摘要：受限于直流断路器开断能力,柔性直流电网的线路保护需要具有极快的动作速度。提出了柔性直流电网线路保护配置方案：主保护采用单端量保护原理以满足动作速度的要求,同时需要采取适当的解耦措施和故障选极方法,以及雷击、噪声等干扰的识别方法,以保证保护的可靠性;后备保护采用灵敏性较高的双端纵联保护原理,包括行波差动保护和基于无功能量的方向保护,在时序上与主保护配合,同时在直流侧故障时要能够先于交流侧保护动作。比较分析了柔直电网线路保护和传统直流线路保护、交流线路保护配置方案的异同,对于我国在建的柔直电网具有重要参考价值。
关键词 : 柔性直流; 直流电网; 线路保护; 行波保护; 电流差动保护;
0 引言
随着传统能源的逐渐短缺和环境污染问题的日益严重,对可再生能源的大力开发和有效利用越来越受到世界各国的高度重视。然而,风能、太阳能等可再生能源具有随机性和间歇性的特点,可再生能源发电的大规模接入会给传统交流电网的运行带来诸多问题,传统电网已经越来越难以接收和消纳大规模的可再生能源,“弃风”、“弃光”现象时有发生[1-3]。柔性直流输电技术,尤其是柔性直流电网,是解决这一问题的有效手段之一[4-9]。国家电网公司将在张北地区建设采用双极模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)结构的±500 kV高压柔性直流电网示范工程,该工程对于大规模可再生能源的灵活消纳和高效利用等方面具有非常重要的意义。
与双端直流输电系统相比,基于电压源型换流器(voltage-sourced converter,VSC)的柔性直流电网虽然具有更高的输电灵活性和供电可靠性,但是它需要通过直流断路器来实现故障的隔离和清除,且对继电保护提出了极为苛刻的要求。以图1所示的4端柔性直流电网为例进行说明。图中共有4个双极半桥型MMC结构的换流站,由4条直流输电线路l1~l4相连构成直流环网,其长度分别为184、80、128和100 km,每条直流线路都是以单线图的形式表示正、负双极线路。图中M、N、P、Q为直流母线;R1~R8为线路末端的电压电流测量点,也是线路保护和直流断路器的安装处;Ls1~Ls8为线路末端安装的平波电抗器。当线路l1上发生故障F1时,必须开断l1两端R1和R2处的直流断路器,才能保证系统的其他部分能继续正常运行并充分发挥直流电网的供电可靠性。
柔性直流输电系统的阻尼低、惯性小,直流线路发生故障时故障电流迅速增大,即使闭锁换流站,交流系统也将与绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor,IGBT)的反向并联二极管构成三相不控整流电路,持续地向故障点馈入极大的故障电流[10-11]。图2分别给出了线路两端不装平波电抗器和装有200 mH平波电抗器的情况下,在与R1相距10 km的F1处发生双极故障时,测量点R1处的正极电流。图中0 s位置处对应于故障发生时刻,换流站的主要仿真参数如表1所示,其中换流站1采用定直流电压控制,换流站2采用定有功控制,换流站3和4采用直流电压下垂控制。
从图2可以看出,在线路两端未加装平波电抗器的情况下,当发生区内双极故障时,线路一端的电流在故障后2 ms时已经上升到30 kA,超出了现有的直流断路器的最大分断能力25 kA[12];为了抑制直流线路发生故障后故障电流的上升速度,为直流线路的保护和直流断路器的动作争取一定的时间,直流电网中应当采用一定的故障限流措施,张北柔性直流电网示范工程将在每条直流线路两端加装平波电抗器,其典型值为200 mH。从图2可以看出,加装200 mH平波电抗器后,在故障后2 ms时电流仅5 kA左右,即使在故障后6 ms时电流也未超过直流断路器的最大分断能力,故障电流的上升速度得到了极大的抑制。针对张北±500 kV柔性直流电网,国家电网公司要求保护系统需要在6 ms内实现故障的隔离和清除,其中留给断路器的动作时间是3 ms,因此要求继电保护装置能够在3 ms内正确识别故障并动作。这对线路保护的速动性提出了极为严苛的要求,同时还要保证保护的可靠性、选择性和灵敏性。
