基于站域信息的整流站100 Hz保护优化方案

许婷苇，赵丽平，林 圣，叶 烨

(1.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 611756；2.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

随着交直流输电及其联网技术的发展，电网逐步形成交直流深度耦合的格局，带来了复杂的故障暂态特性，也给基于单一量测量信息的继电保护带来了严重影响[1-3]。

在一些可能会导致阀的触发异常的故障发生时，如交流系统不对称故障、阀故障、阀基电子设备故障时,直流线路电流中会出现100 Hz分量，引起100 Hz保护动作，导致直流系统降功率运行甚至闭锁。已有研究指出，交流系统不对称故障期间，若能维持阀的正常换相，100 Hz保护不动作有利于系统稳定[4]。但按照目前实际工程中的保护策略及整定方式还不能区分两类故障，可能会带来因交流系统不对称故障导致不必要的直流闭锁。例如，在天广直流“6·23事故”中，交流线路故障导致直流系统100 Hz分量增大，进而导致100 Hz保护误动作，高压直流输电系统误停运[5]。

由于交直流混联系统的相互影响，导致基于单一量测量的保护的响应存在一定的盲目性[6]。如交流系统不对称故障时，会在交流侧产生负序分量，经换流器传变后在直流侧产生100 Hz分量，从而可能引起直流100 Hz保护误动作。若此情况下，将交流侧测量信息与直流侧测量信息进行关联分析，则可准确识别出故障区域，从而避免100 Hz保护误动作。

下面分析了交流不对称故障导致100 Hz保护误动作原因，在此基础上，提出了故障区域识别方案。仿真结果表明，所提方案不受故障类型、故障位置、过渡电阻、故障初始角以及噪声干扰的影响。

1 100 Hz保护误动机理分析

1.1 整流站交直流区域故障分布

整流站交直流区域故障分布如图1所示，以换流变压器与换流器的连接线为界，将整流站划分为整流站直流区域与交流区域。图中：L1—Ln为整流站区外n条送电交流线路；S1—Sn分别为远端的等效送电交流电源；f1-Lh和f2为整流站交流区域故障；f3和f4为整流站直流区域故障。

图1 整流站交直流区域故障分布

1.2 交流不对称故障导致100 Hz保护误动原因

近年来，工程现场曾出现由于交流不对称故障导致直流100 Hz保护误动作而闭锁直流系统的事件，对直流系统的正常稳定运行带来严重的影响。为避免在交流系统不对称故障期间100 Hz谐波保护误动作，首先应着手于其误动作的机理，即分析交流不对称故障导致直流侧100 Hz谐波分量增加的原因，从而提出对应的解决措施。

交流不对称故障使得交流母线处基频负序分量增加[7]，以下分析了换流器对交直流侧谐波的传变作用，阐述交流不对称故障导致100 Hz保护误动的机理。基于调制理论，使用换流器开关函数模型，以模拟换流器的非线性过程，从而得到交流电气量经换流器变换后的直流电气量。

直流场的电压可由式(1)表示。

udc=uaSua+ubSub+ucSuc

(1)

式中：ua、ub、uc分别为三相交流电压瞬时值；udc为直流电压瞬时值；Sua、Sub、Suc为三相电压开关函数。开关函数可由式(2)表示。

(2)

式中，ω1=50 Hz。

当交流场三相电压不对称时，可将三相不对称电压经序分量分解为

(3)

式中，m为谐波次数。

将式(2)、式(3)代入式(1)可得

(4)

式(4)代表交流场谐波电压经换流器传变后对应的直流场谐波电压。

由式(4)可得，直流侧100 Hz谐波电压为

(5)

由式(5)可得，交流场负序基频电压和正序3次谐波电压将在直流场传变出100 Hz分量，且由于负序基频电压幅值较大而起主要作用。

综上，交流侧发生不对称短路故障时，交流场负序基频电压与直流场100 Hz分量呈正相关，是造成直流100 Hz保护误动的原因。因此，为了辨识是由于交流侧发生不对称短路故障产生的100 Hz谐波电流，可通过引入交流母线处负序基频电压，并判断其与直流二次谐波电压的相关程度，形成基于站域信息的直流100 Hz保护优化方案。

2 故障区域识别方案

2.1 故障区域识别判据

引入R表示交流场负序基频电压与直流场100 Hz分量的相关度系数。

(6)

当交流区域发生不对称故障时，换流母线负序分量增加，经换流器的传变作用后在直流侧产生100 Hz分量，换流母线负序电压与直流100 Hz分量相关性高，波形形态相近，由式(6)可知R较小；当直流区域故障时，直流100 Hz分量是由于三相开关函数波形不对称所引起的[9]，换流母线负序分量与直流100 Hz分量相关性低，R较大。因此，判断R

2.2 启动判据

保护算法启动步骤采用电压故障分量启动元件来实现[8]，其对故障检测的原理为

max(|ΔuA|,|ΔuB|,|ΔuC|)>Δuset

(7)

式中：ΔuA、ΔuB与ΔuC分别为交流母线三相电压所对应的故障分量；Δuset为保护算法启动门槛值，通常为0.01～0.1倍算法启动时刻所用电压的额定值。将保护算法启动时刻定义为交流母线电压故障分量最大值大于算法启动门槛值的时刻。

