摘要：高压直流输电系统中换流变压器、换流阀等元件尺寸小，工作环境优越，所以故障概率低，多为永久性故障，保护动作后直流系统闭锁;高压直流输电线路距离长，需要跨越复杂地形和气候区域，工作环境恶劣，故障概率高，是直流系统中故障率最高的元件。直流线路故障后采用重启功能可恢复线路正常运行，不必闭锁直流系统。因此，高性能的高压直流输电线路继电保护能够及时发现线路故障，提高瞬时性故障重启成功率，是直流系统及与之相连的交流系统安全运行的重要保证。统计表明，高压直流线路故障占直流系统故障的50%，但直流线路保护的正确动作率只有50%，有近一半的直流输电线路故障是由控制系统响应动作，造成直流系统闭锁，引起不必要的停运。因此，提高高压直流输电线路保护性能，对于保证电力系统的安全、稳定运行起到举足轻重的作用。本文主要分析探讨了特高压直流输电线路保护新原理，以供参阅。
关键词：特高压直流；输电线路保护；新原理
1特高压直流输电系统建模研究
与传统电力系统相比，特高压直流输电系统的结构更加复杂，对输电线路、滤波器等都提出了诸多限制。因此在当前工作中，需要构建完整的特高压直流输电系统模型，并模拟输电线路的实际情况，分析整个输电线路运行中可能出现的问题，进而为整个输电系统保护提供帮助。在正常运行状态下，特高压直流输电系统模型中的电流与电压曲线基本是平稳的，并且两者之间呈现出正相关关系；而一旦出现故障后，整流侧不对称故障就会导致测试系统相应的曲线发生明显变化，电流、电压的运行曲线明显浮动；并且在故障发生后，直流电压快速下降，此时依靠控制器快速反应，就能调节系统运行，将直流电压控制到合理范围内。一般在模型分析中，需要对输电系统中可能出现的扰动情况进行仿真，模拟出现故障后的直流线路两端电气量变化。这种信息模拟技术能够为特高压直流输电系统功能优化提供必要的帮助，并且能真实还原系统控制参数变化情况，为未来输电线路管理奠定基础。以主电路拓扑为例，图1所显示的是UMVDC传输系统结构图，在该体系中，其中的关键点包括整流换流站、直流传输线路等，并且在换流变压器与12脉波换流桥之间，存在△/Y与Y/Y两种配置。
图1 特高压系统输电系统结构图
2基于分布电容电流补偿的直流差动保护方案
为了减轻分布电容电流的不利影响，必须采取合适的补偿措施。利用电压相量计算出电容电流相量，然后对电流相量进行补偿，但这一方法对于暂态电容电流补偿算法效果不够理想。从行波传播的角度分析了分布电容电流的形成机理，在此基础上提出了基于电流行波的新型分布电容电流时域补偿算法。该算法对瞬时值进行补偿，因而在暂态和稳态过程中都具有良好的补偿效果，而且不需要提高采样频率，不增加数据通信量，可应用于特高压线路差动保护。
3新型特高压直流输电线路差动保护方案的研究
特高压直流输电系统中采用12脉动换流器，换相过程中会在换流器两端的交、直流系统中产生各种特征谐波与非特征谐波，而传统的谐波抑制与无功补偿方式只能抑制系统中的电能质量问题，对于换流变在直流输电系统中产生的谐波污染并未完全消除。特高压直流输电系统中的换流是基于环流阀组的新型电力电子元件，它们在提供注入电压或电流的同时还是一个谐波源。其谐波主要来自它们的半导体件的开通和关断，将使正弦波畸变而产生特征谐波及非特征谐波。研究以及试验表明，换流器产生的谐波对线路的电压和电流影响不大，对电力系统保护的动作边界和方向性有一定影响。例如，当故障电流中含有谐波电流成分时，会使测量电气量产生误差从而影响保护动作边界。
4特高压直流输电线路暂态能量保护方案
传统的特高压直流输电系统通常利用电压和它的改变率来探测直流线路接地故障。但是，这种保护原理易受故障电阻的影响。随着微电子技术的发展，微机保护的进步，行波保护原理的能够实现并逐渐在特高压直流输电领域应用。然而，行波原理在实际应用过程中也遇到一些问题，诸如缺乏数学工具描述，容易受噪声干扰等。最近，基于直流线路两端的低频差动能量，一种新的特高压直流输电线路保护方案被提出。但是这种保护原理没有考虑到分布参数传输线的线路特性。事实上，特高压直流输电线路的典型特征是输电距离长，传输容量大，因此特高压直流输电系统的分布参数影响不能被忽略，这一因素可能会导致直流线路继电保护装置的误动。在分析长距离直流输电线路区内、外故障电磁暂态过程的基础上，提出了特高压直流输电线路暂态能量保护新原理。该原理根据故障过程中线路两端能量暂态突变的故障特征，实现了区内、外故障的准确识别，从而实现线路保护的可靠动作。基于PSCAD/EMTDC的大量仿真验证表明，该保护原理简单、可靠、实用性强，具有绝对的选择性。实验证明该保护原理对高阻接地故障仍具有足够的灵敏性，能满足特高压直流系统对保护性能的要求。
5特高压直流输电线路特征谐波保护方案
忽略中间杆塔和输电线路弧垂造成的线路参数不均匀的影响，可认为输电线路的参数是沿线均匀分布，线路上的波阻抗在线路各点是相等的。但是，在输电线路两端，由于线路连接点集中参数元件的原因，导致波阻抗发生变化的点，称为输电线路的边界点。能否依据线路边界特性，对输电线路边界内、外故障的区分，取决于边界内、外部故障时，线路两端保护测量电气量是否存在明显的差异。在输电线路边界点，由于边界设备的阻抗与线路波阻抗不同，而由于输电线路边界点波阻抗的变化，行波在线路边界产生透射和反射，也就是说这种边界是可以被感知的。
6电压源换流器的高压直流输电线路载波频率保护方案
随着电力电子器件和控制技术的发展，采用工GBT、工GCT等元件构成电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)来进行直流输电成为可能。自上世纪90年代后期，以ABB公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电(HVDC Light)技术，并成功应用于多个领域。从其技术特点以及现有的实际工程运行情况来看，电压源换流器型直流输电应用广泛:可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)是一种以可控关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型直流输电技术。这种输电技术能够实现有功和无功的独立解藕控制、能向无源网络供电、换流站间无需通讯、且易于构成多端直流系统。另外，该输电技术能同时向系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有优势，它的技术革新将引领高压直流输电工程建设的新一轮的热潮。
结束语
总体而言，特高压直流输电线路保护的研究十分复杂，其中涉及到电力传递、设备运行等多方面内容。因此相关人员在研究特高压直流输电线路保护新原理中，需要重点关注线路系统的电流与电压变化情况，根据具体的线路变化特征，快速的判断系统运行是否存在问题，进入制定出针对性的解决方案，为切实保证特高压直流输电线路平稳运行奠定基础。
参考文献
[1]王宏韬.特高压直流输电线路保护新原理研究[J].电子测试.2017 (01)
[2]郑晓冬.特高压直流输电线路保护新原理研究[D].上海交通大学.2013
[3]迟兴和,林清海,熊万州.特高压直流输电线路对电信线路电磁影响调研分析[J].电网技术.2014(05)
论文作者:任磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第17期
论文发表时间:2019/12/16
标签：线路论文; 系统论文; 特高压论文; 故障论文; 谐波论文; 电流论文; 电压论文; 《电力设备》2019年第17期论文;