计及控保协同的自适应电流差动保护方法

近年来，新能源经柔性直流输电（voltage sourced converter based HVDC，VSC-HVDC）（以下简称“柔直”）送出系统被广泛应用，推动全球电力向着清洁和绿色发展。但是，新能源经柔直送出系统的交流输电线路受两端电力电子装置及控制策略影响，故障时短路电流会存在波形畸变、相角受控、幅值受限等特征。基于同步机电源特性的传统保护原理，在新场景下会存在适应边界减小、灵敏性降低甚至不正确动作的风险。因此，针对双侧受控交流线路中保护的薄弱环节，进行新保护原理的研究尤为重要。

《中国电力》2025年第2期刊发了张博等撰写的《计及控保协同的自适应电流差动保护方法》一文。文章首先分析了新能源经柔直送出系统两端换流器控制策略对故障电流的影响，并对送出交流线路传统保护进行适应性分析。然后，结合柔直换流器控制参考值与保护判据，通过引入故障穿越策略的参考电压系数，实现自适应调整纵联保护动作门槛，提高了保护灵敏度，正确识别故障区间。最后，基于PSCAD仿真平台，搭建新能源经柔直送出系统的电磁暂态模型，仿真验证所提保护方法的动作性能。

（来源：《中国电力》2025年第2期 引文：张博, 王聪博, 詹荣荣, 余越. ）

摘要

大规模新能源经柔性直流输电（以下简称“柔直”）送出系统已成为中国新型电力系统中的典型场景，然而新能源场站与柔直换流器之间的交流输电线路两侧均为电力电子装置，短路电流受到不同换流器控制策略影响导致波形畸变严重，使得传统纵联保护灵敏度降低，拒动风险增大。提出了计及控保协同的自适应电流差动保护方法。以柔直换流器故障穿越策略为基础，分析了故障时两侧的故障电流特征，并将换流器控制参考值与保护判据相结合，构建了控制与保护协同的自适应保护判据。基于PSCAD搭建新能源经柔直送出系统的模型，仿真结果表明：所提保护可快速识别故障区间内不同类型故障，与传统差动保护原理相比，灵敏度提高了两到三倍，满足新型电力系统安全稳定运行对保护灵敏性与可靠性的需求。

01系统拓扑与控制策略

本文研究对象为新能源场站经柔直系统送出的220 kV交流输电线路，系统拓扑如图1所示。新能源经逆变器并通过变压器升压之后，经交流输电线路到达柔直换流站，之后通过直流系统并入电网。

图1  新能源场经柔直交流线路送出系统拓扑

Fig.1  Topology of VSC-HVDC system with the new energy stations

低电压穿越控制策略如图2所示。故障后，新能源场站通过检测并网点正序电压的跌落程度，并调节输出的无功电流以支撑电网电压，最终实现低电压穿越，即

图2  新能源场站侧与柔直侧故障穿越控制策略

Fig.2  Fault ride through control strategy for double terminal converter station

式中：I_wqref为故障穿越中的无功电流值；I_qref为无功参考电流；U_mv为新能源并网点故障电压；U_ref为系统额定电压；k₁为无功电流增益系数。

柔直换流器则采用主动降压法实现低电压穿越，进而使新能源输出功率降低，消除柔直系统中的有功功率积累。即，当线路发生故障时，故障电流急剧上升，当I_RMS＞I_lim时（I_RMS为电流量测值，I_lim为电流限值），柔直换流器降低交流参考电压值，以实现抑制故障电流的增长。此时控制系统电压跟踪值可表示为

式中：E_mmc为柔直换流器的控制系统电压跟踪值，可视为等效内电势；U_acref为柔直换流器的交流参考电压值；k₂为柔直控制系统的电压调整系数。

02传统差动保护适应性分析

由图1所示，保护元件配置在交流送出线路两侧，İ_M与İ_N分别为两侧保护元件所测量到的工频电流，以线路两侧换流器到线路的方向为正方向。比率制动式电流差动保护判据可表达为

