（4期已排）±500kV高压直流输电线路单端电气量暂态保护

随着直流输电的广泛应用,直流输电线路保护的研究越来越重要。本文利用直流输电线路两端的平波电抗器与直流滤波器组成的边界元件对高频信号的阻滞作用以及故障电流突变特性构成了高压直流输电线路单端电气量暂态保护新方法。该方法采用单端信息、不依靠通信,动作更迅速。仿真结果表明,保护在各种情况下均能正确动作,耐过渡电阻能力强。     

基于PSCAD/EMTDC的高压直流输电线路保护仿真研究

本文在PSCAD/EMTDC平台上建立了实用的直流输电线路行波保护系统模型。通过分析高压直流线路发生故障后的特点,按照行波保护的原理,利用直流线路发生故障瞬间,线路上产生的暂态电流电压行波的幅值和方向不受控制系统作用影响的特点,通过计算直流电压下降率和直流线路故障前后的电压电流行波差值,来判断直流线路是否发生故障。在南方电网贵广直流输电系统仿真模型上对所建立的直流输电线路行波保护系统进行了仿真测试,通过设定极1整流侧直流线路发生接地短路故障,验证行波保护系统的动作情况,仿真测试结果证明了本文所建立的线路行波保护系统的正确性和实用性。     

柔性直流电网架空线路快速保护方案

基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源接入电网的有效手段,直流电网快速线路保护是其面临的重要技术挑战之一。以国内计划建设的张北直流电网工程为背景,提出了一套适用于全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路快速保护方案。保护仅利用单端信息进行故障判别,且保护数据窗短,满足速动性的要求;保护采用电压梯度快速检测故障,利用限流电抗器对故障电压信号的平滑作用实现故障区间的判别,并根据零模与一模电压传播特性的差异判定故障极,实现保护的选择性与高可靠性。结合直流电网的PSCAD模型,验证了所提出方案在不同故障情况下的保护性能,并分析了保护对运行方式改变的适应性。     

基于单端高频电流量的MMC-MTDC输电线路保护方案

为克服传统高压直流输电线路保护利用单端电气量无法可靠区分区内、外故障的缺陷,提出一种通过广义S变换提取直流线路故障电流高频频带幅值特征的单端量保护新方法。该方法在配备有混合直流断路器的直流线路发生故障时,利用1000~2500 Hz各采样频率电流横差值在区外明显小于区内的特征,构造了区内、外故障判据。利用300~1000 Hz的特征频率在单极接地故障时故障极特征频率电流幅值比非故障极大,以及两极短路故障时两极的特征频率电流幅值近似相等的特征,构造了故障启动判据和选极判据。在RTDS仿真平台搭建了风光储联合发电站经高压直流外送的三端柔性直流输电系统模型。仿真结果表明,所提方法能快速、可靠地识别故障类型和故障范围。同时,仿真验证了基于混合直流断路器的直流故障穿越方案的有效性。     

基于多频带能量的高压直流输电线路单端暂态电流保护

分析高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)线路边界和线路的频率特性,直流线路边界和直流线路对故障暂态电流信号高频分量都具有衰减作用。一些文献据此利用高频分量作为单端暂态保护的判据,但是对于长线路来说,直流线路对于高频分量的衰减可能会大于直流线路边界对高频分量的衰减作用,这样可能会造成保护误动作。进一步分析发现,直流线路边界对于低频分量具有放大作用,直流线路对于低频分量具有衰减作用。因此提出一种基于多频带能量的HVDC线路单端暂态电流保护新原理。利用0~1.25 kHz低频带能量、高频带和低频带能量比来区分区内、区外短路故障,故障性雷击和非故障性雷击,利用正极和负极的能量比判别故障极。     

