基于双电压互感器的DPFC 线路距离保护新方法

曹建伟，黄志华，张新雨，刘 莹，张 磊，李 斌

（1.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，湖州 313000；2.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

电网互联致使我国电网运行特性日趋复杂，新能源发电的快速发展大大增加了潮流的控制难度，线路中功率阻塞和双向潮流的问题日益突显。由于电力电子技术的发展，柔性交流输电系统FACTS（flexible alternative current transmission system）被提出，其通过在电网中加入电力电子器件来改变电路结构和电气参数，提高交流系统的传输能力，增强稳定性[1-3]。统一潮流控制器UPFC（unified power flow controller）是当下功能最强大的潮流控制器。为了更加灵活快速地控制系统潮流，分布式潮流控制器DPFC（distributed power flow controller）因具有可分布式安装、成本低等优点在2007年由荷兰的Yuan 等[4]提出，其去除了UPFC 中用以交换有功功率的并串联侧换流器之间的公共直流电容。目前，国内外针对DPFC 接入电网的研究的主要方向为DPFC接入系统的潮流计算模型[5-6]、DPFC最优安装地点和最佳容量[7-9]及DPFC 的控制策略[10-11]，然而针对DPFC接入对输电线路对继电保护的影响及相应改进方案的研究较少。

DPFC串联侧模块接入影响了输电线路阻抗分布的连续性，文献[12]基于线路R-L串联模型，引入误差权重矩阵，增强了计算串补线路阻抗的稳定性。文献[13]基于小波包熵的改进，对静止同步串联补偿器所在线路保护的暂态电流进行分析，提出一种识别故障位置的方法并对距离保护的测量值调整。DPFC 接入输电线路后与UPFC 接入线路后一致，均可改变线路参数，对继电保护产生影响。文献[14-16]指出UPFC 接入会改变测量阻抗，与故障位置、短路类型等因素有关，进而影响距离保护的正确动作。文献[17]分析了UPFC 接入后对工频变化量方向保护的影响，由于故障后UPFC 被快速隔离，在发生反向故障时会引起距离保护误动。针对这些影响，许多文献已经给出了解决方法，例如改变控制方式、利用人工神经网络进行预测等。文献[18]提出将人工神经网络应用在故障期间，基于人工神经网络的方法产生故障下的跳闸边界，从而减小UPFC 接入的影响。文献[19]中研究一种新的距离保护方法，新型距离保护I 段故障点到保护安装位置的距离可利用R-L微分方程算法得到，与常规距离保护Ⅱ段、Ⅲ段配合以确使保护动作的正确性，利用保护安装处到故障点距离的计算结果及结果的波动大小对区内故障和区外故障进行有效区分。文献[20]提出了基于模糊逻辑的正序故障分量方向元件，对传统方向元件的动作区域进行划分，根据方向元件正序故障分量阻抗相角的落入区域，计算对应隶属度和权重，利用综合隶属度来实现故障方向的判别。

本文首先对DPFC接入输电线路后对工频变化量方向保护及测量阻抗的影响进行分析，得到方向判别不准确和测量阻抗计算不准确的原因。为此，增加1 个电压互感器，利用测得的DPFC 线路侧电压、母线侧电压及线路电流，综合来进行故障方向判别及区内外故障识别。本文提出利用母线侧电压与线路电流计算工频变化量阻抗来进行故障方向判别，利用线路侧电压与线路电流计算测量阻抗进行区内外故障识别，有效解决了单一电压互感器无法兼顾故障方向判别及区内外故障识别的问题。

1 DPFC 的基本原理

DPFC由并联侧换流器、多个串联换流器及输电线路组成。线路两端需要采用星角接线变压器。图1 给出了DPFC 的拓扑结构，其中三相换流器VSC1和单相换流器VSC2组成了并联侧的换流器，通过公共直流电容器连接。VSC1经由变压器连接到电网的交流侧，吸收有功功率，保持公共直流电容的电压值。VSC2一端连接到线路首端变压器的星侧中性点，逆变产生3次谐波电流经中性点流入输电线路。3次谐波电流被连接到线路末端变压器的角侧阻断，并流过末端变压器的星侧中性点连接到大地，从而形成回路，不会流入外部系统。这确保了并联侧与串联侧换流器之间能量交换的稳定性。

