高压直流输电线路电流差动保护新原理
第34卷 第17期2010年9月10
日Vol. 34 No. 17Sept. 10, 2010
高压直流输电线路电流差动保护新原理
高淑萍, 索南加乐, 宋国兵, 张健康, 侯 卓
(西安交通大学电气工程学院, 陕西省西安市710049)
摘要:通过分析直流系统控制特性作用下的输电线路故障特征, 提出了一种新的高压直流输电线
路电流差动保护原理。在分布参数模型基础上, 利用两端换流站电压、电流量分别计算区内某点处两侧电流之和。区内故障时, 得到的电流与故障支路电流相关, 其值较大; 区外故障及正常运行时, 计算得到的是误差电流, 其值很小。与行波保护相比, 该保护能够可靠识别区内、外故障, 可以在故障全过程投入, 且具有可靠性高、对采样频率要求低、计算简单等优点。与现有的直流线路电流差动保护相比, 该保护不受分布电容电流影响, 故在暂态过程即可动作而无须等待暂态过程结束, 动作速度快。仿真结果表明, 在各种工况下, 该保护都能灵敏、可靠地区分区内、外故障。关键词:高压直流输电线路; 电流差动保护; 分布参数; 时域
0 引言
高压直流(HVDC ) 输电以其传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点, 在远距离、大功率输电和异步联网中占有越来越重要的地位。目前, 中国HVDC 输电工程数量在世界上已名列前茅[1]。
HVDC , 、, 因此提高HVDC 证HVDC 输电系统的安全可靠运行意义重大[2]。然而, 从国内外投运的HVDC 输电工程来看, HVDC 输电线路继电保护存在着理论不完备、没有普遍适用的整定原则、仅依赖于仿真结果进行整定等问题, 从而导致了HVDC 输电线路保护的可靠性不高[325]。
近年来的研究已使交流输电线路电流差动保护性能优良, 成为交流输电线路天然的主保护[628]; 然而HVDC 输电线路差动保护的动作速度慢、性能不佳。HVDC 输电线路多以行波保护作为快速主保护, 电流差动保护作为慢速后备保护[1]。行波保护动作速度快, 不受过渡电阻、负载、长线分布电容等因素的影响, 但可靠性不高, 易误动[3]。因此, 有必要对HVDC 输电线路的差动保护进行改进, 使其性能得以提升, 以期在HVDC 输电线路故障全过程中都具有优良的保护性能。
为了克服现有HVDC 输电线路差动保护的不足, 本文提出的HVDC [], 基于分布参数线, , 在。该电流差动保护原理简单、可靠性高, 与现有的直流电流差, 从理论上消除了故障暂态和负荷调整过程中直流电压变化带来的分布电容电流影响, 灵敏度高。
1 直流控制特性与差动保护的关系
双极HVDC 输电系统如图1所示, 由整流站(M 端) 、逆变站(N 端) 和HVDC 输电线路构成。图中:u M p , u M n , i M p , i M n 为M 端正、负极电压和电流; u N p , u N n , i N p , i N n 为N 端正、负极电压和电流
。
图1 双极HV DC 输电系统
Fig. 1 HV DC transmission system with tw o electrodes
收稿日期:2010204207; 修回日期:2010206222。
国家自然科学基金资助项目(50677051,50877061) ; 已申请国家发明专利(申请号:[1**********]3.6) 。
与交流系统不同, HVDC 输电线路发生故障时的短路电流是受控的。因此, 研究HVDC 输电线路的保护时应该考虑HVDC 输电系统的控制特性。图1所示HVDC 输电系统的控制特性如图2所示。整流侧的控制特性为abcde , 逆变侧的控制特性为
[1]
f g hi j , 该方法称为电流裕度法。
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不平衡电流。
2 HV DC 输电线路电流差动保护原理及整
定原则
2. 1 HV DC 输电线路电流差动保护原理
本文提出的电流差动保护原理为:选取HVDC 输电线路上某一点为整定点, 在分布参数模型下, 用
图2 HV DC 输电系统的控制特性
Fig. 2 Control characteristic of HV DC transmission system
由于HVDC 输电系统的能量仅由整流侧供给, 且整流侧工作在定电流模式, 发生短路后输电线路的电流变化不大, 且由于半导体器件的单向导电性, 逆变侧并不向故障点提供短路电流。由图2可知, 在区内故障的情况下, 无论故障严重与否、故障电压为何值, 区内故障稳态情况下的差动电流仅为0. 1I n (I n 为额定负荷电流) [1]。如此小的故障电流, 即使是在交流系统中也很难区分是否发生故障, 况且HVDC 输电线路一般很长, 负荷调整和故障暂态过程中的电压变化将带来很大的电容电流冲击, 为了在如此低的定值下判别故障, 必须确保暂态过程已经结束, 这就是目前HVDC 性差的原因。
