交直流混联电网对变化量方向保护影响分析

交直流混联电网对变化量方向保护影响分析

王少飞2赵青春1赵金朝2保积秀2谢华1

（1.南京南瑞继保电气有限公司江苏省南京市211102；

2.国网青海省电力公司电力科学研究院青海省西宁市810006）

摘要：结合交直流混联电网的特殊系统结构，从直流输电系统在故障情况下的典型特征入手，重点分析了交直流混联电网中直流系统变化量的特征与常规交流系统差异，进一步明确了基于变化量原理的保护在交直流混联电网中所受的影响，针对此类系统中相关保护的配置要求进行了说明，为后续工程建设提供参考。

关键词：交直流混联电网；变化量；继电保护；网络等值

0引言

为满足未来我国经济社会发展的能源需求，解决现有电网面临的远距离、大容量输电能力不足的问题，发挥电网市场和网络功能，调整电源结构，优化电源布局，实现能源资源大范围的优化配置，高压、特高压直流输电技术在国内得到大量应用，许多地区形成了交直流混联运行，甚至是多直流接入的运行格局。以青海地区为例，在已经投入运行的青藏联网工程±400千伏柴拉直流输电工程基础上，规划了青海海南至河南的±800千伏特高压直流输电工程，为青海大规模的新能源外送奠定基础。

随着直流输电线路的大量接入，改变了交流继电保护原有的运行环境，某些运行情况下交流继电保护的理论基础受到影响，可能造成在交直流混联系统中交流保护动作行为异常。譬如直流系统在交流故障时引发的类似于功率倒向特征可能造成常规纵联距离保护两侧收发信配合异常、直流大规模馈入系统中的谐波特征在一定程度上影响了继电保护动作精度等。

目前电网中应用的继电保护较多的基于变化量原理，即利用故障与正常运行时的特征差异实现的保护原理。然而随着直流系统的接入，在交流系统故障时，可能会随之引发直流系统出现换相失败等故障，并进一步可能造成直流线路闭锁。在此类连锁反应情况下，交直流混联系统中基于变化量的保护其适应性在一定程度上有所降低，本文重点针对交直流混联电网中基于变化量特征的保护进行详尽的分析研究，明确了在交直流混联电网中变化量保护的动作性能，同时针对现场的应用提供一定建议。

1常规交流系统变化量特征分析

根据叠加原理，系统存在扰动或故障时，可将系统网络解析为正常网络和变化量网络的叠加。对变化量（故障分量）网络而言，扰动源(故障)认为是变化量电源。如下图所示。

图1故障后变化量网络示意图

对于变化量网络而言，仅在扰动点处存在变化量电源。对于母线处保护的变化量方向元件而言，当变化量电源位于正方向(从母线朝线路的方向)时，变化量方向判为正方向；当变化量电源位于反方向(母线背后)时，变化量方向元件判为反方向。

图2变化量方向元件判别结果示意图

变化量网络如上图，为了说明正反方向的区域，图中没有注明变化量电源。对于M母线处保护P1，其正方向区域为母线出口一直到对侧系统，在这一区域叠加变化量电源，保护P1均判为正方向；同理，其反方向为背后母线到背后系统，在这一区域叠加变化量电源，保护P1判为反方向。

对于正方向故障，如下图所示故障（变化量）网络：

图3线路区内故障的变化量网络示意图

其中：

为M侧母线背后系统阻抗。

于是，

对于反方向故障，如下图：

图4线路区外故障的变化量网络示意图

对于保护P1有：

假设线路和系统阻抗角度一致，如下图：

图5变化量方向元件动作特性示意图

当变化量电流落到阴影一侧时，保护变化量方向元件认为是正方向，变化量电流落到另一侧时，保护变化量方向元件认为是反方向。

2.含直流系统变化量特性分析

2.1电源特性变化分析

上述分析的是常规交流系统发生故障时的变化量方向元件，下面考虑正常运行时的电网，对于保护P1来说，突然在母线背后投入或者退出一个电源SR3，此时，会引起变化量。投入时电源SR3时，电流、电压的变化量均为正；退出电源时，电流、电压的变化量均为负，但变化量的方向应均为反方向。如下图：