DPFC串联侧换流器由多个单相换流器串联组成，可在输电线路上分布悬挂。为获得有功支持，换流器吸收输电线路上的3次谐波功率，根据电网要求，产生基频电压来对线路潮流进行调节。串联侧换流器利用分布式静止串联补偿器DSSC（distributed static series compensator）的特点，由多个分布式的单相换流器构成，配置灵活，可靠性较高。DPFC 串联侧换流器可以从线路中的3次谐波电流获取能量，确保串联模块直流电容电压稳定，并且生成幅值和相位可变化的基频交流电压，从而调节线路潮流。

设为线路某点处的母线电压，为DPFC串联侧换流器输出到线路中的电压。基于DPFC串联侧电压幅值相角的不同情形，DPFC 主要具备电压调节、相角调节、阻抗补偿、综合调节4 种功能，进而可以改变线路电压的幅值、相角及线路的潮流，调节功能如图2所示。

图2 DPFC 的调节功能Fig.2 Adjustment function of DPFC

当DPFC 正常工作时，网络中包含基频与3 次谐波2个频率的分量，可将其等效为可控电压源[4]，并联侧与串联侧都有两种频率的电压源，代表基频与3次谐波，其等效电路如图3所示。

图3 DPFC 接入输电线路的等效电路Fig.3 Equivalent circuit of transmission line connected with DPFC

串联侧换流器是多个换流器串联，因此可以用1个同频率的串联侧可控电压源来代替同一频率的

多组等效电压源。线路首末两端电压分别为和，并联侧换流器等效的基频和3次谐波电压源分别为，并联侧变压器等效电抗为Xsh，串联侧换流器等效的基频和3 次谐波电压源分别为，X为线路电抗。

不同谐波频率下产生的有功功率相互独立[21]，因此基频与3 次谐波的有功功率彼此独立。将等效电路分为工频分量网络与3次谐波分量网络，两个网络相互独立。3次谐波分量网络主要为串联侧换流器提供有功功率，而调节线路潮流是在工频分量网络中进行。在基于工频量的交流线路保护中，通过傅里叶滤波得到工频分量，3 次谐波对于工频交流保护测量的电气信息没有影响，因此考虑对线路保护的影响时将3 次谐波回路省略，只考虑DPFC串联侧基频换流器的调节作用。

图4 给出了DPFC 接入的工频等效电路，其中ZT为DPFC 串联侧单匝变压器的等效漏抗，为串联侧输出电压，分别为送端、受端系统等值电势，ZM、ZN分别为系统等值阻抗，为并联支路电流，为线路电流，ZL为线路阻抗。

图4 DPFC 接入的工频等效电路Fig.4 Power-frequency equivalent circuit with DPFC integration

2 DPFC 接入线路的故障分析

2.1 传统工频变化量方向保护元件

工频变化量方向保护元件利用电压故障分量与电流故障分量中的工频分量，计算得到工频变化量阻抗，运用其相角对故障方向进行判别。

图5 简化电力系统的故障附加网络Fig.5 Fault additional network of simplified power system

当线路发生正方向故障时，即图5 中f1点处故障时，其工频变化量阻抗ΔZ可计算得到，即

从式（1）可以看出，正向故障时保护安装处的工频变化量阻抗为M侧系统阻抗的相反数。

当线路发生反向故障时，即图5中f2点处故障时，其工频变化量阻抗ΔZ可计算得到，即

从式（2）可以看出，反向故障时保护安装处的工频变化量阻抗为线路阻抗ZL与N侧系统阻抗ZN之和。

假设系统阻抗与线路阻抗的阻抗角相等且均为φ，则正方向故障时保护处的工频变化量阻抗相角为φ+180°，反方向故障时保护处的工频变化量阻抗相角为φ。因此，可以得到正、反方向故障判据如下。

式中，φsen为最大灵敏角，当φsen=φ时，继电器动作最灵敏。

2.2 DPFC 接入对工频变化量方向保护的影响

由于DPFC的接入改变了输电线路的阻抗分布，距离保护处的测量阻抗也会受到影响。线路故障后，DPFC本体保护动作，使得DPFC串联侧模块被旁路，此时DPFC串联侧模块对线路保护不产生影响。但是，若DPFC 本体保护未动作，即DPFC 串联侧模块仍串联在线路中，则可能对线路保护产生影响。

