陳新崗，朱瑩月，馬志鵬，時(shí) 晶，譚 悅，鄒越越

(1.重慶理工大學(xué)， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400054；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司, 浙江 紹興 312000)

近年來(lái)，隨著分布式電源以及可再生能源大量接入配電網(wǎng)系統(tǒng)[1]中，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)[2]傳輸功率小、環(huán)流環(huán)節(jié)多、損耗大等問(wèn)題日漸突出。于是，能提高利用效率和提升電能質(zhì)量的直流配電網(wǎng)成為了城市智能配電[3-4]的研究熱點(diǎn)。

目前，在直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，其故障電流上升速率非?？?，能在數(shù)毫秒內(nèi)達(dá)到峰值，且不受故障類型影響。因此，快速、準(zhǔn)確地切除故障成為直流配電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。

常用的直流配電網(wǎng)線路保護(hù)有低壓過(guò)流保護(hù)[7]、縱聯(lián)保護(hù)[8-10]、直流過(guò)電壓保護(hù)[11-12]、直流電壓不平衡保護(hù)、直流斷線保護(hù)[13]、直流低電壓保護(hù)等[14]，這些保護(hù)方式大多借鑒主網(wǎng)線路的保護(hù)思路。文獻(xiàn)[15]將檢測(cè)到的相鄰線路出口處電流的大小和方向特性作為主保護(hù)判據(jù)，將不平衡電流出現(xiàn)作為后備保護(hù)判據(jù)，并設(shè)置了一級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)和二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)，提高了保護(hù)的選擇性。文獻(xiàn)[16]利用換流站出口處裝設(shè)的電抗器作為邊界條件，檢測(cè)直流電抗器上的電流高頻暫態(tài)量來(lái)判別區(qū)內(nèi)、外故障，并加入方向元件來(lái)排除反向故障。文獻(xiàn)[17]利用改進(jìn)的電壓梯度算法檢測(cè)電壓變化作為特征量，并將其作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，將檢測(cè)限流電抗器上的電壓變化率作為特征量，由此來(lái)判定故障類型，并將電壓變化量作為特征量來(lái)進(jìn)行故障極判別。文獻(xiàn)[18]利用混合直流斷路器的特性，在MMC換流器閉鎖前切除故障，從而滿足直流輸電線路保護(hù)的速動(dòng)性，但未提出具體保護(hù)流程。文獻(xiàn)[19]提出了一種先閉鎖換流器、再斷開(kāi)對(duì)應(yīng)直流斷路器的保護(hù)控制方法，但該方法會(huì)擴(kuò)大保護(hù)范圍。

以基于電壓源型(voltage source converter，VSC)換流器的中壓直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，分析了柔性直流配電線路在單極接地故障以及雙極短路故障下的故障特征，并利用保護(hù)安裝處檢測(cè)的瞬時(shí)功率構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，提出了一種基于瞬時(shí)功率特性的柔性直流配電網(wǎng)故障定位和保護(hù)方法。最后，通過(guò)PSCAD仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。所提故障定位及保護(hù)方法原理簡(jiǎn)單，極大降低了系統(tǒng)對(duì)通信的要求。

1 直流系統(tǒng)配置

以基于VSC的雙端柔性直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，變壓器的交流側(cè)電壓為110 kV，直流側(cè)電壓為10 kV。T1與T2為交流系統(tǒng)相連接的VSC1換流站和VSC2換流站，T3和T4分別連接直流負(fù)荷和交流負(fù)荷，T5、T6和T7分別連接不同的分布式電源，其中直流變換器采用雙有源橋(dual active bridge，DAB)。將與負(fù)荷相連接的端點(diǎn)設(shè)置為點(diǎn)A、B、C、D，并利用4個(gè)端點(diǎn)將直流配電網(wǎng)線路分為3條線路，即Line1、Line2和Line3。

針對(duì)圖1的雙端柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，采用定有功功率控制和定直流電壓控制。T1端口為系統(tǒng)功率結(jié)點(diǎn)，采用定有功功率控制；T2端口為系統(tǒng)的平衡結(jié)點(diǎn)，采用定直流電壓控制；其余換流器采用負(fù)荷側(cè)定電壓控制以維持負(fù)荷穩(wěn)定。變壓器閥側(cè)經(jīng)大電阻接地，可以降低單極接地故障后交流側(cè)饋入故障電流,保護(hù)裝置安裝在線路端口處。

