第 36 卷 第 21 期 Vol.36 No.21 2012 年 11 月 10 日 Nov.10，2012
DOI:10.3969/j.isn.1000-1026.2012.21.014
高压直流线路纵联行波方向保护
张 颖1，邰能灵1，徐 斌2 (1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 200240;2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102)
摘要:行波保护作为直流线路的主保护其应用比较广泛，但由于它是单侧电气量的保护，保护范围 需要通过定值整定来确定，且行波保护不能反应于高阻接地故障。文中在对行波传输原理进行分 析的基础上，利用区内故障时线路两侧均有反向行波幅值大于正向行波幅值的特点，构成纵联行波 方向保护。若线路两端保护的判断结果均为正向故障，则整流侧将迅速移相重启。RTDS仿真表 明，所提出的纵联行波方向保护方案能够快速、可靠地识别线路区内外故障，具有整定方便、保护范 围明确、能反应于高阻接地故障等优点，可作为直流线路主保护的有益补充。
关键词:行波保护;高压直流输电;纵联行波方向保护;过渡电阻;保护范围
0 引 言
近年来随着经济建设的快速发展，高压直流输 电在中国的应用越来越广泛。运行经验表明，由于 直流输电电压等级高、传输距离长、所经地形复杂， 再加上恶劣天气的影响，线路故障比较常见，由于线 路 故 障 造 成 的 单 、双 极 闭 锁 占 到 40% 以 上 [1-2]，因 而 直流线路保护的性能受到广泛关注。
目前直流输电工程中，高压直流线路的保护主 要 有 [3 ] :行 波 保 护 、电 压 突 变 量 保 护 、低 电 压 保 护 、电 流差动保护等。行波保护和电压突变量保护是直流 线路接地故障的主保护，动作时间为几毫秒，但不能 反应于高阻接地故障;线路低电压保护是行波保护 和电压突变量保护的后备保护，能反应于高阻接地 故障，但动作时间稍长，为几十至上百毫秒;线路差 动保护是前述3种保护的后备保护，动作速度慢，动 作时间为秒级。因此，探索一种能快速反应于高阻 接地故障的保护很有意义。
本文在分析行波传输特征的基础上，利用区内 故障时两侧反向行波幅值均大于正向行波这一故障 特征，构成纵联行波方向保护。RTDS仿真表明纵 联行波方向保护具有整定方便、保护范围明确、能反 应于过渡电阻等优点。
1 行波保护不能解决的问题 行波保护具有超高速的动作性能，其保护性能
不受电流互感器饱和、长线分布电容等因素的影
收 稿 日 期 : 2 0 1 1 -0 8 -1 4 ; 修 回 日 期 : 2 0 1 2 -0 6 -1 2 。 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (51177066)。
响 [4-6]，但 现 有 的 直 流 线 路 行 波 保 护 存 在 2 个 主 要 的 缺陷。
1)作为单侧电气量保护，行波保护的保护范围 只能通过定值来确定。从原理上讲，行波保护无法 区 分 线 路 末 端 故 障 和 对 站 极 母 线 故 障 (K 3 ，K 5 )，一 般认为行波保护的保护范围为本站电流互感器到对 站平波电抗器之间，如图1所示，其中 OCT 表示光 学电流互感器，P1和 P2表示极1和极2。极母线 接地故障(K3)时行波保护动作虽不至于造成不良 后果，但会对故障分析和故障定位带来一定困难。
图1 行波保护范围 Fig.1 Protective zone of traveling wave protection
2)不能反应于高阻接地故障。换流器出口接地 故 障 (K 4 )、交 流 系 统 故 障 (K 7 )或 逆 变 器 换 相 失 败 造 成直流旁通时，与 K3 处故障仅相差一个平波电抗 器，为确保行波保护不会超范围动作，其定值必须按 躲过 K4 处金属性故障来整定，因而无法反应于线 路上的高阻接地故障。
2 行波原理分析
2 .1 行 波 传 输 原 理 按照故障叠加原理，故障后相当于在故障点叠
加 了 一 个 故 障 电 压 源 ， 由 此 产 生 的 行 波 从 扰 动 点 沿 线路向两侧传播，并在波阻抗不连续处产生折反射。
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正向行波 和反向行波b 分别可表示为[7]:
f1 1
f 1 (t ) = Δ u 1 (t ) + Z c Δ i 1 (t )
(1)
行波在传播过程中遇到波阻抗不连续点会产生
折反射。由于输电线路的均匀分布参数特性，行波
一般只在故障点和线路末端产生折反射。直流线路
由于两侧连接大容量的平波电抗器，行波将在平波
{b 1 (t ) = Δ u 1 (t ) – Z c Δ i 1 (t )
式中:Δu1 和Δi1 分别为电压、电流的故障分量;Zc 为线路的波阻抗。
电 抗 器 处 发 生 反 射 和 折 射 ，反 射 系 数 -tZc
2 式 中 :L 为 平 波 电 抗 器 的 电 抗 值 。 显 然 有 | Γ r | < 1