式中：I_d为差动电流；I_res为制动电流；k为制动系数，典型取值范围为0.5~0.9；I_op为差动保护的动作门槛。

在不含新能源的交流送出线路中，传统差动保护对区内区外故障的识别具有绝对的可靠性。然而，在新能源经柔直送出线路中，由于故障电流受两侧换流器控制策略的影响，在不同故障场景下电流相角差将在0~180°之间摆动，可得静止坐标系和正负序dq同步旋转坐标系之间关系的空间矢量图，如图3所示。其中，静止坐标系包括三相静止abc与两相静止αβ坐标系。

图3  静止与旋转坐标系的空间矢量关系

Fig.3  The space vector relationship between the stationary and rotating coordinate systems

假设交流送出线发生BC两相短路故障，过渡电阻为零不会产生相角跳变，且故障穿越控制目标为消除负序电流。没有零序和负序电流的影响下，新能源侧的三相短路电流中只包含正序分量，因此A、B、C三相短路电流对称且之间互差120°。而柔直侧短路电流中同时包含了正序电流和负序电流，因此三相短路电流之间不再相互对称。如图4所示，İ_wa、İ_wb、İ_wc和İ_sa、İ_sb、İ_sc分别为新能源侧和柔直侧的三相电流。

图4  交流送出线路相间故障

Fig.4  Phase-to-phase fault in AC line

故障相的电流满足基尔霍夫定律，即

由于新能源侧只存在正序分量电流，可知İ_wa=İ_wb– İ_wc，故式（4）可进一步改写为

由于两侧换流器的限流控制作用，两侧短路电流幅值相差不会很大，但柔直侧没有抑制负序电流，所以柔直侧的短路电流会大于新能源侧短路电流。假设柔直侧的短路幅值为新能源侧短路电流幅值的2倍，则可以推导出在相间故障下柔直侧的两故障相电流之间的相角差约为160°。

柔直侧电流İ_sc与İ_sb和新能源侧的电流İ_wa之间的关系满足式（5）。当İ_sb与İ_wa之间的相角为0°~40°时，C相两端的电流相位差为–40°~0°，B相两端的电流相位差为–120°~80°，可知C相的电流差动保护灵敏性会下降，B相存在拒动风险。当İ_sb与İ_wa之间的相角为40°~160°时，C相两端的电流相位差处于0°~120°，B相两端的电流相位差为–80°~40°，此时B相的电流差动保护灵敏性会下降，而C相将会存在拒动风险。

综上所述，由于柔直换流器控制策略，电流故障特性受到有功、无功参考值、控制目标等因素的影响，短路电流受到了控制作用的抑制，幅值差异较小，相角受控，相比于传统新能源接入交流系统的场景，新场景下交流线路两侧的故障电流相位差将增加，传统电流差动保护的拒动风险进一步升高。

03计及控保协同的电流差动保护

3.1  保护原理

交流线路发生故障时，柔直侧换流器采用主动降压法的控制策略以实现系统的故障穿越，即根据式（2），降低换流器交流参考电压，从而对交流线路电压进行调节，达到限流的效果。然而，电流随控制参数改变而改变，会直接影响到保护的动作性能。因此，本文将低压穿越控制策略中的参考电压变化趋势考虑进保护判据的构造中，在此定义控制系数α_c为

电流差动保护判据可改写为

正常运行时，式（2）中I_RMS小于I_lim，两者之差为负值，此时E_mmc的数值增大，动作门槛值与制动项增大，此时动作系数进一步小于制动系数，保护可靠不动作。当被保护线路发生短路故障时，柔直侧的控制参数发生变化，通过降低参考电压值来限制故障电流。此时，式（2）中I_RMS大于I_lim，两者之差为正值，使得E_mmc的数值降低。根据式（6），α_c会随着E_mmc的降低而减小，令差动电流进一步大于动作门槛值与制动项，从而使制动系数随故障的发生进行自适应调整，提高保护的灵敏性与可靠性。