考虑频率相关参数的直流输电线路故障特征分析

目前高压直流输电线路利用行波波头的上升速率构成保护判据,由于长距离线路频率相关特性对高频信号的衰减作用较强,导致保护的灵敏性不足。利用零极点法分析线路故障暂态信号的频率特性,发现故障电气量的高频分量中包含位置主频和边界主频。高频暂态量由边界主频和位置主频共同作用产生。区内、外故障的特征差异取决于反射系数频率特性的通带和透射系数频率特性的阻带,因此特征频带应为透射系数阻带的截止频率与反射系数通带的最高频率间的频带。由PSCAD仿真结果证明,区内、外故障时电流在此特征频带内差异明显。     

高压直流输电线路边界高频电压信号衰减特性分析

高压直流输电线路两端安装的直流滤波器和平波电抗器形成了高频电压信号的线路边界,利用这种边界特性可以构成新型线路保护,但线路边界参数及配置方式的差异会对线路边界高频电压信号衰减程度造成影响。基于现有直流输电工程的直流滤波器与平波电抗器的参数及配置原则,研究了不同直流滤波器结构、不同平波电抗器配置方式以及直流滤波器与平波电抗器元器件不同参数对直流输电线路边界高频电压信号衰减特性的影响。结果表明,不同参数及配置形式的线路边界对高频电压信号均有较大衰减,可以依据高频电压信号在区内外故障时的差异构成新型直流输电线路保护。     

基于电流控制补偿的高压直流线路快速差动保护

电流差动保护作为直流线路的后备保护,因其整定值低和延时长,会在直流控制暂态阶段失去作用。文中研究了直流控制特性对故障电流的影响机理,进一步推导了计及直流控制的直流补偿量,以削弱直流控制对差动电流的影响。同时,提出了一种基于电流控制补偿的高压直流线路快速差动保护。PSCAD/EMTDC仿真结果表明:所提保护凸显了差动电流的故障特征,具有整定值高和动作快速的特点,在各种故障条件下均能正确识别区内外故障。与传统电流差动保护相比,所提保护可在直流控制暂态阶段无延时地快速切除故障;其动作时间随直流控制补偿差动电流的增大而减小,具有一定的反时限特性,可作为高压直流线路快速后备保护。     

基于故障电流传播特性的高压直流输电线路单端保护方案

针对高压直流输电线路现有行波保护故障识别准确率不高、耐过渡电阻能力不强等问题,提出一种基于故障电流传播特性的单端保护方案。基于高压直流输电系统的等效电路,分别分析故障电流从换流侧到线路、从线路到换流侧以及在线路上的传播特性,进而分析不同位置发生故障时整流站线路边界两侧故障电流特征的差异性。基于此,利用特征频段电流构造区内、区外故障的识别判据,设计直流线路单端保护方案。基于PSCAD/EMTDC软件的仿真结果表明,所提保护方案能够准确识别区内、外故障,且具有良好的耐过渡电阻及抗噪声干扰能力。     

基于Hilbert-Huang变换的HVDC线路保护

为了准确地判定HVDC输电线路的故障类型和对故障距离进行定位,应用PSCAD搭建单极12脉直流输电系统等效模型,对直流线路区内故障及区外对线路保护性能有影响的各种故障进行仿真。应用HilbertHuang变换方法对故障电压信号进行分析,提取了行波的波头,从而确定故障发生时刻。分析直流滤波器和平波电抗器所具有的固有滤波特性,由此形成了以频率和能量为基础的故障判别方法。在确定为区内故障后,采用D型双端行波定位方法根据检测到的故障时刻可以准确地对故障距离进行定位。并提出了基于HHT方法的HVDC线路保护判别式和动作逻辑。仿真和计算结果表明,该保护方法不仅可以准确地判别故障类型和故障距离,且在过渡电阻较大的情况下对保护性能没有影响。     

