考虑行波色散和直流控制的直流输电线路故障解析与保护研究

高压直流输电线路保护的正确动作率一直较低，大量直流线路故障是由直流控制系统响应动作，造成不必要的直流停运，给电网安全运行带来重大影响。直流线路保护对高阻接地故障灵敏度低以及直流控制对故障动态的强制作用是其主要原因。一方面由于直流线路故障本身的复杂性，目前缺乏有效的解析分析理论体系，单纯依赖实际直流工程精细模型的数值仿真难以揭示深层机理和作用边界；另一方面，故障后直流线路动态特性与控制系统强相关，缺乏对直流系统这种特有复杂性对保护性能影响的理论支持。本项目以建立直流线路保护解析分析理论体系为目标，研究考虑行波色散效应、控制系统作用、末端设备影响的直流线路故障模型，解析研究直流线路故障机理、动态特性、关联因素及其作用边界，提出提高直流线路保护动作正确率的保护新原理与完整解决方案。本项目将填补直流线路故障分析与保护解析研究方法的空白，为直流线路保护的研究、设计、运行提供新的理论支撑和分析手段。

输电线路故障是直流输电系统最常见的故障之一，完善的故障分析体系和继电保护配置对于直流输电系统的安全稳定运行具有重要意义。传统直流线路故障研究主要依赖于采用实际直流工程精细模型的数值仿真，缺乏系统的理论支撑，不利于揭示故障暂态和保护动作特性的深层机理，给直流线路保护的研究、设计、运行带来了阻碍。项目研究沿线路故障解析和线路保护两条主线展开。（1）建立了基于贝瑞隆法的直流输电系统线路故障解析模型，包括直流输电线路模型、换流器及交流系统模型、故障端口模型等，并且提出了直流输电系统线路故障解析模型的分析方法。（2）基于所建立的直流输电系统线路故障解析模型，提出了直流线路继电保护解析计算方法。推导了精确的直流输电系统线路故障的复频域解，对其中的行波色散和直流控制分别用惯性环节和比例-积分环节进行近似，从而使得复频域解能够分解成为部分分式之和的形式，并通过拉氏反变换求得线路故障的时域解，在此基础上结合实际保护实现原理得到了保护特征量的解析表达式。（3）基于保护特征量的解析表达式并结合仿真结果，分析了直流线路继电保护特征量的动态特性。研究了故障条件、保护采样率、采样随机性等对保护特征量动态特性的影响，明确了保护特征量的变化边界和主导因素。（4）基于保护特征量动态特性，并考虑到直流线路保护与直流控制以及其他保护之间的协调配合关系，研究了各个保护判据的功能定位和动作边界，并引入可靠系数、灵敏度系数等概念，提出了一整套的直流线路保护整定计算方案。（5）提出了新型的直流线路主保护方案。一种保护方案通过提高保护采样率充分利用暂态故障信息构成保护判据，另一种方案检测短路电流的首峰值时间构成判据，将易受过渡电阻影响的电气量检测问题转换为不易受过渡电阻影响的时间检测问题，两种方案均显著地提高了直流线路主保护的灵敏性。另一方面，项目还研究了故障行波宽频特性和变波速特性之间的关系，提出了基于宽频信息的变波速行波测距方案，显著地提高了行波测距的精确度。项目研究成果填补了直流输电系统线路故障解析分析与保护解析研究的空白，为提高交直流输电系统的运行效率和可靠性提供了强有力的理论支撑和技术手段。