿真模型中的线路发生正极接地故障时，两极电流的耦合情况。可以看出，两极电流在低频下的差异要大于高频下的差异，与理论分析一致。

图3 故障极与健全极电流频谱

2 故障辨识方法及判据

通过第1节对区内、外故障边界特性和极间线路耦合特性的分析，提出含有故障线路选择、母线故障识别以及故障极判别的故障辨识方法。线路发生故障后，线路电流迅速增大，与正常运行电流有着显著的区别。为确保判据能在故障发生瞬间启动，采用电流变化率作为辨识方法启动判据，表达式为

2.1 暂态能量的提取

为防止稳态工频量的干扰，除选择最低频带之外，将频带最低的重构信号依照式（4）求解出的低频暂态能量作为判据。此外，为确保故障瞬间的高频暂态量被充分利用，选择最高频带的重构信号依照式（4）求解出的高频暂态能量作为判据。

2.2 故障线路选择

由1.1节可知，正向区外测点的高频暂态电流分量低于区内测点的高频暂态电流分量。结合2.1节暂态能量定义，提出排除正向区外故障的判据为

图4 故障f3线路等效电路

图5 故障f2线路等效电路

综上所述，提出含方向元件的故障线路选择判据，即

2.3 母线故障识别

母线或交流侧故障时，与母线直接相连线路的方向元件均为反向。由于换流器内部元件对高频电压有较大的阻滞，所以在交流侧故障时近母线测点的高频电压能量值要低于母线故障时的能量值。据此提出母线故障识别判据，即

2.4 故障极判别

由于两极线路存在耦合，某极发生故障，另一极（健全极）也将感应出较大的高频暂态电流能量，仅利用故障线路选择判据将无法区分故障极。根据1.2节得出的结论，提出故障极判别判据。

3 仿真实验

3.1 仿真系统参数

在 PSCAD/EMTDC仿真平台搭建如图1所示的张北四端MMC型直流电网，换流站采用双环矢量控制方式，其中丰宁站采用定直流电压控制方式，其余换流站均采用定功率控制方式。为限制故障暂态电流，需要在线路配置限流电抗器，较大的电抗值能有效降低故障电流，但会使直流系统的动态特性恶化；较小的电抗值，易造成换流站闭锁。同时，短线路的阻抗小，其故障回路的阻抗值小于长线路故障回路的阻抗值。为限制故障电流，短线路配置的限流电抗器电抗值应大于长线路的电抗值，且线路line1、2、3的长度差值不大，所以线路line1、2、3的限流电抗器的取值可保持一致。综合考虑，线路line4首末两端配置300mH的限流电抗器，其余线路配置200mH的限流电抗器。仿真系统主要参数见表2。

表2 仿真系统主要参数

Tab.2 Main parameters of the simulation system

采样频率过低时，提取的高频量频带较低，使高频能量判据的抗过渡电阻能力和可靠性有所下降，如方向判据的高频电压能量比值会随着采样频率的降低而减小，从而降低了其可靠性。采样频率过高时，虽会增强高频量判据的性能，但所提取的低频量频带较高，使两极低频电流分量的差异过小，无法满足故障极判别判据的要求。根据小波包变换原理可知，当采样频率过高时，可进行多层次变换来满足低频量判据的需求，但过多的变换层次将使判据动作速度过慢，所以变换层次不宜过多。综合考虑工程实际等因素，结合小波包变换原理和香农采样定理，确定仿真算例中的采样频率为20kHz，进行四层小波包变换，低频量频带范围为625~1 250Hz，高频量频带范围为9 375~10 000Hz。

考虑到故障产生的高频量往往集中在故障瞬间且在时域上具有快速衰减的特点，为精确提取高频暂态量，故障发生时刻的电气量不能忽略。据此，数据分析窗选取故障辨识判据启动前0.05ms（每个采样点相隔0.05ms）至启动后的0.95ms（共1ms）。

3.2 辨识方法判据阈值的选取

表3 各线路正向测点的高频暂态电流能量

Tab.3 High-frequency transient current energy at the forward measuring points of each line

表4 不同位置故障下的高频暂态电压能量

Tab.4 High-frequency transient voltage energy under different position faults

综上，各保护判据阈值选取的结果见表5。

表5 各保护整定的判据阈值

Tab.5 Criterion thresholds for each protection setting

3.3 区内故障仿真

针对线路line2的BF2-1动作情况进行考察，分别设置区内单极、双极故障。

3.3.1 单极接地故障

3.3.2 双极短路故障

3.4 区外故障仿真

针对线路line2的BF2-1动作情况进行考察，分别设置直流母线故障、区外线路故障以及交流故障。

3.4.1 直流母线故障

图8 故障f6判据动作情况

3.4.2 区外线路故障

图9 故障f7、f8判据动作情况

3.4.3 交流系统故障

3.5 辨识方法性能分析

不同的故障类型、故障位置以及过渡电阻均存在对辨识方法性能的影响。针对BF2-1，表6和表7给出了线路line2和母线Bus2在不同故障场景下判据的动作情况。

表6 直流线路不同场景下判据动作情况

Tab.6 Criterion actions in different scenarios of DC line

表7 直流母线不同场景下判据动作情况

由表7可知，在不同的故障类型和过渡电阻下，母线故障判据依然能够正确识别母线故障且具有较强抗过渡电阻能力。

4 结论

针对MMC-MTDC直流侧的线路和母线，提出故障线路选择、母线故障识别和故障极判别等判据，并结合PSCAD/EMTDC平台对张北四端柔性直流模型进行仿真验证，结论如下：

1）仅利用单端电气量提出故障辨识方法，无需双端数据通信，就能实现故障的辨识。

3）分析了故障类型、故障位置和过渡电阻对故障辨识方法性能的影响。结果表明，所提方法具备较高的可靠性和一定的抗过渡电阻能力。

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MMC-MTDC DC Side Single-Ended Quantity Fault Identification Method with Boundary Elements

Fu Hua1Chen Haoxuan1Li Xiuju2Chen Runjing3

（1. Faculty of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China 2. State Grid Huludao Power Supply Company Huludao 125100 China 3. State Grid Dandong Power Supply Company Dandong 118000 China）

DC-side fault identification is the major scientific issue that needs to be solved urgently for multi-terminal DC transmission (MTDC) system based on modular multilevel converter(MMC). This paper proposed a fault identification method based on the single-ended transient energy by analyzing the boundary characteristic and inter-pole coupling characteristic of the DC line.The fault line selection criterion was constructed by the transient characteristic of the internal fault and external fault and the directional element. And the bus fault identification criterion was achieved by the directional element of the bus-connected lines and the transient characteristic of AC-side fault.Then, the fault pole discrimination criterion was designed by the low-frequency current difference between two poles. The proposed method could quickly identify the DC-side fault without communication, which could satisfy the speed and selectivity requirement of the MMC-MTDC system. At last, the Zhangbei four-port flexible DC system is built in PSCAD and the accuracy of the proposed method is verified by simulation results of different fault type, fault location and transition resistance, as well as proving that the method has certain ability resisting transition resistance.

Fault identification, modular multilevel converter, multi-terminal direct current transmission, transient energy, directional element

TM721

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191704

国家自然科学基金（51974151, 71771111）和辽宁省重点实验室基金（LJZS003）资助项目。

2019-12-06

2020-03-12

付 华 女，1962年生，博士，教授，研究方向为电力系统故障辨识。E-mail：fxfuhua@163.com

陈浩轩 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为电力系统故障辨识。E-mail：307498701@qq.com（通信作者）

（编辑 赫蕾）