海上風(fēng)電柔性直流送出線路的縱聯(lián)保護(hù)方法

劉 樹，楊林剛，劉 斌，王霄鶴，梅紅明，高玉青

（1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122）

實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源的清潔化、推動可再生能源的規(guī)?；俏覈?jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項重大任務(wù)[1-2]。風(fēng)力發(fā)電是清潔能源中發(fā)展最成熟、商業(yè)應(yīng)用最廣泛的發(fā)電技術(shù)之一。目前，陸上風(fēng)電待開發(fā)資源日益減少，近海風(fēng)電由于環(huán)保、生態(tài)等因素，發(fā)展受到限制[3]。而深遠(yuǎn)海具有更廣的范圍和更豐富的風(fēng)電資源，又不占據(jù)岸線和航道資源。因此，遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電是風(fēng)電的發(fā)展趨勢。

高壓交流輸電由于海底電纜的電容效應(yīng)，不適用于遠(yuǎn)距離的海上風(fēng)電并網(wǎng)[4]。而高壓直流輸電的輸送距離更遠(yuǎn)，因此，采用直流輸電技術(shù)已成為大容量遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電場并網(wǎng)的理想解決方案，尤其是模塊化多電平柔性直流輸電是目前研究的熱點[5-6]。

不基于通信的單端量保護(hù)只利用局部信息即可識別直流故障，具有較高的判斷速度。因此，單端量保護(hù)通常作為直流線路的主保護(hù)[7]。電流縱聯(lián)保護(hù)是利用線路兩端電流直接相加得到判據(jù)，在區(qū)外故障或穩(wěn)態(tài)運行時，差動電流為穿越電流，不會引起保護(hù)動作；在區(qū)內(nèi)故障時，線路兩端保護(hù)流過的電流均為正方向，差動電流大于門檻值，差動保護(hù)動作[8]往往被作為直流輸電線路的后備保護(hù)。

在柔直系統(tǒng)中，偽雙極接線方式不需要設(shè)置專門的接地極，故海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)一般采用偽雙極接線[9]。此外，海上風(fēng)電直流送出通道為海底電纜，發(fā)生雙極短路的概率很低。在偽雙極系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，換流器幾乎不向故障點提供故障電流，在故障初期，故障電流主要由直流電纜分布電容產(chǎn)生[10-11]。當(dāng)區(qū)外故障時，差動電流為被保護(hù)線路的電容電流，尤其是直流輸電線路距離較長，分布式電容電流過大會導(dǎo)致差動電流過大，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電流縱聯(lián)保護(hù)不能可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。在故障穩(wěn)態(tài)階段，故障電流幾乎為零，電流縱聯(lián)保護(hù)僅僅依靠時間延時也不能可靠地判別區(qū)內(nèi)故障。

針對上述問題，眾多研究者提出了基于電容電流補(bǔ)償?shù)谋Ｗo(hù)原理。文獻(xiàn)[12]提出采用貝瑞隆模型與頻變參數(shù)模型解決電流差動保護(hù)中電容電流的問題。文獻(xiàn)[13]分析了長線路中分布電容對現(xiàn)有保護(hù)的影響，提出了一種電容電流補(bǔ)償?shù)闹绷鞑顒颖Ｗo(hù)方法。文獻(xiàn)[14]提出了一種自適應(yīng)時域補(bǔ)償方法，提高了補(bǔ)償精度和電流差動保護(hù)的靈敏度。文獻(xiàn)[15]通過補(bǔ)償線路兩端保護(hù)接收故障信號時差的方法來進(jìn)行電容電流的補(bǔ)償，提高了直流差動保護(hù)的可靠性。文獻(xiàn)[16-18]提出了基于線路精確模型的電容電流補(bǔ)償方法。但是，目前上述電容電流補(bǔ)償方法的時間窗仍然較長，在保護(hù)速動性和可靠性方面仍有所欠缺。

鑒于此，本文提出了一種適用于海上風(fēng)電柔直送出線路的行波縱聯(lián)保護(hù)方案。該方案基于行波原理，分別通過線路兩端保護(hù)判斷故障方向，再利用方向縱聯(lián)區(qū)分內(nèi)、外部故障。該方法不受暫態(tài)分布電容電流的影響，PSCAD仿真結(jié)果充分驗證了所提方法的有效性和優(yōu)越性。