成立。
2 .2 正 方 向 故 障
本文所指的电流、行波的正方向均以从母线指 向线路为正。
当直流线路上发生故障时，故障点处于两侧换 流站的正方向，两站情况相同，故障瞬间行波传输方 向如图2所示。
图2 正方向故障时行波方向 Fig.2 Latice diagram for a forward fault
行波从故障点分别向两侧换流站传输，保护首 先感受到第1次反向行波b1，该行波在平波电抗器 处发生反射和折射，其反射波又使保护感受到第
1次正向行波f1。由于电流互感器和平波电抗器的 电气距离很近，这2次行波几乎同时到达，且满足
f1 =b1Γr 结 合 式 (2)，则 有
该故障点对逆变侧而言在其正方向，因而保护 感受到的第1次正反向行波bi1和正向行波fi1几乎
Γr
为 [8 ] :
() 同时到达，且 b 。
图3 反方向故障时行波方向 Fig.3 Latice diagram for a backward fault
Γr =2e L -1
|fi1|<|i1| 3 纵联行波方向保护方案
从以上故障时行波传输的特征可知，当发生线 路区内故障时，两侧保护各自所感受到的反向行波 和正向行波几乎同时到达，且正向行波的幅值均小 于反向行波的幅值。
而发生区外故障时，一站感受到的是正向行波 的幅值小于反向行波的幅值，另一站感受到的是正 向行波的幅值大于反向行波的幅值。
本文在这一结论基础上，利用两站得到的反向 行波和正向行波关系构成行波方向保护，方案如下。
1)对 于 双 极 直 流 线 路 ，采 用 相 模 变 换 技 术 ，将 相 互耦合的两极线路解耦为相互独立的单相系统，分 别计算各极电压、电流的故障分量的线模分量如下:
(5)
烄Δul1 =
Δul2 =-Δul1
ΔuP1 - ΔuP2 槡2
烅 ΔiP1 - ΔiP2 Δil1= 2
槡
Δil2 =-Δil1 烆
(4) 即当被保护的直流线路正向故障时，在故障初始一 段时间内，整流侧和逆变侧的保护所感受到的正向
行波的幅值均小于反向行波的幅值。 2 .3 反 方 向 故 障
以整流侧反方向故障为例，故障瞬间行波传输 方向如图3所示。行波首先传输到整流侧，保护感 受到第1次正向行波fr1，然后该行波传输到逆变侧 再进行折反射，即在这段时间内整流侧反向行波的 值 很 小 ，因 此|fr1|>|br1|。 即 对 于 反 向 故 障 ，保 护 感受到的正向行波的幅值远大于反向行波的幅值。
两 极 电 压 、电 流 故 障 分 量 的 地 模 分 量 为 : 烄 ΔuP1 + ΔuP2
|f1|<|b1|
Δu0= 槡2
烅 ΔiP1 + ΔiP2
式中:Δul1，Δul2，Δil1，Δil2 分 别 为 极 1 和 极 2 电 压、 (3) 电流故障分量的线模分量。
(6)
Δi0= 2
烆
槡
式 (5)、式 (6)结 合 式 (1)可 知 ，故 障 后 两 极 行 波 的地模分量相同，线模分量大小相等、极性相反。
2)一侧保护判为正方向的条件为: |b1|>b1qd
烄 () |f1| 7
烅 =k
判断为区内P1故障。 3)区外故障(K3)
此时，整流侧和逆变侧的波形分别见附录 A 图A5和图A6。K3 点处于整流侧保护的正方向、 逆变侧保护的反方向。此时，整流侧所测得的反向 行波幅值明显大于正向行波，判为正向故障;逆变侧 所测得的正向行波幅值大于反向行波，判为反向故 障。综合两侧保护的判别结果可知发生区外故障， 保护不动作。
4 )区 外 故 障 (K 5 ) 此时，整流侧和逆变侧的波形分别如附录 A
图 A7和图 A8所示。K5 点处于整流侧保护的反方 向、逆变侧保护的正方向。此时整流侧所测得的正 向行波幅值明显大于反向行波，判为反向故障;逆变 侧所测得的反向行波幅值大于正向行波，判为正向 故障。综合两侧保护的判别结果可知发生区外故 障，保护不动作。
4 .3 相 关 因 素 分 析 与行波保护相关的主要因素有故障点位置、过
渡电阻和故障距离等，为了设定保护启动值且验证 本保护方案的可行性，进行了大量仿真。
1)故障点位置。在额定运行功率的情况下，分 别模拟了 K1，K3，K4，K5，K6 故障。为设定保护的 定值k0，仿真中考察了保护启动后连续10个采样 点正、反向行波幅值之比k，由仿真结果可知，对每 个 k ，正 向 故 障 时 0 < k < 1 ，而 反 向 故 障 时 k 远 大 于
1。因篇幅所限，表1仅列出10个采样点k值的平 均 值 k珔 。
表1 不同故障点仿真结果 Table 1 Simulation results of diferent fault positions
·研制与开发· 张 颖，等 高压直流线路纵联行波方向保护
故障位置
线路K1 整流侧K6 逆变侧K4 整流侧K5 逆变侧K3
整流侧 逆变侧 判断结果
k珔 方向k珔
方向
正向 区内
正向 区外
反向 区外 正向 区外 反向 区外
0.163 正向 3.025 反向 0.212 正向 3.293 反向 0.181 正向
0.176
0.180 3.437 0.098 3.517