征。事实上, 中, 差动电流会大于0. 1I n , 但该过程的长短以及暂态差动电流的大小与故障位置、过渡电阻、调节器参数等因素有关。因此, 可以考虑设定高定值短延时的快速差动保护来有效利用该暂态过程。
众所周知, 交流系统中的差动保护灵敏度高, 能反映高阻接地故障。而图2的控制特性表明, 无论故障严重与否, 区内故障时其稳态差动电流不会超过0. 1I n , 因此, 必须增设低定值长延时的保护, 以躲过区外故障以及负荷调整过程中最大的不平衡电流和分布电容电流。为了进一步提高其灵敏度, 在HVDC 输电线路电流差动保护方案中, 应该采用减少或消除电容电流影响的措施。
此外, 由于整流侧和逆变侧电流在区内故障情况下同向且稳态电流差别仅为0. 1I n , 这将意味着具有优良特性的比率制动特性不适用于HVDC 输电线路电流差动保护。
综上所述, HVDC 输电线路电流差动保护应该采用分布参数模型来消除分布电容电流的影响; 同时应该设置高定值的快速差动以保证严重故障动作的快速性、设置低定值的长延时差动以保证其灵敏度与选择性; 并尽可能减小直流电流传感器带来的—46
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本端和对端电气量在时域中分别计算整定点两侧的电流值, 以它们之和作为动作量, 并将动作量与设定的定值进行比较:大于定值则为区内故障, 小于定值则为区外故障。
理论上整定点的选取是任意的, 但从减小计算量的角度考虑, 应该将整定点选取在线路端点; 从减小数据窗长度、提高动作速度的角度考虑, 则应该选取线路的中点。本文选择线路的中点为整定点。2. 2 整定点处动作电流的计算
由于本文所述的电流差动保护需要在分布参数, 因此首先要考。与交流系统不, 故差。由文献[9]和图1可知, 在, 根据两端换流站采样的电压、电流数据计算得到的沿线模电流分布分别为: i jM (x , t ) =
2Z c j
i Mj t +
Z c j +
Z c j v u
Mj t +Z c j +
v --
4
v 2Z c j
Z c j -
Z c j v u
Mj t -Z c j -+-(1)
i Mj t -
4
u Mj (t ) -i Mj (t )
2Z c j 2Z c j 4
i jN (x , t ) =
2Z c j
Z c j +
Z c j v u
N j t +Z c j +
v --
i N j t +
4
v 2Z c j
Z c j -
Z c j v u
N j t -Z c j -+-(
2)
i N j t -
4
u N j (t ) -i N j (t )
2Z c j 2Z c j 4
式中:j =1, 0, 为模量标号; r j , Z c j , v j 分别为线路j
・研制与开发・ 高淑萍, 等 高压直流输电线路电流差动保护新原理
模下的电阻率、特征阻抗和波速度; i Mj (t ) , u Mj (t ) 为
t 时刻M 端的j 模电流、电压; i jM (x , t ) 为用M 端电气量计算的距离M 端x 处的j 模电流, x 为以M 端为基准的距离; i N j (t ) , u N j (t ) 为t 时刻N 端的j 模电流、电压; i jN (x , t ) 为用N 端电气量计算的距离N 端x 处的j 模电流, x 为以N 端为基准的距离。
式(1) 、式(2) 给出的是模量下的电流分布计算, 根据模量可构造差动保护, 但存在故障极的选择问题, 此时可以根据低电压来进行故障极的选择。如果用整定点处的极电流构成差动, 则无须进行故障极选择, 但在计算极电流时, 需要进行模量到极量的反变换[2]。
2. 3 HV DC 输电线路电流差动保护整定原则
由基尔霍夫电流定律可知, 根据计算得到的整定点处极或模电气量可构成如下差动保护判据:
(3) |i jM (l set , t ) +i jN (l -l set , t ) |>I set
式中:j 表示模或极, 如果为模量差动, 则j 为1模或0模, 如果为极量差动, 则j 为极1或极2; l set 为整定点距离M 端母线的距离; I set 为整定值。
根据第1节分析, 本方案给出如下2个差动保护判据:
1) 高定值差动判据
|i jM (l set , t ) +i jN (set t I set. 1。电流I max I n 的2. 5倍[10]。因此, 高定值差动整定的原则是:
(5) I set. 1=k rel k np I max ≤2. 5k rel k np I n
