交流继电保护动作性能在多馈入直流系统中适应性仿真分析

李 宽，刘 震，牛健飞，李晨昊，李 娜

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司威海供电公司，山东 威海 264200；3.国网山东省电力公司滨州供电公司，山东 滨州 256600）

0 引言

在交直流混联电网中，交流继电保护与直流控制保护之间相互影响、相互耦合［1-3］。交流继电保护的动作行为决定着交流电气量的变化过程以及系统能否稳定过渡，从而影响到直流系统的控制策略以及能否正常换相；直流系统的控制保护行为决定着其等效的输出故障特性，从而可能影响到交流保护的动作性能。开展多馈入直流系统的交直流继电保护交互机理研究有助于梳理多直流落点系统中交流保护与直流控制保护之间的相互影响程度及相关影响因素，为交流保护的优化策略研究提供支撑，从而保障多馈入直流接入下的交直流混联电网的安全稳定运行［4-7］。

山东电网是典型的特高压交直流混联大系统，但对于多馈入直流输电系统中交流继电保护适应性相关研究较少。鉴于此，提出研究多馈入直流输电系统背景下交直流互联大电网系统中的保护问题，重点分析了多馈入交直流混联大电网工况下交流继电保护动作特性，重点考察直流换相失败期间交流发生线路故障的双重故障情况下交流继电保护的动作性能。

基于PSCAD/EMTDC 软件搭建沂南、广固、胶东三个直流输电模型及其1 000 kV 交流线路模型、换流站周边三至四层500 kV交流线路模型，其余500 kV、220 kV 等交流线路等值［8-10］。通过仿真分析论证多馈入直流输电系统中，交流线路差动保护动作性能［11-12］、距离保护动作性能［13-14］和零负序方向元件动作性能［15］。

1 交流继电保护元件模型建立

建立交流继电保护元件模型，输入数据均为仿真的故障录波文件，录波格式为Comtrade，录波采样频率为1.2 kHz；模型的输出为各保护元件的计算结果，以图形形式输出。

1.1 零序、负序方向元件建模

零序方向元件是基于故障后电流电压零序分量的相位关系进行故障点方向判别的元件，用于有零序电流的不对称故障检测［16-17］。该方向元件有一灵敏角，当零序电压超前零序电流的角度在灵敏角±90°范围内时，认为是反方向，反之认为是正方向，其动作特性如图1所示。

图1 零序方向动作特性

根据零序分量角度差范围识别，建立零序方向元件模型，零序方向为正方向时计算公式为

负序功率方向元件的原理与零序功率方向元件类似，由负序功率的正负判别故障方向，用于有负序电流的不对称故障的方向判别，负序正方向计算公式为

正方向短路时，零序电压超前于零序电流-100°，该角度满足动作方程且距两个边界最远，所以方向继电器动作最灵敏；反方向短路时，零序电压超前于零序电流80°，该角度不满足动作方程且距两个边界最远，所以方向继电器最可靠不动作。

1.2 距离元件建模

距离元件是线路保护中最常用的元件之一。单侧的距离元件可构成后备距离保护，通过通道配合的双端距离元件可以构成纵联主保护［18-19］。

距离元件根据故障后测量阻抗的大小和角度判别故障点位置。对于相间短路，测量阻抗公式为

式中：φ、φ′为相序，代表A、B、C三相，且φ≠φ′；Zk为测量阻抗；Uφφ′和Iφφ′分别为故障点相间电压和相间电流。

对于单相接地故障，测量阻抗公式为

式中：h为线路零序补偿系数，由输电线路的零序阻抗和正序阻抗决定；Uφ、Iφ分别为故障相电压和电流；I0为零序电流。

对于金属性故障，公式（4）能够正确测量故障点到保护安装点的距离（阻抗），实际故障时须考虑过渡电阻的影响。

实际继电保护装置中，距离继电器的动作范围一般为一个圆或其他封闭曲线，如常用的方向圆动作特性为

式中：Zset为距离整定值。

式（5）对应的动作特性如图2所示。

图2 方向圆阻抗距离继电器动作特性

实际继电保护装置中，并不直接计算测量阻抗Zk，而是将阻抗值的比较转换为等效的电压比较，具体实现方法又包括幅值比较和相位比较两种方式。

为直观显示距离元件所受的影响，距离保护元件模型采用直接计算测量阻抗的方式，且假设动作特性为图2所示的方向圆，通过观察测量阻抗是否在动作圆内判断距离元件是否动作。

1.3 纵联电流差动元件建模

电流差动保护基于基尔霍夫电流定律，原理简单，动作可靠，是超、特高压输电线路常用的主保护。差动保护实际应用中又包括稳态分相差动保护、零序差动保护和变化量分相差动保护三种，三者相互配合，能够保证不同故障类型下均能可靠动作［20］。

稳态分相差动元件的动作方程为

式中：ICDφ为差动电流，ICDφ=，即为两侧电流矢量和的幅值；IRφ为制动电流，IRφ=，即为两侧电流矢量差的幅值；KR1为分相稳态差动的比率制动系数，一般小于1；Imk1为分相稳态差动门槛，实际装置中门槛是浮动的。

零序差动元件的动作方程为

式中：ICD0为零序差动电流，ICD0=，即为两侧零序电流矢量和的幅值；IR0为零序制动电流，IR0=，即为两侧零序电流矢量差的幅值；KR2为零序差动的比率制动系数，一般小于1；Imk2为零序差动门槛，实际装置中门槛是浮动的。