本文在柔性直流电网对故障处理和线路保护的特殊需求的基础上,分析了现有直流线路保护所存在的问题,提出了柔性直流电网线路保护的配置方案,并指出了其中所面临的关键问题和挑战及今后可能的研究方向。同时还分析比较了柔直电网线路保护和传统直流线路保护、交流线路保护配置方案的异同,对于我国在建的柔直电网具有参考价值。
1 直流输电线路继电保护研究现状
1.1 主保护
实际投入运行的直流输电线路主保护主要有行波保护和微分欠压保护2种,最先是应用于常规高压直流输电系统[13-14],而柔性直流输电线路的保护则直接借鉴了这2种保护。其中行波保护主要采用ABB和SIEMENS两家公司的单端量行波保护原理。两家公司的保护都利用极波(即反向电压行波)来构成保护判据。ABB的行波保护根据极波的变化量的大小来判断故障。当极波的变化量大于保护定值时,即认为线路发生了故障,保护不经过延时就可以出口,保护的动作时间与故障后极波的变化率密切相关,一般情况下动作时间为几个ms。SIEMENS的行波保护则引入了电压的微分来构成保护的启动判据,同时使用了保护启动后极波的变化量在10 ms内的积分值构成保护判据。这样可以在一定程度上降低各种干扰对保护的影响,提高保护的可靠性,但牺牲了保护的动作速度。
上述2种保护方案本质上只是一种简单的突变量保护,由于它们的采样率都只有10 kHz,实际利用的信号频带范围只有0~4 kHz,因此仅利用了故障行波信号中的低频信息,噪声、雷击及其他干扰所引起的暂态突变有可能导致保护的误动,保护的可靠性不高。此外,区外故障时极波的变化量也有较大的数值,为保证保护的选择性,保护的定值不得不设置为较大的数值,这就导致区内线路末端故障或者故障过渡电阻较大的情况下可能拒动,保护的灵敏度不足。有研究表明,ABB的行波保护方案只能耐受1%以下的噪声,SIEMENS的行波保护方案由于引入了极波的积分,因此能耐受3%以下的噪声。2种保护方案都只能耐受几十Ω的过渡电阻[14]。
在现有的直流工程中,微分欠压保护往往与行波保护一同构成直流线路的主保护。当电压的微分大于一定的定值且电压值在一定的时间窗内小于定值,则判断为线路故障。微分欠压保护的整定较为困难,缺乏理论分析和计算的方法,往往只能通过仿真来整定,且同样存在着经大过渡电阻接地故障时灵敏度不足的问题。
现有工程中的直流输电线路主保护存在理论不严密、缺乏整定依据、动作速度较慢、易受噪声等干扰的影响,可靠性不高及灵敏度不足等问题,不能满足柔性直流电网对线路主保护的实际需求,需研究适用于柔性直流电网的直流线路快速保护技术。
近年来关于柔性直流输电线路保护的研究包括：文献[15]通过电压变化量和电压变化率来区分区内和区外故障,与微分欠压保护相类似;文献[16]在初始行波特征分析的基础上,综合利用电压、电流的微分以及电压是否降低来区分区内和区外故障,保护性能比微分欠压保护有所提升;文献[17]利用正、反向电压行波的高频分量构成保护判据,相比于利用电压微分或电压行波微分可靠性更高;文献[18]利用直流线路两端安装的平波电抗器的电压来区分区内和区外故障,文献[19]则在此基础上又综合利用了线路电流的高频分量来构成保护判据,在保证选择性的同时具有较高的灵敏性。然而,总的来说,现有研究仍存在以下不足：1)缺乏对故障特征的理论分析和数学公式定量描述,保护原理往往是定性的,定值通常通过仿真得到;2)部分研究没有考虑正负极间的耦合,张北直流电网将采用架空线输电方式,正负极之间存在较强耦合,受耦合的影响,非故障极可能被错误地切除;
3)保护较为灵敏,易受雷击、噪声等干扰的影响,需要有相应的措施防止保护误动,以保证保护的可靠性。
1.2 后备保护
