李海锋，许灿雄，梁远升，赖江宇，王 钢
计及换流站控制响应的多端混合直流线路后备保护设计
李海锋1，许灿雄1，梁远升1，赖江宇2，王 钢1
(1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510641；
2.广东电网公司广州供电局，广东 广州 510620)
多端混合直流系统故障暂态过程受直流控制响应的影响较大，针对其线路故障特征的分析和保护原理的研究，应当充分计及直流控制特性的影响。为此，根据多端混合直流系统的特点，计及故障后不同换流站的控制响应过程，对其直流线路故障暂态电流的变化趋势关系进行研究分析。并基于此提出了基于滑窗均值电流的多端混合直流线路区内、区外故障识别判据，给出了具体的保护方案。通过PSCAD/EMTDC对所提保护方案的可行性进行了仿真验证。仿真结果表明，所提方案能够可靠识别包含T接汇流母线在内的各种直流线路故障，天然具有故障选极能力，耐受故障过渡电阻能力和抗噪声干扰能力强，且无需数据同步，可作为多端混合直流线路的快速后备保护。
多端混合直流系统；
控制响应；
故障暂态电流；
故障识别；
快速后备保护
作为一种新型的直流输电方式，多端混合直流系统在整流侧采用LCC(line commutation converter)换流技术，逆变侧采用MMC(modular multilevel converter)换流技术，结合了两者优势，避免了换相失败，还可实现多端供电和多落点受电，具有广阔的工程应用前景[1-3]。多端混合直流输电技术仍有诸多技术难题有待攻克，其直流线路故障暂态特征分析及线路保护研究正是其中亟待解决的关键问题之一。
目前多端混合直流线路保护方案主要参照LCC传统直流工程和MMC柔直工程的运行经验，以行波保护和微分欠压保护为主保护，电流差动保护作为后备保护[4-5]。虽然电流差动保护不受故障过渡电阻的影响[6-8]，但为了保证选择性，需要通过延时来躲开控制系统响应以及较长线路分布电容的影响，牺牲了速动性。针对现有后备保护存在的不足，国内外专家学者基于故障信号的时域或频域特征提出了很多解决方案。基于时域特征分析的保护方案主要利用边界元件两侧电压或电流的变化量、变化率或梯度等信息实现故障区域识别[9-11]，此类方法一般原理简单且动作迅速，但却易受高频噪声信号的干扰，可靠性有待进一步提高。而基于频域特征分析的保护方案往往采用如小波变换[12-14]、S变换[15]、Hilbert-Huang变换[16]等信号处理技术来提取区内、区外故障时的频域能量信息，利用边界元件特性构造保护判据[17-19]，但往往存在计算繁琐、速动性较差等问题。
上述保护原理主要针对LCC双端直流系统和MMC柔直电网。然而由于多端混合直流系统在拓扑结构、运行方式和控制策略等各方面皆与常规直流和柔性直流存在一定的差异，T接汇流母线的存在使得其直流线路边界特性复杂多变，再加上故障后不同换流站的控制响应及相互作用，使得这些保护方案无法直接应用于多端混合直流系统。
为此，专家学者也开展了一些相关的研究。文献[20]提取了多端混合直流线路的故障暂态高频电流变化量构造保护判据，然而当应用到较长的直流线路上时，由于长线路对高频分量的衰减作用，该方法的可靠性大大降低。文献[21]利用小波变换提取故障暂态电流，基于并联型多端混合直流系统各线路两侧暂态电流的中低频能量差进行故障区域判别，但该方法整定繁琐，计算量较大。文献[22]研究分析了故障行波在多端混合系统不同线路边界处的折反射差异，提出了基于故障电压首极值时间的快速保护方案，但该方法无法识别T接汇流母线故障。上述几种方法主要基于暂态初始行波信息，都没有考虑直流控制响应的影响。
由于LCC和MMC的控制响应特性不同，多端混合直流线路故障暂态阶段受直流控制响应的影响较大，现有的保护方法或是利用控制响应前的故障特性，或是利用控制后的稳态信息躲开了控制系统的影响，致使直流控制暂态阶段缺乏相应的保护。为此，本文计及多端混合直流系统故障后不同换流站的控制响应过程，研究分析了其直流线路故障暂态电流的变化趋势关系，构造了基于滑窗均值电流的多端混合直流线路区内、区外故障识别的保护判据，最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型并验证了所提保护方案的正确性。
图1 ±800 kV三端混合直流系统
图2 MMC换流站出口处直流电流
图3 直流故障电流方向示意图
表1 故障电流变化趋势与参考方向的关系对比
注：电流变化趋势与参考方向相同时记为“+”，相反时记为“-”
3.1 启动判据
当多端混合直流线路发生故障时，直流电压迅速跌落，因此可以利用线路两侧直流电压的变化率作为快速后备保护的启动判据：
3.2 保护动作判据
3.2.1故障电流的滑窗均值特征
当直流侧发生故障时，直流电流中可能包含有各次谐波分量，为滤除其中的工频分量和高频谐波分量，削弱可能存在的奇异点影响，可将线路两侧直流电流取20 ms内的平均值。
3.2.2基于滑窗均值电流的相似度判据
