, 张宇轩, 张晨浩, 侯俊杰, 徐瑞东西安交通大学 电气工程学院, 西安 710049
收稿日期：2020-11-19
基金项目：国家自然科学基金联合基金重点支持项目（U1766209）
作者简介：宋国兵(1972—), 男, 教授。E-mail: song.gb@163.com
摘要：中国已建成世界上规模最大、电压等级最高的交直流混联电网。换流器作为交直流混联系统的核心元件，连接了交流与直流电网。换流器在调控过程中具有非线性时变特性，对故障电气量的传递特性导致两侧电网存在复杂的交互影响。对于继电保护而言，亟需研究换流器两侧电气量之间的联系及两侧系统保护时序上的配合。该文首先介绍了换流站传递特性的数学分析方法，指出了其在进行故障分析工作时的局限性。其次，考虑换流站传递特性，对现有交流、直流保护方法进行了评估。一方面，直流侧换相失败传递至交流侧，可能导致交流侧保护出现适应性问题；另一方面，交流系统扰动传递至直流侧，可能影响到直流侧保护的性能。针对可能出现的交/直流保护不正确动作问题，总结了可行的解决方案。最后，展望了在换流站传递特性影响下，故障特征分析和保护原理的研究思路。
关键词：交直流混联电网换流站传递特性故障特征继电保护
Converter station transmission characteristics for protecting hybrid AC/DC power grids
SONG Guobing
, ZHANG Yuxuan, ZHANG Chenhao, HOU Junjie, XU RuidongSchool of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China
Abstract: China has built the world's largest high voltage hybrid AC/DC power grid. The key component of the hybrid AC/DC system is the converter connecting the AC and DC power grids. The converter regulator is non-linear and time-varying with complex interactions between the AC and DC grids. For relay protection research, it is important to study the relationship of the electric quantities between both sides of the converter and the coordination of the protection configured in the AC/DC system. This paper introduces a mathematical model of the converter station transmission characteristics and its fault analysis limitations. Then, protection methods for the AC and DC systems are evaluated based on the transmission characteristics. A commutation failure on the DC side can be transmitted to the AC side which will influence the adaptability of the AC system protection. In addition, an AC system disturbance can be transmitted to the DC system, which will affect the DC system protection. Solutions are given to correct these incorrect AC/DC protection responses. Finally, additional research ideas are given for fault analyses and protection principles based on the converter transmission characteristics.
