华北电力大学郑涛、陈云飞 等：基于复合暂态能量的多端柔性直流电网自适应差动保护

阅读提示：本文约 2100 字

针对依赖单一故障信息在无边界电网结构中可靠性不足问题，构造了一种兼具幅值与方向特征的复合暂态能量，在此基础上提出具备自适应能力的差动保护改进方案。

研究背景

柔性直流输电系统在解决新能源大规模并网消纳问题上具有显著优势，然而受限于自身低惯量、弱阻尼等特征，线路发生故障后短路电流上升速度快、幅值大，这对柔性直流输电线路保护的动作性能提出了更高要求。现有柔性直流输电线路暂态量保护保护往往依赖于单一故障信息，当边界效应减弱甚至无明显边界元件时，该类型保护方案适应性显著降低。

论文所解决的问题及意义

针对依赖单一故障信息在无边界电网结构中可靠性不足问题，构造了兼具幅值与方向特征的复合暂态能量，通过定量分析不同位置故障时暂态电流波形特征，明确了区内外故障时线路两端复合暂态能量的差异；在此基础上，利用校正函数自适应调整制动量幅值，提出具备自适应能力的差动保护改进方案。

论文方法及创新点

1、复合暂态能量构建及特性分析

为解决依赖单一故障信息在无边界电网结构中可靠性不足问题，本文构造了兼具幅值与方向特征的复合暂态能量，从而实现多源暂态信息互补；在此基础上，定性分析了不同位置故障时暂态电流波形特征，明确了区内外故障时线路两端复合暂态能量差异，其变化曲线如图1与图2所示。

图1 区内故障时线路两端复合暂态能量变化曲线

图2 区内故障时线路两端复合暂态能量变化曲线

2、自适应差动保护

考虑到线路近端或末端发生高阻故障时，线路两端复合暂态能量差异较大，传统差动保护存在灵敏度不足问题。对此，本文在传统比率制动式差动保护基础上，通过引入自适应校正函数，构造了一种具有自适应能力的差动保护，该方案能够显著提升区内故障时保护的灵敏性，并且兼顾区外故障时的可靠性。

3、仿真分析

为验证方案有效性，本文基于 PSCAD/EMTDC仿真平台搭建±400 kV四端柔性直流输电系统模型，在不同位置设置故障点，得到区内外仿真结果如图3与图4所示。

图3 区内故障保护动作情况

图4 区外故障保护动作情况

仿真结果表明，区内故障时线路两端观测到的故障电流波形也存在较大差异，所提自适应差动保护能有效降低制动量幅值，进而提升区内末端故障时保护灵敏性；区外故障时所构造自适应差动保护能有效增大制动量，从而保证了保护可靠不动作，提升了安全性。

结论

1）本文所提方案能够依据区内外故障时线路两端的复合暂态能量特征差异自适应校正制动量幅值，有效提升了区内故障时保护的灵敏性以及区外故障时保护的安全性。

2）本文所提保护方案不依赖于线路边界，且无需进行阈值整定，具有较好的工程适用性；仿真结果表明，方案在不同故障位置以及不同故障类型下均能能够可靠识别区内外故障，且受过渡电阻影响较小。

团队介绍

电力系统保护与控制研究所是新能源电力系统国家重点实验室所属研究团队之一，主要开展电力系统保护与控制相关研究工作。电力系统保护与控制研究所先后主持了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目1项、“973”、“863”课题及科技部重点研发计划课题7项、国家自然科学基金重点项目2项、面上/青年项目8项，并参与建设了“大电网保护与安全防御”、“111”引智基地，先后获得国家科技进步二等奖3项及省部级科技进步奖20余项。

郑涛

华北电力大学电气与电子工程学院教授，博导。主要从事新能源电力系统故障机理和保护新算法研究；交直流输电故障耦合机理研究等。获中国电力科学技术进步一等奖、二等奖、三等奖各1项；主持国家自然科学基金项目2项，参与国家重点研发计划专项课题1项；发表EI、SCI收录论文100余篇；出版学术专著1部。

E-mail：zhengtao_sf@126.com

陈云飞

硕士研究生，研究方向为新能源电力系统继电保护。

E-mail：3369354137@qq.com

本工作成果发表在2025年第5期《电工技术学报》，论文标题为“基于复合暂态能量的多端柔性直流电网自适应差动保护“。本课题得到国家自然科学基金项目的支持。

引用本文

郑涛, 陈云飞, 马英, 李紫肖. 基于复合暂态能量的多端柔性直流电网自适应差动保护[J]. 电工技术学报, 2025, 40(5): 1440-1454. Zheng Tao, Chen Yunfei, Ma Ying, Li Zixiao. Differential Protection for Multi Terminal Flexible DC Power Grid Based on Composite Transient Energy. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(5): 1440-1454.

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