论文部分内容阅读
摘要：换相失败是高压直流输电系统中最常见的故障之一。由于交直流系统的相互作用，当直流系统发生换相失败时，容易引发交流系统中出现暂态功率倒向问题，进而引起纵联方向保护的误动。在换相失败的环境下，即使单回线也会出现功率倒向的问题。对原因进行了分析，然后利用EMTDC-PSCAD计算两侧功率在换相失败情况下的变化情况，得出了换相失败可能会引起故障相拒动、非故障相误动这一结论。由于分相电流差动保护从原理上不受换相失败的影响，建议在交直流混联系统中采用分相电流差动保护。
关键词：直流输电；换相失败；暂态功率倒向；分相电流差动保护
作者简介：邱明玮（1976-），男，北京人，国网北京市电力公司昌平供电公司营销部，工程师；李干（1988-），男，河南商丘人，国网北京市电力公司昌平供电公司维修部，工程师。（北京 102206）
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）36-0231-02
直流输电传输容量大、线路走廊利用率高，社会的综合效益突出。在我国，交直流互联系统已成为输电技术的发展方向。但由于交直流系统的相互作用，交流系统故障很容易造成换相失败的发生，由换相失败派生的电气故障分量已成为影响交流侧继电保护误动的不可忽视的重要因素。
文献[1]基于PSCAD/EMTDC仿真研究了电流、电压、功率等交流故障特征量和直流系统的相应特性，并分析了交流系统暂态功率倒向的机理以及对继电保护的影响。文献[2]指出电气距离较近的多馈入直流系统，交流侧故障可能导致两换流站同时发生换相失败故障，并导致换流站邻近多条交流线路发生功率倒向。随着我国高压直流输电的进一步发展，直流系统对交流保护的影响问题会越发突出。特别是在故障情况下所表现出的交流电气故障特征变化，给传统交流电力系统的继电保护领域提出了新的课题。因此，应深入研究交直流互联电网中直流系统对交流系统的影响，发现并解决这些给交流系统带来的负面效应，以保障交直流互联电网的安全可靠运行。
传统的功率倒向问题一般出现在双回线中的非故障线上，但换相失败期间功率倒向问题呈现出了新的特点。本文在总结前人的工作基础上，重点讨论的是单回线功率倒向的问题。利用标准国际大电网会议中的HVDC仿真标准测试模型进行了仿真验证。通过提取三相电流和电压以及电压、电流间的相角，进而计算出每相的功率，此时可以明显看出功率倒向的现象。针对换相失败对继电保护的影响提出了应对措施。
一、换相失败对暂态功率的影响分析
在分析交直流互联系统的相互影响时，一般把直流系统等效为由换流母线电压控制的压控流源。当直流系统发生换相失败时，直流系统在控制作用下产生“持续的快速动态变化”，此时等值的压控流源表现出快速性和复杂性，使得流入交流系统的电流幅值和相位都发生了快速改变，因此流入交流系统的功率也产生了较大的改变。
传统的功率倒向问题一般是指在双回线路中，当故障线路一侧断路器跳开后，非故障线路会出现功率倒向的现象。但在换相失败期间，单回线也会出现功率倒向问题，下面就单回线功率倒向问题进行研究。
通过图1，可以这样描述换相失败对暂态功率的影响：假设C相在F点发生了单相接地故障，并且引发了直流系统换相失败。在换相失败期间通过断路器B1的功率方向可能发生变化：即由正方向（由B1流向F）变为了反方向（F流向B1），此时B1侧发出闭锁信号，导致纵联方向保护拒动；对非故障相B相而言，如没有换相失败故障的影响，B4方向元件感受到的功率方向为反方向，发出闭锁信号，保护不误动；但换相失败故障可能导致功率方向发生改变。如果断路器B4处方向元件的灵敏度高于B3处的方向元件，此时由于“触点竞赛”的缘故，非故障相的功率方向元件就可能误动；对非故障相C相是同样的道理。