Key words: hybrid AC/DC power gridsconverter station transmission characteristicsfault characteristicsrelay protection
随着电力电子装备的不断发展，电力电子技术日趋成熟，以电力电子化装备为核心的交直流混联电网必将成为中国电网未来的主要形式[1-4]。典型的交直流混联系统如图 1所示，其中直流系统包括直流线路、换流站等部分，交流系统则包括交流电源、交流线路、换流变压器等[5]。
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| 图 1 交直流混联系统示意图 |
| 图选项 |
由于换流器的非线性时变特性，交直流系统两侧电气量会出现复杂的耦合关系，表现为换流站一侧系统发生的扰动会通过换流站传递至另一侧，导致另一侧电气量也发生变化，如图 2所示。这种换流站两侧电气量的交互影响称为换流站的传递特性。
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| 图 2 换流站传递特性示意图 |
| 图选项 |
目前工程上已出现多起交流系统扰动引发直流系统保护误动、直流系统扰动引发交流系统保护误动的案例[6-13]。文[6-9]列举了云广直流、天广直流、葛南直流中因交流系统故障导致直流系统100 Hz等保护误动的事例；文[10-13]列举了天广、三广直流系统中因逆变器换相失败导致交流系统保护误动的事例。上述事例表明，交、直流系统某一侧发生故障时，电气量可能通过换流站传递至另一侧，导致另一侧保护不正确动作。因此，研究传递特性对完备继电保护研究理论、提升继电保护性能、保障系统安全稳定运行具有重要意义。
本文以传递特性为研究对象，分别从传递特性的分析方法和其对继电保护的影响2方面对现有的研究成果进行总结。针对现有传递特性分析方法存在的计算复杂、精度低的问题和其可能引发的保护不正确动作风险，整理了可行的解决方案，并展望了未来换流站传递特性影响下的故障特征分析和保护原理的研究思路，以期对交直流混联电网的故障分析和继电保护问题研究有所裨益。
1 传递特性分析方法由于换流器的非线性时变特性，换流站传递特性较为复杂，两侧电气量之间的关系难以定量分析。针对换流器两侧电气量的计算问题，文[14-15]直接利用准稳态模型进行分析。但当交流系统出现不对称或控制器处于动态调节过程时，准稳态模型所基于的假设条件不再满足，该模型将不适用。
除利用准稳态模型分析以外，目前对传递特性的分析多基于电磁暂态仿真。该方法依托仿真软件、计算过程复杂、故障分析缺乏理论依据，因此迫切需要提出便于理论研究的故障特征传递特性分析方法。
针对以上问题，目前研究一般采用开关函数和动态相量模型的方法表征换流站的传递特性。其中开关函数模型用于分析换流器两侧的静态传递关系，动态相量模型用来描述换流器的动态过程。
1.1 开关函数及其改进方法开关函数是一种基于调制理论表征换流器工作状态的方法[16]。非换相状态下，电压和电流开关函数表示方法相同：当上桥臂导通时，用“1”表示；当下桥臂导通时，用“-1”表示；当上下桥臂都关断时，用“0”表示。三相电压电流换相状态下，电压开关函数用“±1/2”表示，电流开关函数用斜线来近似。三相电压开关函数分别用Sua、Sub、Suc来表示，电流开关函数分别用Sia、Sib、Sic来表示，则6脉波换流器两侧电气量关系为
| $\left\{\begin{array}{l}U_{\mathrm{d}}=u_{\mathrm{a}} S_{u \mathrm{a}}+u_{\mathrm{b}} S_{u \mathrm{b}}+u_{\mathrm{c}} S_{u c}, \\i_{\mathrm{a}}=I_{\mathrm{d}} S_{i \mathrm{a}}, \\i_{\mathrm{b}}=I_{\mathrm{d}} S_{i \mathrm{b}}, \\i_{\mathrm{c}}=I_{\mathrm{d}} S_{i c} .\end{array}\right.$ | (1) |