如图5 中的简化电力系统所示，其中各元件的阻抗角基本相等，因此利用工频变化量阻抗的相角可以正确判别故障方向。但是，DPFC 等电力电子装置接入线路后，由于其串联侧与并联侧支路的阻抗形式无法具体确定，因此不能直接得到工频变化量阻抗。利用工频变化量的提取算法，可计算得到保护安装处的工频变化量阻抗为

DPFC串联侧换流器模块接入对线路保护的影响程度与电压互感器的安装位置也有关，通过选取合适的安装位置来减小DPFC接入的影响。这里选取两个位置分别配置电压互感器，在DPFC 串联侧模块接入处，即在母线侧配置电压互感器TV1（图4中位置1）；在DPFC串联侧模块出口处，即在线路侧配置电压互感器TV2（图4中位置2）。针对这两个位置分别讨论DPFC接入线路后对线路保护的影响。

2.2.1 电压互感器安装在位置1

对于位置1 处（即DPFC 串联侧模块接入处），分析发生正向故障和反向故障时DPFC接入对工频变化量方向保护的影响，为位置1处的电压。

1）正向故障

对于位置1所在线路发生正向故障时，故障位置如图4点f1所示。设分别为正向故障后DPFC串联侧模块等效输出电压与DPFC 并联支路电流，分别为正向故障后位置1处的电压与线路电流。

正常运行时可得

发生正向故障时可得

由式（8）可得，位置1处的工频变化量阻抗为

在故障发生后，由于并联侧换流器仍以静止同步补偿器方式运行，不提供短路电流，因此DPFC并联支路电流变化量幅值远远小于故障电流变化量幅值，则式（9）可近似为

因此，在正向故障时，位置1 处的工频变化量阻抗近似为M侧系统阻抗的相反数，可正确识别正方向故障。

2）反向故障

对于位置1 所在线路发生反向故障时，故障位置如图4 点f2所示。设为反向故障后DPFC 串联侧模块等效输出电压，分别为反向故障后位置1处的电压与线路电流。

式中：ZΣ=ZN+ZL+ZT；Zse为DPFC串联侧模块对工频变化量阻抗产生的影响。由式（14）可知，反向故障时工频变化量阻抗受DPFC串联侧模块等效阻抗的影响，当Zse为容性且|Zse|＞ |ZΣ|时，可能会导致其故障方向判别不正确。

综上所述，位置1 处安装电压互感器可正确判别正向故障，对于反向故障判别有一定的不确定性。

2.2.2 电压互感器安装在位置2

对于位置2（即DPFC 串联侧模块出口处），分析发生正向故障和反向故障时DPFC接入对工频变化量方向保护的影响，为位置2处的电压。

1）正向故障

对于位置2所在线路发生正向故障时，故障位置如图4点f1所示。设为正向故障后位置2处的电压。与电压互感器安装在位置1的推导过程类似。

正常运行时可得

发生正向故障时可得

利用工频变化量的定义，式（16）减式（15）可得

由式（18）可以看出，当DPFC 串联侧模块等效阻抗呈容性且|Zse|＞|ZM+ZT|时，工频变化量阻抗会呈现感性，使得方向判别错误。在实际运行中，系统阻抗ZM的感性阻抗大小并不确定，而ZT的感性阻抗不是很大。因此，线路在发生正向故障时，位置2处可能会判断不正确。

2）反向故障

对于位置2所在线路发生反向故障时，故障位置如图4点f2所示。设为反向故障后DPFC串联侧模块等效输出电压，为反向故障后位置2处的电压。

由式（21）可得，位置2处的工频变化量阻抗为

由式（22）可知，在反向故障时，位置2 处的工频变化量阻抗为线路阻抗与N侧系统阻抗之和，可正确识别反方向故障。

综上所述，位置2 处安装电压互感器可以正确判别反方向故障，而对于正方向故障判断不准确。

2.3 DPFC 接入对距离保护的影响

当线路发生故障时，若DPFC本体保护未动作，则DPFC串联侧模块仍然串联在线路中，由于DPFC串联侧模块的等效阻抗可能呈感性或容性，从而使得测量阻抗的大小发生变化，进而引起距离保护的拒动或误动。设l为故障点至保护安装点之间的距离，Z1为单位长度线路的正序阻抗。