3.2  保护性能对比分析

在继电保护领域，灵敏度系数是衡量保护原理性能的重要指标。在发生区内故障时，灵敏度系数可以作为保护动作与否的评判标准，确保差动保护能够正确动作。通常，电流差动保护原理的灵敏度系数K_sem定义为其动作方程中差动项与制动项的比值，即

根据式（8），若两端线路上的电流差动保护灵敏度系数大于1，即差动项比制动项大，保护可正常动作，并且该系数越大，证明该保护装置动作性能越好，灵敏度越高；反之，若该系数小于1，保护装置不会动作。

因此，将1设为保护的整定门槛值，可通过K_sem与数值1的比较来判断保护动作情况，并以大于1的幅度进行保护原理灵敏性的判断。式（8）可改写为

式中：K_se为计及控保协同的自适应差动保护原理的灵敏度系数。

显然，K_se与k和α_c有关，现将所提保护原理构造的新制动系数设为K_m=α_ck。K_m越小，保护的灵敏度系数越高；反之，保护的灵敏度系数越低。通常，传统的电流差动保护将k值取为0.5~0.9，该值不能过低，否则会导致区外故障的误动。根据所提保护原理的判据，制动系数K_m可随着换流站控制策略的切换自适应整定，与传统差动保护的制动系数相比更加灵活，能够在故障发生后显著提高保护的灵敏性，大大降低了保护原理在新场景下拒动的风险。由K_m=α_ck，并联立式（2）（9），得到K_m为

现以交流线路发生单相接地故障时的仿真实例进行保护原理灵敏性分析，制动系数与灵敏度系数在故障前后的变化如图5所示。图5中，根据工程经验，传统保护制动系数定值k取0.8。

图5  制动系数与灵敏度系数变化规律

Fig.5  Variations of braking coefficient and sensitivity coefficient

根据图5 a)与式（10），在正常运行状态下（2.5 s前），I_RMS小于I_lim，两者差值为负值，则K_m的值将大于k值，即在正常运行状态下所提保护的可靠性更高，防止发生误动情况；根据图5 b)，在故障发生后，I_RMS变为正常运行状态的2倍以上，两者差值为正值，此时K_m的值将随着故障电流的增加而减小，达到降低制动门槛，差动项与K_m的比值增大，即自适应保护的灵敏度系数较传统保护原理有明显提升。

3.3  保护方法实现

现有继电保护装置为确保各插件间数据通信的可靠性，一般采用高性能的内部通信总线，支持分布计算且具有良好的拓展性。因此，实现本文所提方法可利用光纤直连的方式，并基于OTHER私有协议将柔直控制器中的交流电压参考值实时传送给交流线路保护装置。

当被保护线路发生故障时，保护装置根据柔直控制器输出的参考值变化动态调整制动系数门槛，使差动电流远远大于制动电流，当保护装置计算结果连续3次满足式（7）时，保护动作。此外，为了避免区外故障产生不平衡电流所导致的保护装置误动，系数α_ck大于0.2。另外，当柔直控制器与保护装置通信异常或出现中断时，保护判据恢复到原来只含k的传统判据。

04仿真验证与分析

为验证所提保护的有效性，本文在PSCAD中搭建图6所示的新能源经柔直送出系统仿真模型。共设置了6个故障点。其中，区内故障设置在新能源侧线路出口处f₂（10%）、线路中点处f₁（50%）以及柔直侧线路出口处f₃（90%）。区外故障设置在了f₄和f₅点处。此外，在相邻线路设置故障点f₆用于验证同塔双回线路下的相邻线路故障后的所提保护是否会发生误动。

图6  PSCAD故障测试仿真模型

Fig.6  PSCAD simulation test system

4.1  保护动作情况分析

在f₁—f₅故障点处分别设置了4种典型短路故障，分别为单相接地故障（AG）、两相相间故障（BC）、两相接地故障（BCG）以及三相相间故障（ABC）。仿真结果见表1。

