高壓直流線路縱聯(lián)保護的新方案解析

為克服傳統(tǒng)高壓直流輸電線路電流差動保護快速性差、耐受過渡電阻能力有限等問題，華北電力大學電氣與電子工程學院的研究人員戴志輝、劉寧寧、何永興、魯浩、劉媛，在2020年第9期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于線路邊界兩側特定頻帶能量比值的縱聯(lián)保護方案。仿真結果表明，該保護方案計算量小，能夠快速識別區(qū)內、外故障，可靠地保護了線路全長，且耐過渡電阻能力強、不受分布電容影響。

高壓直流輸電（High Voltage Direct Current， HVDC）在異步電網(wǎng)互聯(lián)以及遠距離大容量送電中應用廣泛。HVDC輸電距離一般超過1000km，沿途地理/氣候條件復雜惡劣，線路故障可能性較高，亟需探討可靠的直流線路保護。

目前直流線路一般采用行波保護為其主保護，微分欠電壓保護和電流差動保護作為后備保護。行波保護動作速度快，但在高阻接地故障時波頭檢測困難；微分欠電壓保護基于線路電壓微分和幅值構成判據(jù)，耐過渡電阻能力差；電流差動保護主要用于識別高阻接地故障，但現(xiàn)有判據(jù)未充分考慮線路分布電容的影響，動作速度較慢，甚至長達1.1s。

現(xiàn)有高壓直流線路保護分為雙端量保護和單端量保護。目前，雙端量線路保護的研究熱點主要基于行波原理和突變量分析。單端量線路保護研究熱點主要基于直流系統(tǒng)的邊界特性。直流輸電線路兩端均配置平波電抗器和直流濾波器，形成直流線路邊界，起到阻隔高頻量的作用，然而此類保護大多忽略直流線路對高頻量的衰減作用。

而對于特高壓直流輸電長線路，在線路末端區(qū)內故障時，尤其是末端區(qū)內高阻接地故障時，線路首端保護元件測得的高頻量，可能小于整流側近區(qū)區(qū)外金屬性接地故障時保護元件測得的高頻量，從而造成單端暫態(tài)量保護定值整定困難，甚至使其無法保護線路全長。為解決這一問題，有學者分別利用故障電流、直流電抗器壓降構成方向判別元件，與邊界元件配合實現(xiàn)全線保護，而此類方法的保護速動性、可靠性有所下降。

圖1 雙極HVDC系統(tǒng)結構

對此，華北電力大學的研究人員首先分析線路邊界的阻抗頻率特性，并結合疊加原理，對直流輸電線路區(qū)內以及區(qū)外故障分量附加網(wǎng)絡進行研究發(fā)現(xiàn)：區(qū)內故障時，對于線路兩端的任意一端，其邊界線路側特定頻帶能量大于邊界閥側的值，兩者之比較大；整流端（逆變端）區(qū)外故障時，整流端（逆變端）邊界線路側特定頻帶能量小于邊界閥側的值，兩者之比較小。由此，提出基于線路邊界兩側特定頻帶能量比值的保護方案。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建向上特高壓直流輸電工程模型，仿真分析所提保護方案的正確性。

圖2 保護方案流程

大量仿真實驗表明，該保護方案能夠可靠保護線路全長，具備良好的耐過渡電阻能力；原理簡單，計算量小，且快速性遠優(yōu)于常規(guī)電流差動保護；識別判據(jù)中可采用高階能量比值放大區(qū)內外故障特征差異，門檻值整定容易。

高頻分量衰減速度快，理論上采樣數(shù)據(jù)窗長度足夠小才能保留其暫態(tài)特征，而從可靠性和高頻分量易受雷電干擾角度出發(fā)，數(shù)據(jù)窗長度不宜太小，因此可綜合考慮上述因素影響，進一步探究結合防雷擊干擾策略的邊界保護方案。