针对含换流器电网故障分析，有****对传统的开关函数进行了改进，以解决传统开关函数难以直接应用于不对称系统分析的问题。文[19]提出了不对称系统考虑换相时间变化的改进开关函数模型，并分析了换流器两侧谐波传递关系。文[20]则研究了三相电压不对称情况下过零点时刻的偏移对开关函数的影响。文[21]在三相不对称开关函数的基础上进行了相序变换，得到了序分量开关函数。文[22]提出了考虑锁相环输出偏移的改进开关函数模型，并进行了交直流两侧的谐波分析。文[23]提出了考虑晶闸管不对称导通下的开关函数模型，研究了两侧的谐波变换关系。虽然上述文献提出了多种针对开关函数的改进方案，但由于控制器调节作用和换流器暂态过程较为复杂，目前改进的开关函数并没有全面地考虑所有导致开关动作时间改变的因素，因此用于分析传递特性时将存在精度问题。
由上述分析可知，开关函数可以在一定程度上反映换流器两侧的电气量变换关系。但基于开关函数的传递特性分析方法是利用Fourier级数展开，仅适合研究系统达到稳态后电气量呈现周期性变化的阶段。而在交直流混联系统中，需要研究系统的暂态过程。为了能够更好地定量分析换流器两侧电气量在动态调节过程中的传递关系，需要采用其他方法辅助分析。
1.2 换流器动态相量模型在式(1)的基础上，有****引用了动态相量模型，以描述系统暂态阶段换流器两侧电气量的传递关系。动态相量模型是一种运算量和精度介于准稳态和电磁暂态模型之间的分析方法。该方法希望以Fourier级数中极少量的系数来近似原始波形，可用于含有高压直流输电系统(high voltage direct current，HVDC)及柔性交流输电系统(flexible alternating current transmission systems，FACTS)等快速可控元件的电力系统暂态分析工作[24]，运算量和精度都小于电磁暂态模型。
对于时域表示为x(τ)的波形，在τ∈ (t-T, t]用时变Fourier级数可表示为
| $x(\tau ) = \sum\limits_{ - \infty }^\infty {{X_k}} (t){{\rm{e}}^{{\rm{j}}k{\omega _{\rm{s}}}\tau }}.$ | (2) |
| ${X_k}(t) = \frac{1}{T}\int_{t - T}^t x (\tau ){{\rm{e}}^{ - {\rm{j}}k{\omega _{\rm{s}}}\tau }}{\rm{d}}\tau = {\langle x\rangle _k}(t).$ | (3) |
运用动态相量模型计算系统动态阶段换流器两侧电气量的传递关系，常用到动态相量的乘积特性：
| $\langle s\rangle_{k}=\sum\limits_{i}\langle x\rangle_{k-i}\langle q\rangle_{i}.$ | (4) |
| $\left\langle u_{\mathrm{dr}}\right\rangle_{k}=\sum\limits_{m} \sum\limits_{\varphi=\mathrm{a}, \mathrm{b}, \mathrm{c}}\left\langle u_{\varphi \mathrm{r}}\right\rangle_{k-m}\left\langle S_{u \varphi}\right\rangle_{m},$ | (5) |
| $\left\langle i_{\varphi \mathrm{r}}\right\rangle_{k}=\sum\limits_{m}\left\langle i_{\mathrm{dr}}\right\rangle_{k-m}\left\langle S_{i \varphi}\right\rangle_{m}.$ | (6) |
