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摘要：直流输电线路故障诊断和保护是直流输电工程保护系统的重要组成部分，其运行性能将直接影响直流输电系统和电网的安全运行。直流输电线路已成为直流输电系统中故障率最高的元件，而直流输电线路保护的正确动作率却不是很高。我国直流输电工程的发展位于世界前列，但对现有直流输电线路保护技术的掌握仍然不足，缺乏系统的理论支持。如何保障高压直流输电系统的性能、保证系统高效、可靠、安全运营并及时发现和预测系统故障，成为输电系统一个重要目标。
本文首先分析了现有线路保护方案存在的问题，基于当前直流工程线路保护采样率水平和模拟通道条件，结合前文研究成果，从保护原理、控制保护协调配合等方面对现有方案进行了改进，给出了电压和电流突变量的方向判据和相应门滥值整定原则，提出了基于电压和电流突变量方向的高压直流输电线路保护判据。大大提高了直流线路保护对过渡电阻的耐受能力，为直流工程的线路保护改进提供指导。
关键词：高压直流；输电线路；故障解析；保护原理
1 概述
直流线路故障时，不同故障条件导致控制保护系统的响应差异性很大，反映出直流线路故障的复杂性，也反映出直流控制保护系统对于线路故障进行保护的不明确性，给直流输电系统安全可靠运行带来极大挑战。高压直流线路保护方案是一个系统的整体，不仅包含了主保护与后保护的原理和配置结构，还要考虑了各个线路保护之间、线路保护与控制及线路保护与其他保护之间的协调配合关系。
目前，主流直流输电工程中均以行波保护(Traveling Wave Protection, TWP)为线路主保护，以微分欠压保护(Derivative and Under Voltage Protection, DUVP)和差动保护(DCLine Differential Protection, DLDP)作为后备保护。研究和运行经验表明：现有行波保护、微分欠压保护对高阻接地故障灵敏度低；差动保护受直流控制系统影响较大，与直流控制系统在时序、逻辑上配合不当是差动保护正确动作率低的主要原因。实际电网中发生的交流系统故障引起直流线路保护误动的事故也表明直流线路保护存在着与交流主保护配合不当的问题。
2 高压直流输电系统故障与保护概述
目前，我国已投运直流输电工程的保护系统大多采用ABB和SIEMENS两家公司的技术路线，其直流输电线路保护主要由行波保护、微分欠电压保护、低电压保护和纵差保护等构成，其中，行波保护和微分欠电压保护为主保护，动作速度快，但易受雷击、换相失败等暂态过程的干扰，耐受过渡电阻能力有限。因此，针对现有直流输电线路主保护耐受过渡电阻和抗干扰能力有限等问题，探索一种能快速反应于区内高阻接地故障、抗干扰能力强、判据门槛值整定计算简单的新型直流输电线路保护原理的意义重大。试验和研究表明，在直流输电线路故障后迅速准确地测定故障点，不仅可以减少巡线工作量、加快故障修复速度、减小停电损失，还能查出人工难以发现的故障，对保障电力系统的安全运行具有重要作用。
2.1高压直流输电系统故障暂态分析
高压直流输电系统故障暂态分析是直流输电线路保护与故障测距原理研究的基础。故障后直流输电线路的暂态电气量中包含有丰富的故障信息，可用于探索高压直流输电线路的保护与故障测距方法深入研究直流输电线路上测量电气量的暂态特征具有重要意义。现有直流输电系统故障暂态分析相关内容大多作为线路保护与故障测距研究的考虑因素出现在文献的理论分析和仿真验证中，面地从理论上分析控制系统、故障前系统运行方式、直流滤波器和平波电抗器对故障后直流输电线路电气量暂态过程的影响，分析直流输电线路出口故障、高阻接地故障、故障性雷击、雷击干扰和换相失败等情况的故障机理和故障后线路电气量的暂态特征，可为直流输电线路保护与故障测距原理的研究工作奠定基础。
