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隨著電力電子技術的發(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、電能質量、供電可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。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)即可達到換流器耐受上限，對繼電保護系統(tǒng)，尤其線路保護提出了巨大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的直流輸電線路保護可分兩大類：

1）單元保護，主要利用線路兩端電氣量實現(xiàn)故障判別。

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

2）非單元式保護，主要利用單端電氣量實現(xiàn)故障識別。

實際柔直工程中，線路兩端往往配置了限流電抗器限制電流的上升速度，為保護判斷及斷路器動作爭取時間，同時也為邊界保護應用于柔直系統(tǒng)中提供了基礎。目前直流線路主保護主要有行波保護和微分欠電壓保護兩種。

其中，行波保護如ABB和SIEMENS公司的單端量行波保護，動作時間在幾毫秒，滿足速動性要求，但存在高阻故障時保護靈敏度低的問題，兩種保護方案都僅能耐受幾十歐姆過渡電阻。

鑒于現(xiàn)有行波保護的不足，有學者基于限流電抗器等邊界元件對高頻信號的阻滯作用，利用區(qū)內(nèi)外故障時高低頻能量的不同構造單端量保護原理，不同程度地提升了現(xiàn)有行波保護的性能。但上述保護中頻帶的選取十分依賴線路邊界元件的結構和參數(shù)，且保護定值一般通過仿真得到，給工程應用帶來了困難。

針對以上問題與挑戰(zhàn)，華北電力大學、國網(wǎng)揚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。在此基礎上提出基于首行波曲率的直流輸電線路單端量保護原理，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)窗的自適應選取。此外，根據(jù)雙極柔性直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性，提出一種簡單可靠的故障選極判據(jù)，并結合雷擊干擾識別判據(jù)，形成了完整的柔直輸電線路單端量保護方案。在PSCAD/EMTDC中搭建模型進行了仿真，結果表明，保護方案能有效識別區(qū)內(nèi)外故障并正確選極，耐受過渡電阻能力強。

圖1 保護方案流程

研究人員最后得出結論如下：

1）線路的色散效應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系，受過渡電阻影響較小，不受系統(tǒng)降壓運行等工況影響。

2）所提保護方案能夠可靠選極并通過數(shù)據(jù)窗長的自適應選擇，避免反射波對保護判據(jù)的影響。

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

仿真表明該保護方案的判據(jù)簡單、動作速度快、可靠性高、耐受過渡電阻能力強。本保護對采樣頻率要求較高，后續(xù)需進一步優(yōu)化，保證在較低采樣頻率下依然具有優(yōu)良性能，以更好地適應目前工程應用要求。

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