变化量分相差动元件的动作方程为

式中：ΔICDφ为变化量差流，ΔICDφ=，即为两侧电流变化量矢量和的幅值；ΔIRφ为变化量制动电流，ΔIRφ=ΔIMφ+ΔINφ，即为两侧电流表变化量标量和；KR3为分相变化量差动的比率制动系数，一般小于1；Imk3为分相变化量差动门槛，实际装置中门槛是浮动的。

2 差动保护动作适应性分析

2.1 单交流系统故障工况

在山东电网特高压交流线路1 000 kV 沂南—高乡上设置短路故障，分别在距离沂南站侧10%位置设置A 相短路故障和距离沂南站侧50%位置设置BC相间短路故障，故障仿真分别如图3和图4所示。

图3 沂南—高乡发生A相接地故障沂南侧差动动作特性

图4 沂南—高乡发生BC相短路故障沂南侧差动动作特性

图中IR为制动电流，ID为差动电流。发生A相接地故障时，A 相差动、零序差动可靠动作，B、C相差动可靠不动作；发生BC 两相短路时，B、C 相差动可靠动作。

2.2 直流换相失败+交流系统故障工况

设置故障类型为沂南换流站稳定运行至14.94 s时刻极Ⅰ高端换流阀（500 kV）发生脉冲丢失故障，脉冲丢失持续时间120 ms；然后在15 s时刻于沂南—密州输电线路距离沂南侧20%处设置C 相金属性接地故障，故障时间0.1 s。故障仿真如图5所示。

图5 沂南—密州线差动动作特性

由图5可知，单相接地故障时，故障相的差动电流远大于制动电流，零序差动电流远大于制动电流，故障相的稳态相差和零差保护均能可靠灵敏动作；从非故障相的制动电流中能看到明显的波动，说明换流站脉冲丢失导致交流线路的短路电流中产生了较大的谐波。

3 距离保护动作适应性分析

3.1 单交流系统故障工况

仅考察距离Ⅰ段的动作特性，动作特性采用方向圆特性。其中沂南侧保护相关定值为：线路正序阻抗定值4.3 Ω，接地距离Ⅰ段定值2.1 Ω，相间距离Ⅰ段定值3.4 Ω。在山东电网特高压交流线路1 000 kV沂南—高乡上设置短路故障，分别在距离沂南站侧10%位置设置A相短路故障和距离沂南站侧50%位置设置BC相间短路故障，故障仿真分别如图6和图7所示。

图6 沂南—高乡发生A相接地故障沂南侧距离保护动作特性

图7 沂南—高乡发生BC两相短路沂南侧距离动作特性

由如6 可知，沂南侧10%处A 相接地故障时，A相接地距离元件可靠进入动作圆内，B、C 相接地距离元件及相间距离元件均远离动作圆，距离保护动作特性满足要求。

由图7可知，沂南侧50%处BC相间短路故障时，BC 相间距离元件可靠进入动作圆内，AB、CA 相间距离元件及接地距离元件均远离动作圆，距离保护动作特性满足要求。

3.2 直流换相失败+交流系统故障工况

设置故障类型为沂南换流站稳定运行至15.025 s时刻极Ⅰ高端换流阀（500 kV）发生脉冲丢失故障，脉冲丢失持续时间120 ms；然后在15 s 时刻于沂南—密州输电线路距离沂南侧20%处设置B 相金属性接地故障，故障时间0.1 s。故障仿真如图8所示。

图8 沂南—密州线沂南侧距离保护动作特性

由图8 可知，接地距离动作特性中可看出线路20%处单相接地故障时，故障相测量阻抗能够可靠进入动作圆，非故障相测量阻抗远离动作圆，距离保护可靠动作。

4 零负序方向元件动作适应性分析

4.1 单交流系统故障工况

在山东电网特高压交流线路1 000 kV 沂南—高乡上设置短路故障，分别在距离沂南站侧10%位置设置A相短路故障和距离沂南站侧50%位置设置BC相间短路故障，故障仿真分别如图9和图10所示。

图9 沂南—高乡发生A相接地故障沂南侧零负序方向元件动作特性

由图9 和图10 可知，区内单相接地故障零、负序方向元件均能灵敏可靠地判断为正方向，两相短路负序方向元件也能正确动作。

4.2 直流换相失败+交流系统故障工况

设置故障类型为沂南换流站稳定运行至14.94 s时刻极Ⅰ高端换流阀（500 kV）发生脉冲丢失故障，脉冲丢失持续时间120 ms；然后在15 s 时刻于沂南—密州输电线路距离沂南侧20%处设置C 相金属性接地故障，故障时间0.1 s。故障仿真如图11所示。

图11 沂南—密州线沂南侧零负序方向元件动作特性

从图11 仿真结果中可以看出，零负序方向元件均在正方向故障动作区内，且具有足够的灵敏度。

5 结语

在发生单交流系统故障时，仿真分析表明，差动保护在不同故障情况下的制动特性不受影响，区内故障均能灵敏可靠动作；距离保护在不同故障情况下接地距离元件、相间距离元件的动作行为均正确；零序、负序方向元件的可靠性不受影响，能够正确判断正、反方向故障。

在发生直流换相失败和交流系统故障时，换流阀换相失败会造成交流侧短路电流波形的畸变，但仿真结果表明，差动保护、距离保护、零负序方向元件的动作特性不受直流换相失败影响。