1 海上風(fēng)電柔直送出線路的保護(hù)難點

以圖1所示的海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)的拓?fù)錇槔M(jìn)行分析，兩個海上風(fēng)電場各接入一個柔性換流站，再分別經(jīng)一回直流海底電纜線路送出，最終經(jīng)過一個陸上換流站并入電網(wǎng)。

圖1 海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of VSC-HVDC system for offshore wind farms

柔性直流的接線方式可分為真雙極和偽雙極接線兩類。其中，偽雙極接線方式不需要設(shè)置專門的接地極，故海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)一般采用偽雙極接線。

1.1 偽雙極直流系統(tǒng)單極接地故障分析

偽雙極接地方式一般可分為直流側(cè)接地和交流側(cè)接地，如圖2所示。圖2（a）為在換流器出口直流兩極線上并聯(lián)接地大電阻，屬于直流側(cè)接地；圖2（b）為換流變中性點經(jīng)大電阻接地，圖2（c）為閥側(cè)交流接星型電感并串聯(lián)大電阻接地，二者均屬于交流側(cè)接地[19]。當(dāng)發(fā)生單極接地故障時，對于直流側(cè)接地方式來說構(gòu)不成放電回路，故障電流也就不存在；而對于交流側(cè)接地方式，雖構(gòu)成放電回路，但放電回路中均接入了大電阻，因此故障電流很小。

圖2 典型的偽雙極接線方式Fig.2 Typical connection modes of pseudo bipolar

本文以圖2（b）中換流變閥側(cè)中性點經(jīng)電阻接地為例，分析偽雙極系統(tǒng)中的單極接地故障特性。正極接地故障的示意圖如圖3（a）所示，其中Rl、Ll和C分別為直流正極線路的等值電阻、電感和電容，RN為換流變閥側(cè)中性點接地電阻。故障發(fā)生初期的等值電路如圖3（b）所示，故障線路電流僅由線路電容放電電流構(gòu)成。線路電容的放電過程使電壓下降，交流側(cè)逐漸向直流側(cè)饋流，如圖3（c）所示。但由于換流變中性點大電阻RN的存在，交流側(cè)饋流極其微小，近乎為零，可忽略不計。

圖3 單極接地故障的等值電路Fig.3 Equivalent circuit under single-pole grounding fault

1.2 電流縱聯(lián)保護(hù)在海上風(fēng)電柔直送出線路的問題

理論上，直流線路處于正常運行及外部故障時，差動電流為穿越電流，直流線路縱聯(lián)保護(hù)不會動作，只有在線路內(nèi)部故障時保護(hù)才動作。但對于長距離直流電纜輸電線路而言，在發(fā)生外部故障的暫態(tài)過程中，較大的分布電容電流的存在很有可能導(dǎo)致線路縱聯(lián)保護(hù)誤動作，對保護(hù)可靠性造成極大的影響。

以圖1所示的海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)的拓?fù)錇槔M(jìn)行分析，該柔直系統(tǒng)為偽雙極系統(tǒng)且采用換流變閥側(cè)星接中性點經(jīng)大電阻接地方式。以正極接地故障為例，當(dāng)直流電纜1發(fā)生區(qū)內(nèi)正極接地故障時，等值電路圖如圖4（a）所示；當(dāng)直流電纜1發(fā)生區(qū)外正極接地故障時，等值電路圖如圖4（b）所示。這里，等值電路僅考慮兩回直流電纜的正極線路。

圖4 單極接地故障等值電路Fig.4 Equivalent circuit under single-pole grounding fault

圖4中，R1、L1和C1分別為直流電纜1正極線路的等值電阻、電感和電容，R2、L2和C2分別為直流電纜2正極線路的等值電阻、電感和電容。由于換流變閥側(cè)中性點大電阻的影響，換流器向故障點潰流很小，幾乎可以忽略。當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，從等值電路圖4（a）可以看出，直流電纜1和2的正極線路同時向故障點放電。直流電纜1的電容放電電流不流經(jīng)線路兩端的保護(hù)，流經(jīng)保護(hù)Y處的電流IY幾乎為零，流經(jīng)保護(hù)M處的電流IM為直流電纜2的電容電流，故直流電纜1處的差動電流為直流電纜2的電容放電電流，即相鄰電纜線路的電容電流。