根据仿真结果，综合考虑区内外故障时保护的 灵 敏 度 和 可 靠 性 ，本 保 护 方 案 设 定 k0 =1.0。
另外，对比区内(K1，95%)故障和区外K3 点故 障，两点电气距离非常接近，但逆变侧保护在2次故 障中所测得的正、反向行波大小关系截然相反(见附 录 A 图 A4和图 A6)，说明本保护方案具有绝对的 选择性。即纵联行波方向保护与现有的行波保护相 比具有明确的保护范围，以两侧换流站的电流互感 器为界，如图4所示。
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图4 纵联行波方向保护范围 Fig.4 Protection zone for pilot traveling wave directional protection
2)过渡电阻。为了考察纵联行波方向保护反应 于过渡电阻的能力，考察一个较极端情况，在距整流 侧912km(占线路全长95%)处 P2设置接地故障， 过渡电阻为350Ω，整流侧的行波波形见附录 A 图 A9。由图可见，在区内线路末端高阻接地时，线 路两端正反向行波幅值均有所减小，但其比值范围 基本不变，如表2所示。大量仿真表明，区内高阻接 地 时 ，反 向 行 波 幅 值 仍 能 大 于 100 kV ，因 此 保 护 的 启 动 值 设 定 为 100 kV 。
表2 线路上不同故障点仿真结果 Table 2 Simulation results of diferent fault positions in lines
附 录 见 本 刊 网 络 版 (ht tp://aeps.sgepri.sgc c.
com.cn/aeps/ch/index.aspx)。 参考文献
[1 ] 喻 新 强 . 国 家 电 网 公 司 直 流 输 电 系 统 可 靠 性 统 计 与 分 析 [J ] . 电 网 技 术 ，2009，33(12):1-7. YU Xinqiang.Statistics and analysis on reliability of HVDC
power transmision systems of state grid corporation of China [J].Power System Technology，2009，33(12):1-7.
[2 ] 喻 新 强 .2 0 0 3 年 以 来 国 家 电 网 公 司 直 流 输 电 系 统 运 行 情 况 总 结 [J].电 网 技 术 ，2005，29(12):12-16.
YU Xinqiang. Summary on operation of SGCC ’s HVDC
projects since 2003[J].Power System Technology，2005，
29(12):12-16.
[3 ] 胡 宇 洋 ， 黄 道 春 . 葛 南 直 流 输 电 线 路 故 障 及 保 护 动 作 分 析 [J ] . 电
力 系 统 自 动 化 ，2008，32(8):102-107. HU Yuyang，HUANG Daochun.Faults and protection analysis
of Gezhouba to Nanqiao DC transmision line[J].Automation of
Electric Power Systems，2008，32(8):102-107.
[4 ] 李 爱 民 ，蔡 泽 祥 ，李 晓 华 ，等 .高 压 直 流 输 电 线 路 行 波 保 护 影 响 因
素 分 析 及 改 进 [J].电 力 系 统 自 动 化 ，2010，34(10):76-80. LI Aimin， CAI Zexiang， LI Xiaohua，et al. Analysis of influence factors and improvement of traveling wave protections
for HVDC line[J].Automation of Electric Power Systems，
2010，34(10):76-80.
[5 ] 邹 贵 彬 ，高 厚 磊 ，江 世 芳 ，等 .新 型 暂 态 行 波 幅 值 比 较 式 超 高 速 方
向 保 护 [J].中 国 电 机 工 程 学 报 ，2009，29(7):84-89. ZOU Guibin， GAO Houlei，JIANG Shifang，et al. Novel transient traveling wave based amplitude comparison ultra high spe ed directional protection [J ]. Proce edings of the CSEE ， 2009，29(7):84-89.
[6]LIU Xiaolei，OSMAN A H， MALIK O P. Hybrid traveling wave/boundary protection for bipolar HVDC line[J].IEEE Trans on Power Delivery，2009，13(4):1073-1078.
