高压直流线路纵联保护的新方案

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2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛

为克服传统高压直流输电线路电流差动保护快速性差、耐受过渡电阻能力有限等问题，华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员戴志辉、刘宁宁、何永兴、鲁浩、刘媛，在2020年第9期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于线路边界两侧特定频带能量比值的纵联保护方案。仿真结果表明，该保护方案计算量小，能够快速识别区内、外故障，可靠地保护了线路全长，且耐过渡电阻能力强、不受分布电容影响。

高压直流输电（High Voltage Direct Current, HVDC）在异步电网互联以及远距离大容量送电中应用广泛。HVDC输电距离一般超过1000km，沿途地理/气候条件复杂恶劣，线路故障可能性较高，亟需探讨可靠的直流线路保护。

目前直流线路一般采用行波保护为其主保护，微分欠电压保护和电流差动保护作为后备保护。行波保护动作速度快，但在高阻接地故障时波头检测困难；微分欠电压保护基于线路电压微分和幅值构成判据，耐过渡电阻能力差；电流差动保护主要用于识别高阻接地故障，但现有判据未充分考虑线路分布电容的影响，动作速度较慢，甚至长达1.1s。

现有高压直流线路保护分为双端量保护和单端量保护。目前，双端量线路保护的研究热点主要基于行波原理和突变量分析。单端量线路保护研究热点主要基于直流系统的边界特性。直流输电线路两端均配置平波电抗器和直流滤波器，形成直流线路边界，起到阻隔高频量的作用，然而此类保护大多忽略直流线路对高频量的衰减作用。

而对于特高压直流输电长线路，在线路末端区内故障时，尤其是末端区内高阻接地故障时，线路首端保护元件测得的高频量，可能小于整流侧近区区外金属性接地故障时保护元件测得的高频量，从而造成单端暂态量保护定值整定困难，甚至使其无法保护线路全长。为解决这一问题，有学者分别利用故障电流、直流电抗器压降构成方向判别元件，与边界元件配合实现全线保护，而此类方法的保护速动性、可靠性有所下降。

图1  双极HVDC系统结构

对此，华北电力大学的研究人员首先分析线路边界的阻抗频率特性，并结合叠加原理，对直流输电线路区内以及区外故障分量附加网络进行研究发现：区内故障时，对于线路两端的任意一端，其边界线路侧特定频带能量大于边界阀侧的值，两者之比较大；整流端（逆变端）区外故障时，整流端（逆变端）边界线路侧特定频带能量小于边界阀侧的值，两者之比较小。由此，提出基于线路边界两侧特定频带能量比值的保护方案。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建向上特高压直流输电工程模型，仿真分析所提保护方案的正确性。

图2  保护方案流程

大量仿真实验表明，该保护方案能够可靠保护线路全长，具备良好的耐过渡电阻能力；原理简单，计算量小，且快速性远优于常规电流差动保护；识别判据中可采用高阶能量比值放大区内外故障特征差异，门槛值整定容易。

高频分量衰减速度快，理论上采样数据窗长度足够小才能保留其暂态特征，而从可靠性和高频分量易受雷电干扰角度出发，数据窗长度不宜太小，因此可综合考虑上述因素影响，进一步探究结合防雷击干扰策略的边界保护方案。

以上研究成果发表在2020年第9期《电工技术学报》，论文标题为“基于直流滤波环节暂态能量比的高压直流线路纵联保护”，作者为戴志辉、刘宁宁、何永兴、鲁浩、刘媛。