當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時，從等值電路圖4（b）可以看出，直流電纜1和2也同時向故障點放電。直流電纜2的電容放電電流不流經(jīng)直流電纜1兩端的保護(hù)，流過直流電纜1保護(hù)Y處的電流幾乎為零，流過保護(hù)M處的電流為直流電纜1的電容放電電流，即本線路分布電容電流。因此，直流電纜1處的差動電流為本線路電纜電容電流。

綜合上述分析可知，在故障初期，如果被保護(hù)線路與相鄰線路的長度相似時，區(qū)內(nèi)、外故障時的差動電流非常接近，尤其當(dāng)區(qū)內(nèi)發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地時，其差動電流遠(yuǎn)小于區(qū)外金屬性故障，故電流縱聯(lián)保護(hù)無法可靠區(qū)分區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障。在故障穩(wěn)態(tài)階段，由于換流變中性點大電阻的存在，故障電流幾乎為零，電流縱聯(lián)保護(hù)僅依靠時間延時也不能可靠地判別區(qū)內(nèi)故障。因此，電流縱聯(lián)保護(hù)不適用于海上風(fēng)電偽雙極柔直送出線路。

2 海上風(fēng)電柔直送出線路縱聯(lián)保護(hù)方法

2.1 直流輸電線路的行波基本原理

輸電線可假設(shè)由無數(shù)長度為dx的小段組成，設(shè)每單位長度的導(dǎo)線電感為L、電阻為r、對地電容為C、對地電導(dǎo)為g，則線路的分布參數(shù)模型如圖5所示。

圖5 線路的分布參數(shù)模型Fig.5 Distributed parameter model of transmission line

圖5所示的線路模型滿足關(guān)系式

為便于求解，將式（1）轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)求解，對于直流輸電線路，可表示為如下形式：

式中：Zs、Zm、Ys和Ym分別為線路的自阻抗、互阻抗、自導(dǎo)納和互導(dǎo)納；UP和IP分別為正極極線的電壓和電流；UN和IN分別為負(fù)極極線的電壓和電流。

設(shè)存在0模和1模分量滿足如下關(guān)系：

式中：U0、I0、U1和I1分別為0模和1模的電壓和電流分量；Q為特征向量矩陣。

對式（2）和式（3）分別進(jìn)行求導(dǎo)，并把式（4）和式（5）代入到電壓和電流的二階微方程中可得

根據(jù)式（7）、（8）可得到行波的通解為

其中：

式中：Z0和γ0分別為0模的波阻抗和傳播常數(shù)；Z1和γ1分別為1模的波阻抗和傳播常數(shù)；F0、B0分別為電壓0模分量的正向行波幅值和反向行波幅值；F1、B1分別為電壓1模分量的正向行波幅值和反向行波幅值。式（9）、（10）中等號右側(cè)第1項可認(rèn)為是正向行波Δur，第2項可認(rèn)為是反向行波Δue。

2.2 行波方向縱聯(lián)保護(hù)的原理及判據(jù)

以如圖6所示的三端柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)錇槔?，分析行波方向縱聯(lián)保護(hù)的原理，為便于說明，以下分析均以保護(hù)M為例。

圖6 三端柔直輸電系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic of three-terminal VSC-HVDC transmission system

2.2.1 正方向故障

當(dāng)保護(hù)M的正方向f1發(fā)生故障時，故障附加網(wǎng)絡(luò)如圖7（a）所示，故障行波傳輸過程如圖7（b）所示。

圖7 正方向故障時行波傳輸特性Fig.7 Transmission characteristics of traveling wave under positive-direction fault

由上述分析可知，當(dāng)保護(hù)正方向f1故障時，在t0～t0+2l1/v時間段內(nèi)，保護(hù)M處的入射波與反射波之間均存在一個線路邊界的反射系數(shù)，即測得的正向行波Δur和反向行波Δue之比可認(rèn)為是行波在母線處的反射系數(shù)kr，如式（12）所示。

正向行波Δur和反向行波Δue的計算公式為

式中，r取0或1，分別代表0模和1模分量。

當(dāng)保護(hù)正方向發(fā)生故障時，在故障行波經(jīng)背側(cè)線路末端反射達(dá)到本線路保護(hù)安裝處的時間段內(nèi)，正向行波與反向行波幅值比將小于1。

