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隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流輸電技術(shù)克服了傳統(tǒng)基于晶閘管換流器直流輸電的諸多缺陷，在功率控制、電能質(zhì)量、供電可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但與常規(guī)直流輸電相比，柔直輸電系統(tǒng)阻尼低、慣性小、故障發(fā)展快，故障后電流在幾毫秒內(nèi)即可達(dá)到換流器耐受上限，對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)，尤其線路保護(hù)提出了巨大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的直流輸電線路保護(hù)可分兩大類：

1）單元保護(hù)，主要利用線路兩端電氣量實(shí)現(xiàn)故障判別。

但是有關(guān)研究在一定程度上減小了同步對(duì)時(shí)誤差帶來(lái)的不利影響，但依然需要傳遞大量非邏輯信號(hào)、存在通信延遲，因此現(xiàn)階段縱聯(lián)保護(hù)仍難以作為主保護(hù)用于柔直輸電線路。

2）非單元式保護(hù)，主要利用單端電氣量實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。

實(shí)際柔直工程中，線路兩端往往配置了限流電抗器限制電流的上升速度，為保護(hù)判斷及斷路器動(dòng)作爭(zhēng)取時(shí)間，同時(shí)也為邊界保護(hù)應(yīng)用于柔直系統(tǒng)中提供了基礎(chǔ)。目前直流線路主保護(hù)主要有行波保護(hù)和微分欠電壓保護(hù)兩種。

其中，行波保護(hù)如ABB和SIEMENS公司的單端量行波保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間在幾毫秒，滿足速動(dòng)性要求，但存在高阻故障時(shí)保護(hù)靈敏度低的問(wèn)題，兩種保護(hù)方案都僅能耐受幾十歐姆過(guò)渡電阻。

鑒于現(xiàn)有行波保護(hù)的不足，有學(xué)者基于限流電抗器等邊界元件對(duì)高頻信號(hào)的阻滯作用，利用區(qū)內(nèi)外故障時(shí)高低頻能量的不同構(gòu)造單端量保護(hù)原理，不同程度地提升了現(xiàn)有行波保護(hù)的性能。但上述保護(hù)中頻帶的選取十分依賴線路邊界元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，且保護(hù)定值一般通過(guò)仿真得到，給工程應(yīng)用帶來(lái)了困難。

針對(duì)以上問(wèn)題與挑戰(zhàn)，華北電力大學(xué)、國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司的研究人員首先定量分析了首行波在線路上的色散效應(yīng)及在邊界處傳播特性，揭示了區(qū)內(nèi)外故障首行波彎曲程度的顯著差異。在此基礎(chǔ)上提出基于首行波曲率的直流輸電線路單端量保護(hù)原理，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)窗的自適應(yīng)選取。此外，根據(jù)雙極柔性直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性，提出一種簡(jiǎn)單可靠的故障選極判據(jù)，并結(jié)合雷擊干擾識(shí)別判據(jù)，形成了完整的柔直輸電線路單端量保護(hù)方案。在PSCAD/EMTDC中搭建模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，保護(hù)方案能有效識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障并正確選極，耐受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)。

圖1 保護(hù)方案流程

研究人員最后得出結(jié)論如下：

1）線路的色散效應(yīng)是故障首行波的彎曲程度變化的主要因素，因此首行波的曲率的大小與故障距離有直接關(guān)系，受過(guò)渡電阻影響較小，不受系統(tǒng)降壓運(yùn)行等工況影響。

2）所提保護(hù)方案能夠可靠選極并通過(guò)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)的自適應(yīng)選擇，避免反射波對(duì)保護(hù)判據(jù)的影響。

3）通過(guò)合理簡(jiǎn)化的線路頻變參數(shù)模型，得到區(qū)內(nèi)外故障首行波表達(dá)式，為保護(hù)的整定提供了理論依據(jù)。

仿真表明該保護(hù)方案的判據(jù)簡(jiǎn)單、動(dòng)作速度快、可靠性高、耐受過(guò)渡電阻能力強(qiáng)。本保護(hù)對(duì)采樣頻率要求較高，后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化，保證在較低采樣頻率下依然具有優(yōu)良性能，以更好地適應(yīng)目前工程應(yīng)用要求。

以上研究成果發(fā)表在2021年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于首行波曲率的柔性直流輸電線路單端量保護(hù)”，作者為戴志輝、劉自強(qiáng) 等。