根据上述原理，国内外已有****结合开关函数和动态相量模型定量分析了换流站的传递特性。文[27]首次将动态相量模型应用于电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter high voltage direct current，LCC-HVDC)系统中，并研究了系统一侧出现给定扰动后另一侧电气量的动态变化过程。文[28]在多馈入直流系统中研究了系统不对称故障下动态相量模型的准确性。文[26, 29]针对换流阀非等间隔导通和三相换相角不相等问题进行了改进，结果表明改进的模型能更好地反映换流器两侧电气量之间的传递关系。文[30]提出了考虑晶闸管触发角死区特性的模型，提高了计算精度。
综上所述，传递特性的分析方法主要是采用开关函数和动态相量模型。然而，换流器开关函数和动态相量的分析方法最早是为了用于大规模交直流混联电网的仿真工作，用于故障分析领域时将存在以下问题。
1) 面向单一频率的分析方法和故障暂态包含全频带信息相矛盾的问题。
对于交直流混联电网的继电保护而言，多数快速保护是利用系统暂态阶段的故障特征信息。系统暂态阶段的电气量频率特性复杂，没有主频。而应用于系统暂态阶段分析的动态相量模型是采用定数据窗长下Fourier变换的方法，决定了动态相量法只能分析单一频率信号的暂态特性，因此利用该方法分析系统暂态过程将存在局限性。
2) 单个频点电气量的分析精度问题。
动态相量模型本质上是一种定数据窗长时域滑窗的Fourier分解算法。该方法在系统暂态阶段进行相量提取工作时会受到非整数次谐波和衰减直流分量的影响，从而造成单一频点的提取存在误差。
3) 高频分量问题。
目前利用动态相量模型进行仿真分析时多基于低频假设[26]。这种分析方法将引入较大的误差。如果考虑较高的谐波次数来提高运算精度，则计算量又会极大增加，不利于传递特性的理论分析[31]。
针对精度和运算量的问题，文[32]提出了一种利用时域相乘代替频域卷积的分析方法。时域分析方法解决了传统动态相量模型的低频假设问题，有效提高了计算精度。同时时域算法的复杂度低于卷积运算，提高了运算速度。该方法为换流站传递特性的理论分析提供了新思路。
2 换流站传递特性对交流系统保护的影响由于换流站的传递作用，交流系统的电气量可能因直流系统扰动发生变化。传统的交流保护设计时并未考虑到直流系统的接入问题，因此需要在考虑换流站传递特性的情况下对交流保护的适应性进行分析。换相失败是直流系统中一种常见的异常工况，文[33]指出换流器发生换相失败对交流系统保护性能影响较大。逆变器换相失败对交流保护装置1、2的影响如图 3所示。
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| 图 3 直流系统扰动对交流保护的影响 |
| 图选项 |
换相失败对交流保护的影响包括2方面：一方面，换相失败现象一般由受端交流系统故障引起，该现象发生时间一般小于保护动作时间，即交流保护动作时间内需考虑换相失败问题[33]。换相失败过程中，逆变侧输出的等效电源功率将大幅波动。这一“复故障”特性将给面向单一故障设计的传统保护原理带来巨大挑战[8, 34]。另一方面，换相失败过程中，直流系统向交流系统中注入大量的谐波和非周期分量，将给相量提取工作造成困难，相量提取的偏差可能导致基于工频量的传统交流系统保护不正确动作。下面详细介绍逆变器发生换相失败对交流系统方向纵联保护、差动保护、距离保护、选相元件及换流变压器保护的影响。
2.1 方向纵联保护方向纵联保护是一种基于两侧方向元件来区分区内外故障的保护原理[35]，可以较好地用于传统交流输电线路。然而对于交直流混联系统而言，逆变侧发生换相失败可能导致保护不正确动作，本文以图 4的拓扑对换相失败期间方向纵联保护误动的原因进行定性分析。
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| 图 4 换相失败情况下系统故障分量网络 |