图6系统正常运行示意图

系统正常运行时如上图。某时刻，电源SR3突然退出，如下图：

图7电源退出示意图

此时，变化量网络如下：

图8交流电源突然退出时的变化量网络示意图

对于上述变化量网络，显然，P1保护测量值仍然满足下式：

P2保护测量值仍然满足下式：

这一关系是由基尔霍夫电压定律决定的，与变化量电源Dsr3的性质无关。

基于上述关系，P1变化量方向判为反方向，P2变化量方向判为正方向。

对于SR3突然投入的情况，变化量网络完全相同，只是Dsr3的极性相反，上面两个关系式仍然成立，P1、P2保护的变化量方向元件判别结果不变。

再推而广之，当系统电源SR3突然变强或者突然变弱，此时，同样会引起变化量，此变化量电源会导致母线M处保护P1变化量方向判为反方向，母线N处保护P2变化量方向判为正方向。

从上面对交流系统故障、交流系统投退电源时的变化量方向元件特性分析可以清楚的看到，在变化量网络中，只要变化量电源(扰动源)位于母线背后，那么变化量方向就应判为反方向；只要变化量电源(扰动源)位于保护定义的正方向上，那么变化量方向就应判为正方向。

事实上，对于传统的交流输电系统，可能出现多个故障电源叠加的情况，如被保护线路的正反方向先后发生故障，在故障序网中，同样是在被保护线路的正反方向同时叠加故障电源，同样会影响变化量方向元件的方向判别。

但是，继电保护设计思路的一个前提是不考虑两个相互无关的故障源同时发生，也就是不考虑两个小概率事件的叠加。因此，继电保护仅考虑传统交流系统中有关联的两个电气变化，如相邻线开关不同时引起的本线保护功率倒向。

2.2直流接入后系统特性分析

直流系统的接入，其电子控制功率输出的特性，改变了先前如开入按机械动作的时间特征；同时从等值电源的角度，也改变了传统交流系统中的电源（阻抗）的惯量特征。因交流系统故障引发直流系统特殊运行工况（如换相失败），两个小概率事件实现了相互关联。

对于这种情况，在变化量网络分析中，将直流系统也等值为一变化量电流源。

直流系统单方面的变化不会引起保护的误动，如剧烈变化的直流线路故障重启，单极闭锁和双极闭锁等故障。可能引发线路保护动作行为异常的主要因素集中在交流系统发生故障引发直流系统快速响应，因此在短时间内交流系统形成两个故障源，从而导致变化量方向判别元件的多次动作。

以单回直流馈入交流电网的情况为例，某线路区内故障，变化量网络如下图（只考虑工频分量）：

图9区内故障的变化量网络示意图

交流系统发生故障，产生变化量电源DSR_AC（电压值为DU_AC，极性如图）。几乎同时，直流系统发生扰动，产生等效变化量电源DSR_DC（电流值为DI_DC，极性如图）。DU_AC为固定的相量，DI_DC则是一动态变化的相量。图中Zs_M、Zs_N为两侧交流系统等值电源内阻抗，ZL1、ZL2为故障点到两侧保护安装处的线路阻抗，Zf为故障点过渡电阻。

对于保护P2而言，从交流系统发生故障到直流保护控制系统响应，始终满足关系式

因此其变化量方向很明确，始终为正方向，不受直流系统影响。

对于保护P1，其方向由DSR_DC和DSR_AC共同决定。为了便于分析，将上述变化量网络分解为如下两个变化量网络：

图10有两个变化量电源的变化量网络分解

对于变化量网络1，有

对于变化量网络2，有

由上面两式可以看出，当系统中只有变化量电源DSR_AC时，P1保护的变化量方向判别为正方向；当系统中只有变化量电源DSR_DC时，P1保护的变化量方向元件判为反方向。