[7 ] J O H N S A T ， M A R T I N M A ， B A R K E R A ， e t a l . A n e w approach to EHV direction comparison protection using digital signal procesing technologies [J].IEEE Trans on Power Systems，1986，1(2):24-32.
[8]JIE Liang， ELANGOVAN S， DEVOTTA J B X. Adaptive traveling wave protection algorithm using two corelation functions[J].IEEE Trans on Power Delivery，1999，14(1): 126-131.
[9]HINGORANI N G.Transient overvoltage on a bipolar HVDC overhead line caused by DC line faults[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1970，89(4):592-610.
张 颖 (1976— )，女 ，通 信 作 者 ，博 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 :电 力 系 统 继 电 保 护 。E-mail:lachen@sjtu.edu.cn
邰 能 灵 (1972— )，男 ，博 士 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 研 究 方向:电力系统继电保护。
徐 斌 (1977— )，男 ，硕 士 ，工 程 师 ，主 要 研 究 方 向 :高 压 直流输电控制保护。
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故 障 位 置
线 路 5 % ，0 Ω 线 路 5 % ，3 5 0 Ω 线 路 5 0 % ，0 Ω 线 路 5 0 % ，3 5 0 Ω 线 路 9 5 % ，0 Ω 线 路 9 5 % ，3 5 0 Ω
整 流 侧 k珔 0.287 0.239 0.163 0.248 0.147 0.247
逆 变 侧 k珔 0.159 0.268 0.176 0.221 0.225 0.154
3)动作时间。单侧保护判断出正方向需要 2ms左右，再加上站间通信的延时，保护动作时间 在十几毫秒，可见站间通信对保护的影响比较大，一 方面站间通信故障时保护必须退出，另一方面保护 动作时间与站间通信延时有关，且站间通信延时要
占大部分。 5 结 语
现有的直流输电线路行波保护存在保护范围不 明确、难以整定和不能反应于高阻接地故障等缺陷。 本文利用线路区内故障后反向行波幅值大于正向行 波幅值这一故障特征，在两侧换流站分别进行正方 向判别，构成纵联行波方向保护。大量仿真结果表 明，该保护具有整定方便、保护范围明确、能反应于 过渡电阻等优点。虽然本保护方案依赖于站间通 信，动作时间较长，但相对于能反应于高阻接地的低 电压保护而言，本方案的动作速度还是明显快于后 者，因此，纵联行波方向保护可作为直流线路主保护 的有益补充。
(下 转 第 97 页 continued on page 97)
·研制与开发· 程 旭，等 电力调度分布式工作流设计与实现 Design and Implementation of Distributed Workflow for Electric Power Dispatching
C H E N G X u 1 ， L I A N G Y u n 1 ，2 ， Y U J u n 1 (1.State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China;
2.China Electric Power Research Institute (Nanjing)，Nanjing 210003，China)
Abstract:In view of the wide area flowing，security and system integration characteristics of power dispatching workflows，an analysis is made of the characteristics of the power dispatching proces.For the purpose of implementing the wide area distributed dispatching proces，a distributed workflow design integrated with the e-mail service based on the inteligent power dispatching technology support system platform is put forward.The workflow service transmits the proces file described with highly eficient E language as an e-mail by caling mesage e-mail service.The destination workflow service downloads and pases the e-mail so as to implement the distributed proces flowing.The mechanism is discused in detail，the principle of integration betwen the service bus and other services or systems is demonstrated，and the integration is implemented acording to the design.Application in security checking shows that the mechanism is of applicable value for its satisfaction of the requirement of distributed service while the power dispatching proces is flowing among systems.
Key words:power dispatching;distributed dispatching;workflow;e-mail service;system integration 櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 (上 接 第 80 页 continued from page 80)
Traveling Wave Based Pilot Directional Protection for HVDC Line
Z H A N G Y i n g 1 ， T A I N e n g l i n g 1 ， X U B i n 2 (1.School of Electronic Information and Electrical Enginering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;
2.NARI-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China)
Abstract:In order to improve the performance of conventional traveling wave protection used in high voltage direct curent (HVDC)lines，a novel traveling wave based pilot directional protection is proposed based on the fact that amplitude of the backward traveling wave is greater than that of the forward traveling wave on both ends of line under internal zone fault.If the two relays at both ends of HVDC line detect a forward direction fault，then control action is to retard the rectifier firing control into ful inverter operation mode.RTDS simulation results show that the proposed scheme can discriminate internal and external zone faults rapidly and reliably.It has some advantages such as:easy seting，specific protective zone and high resistance grounding fault recognition.The protection scheme is feasible as a complement of conventional main protection of
HVDC line.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No.51177066).
Key words:traveling wave protection;high voltage direct curent (HVDC)transmision;pilot traveling wave directional
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protection transition resistance protective zone
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