基于时域电压比的高压直流输电线路暂态保护方案

针对传统行波保护在高压直流输电线路中耐受过渡电阻能力不足、T区两侧故障线路定位依赖边界元件等问题,以最具代表性的多端混合高压直流系统为例,从数学层面上分别明晰了高压直流输电线路区内外故障和T区故障下的行波特征,进而构造了不同采样周期下的时域暂态电压比判据,以削弱T区和过渡电阻的影响,实现区内外故障识别;利用时域电压比判据,提出了基于单端量保护配合的高压直流输电线路暂态保护方案,实现了高压直流输电线路故障的快速判别以及T区两侧故障线路的准确定位;最后,利用实际工程的电磁暂态仿真模型对所提方法进行详细验证,结果表明,所提保护方案可行且具有较高的灵敏性和可靠性。     

利用单端电流的高压直流输电线路全线速动保护

针对传统直流输电线路单端量保护可靠性差、灵敏度不足的问题,提出一种仅利用单端电流实现直流输电线路全线速动的保护原理。通过对换流站的平波电抗器和直流滤波器所构成电网络的阻抗特性分析发现,对于特定频带而言,区内、外故障时它们所表现出的阻抗特性差异巨大,进而得出区内、外故障时特定频带电流差异显著。该方法对采样频率的要求低,而且具有绝对的选择性,易于硬件实现,可靠性高,具有较大的工程实用价值,可取代现有的行波保护作为直流输电线路的主保护。仿真结果表明,在各种工况下,该原理都可以实现故障极选择,并能快速、灵敏、可靠地区分区内、外故障。     

适用于架空线路的双极混合MMC-HVDC拓扑

为应对柔性直流输电在远距离大容量架空线输电领域应用问题,基于钳位双子模块和双晶闸管子模块拓扑构成的两种模块化多电平换流器,设计了串联双极混合直流输电系统,既提高了输电容量,又能缓解单种拓扑能耗较大或直流故障抑制时间较长问题。重点分析了双极混合拓扑在不同直流故障下等值电路和直流故障穿越机理及其抑制特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建双极混合直流输电模型,对系统稳态运行工况和直流故障穿越特性进行了对比研究。仿真结果表明,双极混合系统既体现出灵活多样的稳态运行特性,又具有直流故障穿越与快速恢复能力,较好地适用于远距离大容量架空线路输电应用领域。     

基于高低频段暂态信号相关分析的谐振接地故障选线方法

针对谐振接地系统在相电压过零点附近发生单相接地故障时选线灵敏度不足的问题,提出一种基于高低频段馈线零序电流与母线零序电压导数的相关分析故障选线法。系统故障后健全线路的阻抗在高低频段均呈电容特性,而故障线路的阻抗在高频段呈电容特性,在低频段呈电感特性。由此可知,健全线路零序电流与母线零序电压导数的相关系数在高频段和低频段相等,其差为零;故障线路在低频段含有衰减直流分量,该频段内零序电流与母线零序电压导数的相关系数很小,而高频段的相关系数数值较大,两者差值较大。根据这一特点构成故障选线判据。该方法物理意义明确,能提高相电压过零点附近的选线灵敏度,在其他故障状态下也能准确选线。大量仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于时域卷积功率差的多端混合高压直流线路快速纵联保护方法

针对现有直流线路差动保护速动性不足、双端数据需要严格同步的问题,以三端混合高压直流输电系统为对象,在S域上对不同故障情况下的功率特性进行数学解析,发现利用S域功率差特征可以有效识别区内外故障,并实现故障区域的准确定位;在此基础上,构造了一种时域故障特征量——卷积功率,实现对S域功率特征的有效提取;进而提出了一种基于时域卷积功率差的多端混合高压直流线路快速纵联保护方法。基于PSCAD/EMTDC的仿真验证表明,该方案能在4 ms/10 kHz的时间窗内正确识别区内故障和故障区域,并具有故障选极的特性,无需双端数据严格同步,且具有较高的可靠性、灵敏性及抗干扰能力。     