很多学者对功率倒向的原因进行了探讨。[5-8]本文认为造成功率反向的原因在于：当交流侧故障引发换相失败时，由于直流系统的控制，使得交流侧呈现出了与纯交流环境不一样的故障状态，即此时流入交流系统的功率是由直流系统的快速控制（直流控制会使无功补偿装置和滤波器产生的无功功率发生剧烈变化）与交流侧的故障共同决定的。这两者的共同作用，类似于纯交流系统中的复故障，使得功率在换相失败暂态过程中表现出了不可预知性，因此可能导致功率出现倒向的问题。
二、解决措施
针对在高压直流输电中的功率倒向问题，很多学者都给出了解决措施。但大部分解决措施都是采取闭锁纵联方向保护，只是闭锁时间长短不同而已。但由于故障波形的畸变、保护通道的延时与展宽等原因，保护发生误动的概率仍然很大。
分相电流差动保护是对两端电流量进行比较，根据两侧电流的幅值和相位比较的结果来区别是否为区内故障。当交流线路发生故障时，无论是否发生换相失败，非故障相流过的电流仍然是大小相等、方向相反，两端电流的和为零；对于故障线路而言，即使发生换相失败，此时故障线路两侧电流差异仍然较大，两端电流的和较非故障线路大得多。电流差动保护从原理上就避开了换相失败的影响，因此建议在与直流系统紧密联系的交流系统中采用原理较为成熟的光纤电流差动保护。
三、仿真分析
在国际大电网会议（GIGRE）直流输电标准测试系统基础上，添加了一条交流输电线路T，仿真模型如图2所示。
该模型为12脉动换流器，电压等级为500kV，输送容量为1000MW。假设在0.5s时线路T中点处发生了A相接地短路，过渡电阻为5Ω，此时关断角γ最小可以达到0°，因此换相失败发生。线路T的正序参数为：；；负序参数为：；零序参数为：，线路全长为100kM。定义换流母线处为M侧，交流系统侧为N侧。
图3、图4分别表示的是M侧、N侧的有功功率随时间的变化情况。
由图3可知，换相失败发生后，A相有一小段时间功率发生了功率倒向，而C相有一大段时间发生了功率倒向的问题。同样由图4可知，N侧除了B相未发生功率倒向外，A、C两相都发生了功率倒向的问题。
由于A、C两相都发生了功率倒向的问题，保护可能判为A、C两相为正常相，而B相为故障相。根据自动重合闸的原理，此时仅需跳开B相再重合即可，这就造成了保护的不正确动作。因此，换相失败期间产生的功率倒向问题可能会造成故障相拒动，而非故障相误动的发生。
四、结论
本文提出的换相失败对功率方向的影响是基于单回线而言的，与传统的功率倒向问题不同。通过分析发现，换相失败期间，由于功率倒向的问题，可能会造成故障相拒动而非故障相误动的发生。分相电流差动保护从保护原理上不受换相失败的影响，因此建议与直流系统紧密联系的交流系统中采用原理较为成熟的光纤电流差动保护。
参考文献：
[1]刘强，蔡泽祥，刘为雄，等.交直流互联电网暂态功率倒向及对继电保护的影响[J].电力系统自动化，2007，31（7）：35-38.
[2]杨光亮，郃能灵，郑晓东等.多馈入高压直流输电系统中功率倒向问题[J].电力自动化设备，2010，30（5）：22-27.
[3]李晓华，蔡泽祥，黄明辉，等.交直流电网故障暂态功率倒向解析[J].电力系统自动化，2012，36（10）：61-66.
[4]徐政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].北京：中国电力出版社，2005：236-243.
[6]鲁德锋，毛为民，冼伟雄.直流换流站换流失败引起继电保护不正确动作的分析及防范措施探讨[J].电力设备，2006，7（1）54-56.