对于位置1（即DPFC 串联侧模块接入处），分析DPFC接入线路对距离保护的影响。线路发生正向故障时，故障位置如图4点f1所示，以三相短路故障为例，位置1测得的阻抗为

由以上推导可知，由于DPFC 串联侧模块接入后产生的等效阻抗影响了输电线路的参数，位置1处的测量阻抗产生1个增量误差，误差大小会受串联侧变压器漏抗与串联侧换流器输出电压的影响，因此可能引起距离保护拒动或误动。

对于位置2（即DPFC 串联侧模块出口处），分析DPFC接入线路对距离保护的影响。线路发生正向故障时，故障位置如图4点f1所示，以三相短路故障为例，位置2测得的阻抗为

由以上推导可知，位置2 处测得的距离阻抗与传统距离保护的测量阻抗没有区别，DPFC 串联侧模块对测量阻抗没有影响。

综上所述，若电压互感器安装在DPFC 串联侧模块接入处，则DPFC 串联侧模块会影响距离保护动作的正确性；若电压互感器安装在DPFC 串联侧模块出口处，则线路发生正向故障时故障回路不包含DPFC串联侧模块，即不影响距离保护动作。

3 含DPFC 线路的保护判别新方法

针对第2 节分析的问题，由工频变化量方向元件可知，位置1 处可正确判别正向故障，对于反向故障判断有一定的不确定性。由于故障回路中包括DPFC 串联侧模块，会改变原有等值阻抗，位置1处计算得到的测量阻抗受DPFC串联侧模块等效阻抗的影响。位置2可以正确判别反方向故障，由于系统阻抗大小不确定，因而对于正方向故障判断可能不准确，但正方向故障时故障回路中不包括DPFC串联侧模块，对测量阻抗可以计算准确。

单一电压互感器无法兼顾故障方向判断正确与测量阻抗计算准确，因此需要同时利用位置1 和位置2 两处的电气量来进行保护的判断。本文增加1 个电压互感器，在DPFC 串联侧模块接入处配置的母线侧电压互感器TV1（即图4位置1），DPFC串联侧模块出口处配置电压互感器TV2（即图4位置2），并配置线路电流互感器TA，共同组成保护元件。

通过对位置1 分析可知，利用工频变化量阻抗可正确判别正向故障，但对于反向故障判断有一定的不确定性。由式（14）可知，当DPFC 串联侧模块等效阻抗呈容性且其幅值大于线路阻抗与系统阻抗之和的幅值时，方向元件会误判为正向故障。然而，输电线路呈感性阻抗，DPFC接入会改变输电线路等效阻抗，但不会颠覆性地将线路由感性调整为容性。参考南京220 kV 西环网统一潮流控制器工程，对于220 kV电压等级的输电线路，UPFC串联侧换流器输出电压最大可达20 kV 左右。DPFC 与UPFC具有相同的调节功能，从UPFC类比来看，DPFC 串联侧换流器输出电压最大可达20 kV 左右。在这种情况下，式（14）中由于DPFC 串联侧模块的接入而引起的阻抗增量Zse，虽其阻抗值可能呈容性，但由于线路阻抗值已知且很大，则|Zse|＜ |ZL|。系统阻抗值ZN虽是未知量，但其呈感性，因此|Zse|＜|ZL+ZN|，即Zse并未改变工频变化量阻抗的感性性质，因此位置1处可正确判别反向故障。利用位置1 进行故障方向的判别，不依赖于系统阻抗，只需考虑与线路阻抗的关系。

综合利用TV1与TV2两处位置的信息，在进行方向判别时，利用TV1与TA 计算工频变化量阻抗，通过对其阻抗角的判别来识别正反向故障。若识别为反向故障，则此时保护装置不需要计算测量阻抗，距离保护不需要动作。若识别为正向故障，则利用TV2与TA 进行测量阻抗的计算，此时计算值与传统距离保护的测量阻抗相同，区内外故障的判别方法与传统距离保护判据相同。保护流程如图6所示。