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图 4为图 3电路的故障分量网络，其中电源A为直流系统换相失败产生的故障分量等效电源，电源B为传统交流系统中的故障分量电源。2个故障分量电源共同影响线路中的功率流向。换相失败过程中，电源A的输送功率大范围波动，导致线路中功率流向不断变化，进而使得线路两侧方向元件判断结果不断翻转。如果保护不能及时收到另一侧方向翻转的信息，将可能误动。这种类似于传统交流线路功率倒向的现象称为暂态功率倒向。目前工程上已出现多起由于换相失败引发的暂态功率倒向造成交流线路方向纵联保护误动的案例[8-9]。除此以外，文[10]对现场录波数据进行分析，认为换相失败期间直流系统注入的大量谐波会使电流产生畸变，导致电流互感器产生传变误差，影响工频量的提取，甚至对保护的动作行为构成影响。
换相失败对交流线路方向纵联保护影响的研究成果如下：文[8]认为，通信拖尾现象是造成方向纵联保护误动的主要原因，因此除了缩小正向保护范围以外，还可以在每次系统中方向元件判断结果由反向转为正向时加入一定的延时；文[36-37]通过电磁暂态仿真的方法验证了换相失败期间暂态功率倒向现象的存在，并提出利用差动保护代替方向纵联保护的改进方案；文[38-40]利用直流系统等值阻抗改变量，分析了方向纵联保护不正确动作的原因和影响因素；文[34]利用交直流扰动比衡量了换相失败对方向纵联保护的影响程度；文[41]分析了减小正方向动作范围以避免保护误动的方法的实际效果，结果表明，当发生严重功率倒向时该方法仍然不能避免保护误动；文[42]针对暂态功率倒向问题，提出了一种基于补偿电压突变量的方向判断方法；文[43]认为，换相失败期间系统背侧等效阻抗呈容性是工频变化量方向保护不能正确动作的原因。
上述文献表明，换相失败可能导致方向纵联保护不正确动作。目前提出的解决方法一般分为4大类：第1类是改进相量提取算法[10]；第2类是通过保护整定与配合，缩小正向保护范围或加入延时[8, 41]；第3类是提高通信水平，避免因通信拖尾造成的误动问题[8]；第4类是采用不受功率倒向影响的保护原理[36-37, 42]。其中，第1类方法并未从原理上解决直流扰动带来的功率倒向问题；第2类方法将降低保护速动性和灵敏性；第3类方法的可行性和经济性尚有待验证；第4类方法中部分改进措施目前尚未在实际工程中应用，可靠性还有待考证。
2.2 差动保护相比方向纵联保护，交流线路差动保护受到直流系统换相失败影响相对较小。但换相失败仍可能导致差动保护不正确动作。一方面，换相失败的“复故障”特征会对差动保护造成影响；另一方面，类似于方向纵联保护，换相失败引入的谐波和非周期分量同样会影响工频量的提取，进而影响差动保护的性能。
针对换相失败“复故障”特征对线路差动保护的影响，文[44]给出了定性分析，如图 5所示。
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| 图 5 换相失败对差动保护的影响 |
| 图选项 |
图 5为系统故障分量网络。没有直流系统接入时，故障分量网络中只有一个电源。动作量和制动量为
| $\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{\Delta {I_{\rm{d}}} = \left| {\Delta {{\dot I}_M} + \Delta {{\dot I}_N}} \right| = \left| {\Delta {{\dot I}_{\rm{f}}}} \right|,}\\{\Delta {I_{\rm{r}}} = \left| {\Delta {{\dot I}_M} - \Delta {{\dot I}_N}} \right| = \left| {\dot k\Delta {{\dot I}_{\rm{f}}}} \right|.}\end{array}} \right.$ | (7) |
| $\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{\Delta I_{\rm{d}}^\prime = \left| {\Delta {{\dot I}_{\rm{f}}} + \Delta {{\dot I}_{{\rm{dc}}.{\rm{f}}}}} \right|,}\\{\Delta I_{\rm{r}}^\prime = \left| {\dot k\Delta {{\dot I}_{\rm{f}}} + \left( {\Delta {{\dot I}_{{\rm{dc}}.M}} + \Delta {{\dot I}_{{\rm{dc}}.N}}} \right)} \right|.}\end{array}} \right.$ | (8) |