圖1 雙端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2 直流配電網(wǎng)故障分析

2.1 單極接地故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，其故障等效電路如圖2所示。

圖2 正極接地故障等效電路圖

將單極接地故障分為2個(gè)階段：

1) 電容放電階段：當(dāng)線路發(fā)生正極線路單極接地故障時(shí)，極間電壓存在1個(gè)暫態(tài)下降，但隨著故障電流值逐漸減小，此時(shí)極間電壓開(kāi)始慢慢上升，由此，系統(tǒng)進(jìn)入下一階段。

2) 穩(wěn)定階段：在此階段，接地故障被清除后，極間電壓逐漸恢復(fù)到正常水平。

2.2 雙極短路故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，故障等效電路如圖3所示。

將雙極短路故障暫態(tài)過(guò)程分為3個(gè)階段[20]：

1) 電容放電階段：剛開(kāi)始發(fā)生雙極短路故障時(shí)，換流器的并聯(lián)電容通過(guò)線路對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行放電；由于線路內(nèi)阻很小，電容放電電流會(huì)在數(shù)毫秒內(nèi)遠(yuǎn)超出額定電流，此時(shí)電容電壓迅速下降，由于電容放電回路的固有響應(yīng)一般為欠阻尼響應(yīng)，因此當(dāng)電容電流震蕩過(guò)零時(shí)，故障進(jìn)入下一階段。

2) 二極管導(dǎo)通階段：當(dāng)電容電壓過(guò)零后，交流側(cè)可視為三相短路，此時(shí)交流側(cè)饋入三相短路電流，與電感續(xù)流回路構(gòu)成故障電流；當(dāng)二極管中的電流過(guò)零后，VSC換流器中的二極管同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)形成1個(gè)放電回路，由此進(jìn)入下一階段。

3) 穩(wěn)定階段：故障電壓和故障電流逐漸減小，系統(tǒng)最后重新穩(wěn)定。

圖3 雙極短路故障等效電路圖

3 基于瞬時(shí)功率特性的保護(hù)原理

3.1 保護(hù)原理

由圖1的雙端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)鋱D所示，保護(hù)裝置安裝在每條線路端口處，即圖1中點(diǎn)A、B、C、D，每個(gè)保護(hù)系統(tǒng)由互感器、保護(hù)裝置和直流斷路器構(gòu)成。將直流線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖4(a)所示的示意圖，其中F1為線路發(fā)生區(qū)外故障，F(xiàn)2為線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

圖4 直流線路故障示意圖和簡(jiǎn)化等效模型示意圖

將直流線路換流器出口處設(shè)為X端與Y端，即X端等效為圖1中點(diǎn)A，Y端等效為圖1中點(diǎn)D。其中，un為n端電壓同步采集值；in為流經(jīng)n端的電流同步采集值；n點(diǎn)代表A、B、C、D；R1、R2為直流線路等效電阻；L1、L2為直流線路等效電抗；C為線路并聯(lián)電容；iC為等效電容充電電流；由此，端點(diǎn)n的瞬時(shí)功率為：

ΔPn=Δun(t)Δin(t)

(1)

相鄰兩點(diǎn)間的瞬時(shí)功率差值為：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1

(2)

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，瞬時(shí)功率ΔP=0，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，瞬時(shí)功率ΔP≠0，由此將瞬時(shí)功率ΔP作為進(jìn)行直流線路區(qū)內(nèi)、外故障判定的重要依據(jù)。

3.1.1區(qū)外故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的F1區(qū)外故障時(shí)，其等效電路圖如圖5所示，故障點(diǎn)可看作是連接1個(gè)電壓源uF。

圖5 區(qū)外故障等效電路圖

圖5中，uF為故障點(diǎn)電壓；當(dāng)線路正常運(yùn)行時(shí)，線路兩端電壓壓降為：

uL(t)=R1iX(t)+R2(-iY(t))+

(3)

(4)

其中：uL為線路兩端電壓壓降；uC為等效電容電壓。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，兩端電壓值會(huì)急劇下降，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生故障疊加電流iF，流經(jīng)X端和Y端的電流值變?yōu)閕X′、iY′。

(5)

故障后線路兩端電壓壓降為：

(R1+R2)iF(t)+

(6)

于是線路電壓增量為：

ΔuL=R1iF(t)+R2iF(t)+

(7)

所以，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)：ΔuX<0,ΔuY<0,且|ΔuX|<|ΔuY|。

故障后直流線路兩端放電電流為：

(8)

此時(shí)線路的電流增量：ΔiX>0, Δ(-iY)>0,且|ΔiXV|<|Δ(-iY)|。

由式(7)和(8)可得，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，線路的瞬時(shí)功率ΔP>0。

3.1.2區(qū)內(nèi)故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的F2區(qū)外故障時(shí)，其等效電路如圖6所示，故障點(diǎn)可看作是連接一個(gè)電壓源uF。

