直流换相失败引发功率倒向保护策略研究

潘尔生， 李 军， 申洪明,2， 韩 柳

(1.国网北京经济技术研究院，北京 102209； 2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

直流换相失败引发功率倒向保护策略研究

潘尔生1， 李 军1， 申洪明1,2， 韩 柳1

(1.国网北京经济技术研究院，北京 102209； 2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206)

交直流系统之间相互复杂作用会引发交流线路暂态功率倒向现象。详细分析了交直流互联系统下流入交流系统工频电流相角的变化特点，提出了一种基于本地工频相角信息的防止暂态功率倒向的预防策略；理论分析了直流换相失败对交流系统零序电流的影响，进而提出了一种将零序方向元件与纵联方向保护判据相结合的防止暂态功率倒向的预防措施。最后基于PSCAD/EMTDC仿真结果验证了防范措施的有效性。

换相失败； 功率倒向； 基波相角； 零序方向元件

0 引 言

由于我国能源和负荷逆向分布的特性，HVDC输电技术得到了迅速发展，我国已经初步形成了交直流混联系统。在交直流混联系统中，除了直流本体故障外，交流故障是造成换相失败发生的主要原因[1]，据现场统计表明，仅2006～2007年期间，天广直流发生的14次换相失败均为交流系统故障所致。直流换相失败期间交流系统的暂态过程非常复杂[2-5]，对交流系统继电保护影响较大[6]。

文献[7]研究了交直流系统中交流故障以及换相失败之间存在的时序关系，进一步的分析了换相失败引起功率倒向的机理；文献[8]采用仿真分析的方法提出了功率倒向的机理。以往的文献主要研究了交直流互联系统下功率倒向发生的机理，提出的解决措施也大多局限于采用新的保护原理来替代纵联方向保护，如采用分相电流差动保护等。但纵联方向保护对一些故障的快速切除是非常有必要的，因此建议在互联系统中弃用纵联方向保护也略显片面。所以迫切需要一种新的防止功率倒向引起的纵联方向保护误动的措施。

本文首先详细分析了传统电网与换相失败引发的功率倒向的不同，然后从继电保护的角度提出了一种利用保护安装处基波电流相角信息的检测换相失败的方法。进而从理论层面详细研究了交直流互联系统中零序电流的分布规律，指出可以用零序方向元件准确识别故障方向。基于PSCAD/EMTDC的仿真结果验证了分析结论的正确性。

1 交直流电网功率倒向现象的提出

传统的功率倒向是指双回线路中由于故障线路两侧断路器跳开时间不一致导致非故障线路误动的现象。传统的继电保护一般是针对单元件的单一故障设计的。而在交直流系统中，若受端电网故障引起直流换相失败，则相当于交流系统和直流系统同时出现了故障，因此势必会对传统的继电保护产生冲击。图1给出了交直流系统中主要事件的顺序图，其中交流故障切除一般位于换相失败恢复之前，对于轻微的换相失败，可能出现t3超前于t2的现象。

图1 时序关系图Fig.1 Time sequence diagram

保护计算用的数据窗可能位于图1中的任何位置，当数据窗全部位于时间t1之后，如窗1所示，此时数据窗内数据同时包括了换相失败和交流故障的信息，非故障线路很容易由于功率倒向的原因导致误动，而数据窗位于其他位置时，功率方向可以做到正确识别[7]。

功率倒向引起的保护动作行为表现为纵联方向保护的误动作，而纵联保护的实质是检测保护安装处背后系统阻抗的性质。在交直流系统中，保护安装处背后连接直流系统，换相失败期间由于直流系统控制的作用，与直流系统相连接的保护安装处的背后系统阻抗不断发生变化，导致了非故障线路在故障线路断路器尚未动作之前，就可能发生功率倒向，使得出现功率倒向的时间小于40 ms，所以传统的策略已经不再适用，如广东电网横东甲、乙线及北涌乙线都出现了由于传统策略的不适应而导致保护误动的发生。所以需要新的预防措施来预防非故障线路的误动，以增强纵联方向保护在交直流互联系统中的适用性。

