楊鵬,賈伯巖,臧謙,范輝,李秉宇,張鵬,李曄,劉曉明
(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021; 2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021; 3. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北省現(xiàn)代電工裝備可靠性與智能化國(guó)際聯(lián)合研究中心,河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,天津 300130)
發(fā)展清潔能源、 實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置與轉(zhuǎn)型[1-3],構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑. 柔性直流配電網(wǎng)在新能源靈活接入、 直流負(fù)荷靈活供電等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]. 然而,柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,且為低慣量系統(tǒng),故障阻尼小、 故障發(fā)展速度快[5]. 為確保柔性直流配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行,對(duì)直流保護(hù)的快速性和可靠性均提出了更高要求[6].
直流故障信號(hào)呈寬頻帶分布,且快速衰減,傳統(tǒng)基于工頻穩(wěn)態(tài)量的交流保護(hù)原理難以適用. 常規(guī)直流輸電系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)線路保護(hù)主要依賴于線路平波電抗器、 濾波器等一次設(shè)備構(gòu)成的線路邊界, 實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段辨識(shí)[7-10]. 然而,柔性直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 一次設(shè)備構(gòu)成及接線方式等均有別于直流輸電網(wǎng),導(dǎo)致其故障特性也迥異于直流輸電網(wǎng). 因此,基于線路邊界特性的直流保護(hù)原理,將因直流配電線路不存在邊界元件,而無(wú)法適用于柔性直流配電網(wǎng).
與直流輸電網(wǎng)相比,直流配電線路相對(duì)較短,雙端量保護(hù)所需要通訊延時(shí)需求較低,適用于直流配電網(wǎng)線路保護(hù). 文獻(xiàn)[11-12]提出電流差動(dòng)保護(hù)方法,利用被保護(hù)直流線路兩端電流的時(shí)域采樣值計(jì)算故障差電流,實(shí)現(xiàn)故障辨識(shí). 電流差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單且具有選擇性,被廣泛應(yīng)用于牽引保護(hù)、 直流鐵路保護(hù)中,但該保護(hù)原理對(duì)保護(hù)裝置的采樣率要求嚴(yán)苛,且受線路分布電容電流影響較大. 文獻(xiàn)[13]提出基于電流變化量和電流變化率的方向縱聯(lián)保護(hù)方案,當(dāng)保護(hù)正方向故障時(shí),電流變化量和變化率均為正值; 而當(dāng)保護(hù)反方向故障時(shí),電流變化量和變化率均為負(fù)值. 文獻(xiàn)[14]利用故障線路兩端的電流微分符號(hào)相反的特征,提出基于電流微分乘積的雙端量保護(hù)方案. 文獻(xiàn)[15]提出基于直流電流微分狀態(tài)量的故障區(qū)段辨識(shí)方法,實(shí)現(xiàn)故障的快速與可靠辨識(shí). 然而,對(duì)于中壓電壓等級(jí)直流配電網(wǎng)而言,直流線路一般為幾公里至十幾公里,線路分布電容影響不可忽略,嚴(yán)重影響直流線路保護(hù)的動(dòng)作可靠性和靈敏性. 此外,當(dāng)中壓直流配電網(wǎng)采用對(duì)稱單極接線方式時(shí),單極接地故障特征極為微弱. 這種情況下, 基于時(shí)域電流變化量和變化率的保護(hù)方案亦將無(wú)法適用. 針對(duì)柔性直流配電網(wǎng),研究設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)免疫線路分布電容的直流線路保護(hù)方案具有理論和工程意義.
綜上,本研究利用貝瑞隆線路模型,推導(dǎo)故障后故障點(diǎn)與線路兩端的電氣量特征關(guān)系,以及直流線路差電流與故障點(diǎn)電流的函數(shù)關(guān)系. 提出電流差動(dòng)快速保護(hù)方案,探究電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于柔性直流配電網(wǎng)的適用性,并在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建了柔性直流配電網(wǎng)模型. 通過(guò)仿真結(jié)果,驗(yàn)證所提出的電流差動(dòng)保護(hù)方案的動(dòng)作性能.
傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)直接利用線路兩端電流采樣值,計(jì)算故障差電流,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障辨識(shí),保護(hù)原理簡(jiǎn)單,一般可作為直流輸電線路的后備保護(hù).
圖1為對(duì)稱單極直流配電網(wǎng)發(fā)生區(qū)內(nèi)外故障時(shí)故障電流及其差點(diǎn)電流的情況. 當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)末端發(fā)生經(jīng)20 Ω過(guò)渡電阻接地故障時(shí),直流線路兩端電流瞬時(shí)值如圖1(a)所示; 當(dāng)保護(hù)區(qū)外近端出口發(fā)生金屬性故障時(shí),直流線路兩端的電流瞬時(shí)值如圖1(b)所示; 區(qū)內(nèi)外故障時(shí)直流線路兩端的差電流如圖1(c)所示. 分析發(fā)現(xiàn): 故障初期,區(qū)外故障時(shí)的線路兩端差電流遠(yuǎn)大于區(qū)內(nèi)故障時(shí)的差電流,可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作; 經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后,差動(dòng)電流將變小,區(qū)內(nèi)外故障辨識(shí)難. 其主要原因?yàn)椋?對(duì)稱單極直流配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí),故障電流主要由電纜分布電容電流產(chǎn)生. 對(duì)于保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障的情況,差動(dòng)電流主要為背側(cè)線路供給的電容電流; 而對(duì)于保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障的情況,直流線路差動(dòng)電流則為被保護(hù)線路的電容電流. 當(dāng)被保護(hù)線路與背側(cè)線路長(zhǎng)度相差不大時(shí),區(qū)內(nèi)外故障(相同過(guò)渡電阻)的差動(dòng)電流非常接近,而區(qū)內(nèi)過(guò)渡電阻故障的差動(dòng)電流則將遠(yuǎn)小于區(qū)外嚴(yán)重故障. 上述研究表明, 電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)法用于對(duì)稱單極直流配網(wǎng)的單極接地故障可靠保護(hù).
圖1 直流配電網(wǎng)區(qū)內(nèi)外故障仿真結(jié)果
以基于瞬時(shí)值的電流差動(dòng)保護(hù)為對(duì)象,分析傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)在柔性直流配電網(wǎng)中的適用性,瞬時(shí)電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)為:
|Idφ1+Idφ2|>kset, diffIRe, sφ;Idφ1+Idφ2>Iset, diff
(1)
式中:Idφ1、Idφ2分別代表φ極線路兩端的瞬時(shí)電流采樣值,當(dāng)φ取p時(shí)代表為正極線路,當(dāng)φ取n時(shí)代表為負(fù)極線路;kset, diff為制動(dòng)系數(shù);IRe, sφ為每一極的制動(dòng)電流,取值為max{|Idφ1|,|Idφ2|};Iset, diff為差動(dòng)電流門檻值.
與直流輸電線路相比,直流配電線路相對(duì)較短,線路通信所需延時(shí)少,在一定程度上能滿足直流配網(wǎng)(配置故障限流措施前提下)對(duì)速動(dòng)保護(hù)的要求. 利用具有絕對(duì)選擇性的電流差動(dòng)保護(hù)作為線路主保護(hù)是直流配電網(wǎng)保護(hù)配置的方案選擇之一. 與交流配電相比,直流配電有供電半徑大的優(yōu)勢(shì),尤其對(duì)于中壓直流配電網(wǎng),線路長(zhǎng)度可達(dá)到幾公里至十幾公里,此時(shí)分布電容的影響不可忽略. 換言之,對(duì)于直流配電網(wǎng)而言,直流線路單極故障時(shí)保護(hù)位置的故障電流主要由線路分布電容電流構(gòu)成,從而線路分布電容對(duì)保護(hù)適用性的原理不可忽略. 通常,可采用延時(shí)措施躲避線路分布電容所造成的不平衡電流影響,但因躲避所需的延時(shí)將不可避免影響保護(hù)的速動(dòng)性.