2.2高压直流输电线路保护
现有高压直流输电线路主保护原理研究集中于两个方面，一方面是对现已投运的行波保护的深入研究与改进，另一方面是对新型直流输电线路主保护原理的研究与开发。
2.2.1行波保护原理
行波保护原理:计算电压的变化率和电压变化的幅值、电流变化的幅值,如果超过了整定值,线路跳闸信号就会在换流站的极控中启动直流线路故障恢复顺序(DC line fault recovery sequence),并启动故障录波,换流站移相来给换流阀去游离,并在去游离后重启系统。低电压保护、直流线路差动保护是行波保护的后备保护。行波保护在两站失去通讯的情况下仍能正常工作,这有利于克服行波测距过于依赖通讯系统的不足。低电压保护是通过一个低电压定值和直流线路电压的变化率来对线路故障进行检测,在两站失去通讯时仍能正常工作。纵差保护是通过比较来自整流站和逆变站的直流电流来检测线路故障,由于所需的电流通过两站之间远程控制线路传输,故失去通讯时该保护被闭锁。横差保护是通过比较一个站内两极的直流线路电流来识别故障,属于后备保护,只适用于单极金属回线方式。常规量故障测距是利用故障后直流线路保护启动录波开始至直流电压电流为零这一段时间的录波数据进行计算,同时又要躲过故障暂态行波的影响。
2.2.2高压直流输电线路故障测距
行波故障测距通过检测暂态行波在故障点和测量点之间的传输时间计算故障位置，响应速度快，理论上不受线路类型、故障类型、过渡电阻和系统参数等因素的影响，测距精度较高。行波故障测距也存在难以克服的技术难题，高阻接地故障时暂态行波信号微弱，可能因无法检测行波波头而导致故障定位失败，测距可靠性受到影响针对以上问题，国内外学者致力于开发不受过渡电阻影响、测距精度高、响应速度快和可靠性高的直流输电线路故障测距方法。
3 直流输电线路故障
3.1故障暂态影响因素
影响直流输电线路故障暂态特征的因素主要包括故障类型、故障位置和过渡电阻值等。3.2故障暂态分析
若全面地从理论上分析控制系统、故障前系统运行方式、直流滤波器和平波电抗器对故障后直流线路电气量暂态过程的影响，分析直流线路出口故障、高阻接地故障、故障性雷击、雷击干扰和换相失败等情况的故障机理和故障后线路电气量的暂态特征，给出仿真案例实现方案，则可为高压直流输电系统故障暂态分析相关工作和直流输电线路保护与故障测距原理研究等提供直接有效的参考。
3.3 高压直流输电线路保护
现有高压直流输电线路主保护原理研究集中于两个方面，一方面是对现已投运的行波保护的深入研究与改进，另一方面是对新型直流输电线路主保护原理的研究与开发。
对行波保护整定计算方法的改进有两个方向，其一是采用仿真软件对行波保护各判据中的特征量进行各种故障情况下的仿真，分析特征量的响应特性及规律，总结各判据的整定计算方法，另一种是根据事故数据和运行经验，对行波保护的定值进行适当的调整。
4 高压直流输电线路行波保护研究
行波保护应用故障后沿线路传播的行波作为保护信息，既避免了工频保护易受电流和控制系统的影响，又可利用行波的快速性构成快速保护。由于直流线路不存在换位和分支问题，只在换流站和故障点之间发生折反射，波头不受故障初始相角的影响等原因，使全世界范围内的直流输电工程多以行波保护为线路主保护。选择我国实际高压直流输电工程中的最常用的两种行波保护，根据其检测信息不同称为电压行波保护和极波行波保护，其本质都是以行波变化率和变化幅度为判据的单端行波保护。
4.1行波保护动作特性分析
4.1.1 电压行波保护动作机理分析行波保护动作特性分析
（1）行波到达线路末端时，由于线路末端设备的存在而使行波频谱发生变化，造成保护判据尤其是电压变化率减小；变化幅度最大值减小而且达到最大值的时间滞后。这两点都是造成电压行波保护拒动的重要原因。
（2）过渡电阻只影响了电压变化率和变换幅度的最大值。