[7]陈久林，陈建民，张量，等.功率倒向对平行双回线纵联保护的影响分析及对策[J].电力系统自动化，2006，30（2）：105-107.
[8]刘之尧，唐卓尧，张文峰，等.直流换相失败引起继电保护误动分析[J].电力系统自动化，2006，30（19）：104-107.
关键词：直流输电；换相失败；暂态功率倒向；分相电流差动保护
作者简介：邱明玮（1976-），男，北京人，国网北京市电力公司昌平供电公司营销部，工程师；李干（1988-），男，河南商丘人，国网北京市电力公司昌平供电公司维修部，工程师。（北京 102206）
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）36-0231-02
直流输电传输容量大、线路走廊利用率高，社会的综合效益突出。在我国，交直流互联系统已成为输电技术的发展方向。但由于交直流系统的相互作用，交流系统故障很容易造成换相失败的发生，由换相失败派生的电气故障分量已成为影响交流侧继电保护误动的不可忽视的重要因素。
文献[1]基于PSCAD/EMTDC仿真研究了电流、电压、功率等交流故障特征量和直流系统的相应特性，并分析了交流系统暂态功率倒向的机理以及对继电保护的影响。文献[2]指出电气距离较近的多馈入直流系统，交流侧故障可能导致两换流站同时发生换相失败故障，并导致换流站邻近多条交流线路发生功率倒向。随着我国高压直流输电的进一步发展，直流系统对交流保护的影响问题会越发突出。特别是在故障情况下所表现出的交流电气故障特征变化，给传统交流电力系统的继电保护领域提出了新的课题。因此，应深入研究交直流互联电网中直流系统对交流系统的影响，发现并解决这些给交流系统带来的负面效应，以保障交直流互联电网的安全可靠运行。
传统的功率倒向问题一般出现在双回线中的非故障线上，但换相失败期间功率倒向问题呈现出了新的特点。本文在总结前人的工作基础上，重点讨论的是单回线功率倒向的问题。利用标准国际大电网会议中的HVDC仿真标准测试模型进行了仿真验证。通过提取三相电流和电压以及电压、电流间的相角，进而计算出每相的功率，此时可以明显看出功率倒向的现象。针对换相失败对继电保护的影响提出了应对措施。
一、换相失败对暂态功率的影响分析
在分析交直流互联系统的相互影响时，一般把直流系统等效为由换流母线电压控制的压控流源。当直流系统发生换相失败时，直流系统在控制作用下产生“持续的快速动态变化”，此时等值的压控流源表现出快速性和复杂性，使得流入交流系统的电流幅值和相位都发生了快速改变，因此流入交流系统的功率也产生了较大的改变。
传统的功率倒向问题一般是指在双回线路中，当故障线路一侧断路器跳开后，非故障线路会出现功率倒向的现象。但在换相失败期间，单回线也会出现功率倒向问题，下面就单回线功率倒向问题进行研究。
通过图1，可以这样描述换相失败对暂态功率的影响：假设C相在F点发生了单相接地故障，并且引发了直流系统换相失败。在换相失败期间通过断路器B1的功率方向可能发生变化：即由正方向（由B1流向F）变为了反方向（F流向B1），此时B1侧发出闭锁信号，导致纵联方向保护拒动；对非故障相B相而言，如没有换相失败故障的影响，B4方向元件感受到的功率方向为反方向，发出闭锁信号，保护不误动；但换相失败故障可能导致功率方向发生改变。如果断路器B4处方向元件的灵敏度高于B3处的方向元件，此时由于“触点竞赛”的缘故，非故障相的功率方向元件就可能误动；对非故障相C相是同样的道理。
