高压直流线路纵联保护的新方案解析

为克服传统高压直流输电线路电流差动保护快速性差、耐受过渡电阻能力有限等问题，华北电力大学电气与电子工程学院的研究人员戴志辉、刘宁宁、何永兴、鲁浩、刘媛，在2020年第9期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于线路边界两侧特定频带能量比值的纵联保护方案。仿真结果表明，该保护方案计算量小，能够快速识别区内、外故障，可靠地保护了线路全长，且耐过渡电阻能力强、不受分布电容影响。

高压直流输电（High Voltage Direct Current， HVDC）在异步电网互联以及远距离大容量送电中应用广泛。HVDC输电距离一般超过1000km，沿途地理/气候条件复杂恶劣，线路故障可能性较高，亟需探讨可靠的直流线路保护。

目前直流线路一般采用行波保护为其主保护，微分欠电压保护和电流差动保护作为后备保护。行波保护动作速度快，但在高阻接地故障时波头检测困难；微分欠电压保护基于线路电压微分和幅值构成判据，耐过渡电阻能力差；电流差动保护主要用于识别高阻接地故障，但现有判据未充分考虑线路分布电容的影响，动作速度较慢，甚至长达1.1s。

现有高压直流线路保护分为双端量保护和单端量保护。目前，双端量线路保护的研究热点主要基于行波原理和突变量分析。单端量线路保护研究热点主要基于直流系统的边界特性。直流输电线路两端均配置平波电抗器和直流滤波器，形成直流线路边界，起到阻隔高频量的作用，然而此类保护大多忽略直流线路对高频量的衰减作用。

而对于特高压直流输电长线路，在线路末端区内故障时，尤其是末端区内高阻接地故障时，线路首端保护元件测得的高频量，可能小于整流侧近区区外金属性接地故障时保护元件测得的高频量，从而造成单端暂态量保护定值整定困难，甚至使其无法保护线路全长。为解决这一问题，有学者分别利用故障电流、直流电抗器压降构成方向判别元件，与边界元件配合实现全线保护，而此类方法的保护速动性、可靠性有所下降。

图1 双极HVDC系统结构

对此，华北电力大学的研究人员首先分析线路边界的阻抗频率特性，并结合叠加原理，对直流输电线路区内以及区外故障分量附加网络进行研究发现：区内故障时，对于线路两端的任意一端，其边界线路侧特定频带能量大于边界阀侧的值，两者之比较大；整流端（逆变端）区外故障时，整流端（逆变端）边界线路侧特定频带能量小于边界阀侧的值，两者之比较小。由此，提出基于线路边界两侧特定频带能量比值的保护方案。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建向上特高压直流输电工程模型，仿真分析所提保护方案的正确性。

图2 保护方案流程

大量仿真实验表明，该保护方案能够可靠保护线路全长，具备良好的耐过渡电阻能力；原理简单，计算量小，且快速性远优于常规电流差动保护；识别判据中可采用高阶能量比值放大区内外故障特征差异，门槛值整定容易。

高频分量衰减速度快，理论上采样数据窗长度足够小才能保留其暂态特征，而从可靠性和高频分量易受雷电干扰角度出发，数据窗长度不宜太小，因此可综合考虑上述因素影响，进一步探究结合防雷击干扰策略的边界保护方案。