（3）远端故障时，主要是由于线路损耗使入射波幅值减小，而行波保护以差分代替微分计算变化率，因此各个判据都会随着故障距离的增大而减小。
(4) 行波色散对电压行波保护影响不大。
（5）高采样率能够更好地捕捉行波头，进而其计算的电压变化率和变化幅度都较大。但是由于实际线路受行波色散影响较大，一般波头较为平缓，低采样率也可以再现实际的波头，因此高采样率对行波保护的影响不大。
4.2行波保护整定计算研究
行波保护常用变化率来识别线路故障。图3-1给出了直流线路区外故障时，电压行波的示意图：
图 3-1 区外故障时的电压行波示意图
经理论计算可得出，本文提出的整定计算方法可用于对实际保护的初步整定计算。
5 高压直流输电线路后备保护研究
直流线路后备保护动作时间较长，不仅受过渡电阻，故障距离等初始故障条件的影响，而且受到后续直流控制系统的影响。因此，研究线路后备保护不仅要分析初始波头的影响机理，更重要的是研究暂态过程中直流控制系统与线路保护的耦合作用的机理。
5.1现有线路后备保护判据
5.1.1微分欠压保护判据
直流线路差动保护需要躲避区外故障引起的线路电容充放电电流造成的误动作。实际工程中采取检测本站电流在65ms 内的变化如果大于一个定值即将差动保护闭锁 600ms，延时出口500ms以躲避区外故障。
5.2微分欠压保护动作特性研究
5.2.1过渡电阻的影响
行波保护拒动的原因是电压变化幅度没有到达定值，而Uabs 最终的值取决于稳态故障电流与过渡电阻的乘积。由于故障电流受控制系统的影响，因此低电压条件Uabs对过渡电阻的灵敏度取决于控制系统决定的稳态故障电流，稳态故障电流大，检测的过渡电阻就小，稳态故障电流小，检测的过渡电阻就大。
5.2.2故障距离的影响
给出了正极线路距离整流侧240km，720km经过渡电阻100Ω接地故障时，行波保护和微分欠压保护的响应曲线。图中，实线对应故障距离240km，虚线对应故障距离720km。
图 4-1 不同故障位置时的差动保护响应特性曲线
可见，同是100Ω过渡电阻，故障距离为720km时，行波保护由于电压变化幅度不足而不动作，微分欠压保护仍能正确动作。造成上述现象的原因主要为：电压变化率主要有线模波计算，线模波衰减系数很小，因此电压变化率随故障距离变化很小；电压变化幅度计算时需要考虑地模波，而地模波衰减系数较大，因此随故障距离的增大电压变化幅度下降，行波保护不动作；由于线路电阻很小，因此低电压条件受故障距离影响很小。从这个角度上讲，微分欠压保护能够为远端高阻接地故障起到后备作用。
5.3 差动保护动作特性研究
5.3.1过渡电阻的影响
由于差动保护检测的为直流线路的暂态量和稳态量，不需要捕捉行波波头，同时为了避免高次谐波的干扰，实际工程中差动保护的采样率一般不高，本文取556Hz，仿真步长取5s。通信通道可用，假设通道延时3.2ms，为避免功率调整和区外交流系统故障时差动保护误动，检测本侧65ms时间内的电流差，超过3.5%即闭锁差动保护600ms。可见控制系统对于差流有较大的影响。现有差动保护的主要问题在于，区内线路故障时，闭锁时间大于.7sec，再加上出口延时，其动作时间最短为1.2sec，虽然差动保护起动，但是由于闭锁时间过长而导致极控保护闭锁直流系统，这是目前线路保护难以保护高阻接地故障的主要原因之一。
5.3.2控制系统的影响
小负荷高阻接地故障时发生的电流持续波动导致差动保护持续闭锁，不能起到后备保护的作用。 线路故障后差流较为稳定，大小主要取决于过渡电阻和控制系统的低压限流环节。主要问题是区内故障闭锁时间太长，一般超过了0.7sec。
(1)微分欠压保护能够检测的过渡电阻的大小取决于控制系统参数，基本不受故障距离的影响。因此，微分欠压保护能够一定程度上作为针对于远端故障的后备保护，但无法检测过渡电阻较大的故障。单一的交流故障不会导致微分欠压保护误动作，连续的交流系统故障产生的谐波畸变导致微分欠压保护误动作。