式中:k rel 为可靠系数, 取1. 1～1. 2; k np 为两电流传感器之间的传变误差, 在2. 5倍额定电流下, 其值不超过0. 1[10]。
因此, 高定值差动的定值可以取为:
(6) I set. 1=0. 3I n
高定值差动判据的确认时间可取10ms ～20ms 。
2) 低定值差动判据
考虑到高定值差动判据在区内故障进入稳态时没有能力切除故障, 可采用降低定值、长延时策略来提高判据的灵敏度和选择性。判据如下:
(7) |i jM (l set , t ) +i jN (l -l set , t ) |>I set . 2
I set. 2的整定原则为躲过区外故障稳态时所产生的最大不平衡电流。由图2可知, 区外故障稳态时的最大短路电流I max 不超过额定电流I n 。根据以上分析, 低定值差动整定的原则是:
(8) I set. 2≤k rel k np I n
式(8) 中可靠系数k rel 与高定值差动相同, 取
1. 2; 电流传感器之间的传变误差k np 在1. 3倍额定电流下, 其值不超过0. 002[10]。则按区外故障稳态最大不平衡电流整定的低定值差动的定值取为:
(9) I set. 2=0. 003I n
由于区内故障时, 其差动电流的稳态值为(0. 10～0. 15) I n , 因此, 没有必要按照式(9) 取如此
低的定值。根据以上分析, 为保证可靠性, 低定值差动建议按照如下原则整定:
I set. 2=max {(1. 5～2. 0) I cd0, 0. 05I n }(10)
式中:I cd0为正常运行时的差动电流。
I cd0反映的正是两侧传感器在额定电流时的误差的真实值。由于低定值差动判据的门槛较低, 建议确认时间不低于300ms 。
3 仿真分析
±500kV 双极输电系统的仿真模型如图1所示, 额定电流2kA , 线路全长1000km , 用PSCAD 进行电力系统仿真, 用MA TL 。
, 其杆塔结]20k Hz , 故障发5, 0. 5s 。另外, 仿真, 以便对比。1 区内故障的仿真结果
图3和图4分别给出了距离M 端500km 处发生正极金属性接地和经500Ω接地故障时的差动电流波形
。
图3 距M 端500km 处金属性接地故障差动电流波形Fig. 3 R esults of current differential when metallic
ground fault occurs at 500km from M 2side
从图3、图4可以看出, 区内无论发生金属性接地还是高阻接地故障, 本方法计算的模电流差流(包含1模差流、0模差流) 、故障极差流均能反映故障电流而正确动作。
与传统差动的差流相比, 本方法在直流系统启动、调整以及逆变失败等能够导致直流电压变化的
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非区内故障期间, 差流的计算值很小; 而传统差动的电流在此期间数值会超过400A , 且存在时间较长。由图2可知, HVDC 输电线路区内故障稳态期间的差流仅为0. 1I n , 对于本仿真系统来讲也只有200A 。因此, 传统差动在区外故障的差流会大于区内故障的稳态差流, 存在误动的可能。这也是传统差动在任意电压波动后, 要求延时环节重新计时且动作时限较长的原因。因此, 传统差动的速动性和灵敏性不可能很高
。
图6 逆变侧区外经500Ω过渡电阻接地故障
差动电流波形
Fig. 6 R esults of current differential when fault occurs
beyond the line in invert side by 500Ω
图4 距M 端500km 处经500Ω过渡电阻接地故障
差动电流波形
Fig. 4 R esults of current differential when at 500km from M 2side 从图5、图6可知, 无论区外发生金属性接地或高阻接地故障, 用本文方法计算得到的差流不超过50A , 具有较高的灵敏度; 而用传统方法在这些过500A 以上, 无法, , 与传统直流差动相比, 。由于无须躲过电压调整过程中的电容电流, 判据无须长延时而动作较快。
, 传统差动的健全极在直流电压波动期间, 存在误动的可能性, 需要高定值或长延时来保证选择性。因此, 与传统方法相比, 该方法具有较高的灵敏度。3. 2 区外故障的仿真结果
图5和图6分别给出了逆变侧平波电抗器外侧, 发生正极金属性接地和经500Ω过渡电阻接地时的差动电流波形
。
4 结语
