高压直流输电距离保护研究

高压直流输电距离保护研究

杨林珏

广西电网公司桂林供电局广西桂林541002

摘要：目前，高压直流输电因为其相对于交流输电的突出优势，其应用越来越广泛。但是作为保障直流线路安全可靠运行的继电保护的可靠性仍有待进一步提高，距离保护以其优良的保护性能和快速的动作特性因而具有很高的研究价值。为改进直流线路保护的可靠性，本文设计了一种基于贝瑞隆模型的距离保护方法，该方法针对高压直流线路两端装有平波电抗器，线路边界明显这一特性，使距离保护能够正确有效地区别发生在区内与区外的故障。本文使用了两段式距离保护的方案，仿真结果显示，高距离保护可以做到区内故障全线快速可靠动作，正向区外故障不动作。

关键词：高压直流输电线路；距离保护；贝瑞隆模型；时域方程

1距离保护的设计

对于距离保护，准确测量末端故障非常重要，内部或外部故障应该准确鉴定。假设继电保护安装在点M如图1-1。当故障发生在点F，如果继电保护放在点N而不是点M，故障点到继电保护点的距离将会大大缩短，分布电容对距离保护的影响相对较弱。结果就是故障距离测量准确性相对高。当故障点不是端点时，距离变长且分布电容的影响变强，所以测量准确性相对变低[1]。随着距离的增加，测量误差相应上升。如前所述，虽然在端点可接受的测量误差很小，需要高的测量准确度是，但是在起始点恰好相反。因此,该方法与距离保护的特点是一致的，这对线路保护的性能是有利的。这一新颖的距离保护的基本原则可以按如下形容。故障点到端点间的线路同样使用Bergeron模型来模拟。补偿电流、电压可由下式求得。

首先，贝瑞隆传输线模型如图1，采用于模拟HVDC传输线。以此为基础，端点N的电压电流能够在继电器点M准确测量[2]。他们之间的关系展示在（1）和（2）。

式中：ｕｍ和ｉｍ分别为保护安装处的电压、电流；ｕ′和ｉ′即为整定点处电压、电流，Ｒ为线路单位长度的电阻；Ｚｃ为线路的特征阻抗；ｌｓｅｔ为整定距离；ｖ为线路波速度。之后，保护安装点与故障点F之间的线路简化为RL集中参数模型，这部分长度线路很容易得到微分方程和故障距离。假设故障发生在距离继电器为lset距离处，故障距离可以通过LSM（最小二乘法）计算，如下：

考虑到通常情况下距离保护靠近保护安装处容易拒动这一问题，本文设计了两段式距离保护，Ⅰ段整定为1000km，保护范围为全线路，Ⅱ段整定为200km，负责保护出口处的线路故障，保护范围为全线20%，整定原则与Ⅰ段类似。

距离保护Ⅰ段和Ⅱ段相互配合，通过一个或门输出动作结果，两段同时对故障进行检测，只要有一段动作则继电器动作。

HVDC高压直流传输线路通常为双极式。采用文献[2]中提到的直流相模变换矩阵，此时电压电流模式在整定点能够以贝瑞隆分布参数模型计算。

当线路发生故障时，以下关系式成立:

式中：ｊ取值为0或1，分别表示0模和1模；ｕｊ′和ｉｊ′分别为补偿点处ｊ模电压和电流；ｌｆ为保护安装处到故障点的距离；ｒｊ和ｌｊ分别为ｊ模下中每公里的电阻和电感大小；ｕｆｊ为ｊ模下故障点处的电压。

当发生接地故障时，选取1模分量，则故障定位方程为：

式（5）中只有ｌｆ和Ｒｆ为未知，求解故障距离只需要求解微分方程即可。再使用LSM（最小二乘法）求解方程组就可以计算得到故障距离[3]。

2仿真计算

±800kV双极型传输线路的长度为1000km，采用Bergeron分布参数模型模拟分析和计算，PSCAD用于HVDC高压直流传输线路故障仿真，MATLABA用于距离保护算法编译。在仿真中，数据采样频率为10kHz，故障发生在0.5秒，公式中设ｌｓｅｔⅠ＝1000km，ｌｓｅｔⅡ＝200km，再通过微分方程计算故障距离，与整定距离相比较得到保护的动作判据，数据窗时长为10ms。

为了验证算法的有效性，分别考虑到线路内部和外部的各种故障点，以及过渡电阻从0Ω至50Ω然后到100Ω。通过实验可以得出：1）距离保护Ⅰ段在输电线路末端故障时精度很高，当实际故障距离为1000km时，测距结果为992.942km。当故障远离端点，故障距离的测量误差大，虽然在这些地方测量误差相对大，但这些误差不会导致保护不正确动作，满足了选择性要求；2）直流线路中部故障时，测距结果尽管不精确，但误差可以容忍，保护能正确动作；3）线路靠近保护安装处故障时，误差过大，不能保证保护的可靠性，距离Ⅰ段拒动。4）当ｌｓｅｔⅡ＝200km时，距离保护Ⅱ段提高了直流线路近端的测距精度，并且越接近200km处，误差越小；5）距离保护Ⅱ段能够确保线路200km以内故障时保护正确动作，200km以外发生故障时，测距误差随着故障点逐渐远离整定点而逐渐增大，但是由于结果始终大于200km，故距离Ⅱ段仍然不会误动。

4结语

本文应对高压直流线路尚缺乏快速有效的线路继电保护，以及传统距离保护尚未在直流输电线路实际应用的问题提出一种基于贝瑞隆分布参数模型的距离保护方法。仿真结果显示，该保护虽然不能准确测距，但是正向边界准确，正向区内故障保护能够正确动作，并且该保护具有一定的耐受过渡电阻能力，能够满足直流输电线路在遇到实际故障问题时依旧能可靠动作的需求，并且该保护所需的数据窗短，大大提高了动作速度和效率。

参考文献

[1]宋国兵,蔡新雷,高淑萍,张健康,李德坤,索南加乐.高压直流输电线路故障定位研究综述[J].电力系统保护与控制,2012,5(40).

[2]索南加乐，侯卓，宋国兵，等.基于分布参数模型的高压直流输电线路距离保护.电力系统自动化.2011(08):53~57

[3]余洪,文明浩.基于贝瑞隆模型的ATP仿真误差分析[J].继电器.2007(04)