(2) 由于过渡电阻较大时，两端差流很小；相较于交流差动保护，区内故障时，由于控制系统的作用，直流电流不会反向两个原因，直流线路差动保护定值较低，无法通过定值躲开区外故障，只能通过闭锁保护来保证选择性，而现有的闭锁判据无法区分线
6 高压直流输电线路保护方案改进
现有的高压直流线路保护方案存在以下问题：
(1)行波保护（TWP）和微分欠压保护（DUVP）电压变化率相同，二者对高阻接地故障故障灵敏度较低，只能依靠差动保护检测高阻接地故障。
(2)差动保护判据无法区分线路故障和区外故障，其动作时间最短为1.1sec。
(3)微分欠压保护只以电压变化率和低电压条件为判据，在交流系统发生连续故障可能误动。
针对目前直流线路保护系统存在的问题，结合前文的研究成果，如图 5-1所示给出了
改进方案。
图 5-1改进的直流输电线路保护方案
推荐的线路保护配置方案包括主保护行波保护(TWP)，以微分欠压保护(DUVP)和差动保(DLDP)作为后备保护。线路保护出口起动线路故障重启顺序(DFRS)。主要改进包括：
(1)行波保护包括两种原理：模量极性比较式行波保护和极波行波保护。当单极大地回路运行时( Mono=1)，选用极波行波保护，双极时选用模量极性比较式行波保护，提高了行波保护对过渡电阻的耐受能力。
(2)差动保护(DLDP)引入基于差流频谱分析(FFT)的闭锁判据，闭锁延时为 400ms，能够有效识别区内还是区内故障，大大减小了动作时间。
(3)微分欠压保护增加了电流判据，避免连续交流故障引起的误动。
(4)考虑控制系统对直流保护的影响，对低压限流输入电压修正环节及暂态电流控制环节增加整流侧母线电压大于 0.8p.u.闭锁逻辑；对差动保护增加功率调整闭锁逻辑。
值得说明的是，改进方案基于当前直流工程线路保护采样率水平和模拟通道条件，只需修改软件逻辑而不必更换硬件，对直流线路保护的改造具有实际工程意义。
7 结论与建议
本文对直流线路故障解析，线路保护分析及新原理进行了有益的探索和研究，本文进一步研究工作展望如下：
1)由频变参数引起的行波色散现象是直流线路行波解析研究的难点，当采用较高保护采样率时，色散现象将对保护产生很大影响。建立考虑行波色散且适用于解析求解的直流线路模型是进一步研究的目标，由于直流线路结构简单，对称，结合已有的对Carson公式在复频域的解析近似，建立包含线路末端设备，考虑行波色散的直流线路复频域解析模型是进一步研究的方向。
2)直流控制系统只有几个关键环节对线路后备保护产生影响，因此基于控制系统外特性建模和集中参数线路模型，建立考虑控制系统且适用于解析求解的直流线路故障分析模型成为进一步研究的又一个方向。
3)本文提出的闭锁判据基于快速傅里叶变换，对变换的时域采样率，窗口长度及频域的变换长度的选择分析需要进一步深入研究。
参考文献
[1]《高压直流输电现场实用技术问答》 中国南方电网超高压输电公司
[2]《高压直流输电原理与运行》第二版 机械工业出版社2013.
[3]《特高压交直流输电保护与控制技术》电力系统及其自动化学报 2008
[4]《高压直流输电工程技术》第二版 中国电力出版社 2011
作者简介：
吴荣峰(1989-), 男, 本科, 助理工程师, 现从事变电试验工作。
张小雨(1974-), 男, 本科, 助理工程师, 现从事变电试验工作。
李哲(1974-), 男, 本科, 工程师, 现从事变电试验工作。
论文作者:吴荣峰,张小雨,李哲
论文发表刊物:《电力设备》2016年第14期
论文发表时间:2016/10/11
标签：故障论文; 线路论文; 判据论文; 电压论文; 微分论文; 电阻论文; 高压论文; 《电力设备》2016年第14期论文;