本文在分析HVDC 输电系统的控制特性、故障电流特征及现有差动保护性能的基础上, 提出了一种可用于HVDC 输电线路的电流差动保护方法。该方法采用分布参数模型, 利用两端换流站电气量在时域内进行差流计算, 并给出了高定值、低定值差动判据和整定原则。与目前广泛应用的行波保护相比, 本方法用故障后任意一段数据都可以实现区内、外故障判别, 不仅限于行波波头, 且不受高过渡电阻的影响。与传统的HVDC 输电线路差动保护相比, 该方法采用分布参数模型, 原理上不受电压波动带来的电容充电电流的影响。该保护原理通过高、低定值差动判据配合, 做到了灵敏度和快速性的统一。
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电力系统继电保护。E 2mail :gao. sp @stu.xjtu. edu. cn
) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研索南加乐(1960—
究方向:电力系统继电保护。E 2mail :relay @mail.xjtu. edu. cn
) , , , , 教授, 主要研究方(—
E 2:gb @mail.xjtu. edu. cn
A N ew Principle for HV DC T ransmission Lines
, N N J iale , S ON G Guobing , Z HA N G J iankang , HOU Zhuo
(Xi ’an Jiaotong University , Xi ’an 710049, China )
Abstract :A new current differential protection (CDP ) principle for HVDC transmission lines is proposed in this paper by analyzing the fault characteristics of DC transmission line. Based on the distributed parameter model , the current at any point of transmission line can be calculated with the voltages and currents measured at local and remote convert stations. When a fault occurs on HVDC line , the sum of the current calculated with each station ’s data depends on fault current and can reach
maximum at the fault point. When no fault occurs or a fault occurs beyond HVDC line , the sum of the current is small (it is near to zero in theory ) . According to this feature , CDP can be implemented. Compared with traveling wave protection , CDP can effectively identify inner or external fault and can work in all fault process , and it features high reliability , lower sample f requency and simple algorithm. Compared with the traditional CDP used in HVDC line , it is independent of the distributed capacitance over the long transmission line , therefore it can operate well in the transient process and has high speed. The simulation results show that the method can identify inner or external fault reliably and rapidly.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50677051, No. 50877061) . K ey w ords :HVDC transmission line ; current differential protection ; distributed parameter ; time domain
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