现有的直流输电系统的线路后备保护往往采用纵联电流差动保护。但由于线路故障后暂态过程较为严重,有非常大的暂态分布电容电流,因此为了躲过暂态过程的影响,电流差动保护往往引入较大的延时[20]。其后备纵联电流差动保护的典型动作时间为500~800 ms。对于柔性直流电网来说,上述动作时间显然太长了,交流侧的保护将有可能先于直流线路后备保护动作[21],造成换流站退出运行,极大地扩大了故障隔离和切除的范围。柔性直流电网线路的后备保护应当具有较好的选择性和足够的灵敏性,能够在线路经大过渡电阻接地故障、线路主保护由于灵敏度不足拒动时可靠地动作,作为线路超高速主保护的补充和配合。同时还应当具有较快的动作速度,以在时序上配合直流线路主保护和交流侧的保护,尤其是在直流线路发生故障时要先于交流侧保护动作。
2 柔性直流电网线路保护的配置方案及关键问题
2.1 主保护
2.1.1 可能的配置方案
直流线路发生故障后,故障信息首先以故障行波的形式在整个直流电网中传播,故障行波理论是分析直流线路发生故障后的故障初始阶段的极为有效的理论工具,基于故障行波的保护原理是实现满足柔性直流电网需求的线路快速主保护的理想选择。柔性直流电网线路主保护应当采用基于单端量的保护原理,在保证动作速度的同时,需要具有保护线路全长的能力,这就需要深入挖掘发生区内、区外故障时的故障行波特征差异,并选取合适的数学手段提取故障特征,构造保护算法。故障行波是一个宽频带的信号,在直流电网线路主保护要求ms级的动作速度的背景下,保护算法所能使用的数据时间窗必然很短,这就需要采用较高的采样率,使得短时窗中包含有更多的数据点和更丰富的信息,充分利用故障行波丰富的高频故障信息构建高性能的保护算法。
张北±500 kV柔性直流电网示范工程将在每条直流线路两端加装平波电抗器,以抑制直流线路发生故障后故障电流的上升速度,为直流线路的保护和直流断路器的动作争取一定的时间。平波电抗器的引入同时也为单端量行波保护的构造创造了极大的便利。在图3所示的4端直流电网中,各符号的意义均与图1相同。在F1处发生故障时,故障行波传播到直流线路边界的平波电抗器处时,其高频分量将受到阻隔,因此故障行波的高频分量将被限制在l1线路上而不会透射到系统的其他部分,根据这一特性可以明显地区分区内和区外故障。图4给出了装有平波电抗器时,F1处发生双极故障后R1处和R8处的正极电压、正极电流、反向电压行波和正向电压行波波头的波形图,其中平波电抗器取为典型值200 mH,图中电压电流均为标幺值,电压基值为线路电压额定值500 kV,电流基值为电压基
值除以线路波阻抗。反向电压行波和正向电压行波可以由电压、电流和波阻抗通过式(1)计算得到,其中下标r表示反向行波,下标f表示正向行波。对于R1处的保护来说,故障F1为区内故障;对于R8处的保护来说,故障F1则为区外故障。从图中可以看出,区内故障的电压、反向电压行波和正向电压行波都具有较为陡峭的波头,而由于平波电抗器对高频分量的阻隔作用,区外故障下的行波波头都极为平缓,与区内故障下的波形有较大的区分度,尤其是反向电压行波的特征区别最为明显。并且反向电压行波是来自于区内故障点的行波,物理意义较为明确,因此可以通过反向电压行波波头的陡峭程度来区分区内和区外故障。小波变换模极大值[22]能够较好地定量描述信号的陡峭程度,可以作为故障特征提取的数学工具。
图5分别给出了R1处的反向电压行波和R8处的正向电压行波(R8处的正向电压行波传播到线路对端后将成为R7处的反向电压行波)的小波变换模极大值,可以看到模极大值准确地反映了陡峭的突变波头的时刻、极性和幅值,对于R8处的正向电压行波,由于波形没有突变,非常平缓,因此没有模极大值出现。
2.1.2 关键问题
