电流差动保护在柔直接入的交流电网中适应性分析及改进措施研究

赖逸洋，王增平，王 彤

电流差动保护在柔直接入的交流电网中适应性分析及改进措施研究

赖逸洋，王增平，王 彤

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206)

为适应新能源规模化接入电网，柔性直流输电技术应用日益广泛，我国电网已初步成为交直流混联电网。交流系统发生故障时，柔直系统提供短路电流的特征与传统同步发电机相比发生显著变化。首先分析故障特征的变化，柔直侧由于故障电流幅值受限，且负序阻抗无穷大，导致故障电流的幅值和相角与交流侧不同。分析了输电线路电流差动保护由于区内故障时两侧电流夹角增大，导致电流差动保护的动作量减少、制动量增加，导致灵敏度下降甚至拒动。在此基础上，提出了差动保护判据的改进方案：分别利用零序电流、负序电流和正序电流突变量构成辅助判据，提高区内接地故障和相间短路时电流差动保护的灵敏度，从而提高了差动保护在含柔直接入交流电网中动作的可靠性。最后，通过仿真验证了所提方案的可行性。

柔性直流输电；差动保护；交直流混联系统；交流故障

0 引言

随着光伏、风电等新能源规模化接入电网，电力系统的波动性增加，运行方式变化大[1-4]。由于柔性直流输电具有独立控制有功无功、不存在换相失败、能提供动态无功支撑等优点，新能源经柔直接入电网，可以有效改善电力系统的运行条件。因此，基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current, MMC-HVDC)技术在我国得到快速的发展和应用[5-8]，我国电网已初步成为含柔直的交直流混联电网。柔直换流器主要由IGBT组成，惯性小，响应快，故障电流受控制策略影响。因此在接入交流系统时，会对传统的交流保护造成影响[9-12]。电流差动保护作为220~750 kV电网的主保护，有必要研究其在含柔直接入交流电网中的适应性。

目前已有研究分析了柔性直流输电系统贡献短路电流的特性和机理，提出了交直流混联系统中柔性直流输电系统贡献短路电流的数学模型和计算方法[13]。在此基础上，文献[14]提出基于柔直控制方式的等效矢量分析方法，简要分析了不同控制方式下柔直侧和交流侧故障电压、电流的相位关系。发生不对称故障时，受柔直控制策略的影响，柔直换流器向故障点馈入的短路电流中正序分量幅值受限，负序分量被抑制为零[15]。

针对柔直接入交流电网后电流差动保护的适应性，有以下研究成果。文献[16]分析了交流线路发生不对称短路时，电流差动保护在交流系统为强、弱两种情况下的动作性能，并指出交流系统越弱，差动保护灵敏性越低，甚至可能拒动。文献[17]以渝鄂柔性直流工程为背景进行分析，从故障电流幅值的角度分析了柔直接入对差动保护的影响，并指出要提高电流差动保护在含柔直的交流电网中的适应性，不能关注单一的工频相电流。文献[18]指出故障类型、功率参考值、过渡电阻和电压不平衡度等因素都会对电流差动保护的可靠性造成影响。

当前的研究热点是如何改进电流差动保护使其在含柔直接入的交流电网中仍有较高的可靠性。由于交流侧故障特性明显，令柔直侧的差动保护启动跟随交流侧差动保护启动可以提高灵敏度[14]，但该策略没有充分利用柔直侧故障电流的特征，过于依赖交流侧。针对相间短路故障和对称故障，在两侧短路电流相角差小于90°时取制动分量为零，大于90°时修改制动分量从而削减相角差带来的灵敏度降低程度，可以提高差动保护可靠性[19]。但该策略忽略了电容电流的影响，仍有待改进。也有部分研究根据不同的指标计算故障时两侧保护安装处的波形相似度，以此判别区内、外故障，如余弦相似度[20-21]、Tanimoto相似度[22]、pearson相关系数[23]等。文献[24]提出利用突变量来判别区内外故障的思路，电流突变量不受负荷电流的影响，可以使保护对故障更加敏感。

本文简要分析MMC换流器输出故障电流的幅值、相位特征，详细分析电流差动保护如何受MMC换流器控制策略影响。在此基础上，根据不同故障类型短路电流的特征，分析并寻找区内故障时线路两端有明显差别的测量值，并以此构成保护判据。本文综合利用零序电流、负序电流和正序电流突变量构成电流差动保护的辅助判据，提高电流差动保护的可靠性，并利用PSCAD/EMTDC进行仿真，以验证方案的有效性。

