天津大学 张艳霞，王海东等：LCC-VSC混合直流输电线路故障定位研究

研究背景

混合直流输电作为一种新型的直流输电方式，一方面弥补了常规直流输电换相失败、柔性直流输电无法有效清除直流线路故障的缺陷，另一方面优化了工程造价，在未来远距离大功率输电、异步电网互联、分布式能源入网以及海岛供电等领域具有广泛的应用前景。由于直流输电线路沿途地理环境复杂，故障概率大，所以研究混合直流输电线路的故障定位对于提高电力系统的安全运行水平具有重要的理论意义和实用价值。

研究内容

图1所示为电网换相换流器—电压源换流器(LCC-VSC)混合直流输电系统，M端为整流侧，采用LCC换流站结构，边界元件由平波电抗器1和直流滤波器2构成；N端为逆变侧，采用VSC换流站结构，边界元件由并联电容3构成。

图1  LCC-VSC混合直流输电系统结构

2.1  LCC-VSC混合直流输电系统的故障行波折反射特性分析

由于故障行波在波阻抗不连续处会发生折反射，本文针对LCC-VSC混合直流输电系统，分析得出以下结论：故障行波在LCC侧发生正的全反射，不改变极性；在VSC侧发生负的全反射，改变极性；在故障点反射改变极性，折射不改变极性。

基于故障行波在两端边界及故障点的折反射特性，图2给出了故障行波在基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)，基于电压源型换流器的高压直流(VSC-HVDC)和LCC-VSC直流线路中的折反射过程。图中“+”和 “-”分别表示行波波头极性的正、负，并设整流侧M端、逆变侧N端测得的初始行波到达时刻分别为t_M1和t_N1，故障点第1次反射波到达时刻分别为t_M2和t_N2，对端母线第1次反射波到达时刻分别为t_M2＇和t_N2＇。

图2  故障行波网格图

由故障行波网格图分析可知：在LCC-VSC混合直流系统中，故障点第1次反射波极性与对端母线第1次反射波极性相同，而LCC-HVDC与VSC-HVDC系统中的这2个反射波极性相反。

2.2  组合型单端故障定位新原理

设图1中靠近母线N处的F点发生故障，故障行波的传播过程示于图3。

图3  单端行波定位原理图

根据行波传播特性，下面等式成立：

式中：l₁为故障点F到M端的距离；l₂为故障点F到N端的距离；l为线路全长；v为行波波速。

由式(1)得F点至VSC侧的距离为：

由式(2)知，只要准确标定出t_N1，t_N2和t_N2＇，就能实现准确的故障定位。t_N1为电压行波的第一个突变时刻，易于标定；但与LCC-HVDC和VSC-HVDC系统不同的是：在LCC-VSC混合直流输电线路中，故障点第1次反射波极性与对端母线第1次反射波极性相同，故仅依靠波头极性无法准确识别并标定出t_N2和t_N2＇。

基于单端行波法定位原理的研究，由式(1)又可推导出故障点第1次反射波到达时刻t_N2与对端母线第1次反射波到达时刻t_N2＇具有如下关系。

由式可知，在2个相邻的行波测量时窗[t_N1, t_N1+(l/v)]和[t_N1+(l/v), t_N1+(2l/v)]内，t_N2与t_N2＇分属于前后两个时窗，且关于t_N1+(l/v)时刻对称。当l₂≤l/2时，t_N2在[t_N1, t_N1+(l/v)]时段，t_N2＇在[t_N1+(l/v), t_N1+(2l/v)]时段；当l₂＞l/2时，t_N2在[t_N1+(l/v), t_N1+(2l/v)]时段，t_N2＇在[t_N1, t_N1+(l/v)]时段。

基于 t_N2与 t_N2＇的这种对称性质，本文提出一种新的组合型单端定位原理，引入定位精度略低的固有频率法进行辅助单端行波法，以达到区分出故障点第1次反射波极性与对端母线第1次反射波的目的。本文依据两端系统边界反射角的频变特性差异（如图4所示），确定了将单端故障定位装置放置于边界反射角受频率影响较小的VSC侧。

图4  系统边界反射角频变特性

若已求得VSC侧固有主频率为f_VSC，其对应的行波波速为v_VSC，则故障初步定位表达式为：

先利用固有频率法初步定位，由初测故障距离l₂＇反推出故障点第1次反射波的大致波到时刻 。当l₂＇≤l/2时，将邻近范围内且属于[t_N1, t_N1+(l/v)]时段内的波头均作为备选的故障点第1次反射波波头，对应的时刻分别记为 …。再寻找这些备选波头关于t_N1+(l/v)时刻是否存在对称且极性相同的行波波头；若存在，则该时刻即为故障点第1次反射波到达时刻t_N2，其关于t_N1+(l/v)对称的时刻即为对端母线第1次反射波到达时刻t_N2＇。同理，当l₂＇＞l/2时，将距离邻近范围内且属于[t_N1+(l/v), t_N1+(2l/v)]时段内的波头均作为备选波头，来确定出t_N2和t_N2＇。最终，利用式(2)实现准确的故障定位。

仿真分析

在PSCAD/EMTDC中搭建LCC-VSC混合直流输电系统模型。线路上距离VSC侧100 km处发生金属性单极接地，采集该侧电压进行相模变换得到线模电压，采用MUSIC算法计算其固有主频率f_VSC=1 632 Hz。取行波传播波速，由式(4)可得固有频率法初测故障点位置为：

对线模电压进行集合经验模态分解(EEMD)得到的行波传播时序图见图5，首先标定出t_N1=0.500 32 s。根据l₂＇反推故障点第1次反射波大致波到时刻=0.500 94 s，选取其邻近范围且属于[t_N1, t_N1+(l/v)]的备选故障点第1次反射波波头时刻，并分别寻找关于t_N1+(l/v)的对称时刻。从图中可以看出仅有存在相匹配的波头。因此，最终取=0.501 00 s，=0.506 43 s，代入式(2)计算出精确故障距离为：

图5  行波传播时序图

改变故障类型、故障点位置和过渡电阻情况进行多次仿真实验，结果表明组合型单端定位算法定位精度明显高于固有频率法，且受过渡电阻影响较小。

结语

1）在LCC-VSC混合直流输电系统中，故障点第1次反射波极性与对端母线第1次反射波极性相同，无法利用极性将两者区分。本文通过引入固有频率法并利用两者波到时刻的对称性实现了识别与区分。

2）依据系统边界反射角的频变特性确定出单端故障定位装置安装在VSC侧更佳。

3）提出一种适用于LCC-VSC混合直流系统的组合型单端故障定位新原理。将固有频率法与传统单端行波法相结合，优劣互补、协同定位，具有较高的定位精度，但固有主频率的准确提取有待进一步深入研究。此外，LCC-VSC混合直流系统中反射波的识别与区分仍可作为今后的研究方向。