2 基于本地相角信息的预防措施研究

显然如果交流侧故障未引发换相失败，则表示此时直流系统与交流系统之间相互影响很小，依靠传统的预防策略就可以躲过功率倒向的影响；如果引发换相失败，则需要新的预防策略。下文将重点讨论一种基于本地相角信息的预防策略和一种不受交直流互联系统影响的基于零序功率方向元件的解决措施。

2.1基于本地相角信息的预防措施的研究

图2给出了逆变侧交流系统等效电路图，图中将直流系统可以等效成压控流源[6]。

图2 交直流系统电路图Fig.2 Circuit diagram of AC/DC system

图2中各符号的表示含义如表1所示。

表1 图2中各符号表示含义

在图2中，对ubus节点，由KCL显然存在：

(1)

图3给出了三相桥式逆变电路，其中阀v1～v6均为晶闸管器件。

图3 三相桥式逆变器等效电路Fig.3 Equivalent circuit of three-phase bridge inverterat side

不妨假定阀的导通顺序为：v1,v2→v3,v2→v3,v4→v5,v4→v5, v6 →v1, v6，规定电流流入交流系统的方向为正，流出为负，则无故障时电流Idc(以 A相为例)波形如图4(a)所示；考虑到仅发生交流侧故障时直流系统扰动并不大，因此可以假设此时的触发角α保持不变。按照阀的导通顺序以及等间隔的触发模式，可以得到仅发生交流侧故障时流入交流系统A相电流的等效波形，如图4(b)所示。此时各个阀的导通时刻及导通时间不变，即调制函数不变，但故障期间流过阀的电流大小发生了变化，假设此时流过阀的电流函数依次为βId,K1βId,K1K2βId，其中β，K1，K2是时变的参数。

图4 A相电流波形对比Fig.4 Comparison for phase A current waveforms

图5(a)给出了仅交流侧故障时直流电流波形。通过图5(a)可以看出，由于交流侧故障导致逆变器直流侧电压下降，因此直流电流呈现上升的趋势，但上升幅度有限；随后为了抑制直流电流的增大，整流侧采取增大触发角以及低压限流环节等作用，直流电流迅速下降。同时可以看出，正常运行时，直流电流仍存在微小的波动，即直流纹波[1]。

如果交流侧故障尚不能引发直流换相失败，则表示交流母线电压下降十分有限[9],此时直流线路电容的放电速度受到了极大限制，同时由于平波电抗器对直流电流变化趋势的抑制作用，因此可以把直流电流认为是恒定不变的[4]。所以图5(a)中即使两个最值点之间数值相差也不大。而且此时两个最值点之间的时间间隔Δt大约为2.5个周波，因此在20 ms的数据窗内的数据波动幅度更小；图5(b)给出了相隔120°时直流电流采样点幅值的变化趋势。由图5(b)可以看出此时电流波动性确实很小。图4(b)中点1与点2，点3与点4之间相差60°电角度，所以此时直流电流的波动性更小，即K1，K2变化非常小；同样的原因可以得出电流在各自区间[0,π/3]，[2π/3,4π/3]，[5π/3,2π]波动性很小，因此参数β变化也非常小。

图5 交流侧故障直流电流特点 Fig.5 The feature of DC current during AC fault

通过上面的分析可以看出β，K1，K2三个参数虽然是时变参数，但上下波动的范围很小，为了便于进行分析，可以近似的认为β，K1，K2为常数。

由傅里叶级数对图4(a)计算可得

(2)

式(2)中:a1、b1表示的是电流Idc基波分量的实部和虚部。由式(2)可以求得相对于cos(ω0t+φ)形式而言的相角为0。

对图4(b)的波形进行傅里叶级数展开得：

(3)