1 故障特性分析

1.1 柔直侧短路电流的特性

图1 含柔直的交直流混联电网

已知故障发生后，MMC换流器提供的正序电流如式(1)所示[25-26]。

为了防止故障时换流器内IGBT损坏，控制环节中会加入电流限幅环节，且该环节设定的电流幅值上限较小，一般在1.1~1.2倍额定值。为便于分析，视大部分交流故障发生时，换流器输出电流达到上限，此时MMC换流器可视为一个幅值略大于正常运行时的三相对称电流源[27]。

1.2 交流故障特性分析

在图1中，f点发生单相接地故障时(以A相接地为例分析)，分析M、N两侧保护安装处的电流。对于M侧保护安装处电流，正序分量由换流器控制策略决定，负序分量被抑制，零序电流与换流器控制策略无关，不受影响。对于N侧保护安装处电流，按照传统交流故障分析即可。对于故障点电压电流，仍然可以用复合序网图进行分析。

对于正序网络，由前文分析，MMC换流器可视为一个恒定电流源，其幅值相位可由式(1)决定。对于负序网络，由于MMC侧不提供负序电流，因此MMC侧的负序阻抗可视为无穷大。对于零序网络，其拓扑结构受接地点、变压器连接方式等影响，与MMC换流器控制策略无关。大部分情况下MMC侧的换流变压器在交流电网侧为星型接地连接，在换流阀侧为三角形连接，因此零序电流可以流通。序网图在文献[24]中已给出。

对于单相(A)接地故障，正、负、零序网络串联等效序网络如图2所示。

图2 单相接地故障等效序网络

在故障点处，有：

进而求出交流电网侧保护安装处电流为

对于两相短路接地故障电流求解类似单相接地，不再赘述。

对于三相短路，两侧故障电流均为三相对称的正序电流。其中柔直侧保护安装处电流仅由换流器提供，如式(5)所示，交流侧保护安装处电流由故障点短路电流和柔直侧保护安装处电流可以得出。

2 电流差动保护适应性分析

传统电流差动保护的动作判据为

根据前文分析，区内故障时，非故障相的电流为穿越电流，两侧保护安装处电流等大反向，差动电流为零，制动电流为最大值，差动保护可靠不动作。区外故障同理，差动保护可靠不误动。以下主要讨论区内故障时差动保护能否可靠跳开故障相。

由于故障点为唯一的零序电源，且两侧的零序阻抗均由线路的零序阻抗和变压器的零序阻抗构成，因此两侧零序电流相位同向。接地电阻较小时，如图3(a)，零序电流幅值明显大于正常运行情况下电流幅值，由式(4)，两侧保护安装处电流均主要由零序电流构成，因此两处测得电流相量相位相近，相角差必然在90°以内，因此差动电流必然大于制动电流，差动保护可以动作。

两相短路接地的分析与单相接地故障类似，本文不再赘述。

图4 相间短路故障示意图

Fig. 4 Schematic diagram of short circuit fault phase-to-phase fault

由式(5)，两相短路故障时，MMC侧保护安装处电流完全由MMC换流器提供，没有负序分量和零序分量，因此故障电流三相对称，则式(9)可表示为

因此，交流电网侧故障相电流和MMC侧非故障相电流的相量关系如图5所示，假定的初相角为0，显然和同在上半平面或下半平面。极大多数情况下，由于MMC侧没有负序电流且正序电流幅值被限制，因此交流电网侧故障相的电流大于MMC侧故障相电流，和间的夹角为钝角。若故障点距离MMC侧保护安装处足够远，如在交流侧保护安装处出口，且外部系统为强系统，提供短路电流足够大，则可以忽略的幅值，分析时可视和间的夹角为180°。不过大多数情况下虽然交流侧短路电流明显大于MMC侧短路电流，但两者差值通常在十倍以内，即(x为故障相)，因此为了分析准确，应当考虑对和的影响。

图6 相间短路时两侧保护安装处电流相量图

由上述分析可知，由于两相短路时，MMC侧保护安装处的电流完全为柔直换流器提供的三相对称电流，使得两侧保护安装处故障相电流之和在区内故障时夹角不是一定最小，导致差动电流无法可靠大于制动电流，差动保护灵敏度大大降低，甚至可能出现拒动的情况。因此，电流差动保护可靠性不足。

对于三相短路，柔直侧短路电流幅值受控制策略影响略大于正常运行状态，且电流相角和、轴电流参考值有关，与交流侧故障电流幅值相角的决定因素不同，两侧同相别短路电流必然存在相角差。当两侧同相别电流相量相角差在(0°,90°)时，差动保护不会拒动，但随着相角差增大灵敏度降低，且对于三相短路，交流侧短路电流最大，与柔直侧短路电流幅值相差也最大，因此差动电流和制动电流的幅值均与交流侧电流的幅值相近，进一步导致差动保护灵敏度降低甚至拒动。