圖6 區(qū)內(nèi)故障等效電路圖

同理，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，電壓增量與電流增量特性為：ΔuX<0,ΔuY<0,且ΔiX>0,Δ(-iY)<0；于是ΔPX<0，ΔPY>0由此，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，線路的瞬時(shí)功率ΔP<0。

3.2 故障識(shí)別判據(jù)

通過(guò)上述對(duì)保護(hù)原理的分析，利用瞬時(shí)功率在區(qū)內(nèi)外故障時(shí)的不同特性，構(gòu)造故障識(shí)別判據(jù)：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1<ΔPset

(9)

由式(9)可知，當(dāng)瞬時(shí)功率值小于整定值時(shí)，判定為區(qū)內(nèi)故障；當(dāng)瞬時(shí)功率值大于整定值時(shí)，判定為區(qū)外故障。由于電壓波動(dòng)與電流波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小，將瞬時(shí)功率整定值ΔPset設(shè)置為0。

3.3 故障區(qū)段定位判定

如圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，在判斷故障為區(qū)內(nèi)故障后，需進(jìn)一步檢測(cè)線路的故障區(qū)段。利用上述的瞬時(shí)功率特性可知，故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時(shí)瞬時(shí)功率小于整定值，當(dāng)檢測(cè)區(qū)段中出現(xiàn)第一個(gè)瞬時(shí)功率小于整定值時(shí)，該區(qū)段即為故障區(qū)段。即同步檢測(cè)相鄰2個(gè)區(qū)段的瞬時(shí)功率，故障區(qū)段整定判據(jù)為：

(10)

式中：ΔPk為第k條線路的瞬時(shí)功率，無(wú)論是單極接地故障或是雙極短路故障，其故障區(qū)段的瞬時(shí)功率均小于整定值。

3.4 保護(hù)流程及實(shí)現(xiàn)

基于瞬時(shí)功率的故障定位及保護(hù)方法是由保護(hù)啟動(dòng)和故障判別兩部分組成，具體流程如圖7所示。

圖7 保護(hù)流程框圖

1) 首先利用直流線路電流變化率在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)幾乎為零的特性，將電流變化率作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生故障后，啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作，并發(fā)送啟動(dòng)命令給故障識(shí)別判據(jù)。

2) 保護(hù)起動(dòng)后，同步采集直流線路連接換流器兩端的電流及電壓值，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)兩端的瞬時(shí)功率差值。根據(jù)“區(qū)外故障時(shí)瞬時(shí)功率大于整定值，區(qū)內(nèi)故障時(shí)瞬時(shí)功率小于整定值”的特性，首先判斷系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。為增加保護(hù)動(dòng)作可靠性，故障判別時(shí)連續(xù)滿足判據(jù)3次才能最終判定故障發(fā)生。

3) 當(dāng)在2)中判定為區(qū)內(nèi)故障后，對(duì)直流線路進(jìn)行故障區(qū)段判定，此時(shí)，同步采集每段直流線路兩端點(diǎn)的電流值和電壓值，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)區(qū)段的瞬時(shí)功率值；對(duì)比相鄰線路的瞬時(shí)功率值，若檢測(cè)區(qū)段出現(xiàn)第一個(gè)瞬時(shí)功率小于整定值時(shí)，判定瞬時(shí)功率小于整定值的區(qū)段為故障區(qū)段。為保證保護(hù)方案的可靠性，只有當(dāng)故障區(qū)段判定連續(xù)滿足3次判據(jù)時(shí)，才能確定故障區(qū)段。

4) 當(dāng)在3)中檢測(cè)出對(duì)應(yīng)故障區(qū)段后，跳開(kāi)對(duì)應(yīng)保護(hù)裝置的斷路器，對(duì)故障進(jìn)行快速隔離。若在2)中檢測(cè)為區(qū)外故障，則保護(hù)復(fù)位，為下一次保護(hù)動(dòng)作做準(zhǔn)備。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于瞬時(shí)功率的故障定位及保護(hù)方法的可行性與正確性，在PSCAD上搭建了如圖1所示的基于VSC(voltage source converter)雙端柔性直流配電網(wǎng)仿真模型，其中故障發(fā)生在第1 s，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。

4.1 保護(hù)動(dòng)作行為分析

1) 區(qū)外故障。當(dāng)發(fā)生如圖4所示的F1故障時(shí)，同步采集的換流器出口處電壓與電流值如圖8(a)、(b)所示。由圖8(a)、(b)得：ΔuX<0，ΔuY<0,ΔiX>0,Δ(-iY)>0。依據(jù)式(7)和(8)可得，故障初期的瞬時(shí)功率大于整定值，如圖8(c)所示，符合判據(jù)要求。