電流差動(dòng)保護(hù)具有絕對(duì)的選擇性,但需要一定時(shí)間的動(dòng)作延時(shí), 以消除區(qū)外故障時(shí)產(chǎn)生的不平衡電流影響. 對(duì)于保護(hù)動(dòng)作速度要求較高的直流輸電網(wǎng),電流差動(dòng)保護(hù)可作為后備保護(hù). 而對(duì)于線路較短、 保護(hù)動(dòng)作速度要求不嚴(yán)苛的直流配電網(wǎng),電流差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單,可作為線路主保護(hù). 為提高電流差動(dòng)保護(hù)的快速性和可靠性,提出能夠補(bǔ)償線路分布電容電流的直流配電網(wǎng)電流差動(dòng)保護(hù)新原理.
對(duì)于中壓直流配電網(wǎng)而言,直流線路可達(dá)幾公里至十幾公里,不能將直流線路簡(jiǎn)單等效為集總參數(shù),有必要考慮線路的分布特性,如圖2所示. 其中,直流線路電壓與電流隨時(shí)間和距離的變化可表示為:
圖2 線路分布參數(shù)模型
(2)
式中:L為串聯(lián)電感;R為串聯(lián)電阻;C、G分別為對(duì)地電容和對(duì)地電導(dǎo).
將式(2)轉(zhuǎn)換為頻域并求解,可得反映線路參數(shù)分布特性的直流線路貝瑞隆模型. 即將直流線路等效為一個(gè)具有受控電流源的二端口模型,當(dāng)其發(fā)生直流線路故障后,故障點(diǎn)將直流線路劃分成jf和fk兩條線路,如圖3所示.
圖3 考慮貝瑞隆模型的線路內(nèi)部故障示意圖
根據(jù)線路傳輸特性,分別求得jf和fk線路的電氣量時(shí)域關(guān)系:
(3)
(4)
式中:uj、uk、uf分別為j端、k端和故障點(diǎn)電壓;ij、ik分別為j端和k端電流;τj、τk分別表示行波從j端、k端傳輸?shù)焦收宵c(diǎn)所需時(shí)間;if1、if2分別為jf和kf線路向故障點(diǎn)饋入的電流;Ijf、Ifk為線路等值受控電流源;ZC為線路波阻抗.
由于τj+τk=τ,以t-τj替代t,得到:
(5)
推得:
(6)
(7)
基于時(shí)域量的直接電流差動(dòng)保護(hù)主要利用線路兩端時(shí)域采樣電流直接計(jì)算差電流識(shí)別故障,不可避免受線路分布電容的影響. 為解決上述問(wèn)題,利用貝瑞隆線路模型計(jì)算差電流. 在保護(hù)線路上設(shè)置參考點(diǎn),利用線路兩端測(cè)量的時(shí)域電壓、 電流及貝瑞隆線路模型計(jì)算參考點(diǎn)兩端的差電流. 當(dāng)參考點(diǎn)位置與故障點(diǎn)位置重合時(shí),參考點(diǎn)計(jì)算的差電流與故障點(diǎn)電流完全一致; 當(dāng)參考點(diǎn)位置與故障點(diǎn)位置不同時(shí),需進(jìn)一步推導(dǎo)參考點(diǎn)差電流與故障點(diǎn)電流的關(guān)系; 利用貝瑞隆線路模型計(jì)算的參考點(diǎn)差電流與故障點(diǎn)電流僅是延時(shí)的差別. 以圖3中j端為參考點(diǎn),根據(jù)對(duì)端測(cè)量電壓、 電流及線路貝瑞隆模型分析,可得到j(luò)端電流計(jì)算值為:
(8)
求得參考點(diǎn)差電流:
(9)
考慮直流配電網(wǎng)直流線路由正、 負(fù)極線構(gòu)成,兩根極線之間存在耦合關(guān)系,以j端電氣量為對(duì)象,對(duì)正負(fù)極線電氣量解耦,得到j(luò)端地模和線模電流:
(10)
其中:ij 0、ij 1分別為j端地模和線模電流;ij, p、ij, n分別為j端正極、 負(fù)極電流;S為解耦矩陣.