表1  不同故障情况下所提保护仿真结果

Table 1  Simulation results of the proposed protection under different fault conditions

由表1可知，故障发生在区内时，各相灵敏度系数K_se均大于1的整定门槛，保护均正确动作，且动作性能表现良好；故障发生在区外时，K_se均未超过1，保护可靠不动作。说明所提保护在典型故障类型下，可满足系统安全稳定运行的需求。

为了更清晰地展示所提保护的动作性能，以故障点f₁（50%）处为例（t=2.5 s为故障时刻），仿真结果如图7所示。由图7可知，在交流线路发生不同短路故障时，所提保护方法均能够可靠动作，其速动性表现良好，动作所需时间不超过10 ms。验证了该方法可有效改善传统差动保护灵敏度下降的问题。

图7  交流线路故障后的保护动作性能

Fig.7  Protection performance after AC line fault

4.2  保护算法抗过渡电阻能力

为了验证过渡电阻对所提保护的影响，以故障点f₁（50%）处为例，设置在不同过渡电阻（25 Ω、50 Ω、75 Ω、100 Ω）情况下单相接地、两相接地和两相短路故障。受到过渡电阻的影响，导致I_d/I_res最大值有所下降，但是单相接地故障、两相故障、两相接地故障以及三相对称接地故障下所提保护依然可以正确识别区内故障，不会发生拒动，仿真结果如表2所示。

表2  不同过渡电阻情况下所提保护性能

Table 2  Performance of the proposed protection under different transition resistance scenarios

4.3  与传统差动保护性能对比

为了更好地展示所提保护的优越性，本文将所提保护与传统差动保护进行对比，以三相短路故障为例，得到仿真结果如图8所示。

图8  保护性能对比

Fig.8  Comparison of protection performances

由图8可知，三相故障发生后，所提保护的制动系数下降，与传统电流差动保护相比，灵敏度有明显提升。

为了全方面展现所提保护的动作性能，现于不同故障情况下进行仿真测试，取故障后7 ms时刻的灵敏度进行对比，计算结果如表3所示。由表3可知，所提保护相比于传统差动保护，性能更好，灵敏性提升了两到三倍。

表3  保护动作灵敏度对比

Table 3  Comparison of protection action times

4.4  抗邻线故障影响能力

新能源场站一般经多条线路汇集后再经过柔直系统送出，而相邻线路的故障也会导致柔直换流器启动低穿策略，因此要验证相邻线路故障时保护是否误动。

为了验证所提保护是否会发生误动，建立同塔双回线路下的相邻线路故障模型，于相邻线路f₄处设置单相接地故障、两相故障、两相接地故障以及三相对称接地故障，得到仿真结果如图9所示。

图9  邻线故障影响下所提保护动作性能

Fig.9  Performance of the proposed protection under the influence of adjacent line faults

因为相邻线路故障同样会导致换流器启动降压限流控制，同时保护门槛将自适应随着控制而改变，但是此时无论在哪种故障情况下的灵敏度系数都极小，不会超过保护门槛，因此在同塔双回线路下的相邻线路故障后所提保护具有较高的可靠性，不会发生误动。

05结论

本文针对新能源场站与柔直换流器之间的交流输电线路中传统差动保护灵敏度降低的问题，提出了计及控保协同的自适应电流差动保护方法，经仿真测试，得到如下结论。

1）所提保护可以准确判断区内外不同类型故障，在保证可靠性的前提下大大提高了差动保护的速动性和灵敏度。与传统差动保护原理相比，灵敏度提高两到三倍；

2）该方法在100 Ω过渡电阻故障条件下仍能可靠动作，且具有抗邻线故障影响的能力，适用性较好；

3）该方法结合柔直换流器控制参考值与保护判据，通过引入故障穿越策略的参考电压系数，实现了自适应调整纵联保护动作门槛，逻辑简单且易实现，工程实用性好。