对于总的变化量网络，有

总的变化量方向判别结果由决定。

依据KCL和KVL解方程，同时为了简化分析，假设故障过渡电阻为零，可得如下关系：

可见，P1保护变化量方向元件的判别与两个变化量电源的强弱及极性相关。

根据戴维南等效定律，将变化量电流源转换为电压源形式，则简化条件下的变化量电路如下图：

图11简化的双变化量电源变化量网络示意图

上述分析可以看出，只有一个变化量电源时，P1处变化量方向元件的判别结果指向变化量电源的方向；有两个变化量电源时，P1处变化量方向元件的判别结果由两个变化量电源的强弱和极性关系、背后交流等值系统的强弱、故障点到保护安装处的电气距离、故障过渡电阻等因素共同决定，可能指向直流系统的等值变化量电源，也可能指向故障点的等值变化量电源。

上述分析方法是一种稳态分析。实际故障过程中，上述变化量电压源输出为较稳定的工频正弦量，而变化量电流源输出波形处于暂态变化过程中，其工频分量不稳定，因此的幅值和相位是持续变化的。另外，上述讨论中没有考虑变化量方向元件的动作灵敏度。实际上，两个变化量电源对P1保护的作用可能互相削弱，导致变化量电流电压的量值较小，达不到最低动作门槛，导致变化量方向元件不动作。

3.交直流混联系统典型波形分析

以典型的交直流混联系统为例，在换流站附近交流母线处模拟BC相间短路，故障点的电压变化量瞬时值和换流站输出电流瞬时值如图12所示。

可以看出，电流变化量有很大的谐波分量。仅关注工频分量，DI_DC故障时的初始相位约为0度，DU_AC的初始相位约为-90度，考虑到Zs_M阻抗角一般略小于90度，因此DI_DC*Zs_M超前DU_AC约180度，即上文分析中第二种情况，两变化量电压源近似反方向。

再模拟距换流站较远的交流母线发生BC相间短路，故障点的电压变化量瞬时值和换流站输出电流瞬时值如图13所示。

图12两个变化量电源输出量值（交流故障点距换流站近）

图13两个变化量电源输出量值（交流故障点距换流站远）

可以看出，故障后一个周波，变化量电流主要分量的频率较工频低，两变化量电源的基波分量相位关系处于变化中；还可以看出，故障一个周波后，电压变化量消失，电流变化量仍然存在，此时系统中相当于只有一个变化量电源，变化量方向元件应指向直流系统的等值变化量电源。

4结论

随着交直流混联电网建设推进，直流系统在各种异常情况下的典型特征对于交流保护影响得到了日益关注，本文通过对变化量方向元件的分析，得出如下结论：

1.交直流混联系统故障后，发生换相失败的直流换流站可看作变化量电流源，故障点可看作变化量电压源。故障点的变化量电压源在故障后只存在一个周波。

2.处在多个变化量电源之间的变化量方向元件，其判别结果由多个变化量电源的强弱和极性关系、背后交流等值系统的强弱、故障点到保护安装处的电气距离、故障过渡电阻等因素共同决定，可能指向直流系统的等值变化量电源，也可能指向故障点的等值变化量电源。总体而言，保护安装处距交流故障点越近、背后交流系统越强、故障过渡电阻越小，变化量方向元件受交流故障的影响越强，相对受直流系统的影响越弱。

3.变化量方向元件应用于纵联方向保护时，发生故障后：（1）对于非故障线路，只要保护的两侧灵敏度一致，通道延时满足要求，纵联变化量方向保护就能够可靠不动作；（2）对于故障线路，当直流换流站（一个或多个）和故障点位于线路不同侧，近换流站一侧的变化量方向元件可能指向反方向，或达不到动作门槛，导致纵联变化量方向保护动作行为异常。