摘要：直流线路保护是直流输电技术发展的关键问题，其主要技术难点在于快速可靠地识别线路故障。电流差动保护受分布电容电流影响明显，需要延时、动作速度慢；而现有的其他纵联保护在对边界元件的依赖程度、过渡电阻耐受能力和抗干扰能力上仍有提高空间。针对上述问题，分析了高压直流输电线路电流突变量的故障暂态特征，并定义了一个新的电流突变量概念，利用自定义电流突变量的极性特征识别区内外故障；在此基础上，提出了一种基于自定义电流突变量的高压直流输电线路纵联保护方案。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真模型对所提保护方案进行了仿真验证。仿真验证表明，所提保护无需延时即可正确识别区内外故障，还带有故障选极的效果，且不依赖于边界元件，过渡电阻耐受能力高、抗干扰能力强，具有较高的灵敏性和可靠性。

　　关键词：高压直流输电,线路保护,纵联保护,电流突变量,自定义电流

　　0引言

　　直流输电技术传输容量大、能量损耗小、工程造价低，输送功率和距离不受电力系统同步运行稳定性的限制，现已在电力领域中得到广泛应用[1-3]。而直流保护分区跨度大，架空线路运行环境恶劣，线路故障发生概率高，加之故障电流切除困难，因此直流线路的故障保护是直流输电领域中需要特别关注的问题[4-5]。单端量保护由于具有较好的速动性，目前已经作为线路主保护在故障保护领域中得到了广泛应用。然而单端量保护往往存在过度依赖边界元件、过渡电阻耐受能力不足等缺点[6-8]。相比之下，纵联保护由于利用了双端的电气量，往往被认为具有更高的可靠性。

　　目前，直流输电工程中常见的纵联保护是电流差动保护。电流差动保护能够有效识别高阻故障，但是长距离输电线路中分布电容的影响较大，在区外故障下差动电流容易受到分布电容电流的影响而超过整定值，造成保护误动[9-10]。同时，随着直流线路长度的增加和线路电压等级的提高，线路分布电容和阻抗参数频变的影响逐渐增加，传统电流差动保护仅靠阈值整定难以区分区外金属性故障和区内高阻故障[11]。为此，工程中一般采用增加延时的方式防止区外故障和系统功率波动引起的保护误动，延时最长可达秒级，大大影响了保护的速动性[12]。

　　为了提高现有纵联保护的速动性，不少学者提出了新的纵联保护方法。文献[13]利用线路直流电抗器两侧电压的小波系数幅值比来构造判据；文献[14-15]则基于平波电抗器特有的边界结构特点，分析了区内外故障下平波电抗器两侧特定频段暂态能量比的故障特征。

　　但是上述方法过于依赖边界元件，当边界条件较弱时保护的性能会受到影响[16]。文献[17]分析了故障后直流配电网中暂态高频分量的分布特点，提出一种基于高频功率的直流线路纵联保护方法。但是故障暂态高频特征容易受到噪声干扰的影响，保护的可靠性不足。文献[18]利用信息熵测度提取极波的暂态信号频谱，根据频谱特征识别区内外故障。文献[19]利用线路两端电流突变量的极性特性识别区内外故障。文献[20]则在分析电流突变量故障特征的基础上，利用线路两端电流突变量计算夹角余弦值从而进行区内、外故障识别。上述方法相较于电流差动保护而言，无需保护延时动作，提高了保护的速动性，但是在过渡电阻耐受能力和抗干扰能力上仍有提高空间。

　　针对上述问题，本文分析了高压直流输电线路电流突变量的故障暂态特征，并提出了一种新的故障暂态特征量——自定义电流突变量；在基础上，提出了一种基于自定义电流突变量的高压直流输电线路纵联保护原理。

　　最后，基于PSCAD/EMTDC仿真模型对所提保护进行了仿真验证。

　　1高压直流输电系统

　　图1所示为一高压直流输电系统示意图，图中显示了高压直流输电系统的基本组成以及典型的故障点。在高压直流输电系统中，两个电网换相换流器LCC分别作为直流输电线路的整流站、逆变站，限流电抗器SR和直流滤波器组作为边界元件串联在LCC直流母线和直流线路之间。分别在直流线路的两侧安装保护测点M、N,用以测量直流线路两端的电流，线路电流的参考方向如图所示。其中，F1、F2、F3、F4是直流线路的区内故障点，F5为整流侧的区外故障点，F6为逆变侧的区外故障点。直流线路两侧的换流站均接地。

　　2故障特征分析

　　2.1区内故障特征分析

　　在直流线路发生故障的瞬间，根据叠加定理，故障模型可等效为正常状态电路模型与故障附加状态电路模型的叠加。设电流的正方向均为母线侧指向线路侧。当直流线路中点f点处发生区内故障时，故障附加电路图如图2所示。