2.2.2 反方向故障

當(dāng)保護(hù)M的反方向f2發(fā)生故障時，故障附加網(wǎng)絡(luò)如圖8（a）所示，故障行波傳輸過程如圖8（b）所示。當(dāng)故障行波到達(dá)保護(hù)M處，將發(fā)生折射和反射，其中，折射波將繼續(xù)向保護(hù)所在的線路末端傳播，并經(jīng)線路末端反射至保護(hù)M處，令該時間段為t0～t0+2l2/v（t0為初始故障行波到達(dá)保護(hù)M處時刻，l2為保護(hù)M所在線路的長度）。在該時間段內(nèi)，保護(hù)M處的故障行波主要包括：①經(jīng)故障點反射的行波經(jīng)本線路始端折射產(chǎn)生的折射波；②經(jīng)過背側(cè)線路末端反射的行波經(jīng)本線路始端折射產(chǎn)生的折射波。

圖8 反方向故障時行波傳輸特性Fig.8 Transmission characteristics of traveling wave under reverse-direction fault

上述分析可知，在t0～t0+2l2/v時間段內(nèi)保護(hù)M處的電壓和電流故障行波主要由上述兩種行波構(gòu)成，此時僅存在正向行波，反向行波未到達(dá)保護(hù)M處而為零。初始故障行波經(jīng)線路始端發(fā)生折射形成正向行波，而在該正向行波經(jīng)保護(hù)所在的線路末端反射至該保護(hù)處期間，反向行波接近于零。因此，此時正向行波與反向行波幅值比值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1。

因此，行波方向縱聯(lián)保護(hù)可基于上述行波傳輸特征，利用正向行波和反向行波幅值比的方法判斷故障方向。即故障啟動后，若正向行波和反向行波幅值比小于整定值，則保護(hù)判為正方向故障，R取1；若正向行波和反向行波幅值比大于整定值kset（整定值kset一般選用略大于1的數(shù)，這里取2），則保護(hù)判為反方向故障，R取0，如式（14）所示。

線路兩端的保護(hù)分別根據(jù)式（14）判斷故障方向，并根據(jù)如式（15）所示的故障識別判據(jù)進(jìn)行方向縱聯(lián)，據(jù)此判別區(qū)、內(nèi)外故障。

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺搭建了如圖9所示的海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用換流變閥側(cè)星接中性點經(jīng)大電阻接地的偽雙極接線方式。兩個海上風(fēng)電場分別經(jīng)過一回±250 kV直流海底電纜線路送出，線路長度均為50 km，由一個陸上換流站匯入電網(wǎng)。該系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。直流電纜線路采用的是依頻參數(shù)模型，兩條電纜的線路參數(shù)是一致的，如表2所示。

圖9 仿真算例拓?fù)銯ig.9 Topology of simulation example

表1 仿真算例的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation example

表2 直流電纜的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of DC cables

3.1電流縱聯(lián)保護(hù)算法驗證

如圖9所示，故障f1對于保護(hù)PY來說為內(nèi)部故障，f2為外部故障。為了驗證電流縱聯(lián)保護(hù)在偽雙極系統(tǒng)中的可行性，令f1處金屬性單極接地和f2處金屬性單極接地，差動電流Idiff的仿真結(jié)果如圖10（a）所示；令f1處經(jīng)300 Ω過渡電阻單極接地和f2處金屬性單極接地，差動電流Idiff的仿真結(jié)果如圖10（b）所示，其中t=2 s為故障發(fā)生時刻。

圖10 電流縱聯(lián)保護(hù)仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of current pilot protection

在偽雙極系統(tǒng)中，發(fā)生單極接地故障后，換流器幾乎不向故障點提供故障電流，故障電流主要由直流電纜分布電容產(chǎn)生。從圖10（a）可以看出，當(dāng)區(qū)內(nèi)和區(qū)外分別發(fā)生金屬性單極接地故障、被保護(hù)電纜的長度與相鄰電纜的長度相似時，內(nèi)部和外部故障條件下的差動電流是相似的。從圖10（b）可以看出，當(dāng)內(nèi)部故障有過渡電阻時，差動電流遠(yuǎn)小于外部嚴(yán)重故障情況下的差動電流。