图6 保护流程Fig.6 Flow chart of protection

4 仿真验证

4.1 仿真模型

在基于工频量的交流线路保护中，通过傅里叶滤波可以得到工频分量，3 次谐波对于工频交流保护测量的电气信息没有影响，因此在简化建模中将3 次谐波回路省略，只考虑DPFC 串联侧换流器模块的调节作用。在PSCAD/EMTDC 软件中搭建DPFC 仿真模型，并联侧三相换流器采用三相MMC 换流器，串联侧将换流器等效为基频可控电压源与漏抗串联的形式，电压源的幅值和相角决定了调节功率的效果，漏抗为串联侧单匝变压器等效漏抗。其简化等效电路如图4所示。送端、受端系统等值电势分别为230 kV∠0°、230 kV∠-25°，系统阻抗ZM与ZN分别为1.15+j16.45 Ω、0.34+j6.45 Ω，等值阻抗角均为87°。并联侧变压器变比为220 kV/20 kV，容量为60 MV·A，单匝变压器的等效漏抗ZT为1 Ω。线路参数为0.012 1+j0.244 5 Ω/km。

根据仿真模型参数可确定线路阻抗角为87°，则正向、反向故障判据分别为

4.2 正方向故障

在基于工频量的交流线路保护中，根据图6 所示的保护流程，可先利用位置1处电压互感器来计算工频变化量阻抗，从而进行故障方向判别。若方向判别为正向故障，则再利用位置2处的电压互感器来进行测量阻抗的计算，从而进行区内和区外的故障识别。假设线路发生正向故障，则在不同故障类型下位置1处的工频变化量阻抗及其相角、位置2 处的测量阻抗、故障方向与区内外故障判别如表1 所示。其中仿真模型中线路总长度为200 km，设距离Ⅰ段保护线路全长的80%，则距离Ⅰ段整定阻抗值为1.94+j39.12 Ω。

由表1 中数据可知，线路发生正向故障时，位置1 处工频变化量阻抗约为M 侧系统阻抗值的相反数，其相角均位于-190°～-10°之间，满足正方向动作判据，即位置1处可正确判别方向。然后再利用位置2处电压互感器进行测量阻抗的计算，由表1中数据可知，在各类型故障情况下，都可以正确计算得到测量阻抗，即DPFC 串联侧换流器的等效阻抗不会产生影响，可正确判别区内外故障，距离保护不会拒动或误动。

表1 正向故障时的仿真结果Tab.1 Simulation results under forward faults

4.3 反方向故障

假设线路发生反向故障，此时只需利用位置1判别出反方向故障，不需要再进行测量阻抗的计算。表2～表4 为线路总长度L分别为200 km、100 km、50 km时线路发生反向故障的仿真结果。

表2 反向故障时的仿真结果（L=200 km）Tab.2 Simulation results under reverse faults（L=200 km）

表3 反向故障时的仿真结果（L=100 km）Tab.3 Simulation results under reverse faults（L=100 km）

通过仿真验证可知，位置1处利用工频变化量阻抗相角可以正确判别故障方向。若判别故障方向为正向，则再利用位置2即可正确计算测量阻抗。

5 结论

本文针对DPFC 接入输电线路后，单一电压互感器无法兼顾故障方向判别及区内外故障识别的问题，提出了增加1个电压互感器并基于线路侧及母线侧两处位置的电气量进行保护判别的方法。主要结论如下。

（1）在DPFC串联侧模块接入处，即在母线侧配置电压互感器，利用工频变化量方向元件可知，此位置可正确判别故障方向，但计算得到的测量阻抗受DPFC 串联侧模块等效阻抗的影响。在DPFC 串联侧模块出口处，即在线路侧配置电压互感器，此位置可以正确判别反方向故障，但由于系统阻抗大小不确定，使其对于正方向故障判断不准确。正方向故障时故障回路中不包括DPFC 串联侧模块，对测量阻抗可以计算准确。

（2）在原有单一电压互感器与线路电流互感器的基础上增加1 个电压互感器，利用测得的DPFC线路侧电压、母线侧电压及线路电流，通过母线侧电压与线路电流计算工频变化量阻抗来进行故障方向判别，通过线路侧电压与线路电流计算测量阻抗进行区内外故障识别，从而达到准确判别故障方向及区内外故障识别的目的。