综上所述，对于不对称接地故障，过渡电阻较小时，零序电流较大，MMC换流器控制策略对故障电流相位的影响不大，两侧保护安装处测量电流在区内故障时基本处于同方向，因此差动电流大于制动电流，电流差动保护可以动作，但灵敏度有所降低。过渡电阻较大时，零序电流减小，保护灵敏度进一步降低甚至拒动。对于相间短路故障和三相短路，由于MMC侧保护安装处电流完全由换流器提供，控制策略对其相角有极大影响，区内故障发生时故障相两侧保护安装处电流相角差可能大于90°，电流差动保护灵敏度降低甚至拒动。

3 电流差动保护优化

对于柔直接入的交流电网，由于MMC换流器控制策略的影响，采用相电流构成的差动保护灵敏度降低甚至拒动。电流差动保护灵敏度不足甚至拒动的根本原因是MMC控制策略使得线路两侧保护安装处电流相位关系受到影响，区内故障时两侧电流相量不是同向，导致差动电流不是最大值，制动电流不是最小值。

故障时的电流由负荷分量和故障分量组成。柔直侧电流的故障分量受控制策略影响，幅值很小，相角与有功、无功参考值有关，与交流侧的故障分量有明显区别。因此，本文将利用零序电流、负序电流和正序电流突变量这3种故障分量改进差动保护，使区内故障发生时，差动保护灵敏度提升。

对于接地故障，利用零序电流提高差动保护灵敏度。由于零序网络的拓扑结构不受MMC换流器控制策略影响，且不反映系统正常运行的状态，因此在含柔直的交流电网中零序电流差动保护仍可以可靠识别接地故障。

对于相间短路故障，利用负序电流提高差动保护灵敏度。发生相间短路时没有零序电流，但在柔直侧，负序电流在任何情况下被抑制为零；在交流侧，有较大的负序电流。因此对于发生区内故障的线路，两侧负序电流幅值有明显的差异，可以可靠识别相间短路故障。

对于三相短路，利用正序电流突变量提高差动保护灵敏度。发生三相短路时虽然没有负序电流和零序电流，但柔直侧电流幅值受限，接近额定电流，交流侧故障电流幅值极大，因此两侧正序电流突变量的幅值有最明显的差别，可以可靠识别三相短路故障。

在传统差动保护判据的基础上，本文增加零序电流、负序电流和正序电流突变量3个判据对电流差动保护判据进行改进，使其在柔直接入的交流电网中能可靠识别各种类型的故障。

对于接地故障，存在零序电流，增加的动作判据如式(11)所示。

对于相间短路故障，两侧保护安装处零序电流为零，式(11)不成立。若换流变压器接线方式导致交流侧不存在零序回路(如Y0/Y接线)，发生不对称接地故障时，柔直侧保护安装处零序电流为零，式(11)也不成立。因此增加如式(12)所示的利用两侧负序电流幅值之差的动作判据。

对于三相短路故障，两侧保护安装处零序电流与负序电流为零，式(11)和式(12)不成立，增加利用两侧保护安装处正序电流突变量幅值之差的动作判据，如式(14)所示。

图7为优化后的电流差动保护动作流程图。

图7 保护动作流程图

需要指出的是，判据改进后仍能进行故障选相。若是单相接地故障，两个健全相电流为穿越性电流，相电流计算的差动电流为零，唯一故障相的差动电流明显大于其他两项，可跳故障相进行重合闸。若相电流计算的差动电流仅有一相为零或均有明显数值，则为相间短路，此时直接跳三相即可，不需要选相。

4 仿真验证

在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了双端MMC-HVDC仿真系统，仿真系统结构图如图8所示。其中交流系统电压为230 kV，系统频率为50 Hz，联接变压器容量为400 MVA，变比为230 kV/210 kV，接线方式为Y/Δ接线，漏抗为0.1 p.u.，交流线路长度(K、J之间的距离)为100 km，f1点为被保护线路中点，f2、f3点分别为位于保护R1、R2正方向出口处，f4、f5点为区外故障点，位于保护R1、R2反方向出口处。

图8 仿真系统示意图

4.1 交流故障特征分析

图9为f1点发生各类型故障时，两侧短路电流中正负零序分量的含量。显然，柔直侧与交流侧故障电流中序分量含量不同：对于正序分量，柔直侧幅值受限，因此明显小于交流侧；对于负序分量，柔直侧几乎为零，交流侧在不对称故障时负序分量较大；对于零序分量，不受控制策略影响。因此区内故障时两侧故障相相角差增大，差动保护灵敏度降低甚至可能拒动，符合前文分析。