针对差动保护灵敏度降低的问题，文[45]提出了一种基于幅值的辅助判据，提高了差动保护的灵敏度。文[43]认为，换相失败对稳态电流差动保护的影响小于对故障分量电流差动保护的影响。
除此以外，针对谐波和非周期分量带来的相量提取问题，文[46]认为，与纯交流系统相比，交直流混联电网中的谐波成分更为复杂，高频分量、非周期分量和低频分量显著。同时，超高压交流系统中电感与电阻的比值较大，时间常数大，非周期分量和低频分量衰减缓慢，会在故障后的几个周波内一直存在，且低通滤波器和传统的Fourier滤波算法不能将其滤除，造成相量提取出现偏差。针对这一问题，文[46]提出了基于时域参数识别的保护原理，无需相量提取，提升了保护的性能。
综上，换相失败对差动保护的影响主要集中在2方面。针对换相失败带来的“复故障”特征问题，可以采用附加判据的方法提高保护的灵敏度[45]; 针对谐波和非周期分量影响相量提取算法的问题，除了采用更合适的滤波算法以外，还可采用基于时域信息的保护方案[46]。
2.3 距离保护距离保护是高压输电线路常用的保护原理之一。换相失败可能影响距离保护的性能。一方面换相失败期间由逆变器注入的谐波和非周期分量可能会影响工频相量的提取，造成距离保护不正确动作。文[47-48]针对这一问题提出了求解时域微分方程组的方法，计算出故障点到保护安装处的距离，提升了距离保护的性能。另一方面，换相失败引起的电源特性变化也可能导致距离保护不正确动作，其原理如图 6所示[49]。
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| 图 6 换相失败对距离保护影响示意图 |
| 图选项 |
图 6中M侧阻抗继电器测量结果为
| $Z_{\text {K. } M}=\frac{\dot{U}_{1}}{\dot{I}_{M}}=\frac{\dot{U}_{1}}{\dot{I}_{\mathrm{dc}}}.$ | (9) |
文[49]分析了换相失败期间，不同线路和接线方式对距离保护的影响程度。文[50-51]指出，换相失败过程中，线路不同位置发生故障，距离保护动作不同。其中，文[50]针对保护出口附近故障保护可能出现延时动作的问题，提出了一种零序方向辅助判据的解决方法；文[51]针对换相失败导致距离保护Ⅰ段末端故障时测量阻抗可能超出Ⅰ段动作范围而延时动作的问题，提出了一种“纵续”动作的方法。这2种方法都可以提高保护的动作速度。
文[47-51]指出，换相失败对交流线路距离保护存在影响。其中换相失败造成的直流系统电源特性波动是导致距离保护不正确动作的根本原因。文[49-51]仅仅针对某一特殊情景下距离保护不正确动作给出改进方案，尚没有从电源特性研究修正距离保护的方法。逆变侧交流线路距离保护的适应性问题有待进一步研究。
2.4 选相元件选相元件是综合重合闸装置的重要元件[52]。直流系统接入会对选相元件产生影响。现有研究多数未考虑逆变器的换相失败过程，因此提出的改进方法不能从根本上解决选相元件在交直流混联系统中的适应性问题[53-54]。
文[53]认为，传统交流线路选相元件多基于系统背侧正负序阻抗相等的假设，而直流系统的换相失败将导致系统背侧正、负序阻抗不再相等，进而影响交流线路选相结果的正确性。文[55]认为，接入的直流系统无论换相失败与否，都会对选相元件产生不利影响，且影响大小与系统强弱有关。基于此提出了一种基于电压选相的解决措施。文[54]分析了突变量选相元件和稳态选相元件在交直流混联电网的适应性问题。目前的文献分析结果均表明，基于单端电流的选相原理不再适用于交直流混联电网，可尝试采用基于电压的选相方法。
2.5 换流变压器保护逆变器换相失败不但会影响交流线路保护，还会影响换流变压器保护。换流变压器主保护一般配置含有2次谐波制动的差动保护。文[56-57]认为，逆变器换相失败可等效成一个谐波源，该谐波源产生的二次谐波可能造成变压器的差动保护闭锁。针对这一现象，文[56]提出了一种故障分量综合阻抗的保护方法，文[57]提出了一种新的差动保护制动方案。仿真表明这两者都可以提高差动保护的动作特性。