高压直流输电线路故障清除及恢复策略研究综述

高压直流输电线路故障后的快速清除和恢复对整个系统的稳定、可靠运行至关重要。文中分析总结了现有基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)系统和基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)系统中直流线路故障清除及恢复策略。指出现有策略中存在盲目恢复的不足,会对整个系统造成更大的冲击或者不必要的停运。提出了一种可能的解决方案:在不同直流输电系统中展开直流输电线路故障自适应恢复研究,实现直流输电系统的安全、快速恢复,完善直流线路故障综合处理方案。     

一种基于简化能量比的直流线路故障区间定位方法

高压直流输电线路及其边界对故障暂态信号高频分量都有明显的衰减作用,这一故障特征被广泛运用于暂态保护,且有研究显示,相较于线路边界,长线路对故障暂态高频分量的衰减作用可能更大,为避免这种情况引起的保护误动,目前常用的故障特征提取方式为利用不同尺度的小波变换获取暂态信号能量比。但基于小波变换的暂态保护存在算法相对复杂,基波选取模式不统一等问题。因此提出一种新的比值算法,针对故障暂态信号中的能量比,用全电流代替低频分量,简化了直流线路故障信息处理过程,由此设计出了新的直流线路故障定位方法,并且利用该判据可直接实现故障极判断。在MATLAB中进行了大量仿真验证,证明该保护算法可以正确反映出故障特征,逻辑简单,并且能够迅速可靠动作。     

柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述

由于柔性直流输电系统调节方式和自身结构的特殊性,直流线路的故障电流具有上升速度快、峰值大的特点,极易损坏换流器件和设备绝缘,且柔性直流系统无法通过调节触发角实现故障自清除。因此,对直流线路故障处理和保护提出了更高要求。对于柔性直流线路故障,不仅需要快速且可靠的线路保护对故障进行识别,也需要相应的处理措施和手段对故障后的电流进行有效限制,以减少故障冲击电流对换流器件、直流线路自身以及系统的损害。基于柔性直流输电线路的故障特征,从直流线路故障电流抑制、减少故障影响、线路保护原理等方面,系统地介绍了国内、国外柔性直流输电线路故障处理与保护技术的现状和发展。重点分析了几种辅助电路、新型换流器拓扑和直流输电结构,以及直流断路器在处理直流线路故障方面的性能。探讨了目前柔性直流输电线路故障处理和保护亟须解决的关键问题以及未来进一步的研究方向。     

基于暂态功率的高压直流线路单端量保护

针对传统高压直流单端量保护存在可靠性较低的问题,通过计及直流边界、线路频变等因素影响,研究了高压直流线路暂态功率故障特性,提出了基于暂态功率的单端量保护方案。根据暂态功率在正方向区内外故障的频率段差异性,利用高低频段暂态能量比值,构成边界保护元件;针对利用暂态功率频率衰减特征无法区分正反方向故障的局限性,利用暂态功率极性构造方向辅助判据。结合保护启动元件和故障选极元件构成基于暂态功率的单端量保护方案。仿真结果表明,该保护方案能够快速有效地区分直流线路区内外故障,具有一定的抗过渡电阻性能及抗干扰能力,可靠性较高。     

LCC-VSC混合直流输电线路的组合型单端故障定位方法

电网换相换流器—电压源换流器(LCC-VSC)混合直流输电线路中的故障行波传播特性有别于常规直流和柔性直流的输电线路。文中针对混合直流输电线路分析了行波折反射过程及两端边界反射角的频变特性,确定了单端法故障定位装置的合理安装侧,提出了一种组合型单端故障定位新原理。首先,利用定位精度略低的固有频率法进行故障位置初测,以此粗略计算故障点第1次反射波的大致到达时刻。然后,再利用故障点反射波与对端母线反射波的波到达时刻的对称性质在行波传播时序图中匹配找到这2种反射波的精准波到达时刻。最后,根据初始行波、故障点第1次反射波和对端母线第1次反射波到达时刻实现故障定位。仿真实验表明,固有频率法的引入有效避免了由于无法准确区分故障点第1次反射波与对端母线第1次反射波所带来的定位误差,所提方法在LCC-VSC混合直流输电系统中能实现较准确的故障定位。