2) 區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的F2故障時(shí)，同步采集的換流器出口處電壓與電流值如圖9(a)、(b)所示。由圖9(a)、(b)得：ΔuX<0，ΔuY<0,ΔiX>0,Δ(-iY)<0；依據(jù)式(7)、(8)可知在故障初期的瞬時(shí)功率小于整定值，如圖9(c)所示，符合判據(jù)要求。

同樣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，同步采集到換流器出口處的電壓值與電流值如圖10所示。電壓與電流增量結(jié)果同單極接地故障，計(jì)算得到的瞬時(shí)功率小于整定值，符合判據(jù)要求。

圖9 雙端直流配電網(wǎng)單極接地故障仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果曲線

圖10 雙端直流配電網(wǎng)雙極短路故障仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果曲線

4.2 故障區(qū)段判定

上述保護(hù)方案除了可以區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，還可以對(duì)區(qū)內(nèi)故障進(jìn)行故障區(qū)段的判定。文中將分別在Line3上進(jìn)行單極接地故障與雙極短路故障的仿真來(lái)驗(yàn)證上述故障區(qū)段判據(jù)的可靠性和有效性。

當(dāng)單極接地故障發(fā)生在Line3上時(shí)，可分別對(duì)Line1、Line2和Line3進(jìn)行分區(qū)段瞬時(shí)功率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 各區(qū)段單極接地故障瞬時(shí)功率計(jì)算結(jié)果曲線

由圖11所示可得，當(dāng)Line3發(fā)生單極接地故障時(shí)，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line1與Line2的ΔP滿足故障區(qū)段判據(jù)，因此可判定故障發(fā)生在Line3，故障區(qū)段判定結(jié)果如表1所示。

表1 Line3單極接地故障區(qū)段瞬時(shí)功率(ΔP)值

當(dāng)雙極短路故障發(fā)生在Line3上時(shí)，分別對(duì)Line1、Line2和Line3進(jìn)行分區(qū)段瞬時(shí)功率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 各區(qū)段雙極短路故障瞬時(shí)功率計(jì)算結(jié)果曲線

同上述系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，當(dāng)Line3發(fā)生雙極短路故障時(shí)，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line2與Line1的ΔP滿足故障區(qū)段判據(jù)，因此可判定故障發(fā)生在Line3，故障區(qū)段判定結(jié)果同表1所示。

4.3 保護(hù)算法性能及對(duì)比分析

接地故障電流受過(guò)渡電阻影響較大，同時(shí)考慮到文中模型電壓等級(jí)，因此通過(guò)設(shè)置不同過(guò)渡電阻值[21]，研究故障定位及保護(hù)方法在低過(guò)渡電阻故障下的可靠性。Line1、Line2和Line3上的瞬時(shí)功率計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，Line1和Line2的瞬時(shí)功率值隨過(guò)渡電阻的增加而變小，但仍然大于整定值，可判定為非故障區(qū)段；而Line3的瞬時(shí)功率值隨著過(guò)渡電阻的增加而變小，但仍然小于整定值，可判定為故障區(qū)段。

圖13 各區(qū)段不同過(guò)渡電阻下瞬時(shí)功率值

表2為當(dāng)單極接地故障發(fā)生在Line3時(shí)不同過(guò)渡電阻下故障區(qū)段的判定結(jié)果。為保證同步采集及計(jì)算結(jié)果的可靠性，采用第3次有效采樣值。

表2 Line3故障時(shí)不同過(guò)渡電阻下瞬時(shí)功率值

由表2可得，隨著過(guò)渡電阻逐漸增大，所提出故障定位及保護(hù)方法仍可以檢測(cè)出故障區(qū)段，保護(hù)可靠且動(dòng)作有效，驗(yàn)證了上述保護(hù)方法在低阻接地故障時(shí)仍具有有效性，且對(duì)過(guò)渡電阻具有一定的耐受能力。

5 結(jié)論

針對(duì)雙端柔性直流配電系統(tǒng)，利用不同故障類型和不同故障位置所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率特性不同，提出了一種基于瞬時(shí)功率特性的柔性直流配電網(wǎng)線路故障定位及保護(hù)方法；在PSCAD上進(jìn)行大量仿真，進(jìn)行區(qū)內(nèi)、外故障及故障區(qū)段判定,保證了保護(hù)可靠性。仿真驗(yàn)證了所提出的保護(hù)方法能準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)故障判別，且抗過(guò)渡電阻能力較強(qiáng)。 該方法只需比較相鄰區(qū)段保護(hù)安裝處的瞬時(shí)功率值，原理簡(jiǎn)單，能大大降低對(duì)系統(tǒng)通信的要求，可為柔性直流配電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供有力保障。