综上，逆变器换相失败可能导致交流系统保护不正确动作。针对这一问题，上述文献提出了交流系统保护的改进方案，但并未从根本上解决换相失败带来的“复故障”特性，保护仍然存在不正确动作的风险。
同时，现有文献认为：由于换相失败的“复故障”特性，难以对面向单一故障的传统交流系统保护原理进行修正，可采用快速交流系统保护原理，利用换相失败前的数据窗进行故障判别。目前已有****提出在交流系统中采用快速保护新原理[58-59]，但该方法的可靠性和经济性还有待工程验证。
3 换流站传递特性对直流系统保护的影响交流系统的扰动通过换流站传递，同样会导致直流侧电气量发生变化，从而改变直流侧的故障特征、影响直流保护性能。目前有关交流系统扰动对直流保护影响的研究较少，主要以研究交流系统故障导致换流器保护误动为主。
3.1 换流器保护交流系统故障导致的换流器保护误动问题可以分为2大类：一是区外交流系统发生不对称故障导致换流器100 Hz保护误动，二是区外故障下换流器差动保护出现不平衡量而误动。
1) 换流器100 Hz保护。
换流器保护区域如图 7所示。为应对换流器区内的不对称故障，换流器配有100 Hz保护。但当区外交流系统发生不对称故障时，换流器交流侧的工频负序分量经换流器传递会在直流侧产生100 Hz分量，可能导致换流器100 Hz分量保护出现误动。
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| 图 7 交流系统故障影响换流器100Hz保护示意图 |
| 图选项 |
目前工程上已经出现多次100 Hz谐波保护误动的案例[60-61]。现有工程上的100 Hz保护一般是通过经验公式进行整定[60]，该整定方法缺乏理论依据，不易与其他保护配合，有不正确动作的风险。为解决100 Hz保护误动的问题，工程上提出了延长100 Hz保护时延的解决方法，使100 Hz动作保护时间晚于交流线路保护最长时间[5]。该方法可以在一定程度上降低100 Hz保护误动的风险，但同时也延长了换流器故障时保护的动作时间。
针对上述问题，部分****提出了100 Hz保护的整定方法，使其便于与其他保护配合。文[62]基于换流器开关函数模型提出了一种100 Hz电流的计算方法，为进一步研究直流系统100 Hz保护提供了理论基础。文[63]提出了一种100 Hz保护整定方法，实现了直流侧保护与交流侧过电流保护和距离保护之间的配合。上述方法可以在一定程度上提高100 Hz保护的性能。
2) 换流器差动保护。
针对换流器区内发生换流阀故障或接地故障，换流器配置有4套原理不同的差动保护[64]。区别于线路保护中的差动保护原理，换流器差动保护基于平衡的思想[65]。区外故障可能导致平衡关系被打破，造成换流器差动保护误动。以换流器直流差动保护为例，误动问题如图 8所示。
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| 图 8 换流器直流差动保护误动示意图 |
| 图选项 |
针对换流器直流差动保护误动的问题，文[65]针对换相失败导致桥差动保护和阀组差动保护误动，提出了引入交流低电压闭锁判据提升保护性能；文[66]提出了一种零序电流辅助判据的保护优化方法。但这些换流器保护改进方案不能从原理上解决换流器保护误动问题。
为提高换流器保护的可靠性，可采用基于多元信息的广域保护方法，结合交流系统共同进行故障判别，从而提高换流器保护的可靠性。
3.2 直流线路保护现有的常规高压直流工程中，直流线路配备行波保护、微分欠压保护和电流差动保护，这些直流线路保护在整定时已经考虑并躲过了区外交流系统故障[67-68]。但传统的行波保护、微分欠压保护基于电气量变化量进行故障判别，存在灵敏度低、可靠性差的问题，在工程中也出现了多起高过渡电阻故障引发的直流线路主保护拒动事件。为了提升直流线路主保护的性能，国内外****提出了许多方法，主要可以分为改进行波保护、暂态量保护、边界元件电气量保护。
1) 改进行波保护。