展开式(3)可得

(4)

图6(a)表示的是在K1，K2∈(0.8,1.2)时利用式(4)计算得到的电流Idc1相角变化曲线，图6(b)给出了电流Idc1幅值在交流故障前后的比值。由图6(a)可以看出，电流Idc1相角在仅交流故障时变化很小；由图6(b)可以得出，仅交流故障时电流Idc1幅值变化不大。特别地当K1=K2=1时，此时相角、幅值变化为零，因为此时电流波形的形状与正常波形一样，因此计算的结果相同。

图6 交流故障时相角的变化趋势 Fig.6 The change trend of phase during AC fault

图相角变化示意图 Fig.7

(5)

式中：φ表示的是A，B，C三相。式(5)表明，三相中只要有一相基波相角的变化值大于整定值，即表明交流故障引发了换相失败故障，否则表示未发生换相失败。显然，对于双回线而言，φ表示的是两回线中的六相。

2.1.3 新预防策略的提出

躲开功率倒向引起的非故障线路误动的基本策略仍然是短延时，但在交直流互联系统下，必须依赖于是否发生了换相失败故障：如果无换相失败，则依然采用传统的功率倒向预防策略；如检测到换相失败，无需在40 ms以后再延时，而是在检测到功率方向发生变化时立即延时，防止保护误动。如功率方向不发生变化，那么无须延时，以保证内部故障时保护的快速动作。具体策略如下，假设故障开始的时刻为t0：

(1)计算双回线六相电流的相角，检测ΔPφ>ΔPset在t∈(t0+20 ms,t0+25 ms)是否成立：成立表示发生了换相失败，需要新的预防策略；否则表示未引发换相失败，可以采用原有的策略来防止保护的误动。t0+20 ms是因为考虑到数据窗的长度一般为20 ms，t0+25 ms是通过大量的仿真分析发现，如果交流侧故障引发了换相失败，ΔPφ>ΔPset在t∈(t0+25 ms)之内就已经成立。

图8 新逻辑流程图Fig.8 The flowchart of the new logic

2.2基于零序方向元件的防范措施

基于相角信息的预防措施需要预先判断交流侧故障是否引发了换相失败，如果存在一种不受混联系统影响的方向元件，依靠该方向元件能正确识别故障方向，显然就能躲开功率倒向的影响。

2.2.1 零序电流的分布特点

由图10 可得

(6)

2.2.2 基于零序方向元件防范措施的提出

由2.2.1章节可知，直流系统的接入不会对交流系统中保护安装处零序电流产生影响。同时现有的直流保护系统主要用于调制直流电流的大小，对直流或者交流的电压影响不大。因此，无论保护安装处背后直流系统状态如何，零序方向元件都能准确识别交流线路的故障方向。因此可以在纵联方向保护中增加一个零序方向元件，两者构成“与”门，即当两者都满足动作条件时，保护才能开放。新的逻辑框图如图11所示。

图11 带有零序方向元件的方向纵联保护Fig.11 The novel directional pilot protection with zero-sequence directional element

3 仿真验证

3.1仿真模型

基于PSCAD/EMTDC搭建了如图9所示的仿真模型，其中模型参数如表2所示。表2中SCR表示系统强度，Z1，Z2表示线路的正序、零序参数，f0表示采样频率，rmin表示最小熄弧角。

表2 仿真参数

考虑到不同直流工程的控制策略、控制参数不尽相同，同时换相失败期间暂态过程非常复杂，从而使得寻找适合所有场景的ΔPset变得非常困难，现阶段只能通过大量的仿真实验确定ΔPset，本仿真实验确定ΔPset25°较为合适。仿真中主要以L1线路发生A相接地故障为例进行仿真验证。