很多学者对功率倒向的原因进行了探讨。[5-8]本文认为造成功率反向的原因在于：当交流侧故障引发换相失败时，由于直流系统的控制，使得交流侧呈现出了与纯交流环境不一样的故障状态，即此时流入交流系统的功率是由直流系统的快速控制（直流控制会使无功补偿装置和滤波器产生的无功功率发生剧烈变化）与交流侧的故障共同决定的。这两者的共同作用，类似于纯交流系统中的复故障，使得功率在换相失败暂态过程中表现出了不可预知性，因此可能导致功率出现倒向的问题。
二、解决措施
针对在高压直流输电中的功率倒向问题，很多学者都给出了解决措施。但大部分解决措施都是采取闭锁纵联方向保护，只是闭锁时间长短不同而已。但由于故障波形的畸变、保护通道的延时与展宽等原因，保护发生误动的概率仍然很大。
分相电流差动保护是对两端电流量进行比较，根据两侧电流的幅值和相位比较的结果来区别是否为区内故障。当交流线路发生故障时，无论是否发生换相失败，非故障相流过的电流仍然是大小相等、方向相反，两端电流的和为零；对于故障线路而言，即使发生换相失败，此时故障线路两侧电流差异仍然较大，两端电流的和较非故障线路大得多。电流差动保护从原理上就避开了换相失败的影响，因此建议在与直流系统紧密联系的交流系统中采用原理较为成熟的光纤电流差动保护。
三、仿真分析
在国际大电网会议（GIGRE）直流输电标准测试系统基础上，添加了一条交流输电线路T，仿真模型如图2所示。
该模型为12脉动换流器，电压等级为500kV，输送容量为1000MW。假设在0.5s时线路T中点处发生了A相接地短路，过渡电阻为5Ω，此时关断角γ最小可以达到0°，因此换相失败发生。线路T的正序参数为：；；负序参数为：；零序参数为：，线路全长为100kM。定义换流母线处为M侧，交流系统侧为N侧。
图3、图4分别表示的是M侧、N侧的有功功率随时间的变化情况。
由图3可知，换相失败发生后，A相有一小段时间功率发生了功率倒向，而C相有一大段时间发生了功率倒向的问题。同样由图4可知，N侧除了B相未发生功率倒向外，A、C两相都发生了功率倒向的问题。
由于A、C两相都发生了功率倒向的问题，保护可能判为A、C两相为正常相，而B相为故障相。根据自动重合闸的原理，此时仅需跳开B相再重合即可，这就造成了保护的不正确动作。因此，换相失败期间产生的功率倒向问题可能会造成故障相拒动，而非故障相误动的发生。
四、结论
本文提出的换相失败对功率方向的影响是基于单回线而言的，与传统的功率倒向问题不同。通过分析发现，换相失败期间，由于功率倒向的问题，可能会造成故障相拒动而非故障相误动的发生。分相电流差动保护从保护原理上不受换相失败的影响，因此建议与直流系统紧密联系的交流系统中采用原理较为成熟的光纤电流差动保护。
参考文献：
[1]刘强，蔡泽祥，刘为雄，等.交直流互联电网暂态功率倒向及对继电保护的影响[J].电力系统自动化，2007，31（7）：35-38.
[2]杨光亮，郃能灵，郑晓东等.多馈入高压直流输电系统中功率倒向问题[J].电力自动化设备，2010，30（5）：22-27.
[3]李晓华，蔡泽祥，黄明辉，等.交直流电网故障暂态功率倒向解析[J].电力系统自动化，2012，36（10）：61-66.
[4]徐政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]朱声石.高压电网继电保护原理与技术[M].北京：中国电力出版社，2005：236-243.
[6]鲁德锋，毛为民，冼伟雄.直流换流站换流失败引起继电保护不正确动作的分析及防范措施探讨[J].电力设备，2006，7（1）54-56.
[7]陈久林，陈建民，张量，等.功率倒向对平行双回线纵联保护的影响分析及对策[J].电力系统自动化，2006，30（2）：105-107.
[8]刘之尧，唐卓尧，张文峰，等.直流换相失败引起继电保护误动分析[J].电力系统自动化，2006，30（19）：104-107.