文[69]基于行波传播衰减的计算提出了改进的行波保护方案；文[70-71]利用数学拟合的方法提取故障首行波中包含的故障距离信息，构造了改进行波保护方案；文[72]提出了一种根据过渡电阻自适应改变保护定值的自适应行波保护方法。这些方法均克服了远距离高阻故障导致的保护灵敏度低问题。然而，这些方法仅通过个别仿真验证了发生交流系统故障时保护不动作，但在理论分析时并未考虑换流站传递特性的影响。事实上，这些方法假设故障点处产生的行波为阶跃波，进一步推导出发生区内、外故障时的行波特征差异来构造保护。而交流系统发生故障，故障行波经换流站传递至直流侧时，故障行波已不具有阶跃特性，因此可能由于数学模型的不匹配导致上述保护方法的不适应。文[72]分析了直流线路边界和故障点的折返射特性，利用负极性的小波变换模极大值识别区内故障；文[73]利用数学形态学提取故障线模和零模行波到达时刻差异来构造保护。上述方案同样具有很强的耐过渡电阻能力。由于换流站传递特性较复杂，研究尚不完善，存在交流系统故障影响直流侧故障行波奇异点标定的可能性，导致依靠行波折反射特性的方法出现误动。
文[74]提出了基于波形相关计算的直流线路超高速保护方法，计算故障行波波前的相关系数来构造保护。交流侧故障行波传递至直流侧后，波形发生较大变化，反映为相关系数显著变小。因此，该方法在提升保护性能的同时，理论上不受换流站传递特性的影响。
2) 暂态量保护。
文[75-78]研究了直流线路暂态量保护原理。文[75]基于传统直流线路边界对故障高频电压信号的阻隔特性，利用高频电压能量值区分区内、外故障，并提出直流输电线路单端暂态量保护，提升了现有行波保护的灵敏度。文[76-78]分别利用极波高低频能量比、暂态电压故障分量谱能量和信息熵测度构造暂态量保护，提高了保护的可靠性和耐过渡电阻能力。这些方法本质上是利用直流边界元件对高频信号衰减作用明显、对低频信号衰减作用不明显这一特点，通过提取故障暂态信号的高频成分来构造保护。在换流器各个阀正常导通时，换流器虽然存在对交流侧高次谐波进行放大并注入直流侧的可能，但由交流系统传递至直流侧的高频信号幅值一般不会超过直流侧发生最严重的区外故障时产生的高频信号幅值。这样，依据上述文献的整定方法对暂态量保护进行整定，保护方法将不受交流侧故障的影响。但是，在故障暂态过程中，换流器各个阀正常导通这一条件可能不满足，这就存在交流系统故障经换流站传递至直流侧导致直流侧高频含量较高，引发暂态量保护误动的可能。
3) 边界元件电气量保护。
文[79]利用直流线路边界电抗器两端电压斜率构造了高灵敏度的保护方法。与之类似，文[80]利用直流线路边界电抗器两端电压构造了主后备保护方法，同样具有高可靠性和灵敏度。这些方法在推导中考虑了发生直流线路区内故障和直流区外故障2种情况，由此得出区内外故障的差异。然而，这些方法在理论分析中并未考虑换流器对交流系统扰动的传递特性，仅通过交流系统故障仿真对保护性能进行了验证。因此这类方法在实际发生交流系统故障时存在保护误动的可能。
综上，现有的直流线路单端量保护在故障特征分析时都没有考虑换流站传递特性的影响，因此无法从理论上证明直流保护在交流扰动传递至直流侧后不会发生误动，仅能通过仿真“最严重的交流系统故障”即交流侧三相短路故障来验证保护的选择性。事实上，对于传统的直流线路主保护而言，发生交流侧三相短路故障时电气量斜率最大，是“最严重的交流系统故障”。而不同的保护原理利用了不同的电气量特征，整定时要躲过的“最严重的交流系统故障”也不同，没有理论指导而仅通过仿真验证无法保证保护没有误动的可能性。因此，亟需对暂态过程下换流站传递特性进行研究，为直流保护的整定提供理论指导。
4 结论换流站传递特性使得换流站两侧的交流、直流系统电气量存在强耦合关系，存在交流系统扰动导致直流保护不正确动作、直流系统扰动造成交流保护不正确动作的可能。深入研究换流站传递特性，有利于继电保护理论的完善和保护配置的优化，对保障交直流混联电网安全运行具有重要的理论和实践意义。
面对故障暂态换流站传递特性较复杂、难以解析的问题，未来继电保护的研究可以围绕2方面展开：一是基于能量平衡研究换流站传递特性，分析故障时两侧电气量变化规律，得到输入、输出电气量之间的定量关系；二是利用换流器控制作用来实现特征信号的注入，利用发生区内、外故障时故障回路对注入信号响应特征的差异，构建主动探测式保护。
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