线路主保护为了具有极快的动作速度,需要对故障初始阶段的故障暂态过程做出快速响应,根据暂态量特征区分区内和区外故障,但同时保护也较为灵敏,易于受到噪声和雷击等暂态干扰的影响而误动,需要采取一定的措施区分暂态干扰和实际的故障,保证保护的可靠性。架空线输电方式的柔性直流电网,其直流线路的运行环境恶劣,容易遭受雷击的影响。当雷击引起线路故障时,线路保护应当可靠地动作;当雷击未引起线路故障,即雷击只是一种高频暂态干扰时,保护则应当可靠地不动作。现有的雷击干扰识别方法主要是从频谱特征或者时域波形特征的角度对雷击干扰与真实故障加以区分[23-24]。考虑到信号的频域物理分辨率与信号长度成反比,1 ms的数据窗其频域物理分辨率只有1 kHz,因此短时窗下频域分辨率低,难以区分雷击干扰与真实故障下的频谱特征差异,现有的频谱特征雷击干扰识别方法将失效;而现有的时域波形特征雷击干扰识别方法所需的数据窗都长达数个ms,不能满足柔性直流电网对直流线路保护速动性的要求,需要进一步研究短时窗下有效的雷击及噪声等干扰的识别方法。
此外,张北±500 kV柔性直流电网示范工程将采用双极MMC结构,这种结构下当一极线路由于故障退出运行时,另一极线路仍能单独独立运行,因此供电可靠性相对较高。以后的柔性直流电网工程应当也会采用双极MMC结构或其他的具有单极独立运行能力的结构,因此直流线路保护需要具有故障选极能力,发生单极接地故障时跳单极,发生双极故障时跳双极。由于正、负极线路之间存在电磁耦合,因此发生单极接地故障时,会在非故障极感应出暂态电压、电流,进而可能将非故障极误判为也发生了故障,因此在保护原理和算法中需要采取适当的解耦和故障选极措施,保证保护的可靠性。
在硬件方面,由于线路主保护具有如此快的动作速度,信号传输延时与保护动作时间相比已不能忽略,因此可以考虑采用直流线路保护与直流断路器控制系统一体化设计的方式,就地化配置直流线路保护装置,缩短信号传输距离;保护以光信号形式出口,通过光纤与直流断路器控制系统相连,省去出口继电器,降低总的故障切除时间。
2.2 后备保护
柔性直流电网线路的后备保护应当采用纵联保护原理,以具有较好的选择性和足够的灵敏性,能够在线路经大过渡电阻接地故障、线路主保护由于灵敏度不足拒动时的可靠地动作,作为线路超高速主保护的补充和配合。同时其动作时间应少于20~30 ms,以保证在直流侧发生故障时直流线路后备保护能够先于交流侧保护动作,进而在时序上更好地配合超高速的直流线路主保护和交流侧的保护。
2.2.1 纵联差动保护
纵联电流差动保护具有良好的性能,是柔性直流电网线路后备保护的选择之一。然而,柔性直流电网线路的后备保护同样应当具有较快的动作速度,现有的通过引入一定的延时躲开暂态过程影响的方法是不可行的。考虑到直流线路故障后的剧烈的暂态过程,尤其是暂态分布电容电流的影响,行波差动保护是解决这一问题的有效方法之一。
行波差动保护的基本原理如式(2)所示,其中下标m和n分别表示线路两端的量;反向电流行波和正向电流行波分别等于反向电压行波除以负的波阻抗和正向电压行波除以波阻抗;iF为区内故障点的故障电流,区外故障下为零;τ为行波从线路一端传播到另一端所需的时间,τm和τn分别为行波从故障点传播到线路m端和n端所需的时间。
从式(2)可以看出,用反向电流行波或者正向电流行波构造的差动电流能够更为真实准确地反映故障点处的故障电流。行波差动保护基于行波原理和线路分布参数模型,已经将线路的分布电容考虑在内,因此其在原理上就不受暂态分布电容电流的影响,同时还不受直流控制系统的影响,具有非常优越的性能。然而行波差动保护需要较高的采样率以较为精确地计算差动电流,在高采样率下数据通信量较大,对保护的速度会有一定的影响[25],如何高效而又较为精确地实现行波差动保护仍然是需要解决的问题。
2.2.2 纵联方向保护
纵联方向保护不需要大量的数据传输,虽然还没有实际应用于直流输电系统的纵联方向保护,但研究直流电网中故障方向的判别方法并构成纵联方向保护不失为柔性直流电网线路后备保护的一个研究思路。文献[26]提出的基于无功能量的纵联方向保护虽然是以常规直流输电系统为背景进行描述的,但其原理却对柔性直流输电系统同样适用。由于线路具有分布电容和分布电感,因此在直流线路发生故障时,线路上将有暂态无功功率的流动,该保护通过暂态无功功率的流动方向来判断故障方向,即区内故障时,线路两端的暂态无功功率流动方向相同;区外故障时,线路两端的暂态无功功率流动方向相反。可以进一步研究这一原理对柔性直流电网的适应性,尤其是柔性直流电网的控制系统响应更快,需要研究控制系统对线路后备保护的影响。
