(1.国网海北供电公司青海海北812200;2.国网青海省电力公司青海西宁810000)
摘要：随着传统能源的逐渐短缺和环境污染问题的日益严重，对可再生能源的大力开发和有效利用越来越受到世界各国的高度重视。然而，风能、太阳能等可再生能源具有随机性和间歇性的特点，可再生能源发电的大规模接入会给传统交流电网的运行带来诸多问题，传统电网已经越来越难以接收和消纳大规模的可再生能源，“弃风”、“弃光”现象时有发生。柔性直流输电技术，尤其是柔性直流电网，是解决这一问题的有效手段之一。国家电网公司将在张北地区建设采用双极模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)结构的±500kV高压柔性直流电网示范工程，该工程对于大规模可再生能源的灵活消纳和高效利用等方面具有非常重要的意义。
关键词：柔性；直流输电线路；保护方法
1直流输电线路继电保护研究现状
1.1主保护
实际投入运行的直流输电线路主保护主要有行波保护和微分欠压保护2种，最先是应用于常规高压直流输电系统，而柔性直流输电线路的保护则直接借鉴了这2种保护。其中行波保护主要采用ABB和SIEMENS两家公司的单端量行波保护原理。两家公司的保护都利用极波(即反向电压行波)来构成保护判据。ABB的行波保护根据极波的变化量的大小来判断故障。当极波的变化量大于保护定值时，即认为线路发生了故障，保护不经过延时就可以出口，保护的动作时间与故障后极波的变化率密切相关，一般情况下动作时间为几个ms。
1.2后备保护
现有的直流输电系统的线路后备保护往往采用纵联电流差动保护。但由于线路故障后暂态过程较为严重，有非常大的暂态分布电容电流，因此为了躲过暂态过程的影响，电流差动保护往往引入较大的延时。其后备纵联电流差动保护的典型动作时间为500~800ms。对于柔性直流电网来说，上述动作时间显然太长了，交流侧的保护将有可能先于直流线路后备保护动作，造成换流站退出运行，极大地扩大了故障隔离和切除的范围。柔性直流电网线路的后备保护应当具有较好的选择性和足够的灵敏性，能够在线路经大过渡电阻接地故障、线路主保护由于灵敏度不足拒动时可靠地动作，作为线路超高速主保护的补充和配合。
2柔性直流电网线路保护的配置方案及关键问题
2.1可能的配置方案
直流线路发生故障后，故障信息首先以故障行波的形式在整个直流电网中传播，故障行波理论是分析直流线路发生故障后的故障初始阶段的极为有效的理论工具，基于故障行波的保护原理是实现满足柔性直流电网需求的线路快速主保护的理想选择。柔性直流电网线路主保护应当采用基于单端量的保护原理，在保证动作速度的同时，需要具有保护线路全长的能力，这就需要深入挖掘发生区内、区外故障时的故障行波特征差异，并选取合适的数学手段提取故障特征，构造保护算法。
2.2关键问题
线路主保护为了具有极快的动作速度，需要对故障初始阶段的故障暂态过程做出快速响应，根据暂态量特征区分区内和区外故障，但同时保护也较为灵敏，易于受到噪声和雷击等暂态干扰的影响而误动，需要采取一定的措施区分暂态干扰和实际的故障，保证保护的可靠性。架空线输电方式的柔性直流电网，其直流线路的运行环境恶劣，容易遭受雷击的影响。当雷击引起线路故障时，线路保护应当可靠地动作；当雷击未引起线路故障，即雷击只是一种高频暂态干扰时，保护则应当可靠地不动作。现有的雷击干扰识别方法主要是从频谱特征或者时域波形特征的角度对雷击干扰与真实故障加以区分。
2.3纵联方向保护
纵联方向保护不需要大量的数据传输，虽然还没有实际应用于直流输电系统的纵联方向保护，但研究直流电网中故障方向的判别方法并构成纵联方向保护不失为柔性直流电网线路后备保护的一个研究思路。文献提出的基于无功能量的纵联方向保护虽然是以常规直流输电系统为背景进行描述的，但其原理却对柔性直流输电系统同样适用。由于线路具有分布电容和分布电感，因此在直流线路发生故障时，线路上将有暂态无功功率的流动，该保护通过暂态无功功率的流动方向来判断故障方向，即区内故障时，线路两端的暂态无功功率流动方向相同；区外故障时，线路两端的暂态无功功率流动方向相反。
3柔性直流电网线路保护与交流输电线路保护和常规直流输电线路保护的比较
3.1故障处理模式的比较
常规直流输电系统的直流线路发生故障时，可以通过闭锁换流站来切断故障电流，从而实现故障线路的隔离，因此不需要直流断路器。而柔性直流输电系统中的故障电流不可控，因此为满足柔性直流电网的需求，柔性直流电网应采用类似于交流电网的模式，即在直流线路两端应当都配有直流断路器，每一个直流断路器都应当配置一个保护装置来控制该直流断路器的动作。与现有的直流输电系统中控制和保护集成一体化的设计不同，在柔性直流电网中直流线路的保护也应当借鉴交流电网中的模式，即直流线路保护与控制系统相分离，单独组成一套直流线路保护装置，以提升保护的动作速度和可靠性。
3.2主保护的比较
柔性直流电网线路的主保护应当采用基于单端电气量的保护原理，这一点与交流线路主保护采用纵联保护构成有所不同。由于通信设备和信号传输所引入的延时的存在，纵联保护将不能满足柔性直流电网对线路主保护3ms动作速度的严苛要求。常规直流输电系统的线路主保护虽然也采用的是基于单端电气量的保护原理，但其保护的动作速度远不能满足3ms的要求，同时，由于常规直流输电系统可以通过增大整流侧的触发角来降低线路电压，从而将故障稳态电流控制到较低水平，即故障电流完全可控，因此常规直流输电系统的线路保护也不需要很快。
3.3后备保护的比较
柔性直流电网线路的后备保护应当采用纵联保护技术。纵联保护相对于单端量保护往往具有更好的选择性和灵敏性，当单端量主保护受其灵敏度限制不能识别经大过渡电阻接地故障时，纵联后备保护可以良好地作为单端量主保护的补充和配合。现有的常规直流输电系统的线路后备保护往往采用纵联电流差动保护，但受故障后暂态过程的影响，电流差动保护往往引入较大的延时，动作速度较慢。对于柔性直流电网来说，其直流线路的后备保护动作时间应少于20~30ms，以保证在直流侧发生故障时直流线路后备保护能够先于交流侧保护动作，进而在时序上更好地配合超高速的直流线路主保护和交流侧的保护。
4结论
柔性直流电网的故障处理方式应当与传统的交流电网类似，即通过保护和直流断路器实现对故障元件的快速隔离或切除，以充分发挥柔性直流电网的输电灵活性和可靠性优势。柔性直流电网线路主保护应当采用单端量保护算法以保证保护具有极快的动作速度，并需要采取适当的解耦措施和故障选极方法，以及噪声、雷击等干扰的识别方法，以保证保护的可靠性；后备保护则应当采用纵联保护原理以作为主保护的补充，保证保护具有足够高的灵敏度；同时后备保护也应当具有较快的动作速度以在时序上配合快速主保护和交流侧保护，尤其是在直流侧发生故障时，后备保护要能够先于交流侧保护动作。
参考文献：
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