Study on the operating performance of HVDC transmission line protection and its improved algorithm

Compared with AC transmission technology, high voltage direct current (HVDC) transmission technology has superiority in high transmission power, long transmission distance and flexible power adjusting, therefore HVDC transmission technology is widely applied in inter-regional power grid interconnection, high capacity and long distance transmission and distributed power access. With the rapid growth of HVDC system, the fault probability in HVDC system increases gradually, which does damage to the operation of the whole power grid. Since HVDC project has long transmission line which runs under complicated environment, transmission line (TL) has highest probability for fault in HVDC system. For now, HVDC transmission line protection is lack of systematic theoretic analysis and setting method. For this reason, the threshold is usually offered by the manufacturer, and adjusted according to the running state. Therefore, the deep study on the TL protection is highly meaningful and required. The main works in this paper conclude: 1. The modeling of HVDC transmission system on PSCAD/EMTDC The characteristics and parameters of each element like converter and its control system in HVDC system are introduced firstly, and then are modeled on PSCAD/EMTDC. In this way, the whole HVDC system is modeled, and by the simulation, the model is verified in steady-state operation and transient-state operation. 2. Study on the operating characteristic of HVDC TL protection Concerning the propagating characteristic of travelling wave and the changing characteristic of voltage and current after line fault, the influence of boundary equipment, fault distance and fault impedance on operating characteristic of TL protection is studied. The study shows: the step wave front is attenuated by border device; control system has effect on the transient characteristic of voltage and current; fault impedance and distance only affects the amplitude of electric quantity. 3. Study on the threshold and operating performance of HVDC TL protection According to the selection request of protection, the thresholds are computed from the simulation results. By simulation of different TL fault types, the operating performances of line protections are analyzed. The study shows: travelling wave protection can operate very fast within 10ms, but it has very high request on sampling frequency and it can only operate correctly under limited fault impedance; derivative and level protection operates slower than travelling wave protection, and it can also only operate under limited fault impedance; longitudinal differential protection can operate under high fault impedance, but it operates very slowly. 4. Improved travelling wave protection In order to improve the sensitivity of travelling wave protection, the travelling wave is substituted by the differential mode wave to assure the selection request. The study shows: the improved algorithm has higher sensitivity.

Rispetto alla tecnologia AC, la trasmissione in “corrente continua ad alta tensione” (HVDC) presenta una netta superiorità nel trasporto di potenza elevata, su elevate distanze e nella flessibilità della regolazione. Per questo, la trasmissione in HVDC è largamente utilizzata nei collegamenti inter-regionali della rete elettrica, nel trasporto e distribuzione di potenza ad alta capacità e grandi lunghezze. Con la rapida crescita del sistema HVDC, la probabilità di un guasto in esso aumenta conseguentemente, che danneggia le operazioni dell’intera rete. Dal momento che i progetti HVDC hanno lunghe linee che scorrono in ambienti complessi, le linee di trasmissione (TL) in HVDC hanno alta probabilità di guasto. Al momento, la protezione di linee HVDC necessità di analisi teoriche e metodi sistematici. Per questo motivo, la soluzione è spesso offerta dal costruttore, e modificata in corso d’opera. Quindi, uno studio delle protezioni delle TL è altamente significativo e richiesto. I principali argomenti affrontati in questa tesi sono: 1. La modellizzazione della trasmissione HVDC in PSCAD/EMTDC Le caratteristiche e i parametri di ogni elemento, come i convertitori, e il loro controllo in HVDC sono inizialmente introdotti e poi modellizzati in PSCAD/EMTDC. Quindi, l’intero sistema HVDC è modellizzato e, grazie alla simulazione, verificato in regime stazionario e transitorio. 2. Studio delle caratteristiche operative delle protezioni delle line in HVDC In merito alla propagazione delle onde e le modifiche delle caratteristiche di tensione e corrente, l’influenza dei componenti ausiliari, la distanza dal guasto e l’impedenza di guasto sulle caratteristiche della protezione di linea sono analizzate. Lo studio mostra: l’attenuazione del fronte d’onda a causa dei componenti presenti, il sistema di controllo ha effetto sulla caratteristica transitoria di tensione e corrente; la distanza e l’impedenza del guasto influenza l’ampiezza della quantità elettrica. 3. Studio della soglia e delle prestazioni delle protezioni delle linee HVDC In merito alla selezione delle soglie di protezione richieste, queste sono ottenute tramite le simulazioni. Sono ipotizzati diversi tipi di guasto sulle TL: le prestazioni del sistema di protezione sono analizzate. Lo studio rivela: l’onda di protezione opera molto velocemente (in 10 ms), ma è molto sensibile alla frequenza di campionamento e lavora correttamente sotto determinati valori di impedenza di guasto; la derivata della protezione opera più lentamente dell’onda di protezione (e opera solo in presenza di stringenti limiti di impedenza di guasto). La protezione longitudinale differenziale agisce con alti valori di impedenza di guasto, ma risulta molto lenta. 4. Onda di protezione migliorata Con l’obiettivo di migliorare la sensitività dell’onda di protezione, quest’ultima è stata sostituita dall’onda differenziale per assicurare la selezione richiesta. Lo studio rivela che l’algoritmo migliorato ha una maggiore sensibilità.