3 柔性直流电网线路保护与交流输电线路保护和常规直流输电线路保护的比较
3.1 故障处理模式的比较
常规直流输电系统的直流线路发生故障时,可以通过闭锁换流站来切断故障电流,从而实现故障线路的隔离,因此不需要直流断路器。而柔性直流输电系统中的故障电流不可控,因此为满足柔性直流电网的需求,柔性直流电网应采用类似于交流电网的模式,即在直流线路两端应当都配有直流断路器,每一个直流断路器都应当配置一个保护装置来控制该直流断路器的动作。与现有的直流输电系统中控制和保护集成一体化的设计不同[27-28],在柔性直流电网中直流线路的保护也应当借鉴交流电网中的模式,即直流线路保护与控制系统相分离,单独组成一套直流线路保护装置,以提升保护的动作速度和可靠性。
3.2 主保护的比较
柔性直流电网线路的主保护应当采用基于单端电气量的保护原理,这一点与交流线路主保护采用纵联保护构成有所不同。由于通信设备和信号传输所引入的延时的存在,纵联保护将不能满足柔性直流电网对线路主保护3 ms动作速度的严苛要求。常规直流输电系统的线路主保护虽然也采用的是基于单端电气量的保护原理,但其保护的动作速度远不能满足3 ms的要求,同时,由于常规直流输电系统可以通过增大整流侧的触发角来降低线路电压,从而将故障稳态电流控制到较低水平,即故障电流完全可控,因此常规直流输电系统的线路保护也不需要很快。
在传统的交流系统中,线路保护对保障系统的安全稳定运行具有重要作用。但在现有的直流输电工程中,直流线路的保护的重要性有所下降。现有的直流输电工程多为双端直流输电工程,对于基于晶闸管的常规直流输电系统,当直流线路发生故障时,由于其定电流控制的存在,可以通过增大晶闸管的触发角来降低线路电压从而将故障电流降低到较低水平,系统中的设备不会遭受稳态大电流的冲击[29-30];对于双端柔性直流输电系统,由于直流断路器不成熟[31-33],因此直流线路发生故障时往往只能通过开断交流侧的交流断路器来切断故障电流[21, 34]。但是对于柔性直流电网来说,由于其自身的故障特点以及直流断路器难以做到大容量等原因,线路保护的重要性被提升到前所未有的高度。可以说,柔性直流电网的线路保护技术是保证柔性直流电网能够得以真正实现的关键技术之一[35-36]。因此,柔性直流电网线路的主保护在满足对动作速度要求的同时,应当具有较高的可靠性、足够的灵敏性和绝对的选择性,不能再简单地直接借鉴常规直流输电系统的线路保护。
3.3 后备保护的比较
柔性直流电网线路的后备保护应当采用纵联保护技术。纵联保护相对于单端量保护往往具有更好的选择性和灵敏性,当单端量主保护受其灵敏度限制不能识别经大过渡电阻接地故障时,纵联后备保护可以良好地作为单端量主保护的补充和配合。现有的常规直流输电系统的线路后备保护往往采用纵联电流差动保护,但受故障后暂态过程的影响,电流差动保护往往引入较大的延时,动作速度较慢。对于柔性直流电网来说,其直流线路的后备保护动作时间应少于20~30 ms,以保证在直流侧发生故障时直流线路后备保护能够先于交流侧保护动作,进而在时序上更好地配合超高速的直流线路主保护和交流侧的保护。
4 结论
柔性直流电网的故障处理方式应当与传统的交流电网类似,即通过保护和直流断路器实现对故障元件的快速隔离或切除,以充分发挥柔性直流电网的输电灵活性和可靠性优势。
柔性直流电网线路主保护应当采用单端量保护算法以保证保护具有极快的动作速度,并需要采取适当的解耦措施和故障选极方法,以及噪声、雷击等干扰的识别方法,以保证保护的可靠性;后备保护则应当采用纵联保护原理以作为主保护的补充,保证保护具有足够高的灵敏度;同时后备保护也应当具有较快的动作速度以在时序上配合快速主保护和交流侧保护,尤其是在直流侧发生故障时,后备保护要能够先于交流侧保护动作。
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