柔性直流电网的继电保护与故障定位新原理研究结题摘要

柔性直流输电技术采用可关断器件脉宽调制技术，克服了传统高压直流输电易发生换相失败等缺点，在可再生能源并网、孤岛供电等领域具有广阔的应用前景。柔性直流输电故障承受能力差，所以研究适用于柔性直流系统的高性能保护十分必要。项目组严格按照任务书规定内容，在建立了基于两电平的柔性直流电网模型的基础上深入分析了柔性直流线路的故障特征并基于各种故障特征构造了多种保护判据，单端量保护主要包括基于高低频电流幅值比的全线速动保护、基于拓扑结构参数识别的距离保护、基于拓扑结构参数识别的行波保护等，双端量保护包括基于分布参数的电流差动保护、基于电流突变极性比较的纵联保护以及基于对端电气量计算值的双端量保护等，并提出了高可靠性的柔性直流输电线路保护方案，最后提出了多种单端量和双端量故障定位方法。项目组在任务书规定的研究内容之外，还提出了针对行波保护的雷击识别方法并初步开展了柔性直流配电网的建模和继电保护研究。 2100433B

柔性直流输电在海岛供电、新能源接入系统和城市配电网等领域具有广阔应用前景，直流断路器的商用化将加速直流电网的形成。柔性直流输电采用电压源换流器方式，故障时电容放电会产生大的短路电流，且短路电流与电网规模和故障持续时间有关。为了快速隔离故障、减少故障分支对健全电网的影响，同时减小故障电流对直流设备和直流断路器造成的冲击，研究超高速与高可靠性相结合的直流电网继电保护新原理，对于保障直流电网的安全可靠运行意义重大。继电保护反应故障特征而动作，而直流系统故障特征又取决于其拓扑结构与控制特性，故本项目拟建立计及拓扑结构和控制特性的直流电网故障特征理论分析体系，系统地提出基于拓扑结构的直流电网单端电气量快速主保护与故障定位新原理、基于控制特性的直流电网后备保护新原理、以及利用多端电气量的高灵敏后备保护新原理。本项目的研究为柔性直流电网的安全可靠运行提供完备的继电保护理论基础。

能源分布和电网结构决定了高压直流输电在我国具有广阔应用前景。直流输电线路长、故障率高，其继电保护与故障定位关系到直流输电系统的安全性和故障恢复速度。现有的直流输电线路继电保护体系理论不完备、原理单一、可靠性差。本课题充分利用直流输电系统的结构特点和控制特性，提出了一系列直流输电线路继电保护与故障定位新原理，具体包括：基于分布参数模型的距离保护、利用频率特性的单端电气量保护、利用末端补偿电压的低电压保护、基于分布参数模型的自适应电流差动保护、利用电流突变的纵联方向保护、以及基于分布参数模型的故障定位。基于提出的保护新原理，构建的直流输电线路继电保护体系理论完备、易于整定；任何时刻都至少有两种以上的保护原理反映故障存在，可靠性高；能够做到高阻故障的快速切除，兼顾了快速性和灵敏度。初步研究结果表明，该理论体系对电流源换流器直流输电线路、电压源换流器直流输电线路、以及多端直流输电线路均适用。

本项目针对直流输电线路的继电保护问题，提出了输电线路继电保护及故障定位新原理，并利用所提出的继电保护原理构成高性能直流输电线路继电保护方案，提高了电力系统的稳定性。项目主要研究成果如下: 1. 利用电力系统仿真软件建立CSC-HVDC及VSC-HVDC输电系统仿真模型，为后续继电保护新原理提供了验证平台。 2. 研究了利用双、多端电气量的直流输电线路纵联保护原理，分别提出了：利用突变电流极性的纵联保护、基于分布参数模型的电流差动保护、以及基于模型识别的纵联保护新原理。 3. 研究了利用单端电气量的直流输电线路快速保护原理，分别提出了：利用特征频率的全线速动保护、基于分布参数模型的距离保护、低电压保护、以及利用单极电气量的故障选极原理。 4. 利用所提出的上述继电保护新原理，构建了高性能的直流输电线路继电保护方案。 5. 研究了直流输电线路故障定位原理，分别提出了：基于分布参数模型、基于参数识别、利用固有频率、以及基于行波电压分布特征的故障定位原理。 2100433B

目前我国多个大区电网均已形成了含有多直流馈入的复杂交直流互联网架。直流及其控制系统特有的大电流、非线性快速响应特性，会在交直流混合电网的故障工况下派生出新的电磁特征。近年来我国电网的运行实践已经表明，这些新的电磁特征在一定条件下会影响交流电网的继电保护判别，并已成为引发交流保护不正确动作不可忽视的重要因素。本项目将从继电保护的视角出发，在扰动后的电磁暂态时间框架内深入分析交、直流系统的相互作用机理，开展交直流混合电网的交流侧故障特征变异及其对继电保护的影响机理研究，并提出界定其影响范围的计算方法和对策。项目研究将在换相失败电磁暂态过程的解析分析、特征变异对保护性能的影响评估方法和评价指标等方面取得突破，填补国内外空白。研究成果有利于进一步消除交直流混合输电电网的安全运行隐患，并为交直流电网的设计和继电保护的协调配置提供理论指导。 2100433B