图12 基于基波相角信息的仿真验证 Fig.12 The simulation result based on primary phase

3.2基于基波相角预防策略的仿真分析

图12(a)～(d)分别表示L1M侧故障相相角的变化曲线、熄弧角变化曲线、L1线路两侧保护安装处的功率方向、L2中M侧功率方向变化曲线，其中故障位置距M侧10公里，过渡电阻为20 Ω。通过图12(a)可以看出ΔPA>25°，判为换相失败故障；图12(b)关断角γ=0表明判断结果正确；由图12(c)故障线路的功率方向判别结果来看，故障线路两侧功率方向没有发生变化，且都满足正方向，所以保护可以无延时的跳开；由图13(d)可以看出，L2功率方向在t=0.527 s由正方向变为负方向，则线路L2中N侧功率由负方向变正方向，如果线路闭锁信号传输延迟，则可能造成L2误动。根据新的防范措施，需要在0.527 s时立即延时40～50 ms，则N侧有足够的时间收到M侧发送的闭锁信号，从而确保纵联方向保护不误动。

图13 (a)表示故障线路三相电流相角的变化量；图13(b)表示的是关断角的大小。通过图13(a)可以看出三相相角的变化ΔPφ<ΔPset，不满足换相失败的判别条件，因此判定没有引发换相失败故障。同时图13(b)γmin>0验证了分析结果的正确性。根据新的策略，此时由于没有引发换相失败故障，可以按照传统的预防策略防止功率倒向的影响。

图13 无换相失败时的仿真结果Fig.13 The simulation result for non-commutation failure

3.3基于功率方向元件防范措施的仿真分析

图14(a)～(c)分别表示非故障线路L2零序方向元件M侧、N侧判别结果以及故障线路L1两侧零序方向元件的判别结果，故障形式与图12相同。通过图14(a)、(b)可以看出，虽然N侧零序方向元件判为正方向，但侧零序方向元件一直判为反方向，能保证非故障线路不误动；而故障线路零序方向元件一直判为正方向，能保证故障线路的快速切除。

图14 零序方向元件判别结果Fig.14 The discrimination results based on zero-sequence direction component

4 结 论

直流换相失败引发的功率倒向与传统交流电网功率倒向不同，因此依靠传统的防止功率倒向的措施在换相失败环境下不再适用。直流系统的接入，不会影响原交流系统零序电流的分布特征，将纵联方向保护与零序方向元件构成“与”逻辑，可以防止功率倒向引发的保护误动作。事实上，从宏观角度出发，换相失败期间一些传统的保护策略已经呈现出诸多的缺陷，在换相失败情形下采用何种新的保护策略乃至新的预防措施，是未来交直流系统中一个重要研究课题。

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Study on Strategy to Avoid Power Converse During Commutation Failure

PAN Ersheng1, LI Jun1, SHEN Hongming1,2, HAN Liu1

(1. State Grid Beijing Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2.School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206,China)

The transient power converse may occur in AC line because of the complicated interaction between AC and DC system. Detailed analysis is presented on the characteristics of the phase change of the power frequency current flowing into the AC system in AC/DC interconnected network. Then, a preventive method for avoiding transient power converse based on the information of local primary phase angle is proposed. The effect of commutation failure on AC zero-sequence current is analyzed from theoretical perspective. And a countermeasure is also presented on the basis of the zero-sequence direction component and criterion of directional comparison pilot protection. At last, the results of PSCAD/EMTDC simulation prove the validity of the countermeasures.

commutation failure; power converse; fundamental phase; zero-sequence power direction component

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.05.06

TM773

A

1007-2691(2017)05-0040-08

2016-12-20.

国家电网公司科学技术项目(XT71-16-053).

潘尔生(1964-)，男，高级工程师，主要从事电力系统设计、规划与控制保护等工作；李军(1963-)，男，高级工程师，主要从事电力系统通信系统设计、运营及管理等方面工作；申洪明(1988-)，男，博士研究生，主要从事电力系统保护与控制研究；韩柳(1975-)，女，高级工程师，主要从事电力系统规划设计研究。