当发生直流线路故障时，其两侧电流的变化趋势相反，为此可引入余弦相似度函数，通过测量两个向量的夹角余弦值来度量它们之间的相似性，而且该函数对信号进行归一化处理，只考虑信号的变化趋势，消除了信号幅值的影响，计算公式为
综合上述分析，可以基于滑窗均值电流变化趋势构造多端混合直流线路的区内、区外故障识别判据：
对于图1所示的三端混合双极直流系统，发生不同类型故障时的识别判据分别为
除上述3种情况外，其余情况均判别为区外故障。
需要指出的是，由于该保护判据天然具有故障选极能力，因此无需额外的故障选极判据。
与以往的保护方案不同的是，所提保护方案并不需要故障后一个完整数据窗的时间才动作；
在故障初始阶段，数据滑窗内同时包含有故障前和故障后的电流信息，由于故障前信息为零，只需故障后信息令滑窗内采样点整体上满足故障判据即可动作，实际上此时相当于变窗均值，其实际动作时间会小于完整的数据滑窗时间，也在一定程度上确保了作为后备保护的速动性。
3.3 保护方案流程框图
根据上述分析，综合启动判据和故障动作判据，提出基于滑窗均值电流变化趋势的多端混合直流线路保护方案，其具体流程图如图5所示。
图5 多端混合直流线路保护方案流程图
4.1 故障仿真分析
(1) Line1区内故障
图6 Line1区内故障时保护动作结果
(2) Line2区内故障
图7 Line2区内故障时保护动作结果
(3) T接汇流母线故障
图8 T接汇流母线正极故障时保护动作结果
(4) 区外故障
图9 区外故障时保护动作结果
通过上述仿真验证可以发现，当发生金属性故障时，所提保护方案仅需几毫秒的时间便可准确识别出多端混合直流系统的Line1区内故障、Line2区内故障和T接汇流母线故障，并不需要等待一个完整数据窗的时间，而且能够正确选极，具有较好的速动性。
4.2 耐受过渡电阻能力测试
当多端混合直流系统发生高阻接地故障时，相对于金属性接地，其直流故障特征明显削弱；
为了验证不同故障过渡电阻对所提保护判据性能的影响，在不同故障位置分别设置不同的故障过渡电阻，包括0.001 Ω、300 Ω和800 Ω，基于所提保护原理进行大量的仿真分析，由此可得表2。
由表2可知，在不同的故障过渡电阻下，所提保护原理均可正确识别出Line1区内故障、Line2区内故障、T接汇流母线故障以及区外故障，并能够可靠动作，具有较强的耐受故障过渡电阻的能力。
4.3 抗噪声干扰能力测试
本文所提保护原理基于故障暂态电流的变化趋势，因此若电流信号受到高频噪声干扰，理论上可能会使电流变化趋势改变，影响到保护的可靠动作；
但由于所提保护原理对电流信号进行了滑窗均值处理，对属于高频信号的噪声起到了一定的滤波作用。为此，在电流信号中分别加入信噪比为10 dB、20 dB和30 dB的噪声干扰，对所提保护原理的抗噪声干扰能力进行仿真验证，结果如表3所示。
表2 不同故障过渡电阻下的保护性能测试
表3 噪声干扰下的保护性能测试
由表3可知，在不同的白噪声干扰下，所提保护判据依然能够可靠动作，具有良好的抗噪声干扰能力。
4.4 数据同步误差影响测试
本文所提保护判据需要利用线路两侧电流数据，而多端混合直流系统中架空输电线路一般较长，两侧数据可能存在一定的同步误差。为了验证数据同步误差对所提保护判据性能的影响，设置线路两侧5 ms的通信延时，基于不同故障位置和不同故障过渡电阻情况进行仿真，结果如表4所示。
表4 数据同步误差下的保护性能测试
由表4可知，即便在5 ms的数据同步误差下，所提保护判据依然能够准确识别出各种故障类型，因此无需数据严格同步。
4.5 与差动保护方案对比测试
目前高压直流输电线路后备保护以差动保护为主，针对图1所示的三端混合直流系统，传统差动保护判据如式(9)所示。
图10 区外故障时的差动电流
现有的差动保护改进方案大多通过对电流进行补偿[6-8]，考虑线路暂态分布电容电流的影响，无需延时，提高了速动性，但和传统差动保护方案一样，容易受到电流信息中高频谐波分量的影响，且要求数据严格同步，存在误动的可能；
同时差动保护无法准确识别多端混合直流系统中的T接汇流母线故障，存在一定的局限性。
本文所提保护方案经过仿真验证，可以在噪声干扰以及数据同步误差下准确识别包括T接汇流母线在内的各种直流线路故障，相较于差动保护而言，更适合作为多端混合直流线路的后备保护。
本文计及多端混合直流系统故障后换流站控制切换及MMC直流闭锁情况，利用故障暂态电流的变化趋势关系，构造了基于滑窗均值电流的多端混合直流线路区内、区外故障识别判据，并给出了具体的保护方案。
该方案原理构成和计算过程简单，该方案原理构成和计算过程简单，通过大量的电磁暂态故障仿真算例，对所提保护方案的正确性和可行性进行了验证，仿真结果表明：
(1) 本文所提保护方案能在较短的时间内准确识别出直流线路区内故障、T接汇流母线故障以及区外故障，并具有天然的故障选极能力。
(2) 本文所提保护方案具有较强的耐受故障过渡电阻能力和抗噪声干扰能力，且无需严格的数据同步，可靠性和灵敏性高，可作为多端混合直流线路的快速后备保护。