3 仿真验证与分析

3.1 仿真模型与参数

在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建送端连接有3条交流线路的±800 kV交直流系统仿真模型，模型中3条送电交流线路L1—L3的长度分别为40 km、40 km、20 km。

3.2 典型故障仿真分析

3.2.1 整流站交流区域故障

在模型上设置交流线路L1上点f1-L1处A相发生金属性接地故障，故障位于距离换流母线20 km处，仿真图形如图2所示。

由图2中仿真结果可知，计算开始检测到故障后5 ms数据窗长内的数据，可得R=1.589 4<5，可判断出该故障为整流站交流区域故障。

图2 交流区域故障仿真波形

3.2.2 整流站直流区域故障

在模型上设置换流变压器阀侧f3处A相发生金属性接地故障，仿真图形如图3所示。

图3 直流区域故障仿真波形

由图3中仿真结果可知，计算开始检测到故障后5 ms数据窗长内的数据，可得R=48.200 2>5，可判断出该故障为整流站直流区域故障。

3.3 适应性分析

3.3.1 不同故障类型和位置下的适应性分析

为验证所提故障识别方法在不同故障类型与不同故障位置下的适应性，分别在模型上设置不同故障类型与不同故障位置的整流站交流区域与直流区域故障，并利用所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表1所示。其中：f1-L1代表交流线路L1上发生的故障，f2表示换流变压器网侧发生的故障，均为整流站交流区域故障；f3表示换流变压器阀侧故障，f4表示换流器直流侧出口故障，均为整流站直流区域故障。表中的故障位置代表f1-L1距离换流母线的距离；f1-L1、f2、f3的过渡电阻均为15 Ω，故障初始角均为0°；f4的过渡电阻为15 Ω。

表1 不同故障类型和位置下的仿真结果

根据表1结果可知，在整流站交流区域内发生不同类型和不同位置的故障时，R均小于5，可得出故障发生在交流区域，属于交流区域故障；而在直流区域不同类型的故障发生时，R均大于5，从而可得出故障发生在直流区域，属于直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，所提方法均能够准确识别。

3.3.2 不同过渡电阻下的适应性分析

为验证所提故障识别方法在不同过渡电阻下的适应性，分别在模型上设置不同过渡电阻的整流站交流区域与直流区域故障，并利用所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表2所示。以A相接地故障为例，其中f1-L1处发生的故障在距离换流母线10 km处，故障初始角均为0°。

根据表2结果可知，在整流站交流区域内发生不同过渡电阻下的故障时，R均小于5，此时判断发生的故障为整流站交流区域故障；在整流站直流区域内发生不同过渡电阻下的故障时，R均大于5，此时判断发生的故障为整流站直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，所提方法均能够准确识别。

表2 不同过渡电阻下的仿真结果

3.3.3 不同故障初始角下的适应性分析

为验证所提故障识别方法在不同故障初始角下的适应性，分别在模型上设置不同故障初始角下的整流站交流区域与直流区域故障，并利用所提算法对故障进行识别，得到的仿真结果如表3所示。以A相接地故障为例(过渡电阻设置为15 Ω)，f1-L1处发生的故障在距离换流母线10 km处。

表3 不同故障初始角下的仿真结果

根据表3结果可知，在整流站交流区域内发生不同故障初始角下的故障时，R均小于5，此时判断发生的故障为整流站交流区域故障；在整流站直流区域内发生不同故障初始角下的故障时，R均大于5，此时判断发生的故障为整流站直流区域故障。因此可知，无论故障发生于整流站交流区域还是直流区域，所提方法均能够准确识别。

3.3.4 噪声干扰下的适应性分析

为验证所提故障识别方法在噪声干扰下的适应性，在模型上设置不同程度噪声干扰下的整流站交流区域与直流区域故障，并利用所提算法对故障进行识别，以A相接地故障为例(过渡电阻设置为15 Ω)，f1-L1处发生的故障在距离换流母线10 km处，故障初始角为0°，在所得仿真数据中加入信噪比为50 dB、40 dB和30 dB的噪声。

由于所加的噪声是随机数，因此通过1000次仿真，发现当加入大于40 dB的噪声时，故障识别准确率大于97%；当加入小于40 dB的噪声时，故障识别准确率大于95%。

4 结 论

基于换流母线电压基频负序分量与直流线路电压二次谐波分量的相关系数构建了基于站域信息的整流站故障区域识别方案，通过理论分析和仿真验证，得到以下结论：

1)当整流站交流区域故障时，换流母线基频负序电压与直流线路电压二次谐波分量相关性高；而当整流站直流区域故障时，换流母线基频负序电压与直流线路电压二次谐波分量相关性低。

2)提出了基于交流母线电压基频负序分量幅值与直流线路电压二次谐波分量幅值的相关系数R的故障区域识别方法。当R小于门槛值kset时，判断发生的故障为整流站交流区域故障，否则判断故障为整流站直流区域故障。故障识别时间小于7 ms。

3)所提故障区域判别方案不受故障类型、故障位置、过渡电阻、故障初始角以及噪声干扰的影响。