為了進(jìn)一步驗證電流縱聯(lián)保護(hù)的可行性，對圖9中不同位置處的單極接地進(jìn)行了仿真，t=2 s為故障發(fā)生時刻，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同位置故障下電流縱聯(lián)保護(hù)的仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of current pilot protection at different fault positions

仿真結(jié)果表明在偽雙極直流系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，電流縱聯(lián)保護(hù)不能可靠地區(qū)分內(nèi)部和外部故障。

3.2行波方向縱聯(lián)保護(hù)算法驗證

為了驗證本文提出的行波方向縱聯(lián)保護(hù)算法的有效性，同樣令f1處經(jīng)300 Ω過渡電阻單極接地和f2處金屬性單極接地，其中f1為區(qū)內(nèi)故障，f2為區(qū)外故障，仿真結(jié)果分別如圖12和圖13所示。

圖12為f1處經(jīng)300 Ω過渡電阻單極接地時的線路兩端正向行波、反向行波以及其幅值比，Y側(cè)正向行波小于反向行波，其幅值比kY小于整定值2，則保護(hù)判為正方向故障，RY取1；M側(cè)正向行波也小于反向行波，其幅值比kM也小于整定值2，則保護(hù)判為正方向故障，RM取1。線路兩端保護(hù)分別進(jìn)行了故障方向判斷，接著根據(jù)式（15）進(jìn)行方向縱聯(lián)，由RYRM=1可判斷出f1為區(qū)內(nèi)故障。

圖12 區(qū)內(nèi)故障仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results under internal fault

圖13為f2處金屬性單極接地時的線路兩端正向行波、反向行波以及其幅值比，Y側(cè)正向行波小于反向行波，其幅值比kY為0.80，小于整定值2，則保護(hù)判為正方向故障，RY取1；M側(cè)正向行波大于反向行波，其幅值比kM為24，遠(yuǎn)大于整定值2，則保護(hù)判為反方向故障，RM取0。線路兩端保護(hù)分別進(jìn)行了故障方向判斷，接著根據(jù)式（15）進(jìn)行方向縱聯(lián)，由RYRM=0可判斷出f2為區(qū)外故障。

圖13 區(qū)外故障仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results under external fault

為了進(jìn)一步驗證本保護(hù)方案的可行性，在20 kHz采樣率下，對不同位置處的故障進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 行波方向縱聯(lián)保護(hù)保護(hù)動作情況Tab.3 Performance of traveling wave directional pilot protection

從表3可以看出，無論是雙極短路故障還是單極接地故障，本文提出的行波縱聯(lián)保護(hù)方案均可以可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，不受線路分布電容影響，且具有較強(qiáng)的耐受過渡電阻能力。

4 結(jié)論

本文通過對海上風(fēng)電柔性直流送出線路單極接地故障的分析，發(fā)現(xiàn)電流縱聯(lián)保護(hù)不能可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的問題，提出了海上風(fēng)電柔性直流送出線路的行波方向縱聯(lián)保護(hù)方法，所得結(jié)論如下：

（1）海上風(fēng)電柔直送出系統(tǒng)常采用偽雙極接線，當(dāng)偽雙極系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，換流器幾乎不向故障點提供故障電流。在故障初期，故障電流主要由故障極直流電纜分布電容產(chǎn)生，在故障穩(wěn)態(tài)階段，故障電流幾乎為零；

（2）直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)單極接地故障時，故障初期，差動電流近似等于相鄰電纜的電容電流，尤其區(qū)內(nèi)故障有過渡電阻時，差動電流遠(yuǎn)小于外部嚴(yán)重故障情況下的差動電流，電流縱聯(lián)保護(hù)無法可靠區(qū)分區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障；故障穩(wěn)態(tài)階段，故障電流幾乎為零，電流縱聯(lián)保護(hù)僅僅依靠時間延時也不能可靠地判別區(qū)內(nèi)故障；

（3）本文提出的行波縱聯(lián)保護(hù)方案利用線路兩端的行波方向保護(hù)分別進(jìn)行故障方向判斷，不受線路分布電容的影響，能可靠地區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障。仿真驗證也表明該原理能夠快速、可靠地識別故障，具有較強(qiáng)的耐受過渡電阻能力。