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Backup protection design for multi-terminal hybrid HVDC lines considering control response
LI Haifeng1, XU Canxiong1, LIANG Yuansheng1, LAI Jiangyu2, WANG Gang1
(1. School of Electric Power Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. Guangzhou Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510620, China)
The fault transient process of a multi-terminal hybrid HVDC system is affected greatly by DC control response. The impact of DC control characteristics should be taken into consideration in the analysis of line fault features and research on the protection principle. Based on the characteristics of this type of HVDC system and the control response of different converter stations, the variation tendency relationship between fault transient currents after a DC line fault occurs is studied and analyzed. Then the fault identification criterion based on the sliding mean currents to identify the DC characteristics of internal and external line fault is proposed, and a specific protection scheme is presented. The validity of the proposed protection scheme is verified by PSCAD/EMTDC simulation. The results show that the proposed scheme can quickly and correctly identify line faults including on the T-junction DC bus. It can be implemented with superior performance for a fault transition resitance and with noise interference. Synchronous data is not needed. With fault pole selection capability, the proposed scheme qualifies as fast backup protection for multi-terminal hybrid HVDC transmission lines.
multi-terminal hybrid HVDC system; control response; fault transient current; fault identification; fast backup protection
10.19783/j.cnki.pspc.220565
国家自然科学基金项目资助(52077082)；
广东省基础与应用基础研究面上项目资助(2022A1515010906)
This paper is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077082).
2022-04-19；
2022-07-04
李海锋(1976—)，男，博士，教授，研究方向为电力系统故障分析与继电保护；
E-mail: lihf@scut.edu.cn
许灿雄(1996—)，男，硕士，研究方向为高压直流输电线路保护；
E-mail: jzmyxcx@163.com
梁远升(1980—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为电力系统保护、控制与自动化。E-mail: ysliang@ scut.edu.cn
(编辑 许 威)
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