　　2.2区外故障特征分析

　　以整流侧区外故障时为例，区外故障下的故障附加电路图如图3所示。

　　综上所述，可以利用自定义电流突变量ΔIc的极性特征进行区内外故障识别。

　　3保护判据与方案

　　3.1保护启动判据

　　当直流线路发生故障时，线路故障电流会迅速上升，可以利用线路电流的变化量作为直流线路保护的启动判据。保护启动判据如下：

　　|ΔIp|>ΔIset(11)式中：ΔIp为线路电流变化量；ΔIset为启动门槛值，以系统最大扰动时电流的波动为基础再考虑一定的裕度进行整定。

　　3.2故障识别判据

　　根据第2章中自定义电流突变量的分析结论可知，当线路发生区内故障时，线路两端的自定义电流突变量为正值；当线路发生区外故障时，线路两端的自定义电流突变量为负值。因此，本文利用自定义电流突变量进行线路故障识别；在此基础上，分别计算线路两端电流突变量的平均值，则自定义电流突变量的计算公式如式(12)所示；由自定义电流突变量构造的故障识别判据如式(13)所示。

　　式中：ΔIM,ΔIN分别为线路M、N端的电流突变量；ΔIc为自定义电流突变量；i为采样点数；N为2ms时间窗内的采样点个数。

　　基于自定义电流突变量的直流线路故障识别判据可以有效识别区内外故障，无需复杂计算，并且判据整定简单，仅需要根据自定义电流突变量的极性特征即可识别故障。

　　3.3保护方案

　　根据上述分析，本文所提保护方案的保护流程如图4所示。由图可知，保护测点收集线路电流数据，当线路电流突变量满足启动判据时，保护启动；保护启动后，根据线路两端的电流突变量计算自定义电流突变量，当自定义电流突变量大于0时，识别线路故障为区内故障，否则识别故障为区外故障；其中，当正极线路的自定义电流突变量大于0而负极线路的自定义电流突变量小于0时，识别故障为正极故障；当正极线路的自定义电流突变量小于0而负极线路的自定义电流突变量大于0时，识别故障为负极故障；当正极、负极的自定义电流突变量均大于0时，识别故障为极间故障。因此，所提判据还带有故障选极的效果。

　　4仿真分析

　　根据图1所示的系统拓扑结构，参照云广特高压直流输电系统的工程参数，在PSCAD/EMTDC中搭建电磁暂态仿真模型进行仿真测试。直流输电线路长1418 km,直流传输功率5000 MW,额定电压±800 kV,额定电流3.125 kA。数据采样频率取5kHz,数据窗长度取2ms。

　　4.1区内故障保护仿真结果

　　分别在直流线路上设置线路故障F1、F2、F3、F4,相应的故障仿真结果如表1所示。由表可知，在F1、F2、F3、F4的区内故障下，自定义电流突变量ΔIc均大于0,区内故障识别判据成立，识别线路故障为区内故障。且所提保护方法具有较高的过渡电阻耐受能力，即使在600Ω的高阻故障下也能正确识别区内故障。

　　4.2区外故障保护仿真结果

　　分别在直流线路上设置线路整流侧区外故障F5和逆变侧区外故障F6,相应的故障仿真结果如表2所示。由表可知，不管是在整流侧区外故障还是逆变侧区外故障下，自定义电流突变量ΔIc均小于0,保护识别线路故障为区外故障。

　　4.3故障选极效果仿真分析

　　为了测试所提保护的故障选极效果，分别在正极线路、负极线路上均设置了线路故障，相应的故障仿真结果如表3所示。由表可知，不管是单极接地故障或是极间故障，所提故障识别判据均能正确进行故障选极，所提保护不仅能够正确识别区内外故障，还带有故障选极的效果。

　　4.4噪声干扰下的仿真分析

　　为了测试所提保护的抗噪声干扰能力，分别给区内故障F1和区外故障F5、F6加上50 dB、40 dB、30 dB的高斯白噪声干扰，相应的故障仿真结果如表3所示。由表可知，即使在30 dB的白噪声干扰下，所提保护仍然可以正确识别线路区内外故障，具有较强的抗噪声干扰能力。

　　5结束语

　　本文基于对直流输电线路电流突变量故障特征的分析，提出了一种基于自定义电流突变量的直流输电线路纵联保护原理，利用自定义电流突变量的极性特征识别直流线路区内外故障。区内故障时，自定义电流突变量大于0;区外故障时，自定义电流突变量小于0。所提纵联保护方案具有以下优点：(1)保护无需延时，速动性好，满足判据后保护即可动作；(2)判据整定简单，无需复杂计算，仅需要根据自定义电流突变量的极性特征即可识别故障，还带有故障选极的效果；(3)所提保护不依赖于边界元件，抗干扰能力强，在各种工况下都能正确识别区内外故障，具有较高的灵敏性和可靠性。

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