图9 不对称故障时两侧电流序分量

4.2 改进后的电流差动保护适应性分析

为验证改进后的差动保护判据可靠性，在f1—f5处分别设置不同类型故障，经仿真验证，区内故障(f1、f2、f3点)时保护可靠动作，区外故障(f4、f5点)时保护可靠不动作。限于篇幅，仅详细说明f1点得到的结果。

4.2.1接地故障

以A相接地为例，说明改进后的保护判据在发生接地故障时灵敏度提升，两相短路接地仿真结果类似，不再赘述。图10为f1点于1.5 s发生A相接地时，零序电流差动保护和A相电流差动保护的仿真结果。

图10 接地故障时保护性能

4.2.2相间短路

以BC相短路为例，说明改进后的保护判据在发生相间短路时灵敏度提升。图11为f1点于1.5 s发生BC相短路时，相电流差动保护和基于负序电流的差动保护的仿真结果。

图11 相间短路时保护性能

4.2.3三相短路

图12为f1点于1.5 s发生三相短路时，相电流差动保护和基于正序电流突变量的差动保护的仿真结果。

图12 三相短路时保护性能

由图12(a)、图12(b)和图12(c)可知，三相短路时，以A、B、C相电流计算出的动作量和制动量幅值相近，两者比值接近于1。当制动系数取值较小时，保护可正常动作，但灵敏度较低。

5 结论

本文简要推导了MMC换流器输出故障电流幅值、相位的表达式，分析了含柔直的交流电网故障序网图，在此基础上分析了传统电流差动保护的适应性，提出改进策略，并通过仿真验证。结论如下：

1) MMC换流器输出的故障电流与控制策略有关，正序分量幅值受限、负序分量被抑制为零，导致短路点两侧故障电流所含序分量不同，因此区内故障时两侧故障相电流夹角增大。

2) 区内故障时，差动保护的动作量减小，制动量增大，导致传统电流差动保护灵敏度在柔直接入的交流系统中灵敏度降低甚至拒动。

3) 本文利用零序电流、负序电流和正序电流突变量作为传统电流差动保护的补充判据，提高区内故障时保护灵敏度。优化后的差动保护在柔直接入的交流电网中具有较好的适应性，通过仿真分析也验证了新判据能可靠识别所有类型的故障，是有实际意义的。

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Adaptability analysis of current differential protection in an AC power grid with an MMC-HVDC and improvement measures

LAI Yiyang, WANG Zengping, WANG Tong

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

To adapt to the large-scale access of new energy to the power grid, an MMC-HVDC is increasingly widely used, and China's power grid has initially become an AC-DC hybrid power grid. When the AC system fails, the characteristics of short-circuit current provided by an MMC system change significantly compared with a traditional synchronous generator. First, this paper analyzes the change of fault characteristics. Because of the limited amplitude of fault current and infinite negative sequence impedance on the MMC side, the amplitude and phase of fault current are different from those on the AC side. The paper finds that when there is an increase of the current angle on both sides in the case of a fault in the transmission line, the differential current will be reduced and the braking current will be increased. Also the sensitivity of protection will be reduced or even the protection will not be activiated. This paper proposes an improved scheme for the differential protection criterion: the zero-sequence current, the negative-sequence current and the positive-sequence current mutation are respectively used to form auxiliary criteria to improve the sensitivity of the current differential protection during ground faults and phase-to-phase short-circuits. This improves the reliability of the differential protection in the AC power grid with an MMC system. Finally, the feasibility of the proposed scheme is verified by simulation.

MMC-HVDC; differential protection; AC-DC hybrid system; AC fault

10.19783/j.cnki.pspc.220634

国家自然科学基金重点项目资助(51637005)；国家电网公司总部科技项目资助“新能源电力系统新型后备保护系统研究与应用(5100-202199529A-0-5-ZN)”

This work is supported by the Key Project of National Natural Science Foundation of China (No. 51637005).

2022-05-01；

2022-08-30

赖逸洋(1998—)，男，通信作者，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护与柔性直流输电；E-mail: huadianqiang_lyy@163.com

王增平(1964—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统继电保护、电力系统安全防御；E-mail: wangzp1103@sina.com

王 彤(1985—)，女，副教授，博士生导师，研究方向为新能源电力系统安全防御、系统安全保护。E-mail: hdwangtong@126.com

(编辑 周金梅)