將式(10)代入式(9),得到j(luò)端零模差電流(ij 0, diff)和線模差電流(ij 1, diff):
(11)
對(duì)式(11)反變換,推得正負(fù)極參考點(diǎn)差電流:
(12)
如,當(dāng)正極線路上發(fā)生單極接地故障后,解耦后的模量故障電流為:
(13)
則:
(14)
將式(14)代入式(12)中推得:
(15)
同理,可推得在負(fù)極故障及雙極故障下,參考點(diǎn)位置各極線差電流描述:
(16)
當(dāng)發(fā)生直流線路兩極短路故障時(shí),故障點(diǎn)電流:
(17)
對(duì)比分析發(fā)現(xiàn): 對(duì)于單極接地故障而言,故障極參考點(diǎn)計(jì)算的差電流遠(yuǎn)大于非故障極; 對(duì)于雙極故障而言,參考點(diǎn)位置的正負(fù)極差電流幅值相等; 當(dāng)參考點(diǎn)位置設(shè)置不在線路兩端時(shí),參考點(diǎn)差電流計(jì)算值與故障電流僅存在一個(gè)延時(shí)關(guān)系,上述結(jié)論仍然滿足. 基于上述分析,提出貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù):
idiff=ik, sr-ij, sr; |idiff|≥iset
(18)
式中:idiff為參考點(diǎn)計(jì)算的差電流;ik, sr、ij, sr分別為由k端、j端線路計(jì)算到參考點(diǎn)的電流;iset為差動(dòng)保護(hù)判據(jù)整定值,整定依據(jù)為躲開(kāi)區(qū)外故障可能出現(xiàn)的最大不平衡電流.
綜上,所提出的電流差動(dòng)保護(hù)方案可降低線路分布電容對(duì)保護(hù)動(dòng)作性能的影響,無(wú)需考慮傳統(tǒng)直接電流差動(dòng)保護(hù)長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作要求,且能保證區(qū)外故障時(shí)計(jì)算的差電流為零,而區(qū)內(nèi)故障時(shí)參考點(diǎn)差電流幅值與故障電流基本一致. 需要說(shuō)明的是,差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)主要包括微秒級(jí)的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換延時(shí)和測(cè)量延時(shí)以及受限于線路長(zhǎng)度的通信延時(shí). 當(dāng)通信通道采用光纖通道時(shí),考慮到中繼產(chǎn)生的延時(shí)影響100 km線路需要1 ms的通信延時(shí)[16]. 對(duì)于十幾公里左右的直流配電線路而言,其通信延時(shí)通常在百微秒級(jí). 此外,目前部分直流配電示范工程換流器采用具有故障自清除能力的子模塊構(gòu)成,如江蘇同里直流配電網(wǎng)示范工程,當(dāng)發(fā)生直流故障后,通過(guò)控制子模塊的工作狀態(tài)可以有效抑制故障電流快速上升,從而為保護(hù)辨識(shí)故障提供了更長(zhǎng)的時(shí)間裕度. 換言之,提出的基于貝瑞隆線路模型的電流差動(dòng)保護(hù)判據(jù)本身涉及線路分布電容影響,因此按照式(18)計(jì)算的線路兩端差電流識(shí)別故障時(shí)無(wú)需延時(shí),可直接利用故障發(fā)生后初期的線路兩端時(shí)域電流計(jì)算差電流辨識(shí)故障,而無(wú)需經(jīng)歷延時(shí)再辨識(shí)故障. 故所提出的基于貝瑞隆線路模型的電流差動(dòng)保護(hù)大幅降低了故障的檢測(cè)延時(shí),從而提高了保護(hù)的動(dòng)作速度,保障了直流配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及非故障網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性.
為驗(yàn)證所提出的基于貝瑞隆線路模型的差動(dòng)保護(hù)方法的有效性,利用PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái),搭建±10 kV柔性直流配電系統(tǒng)模型, 如圖4所示. 其中, 以線路Line1上的保護(hù)11為對(duì)象, 設(shè)置故障時(shí)間2 s,保護(hù)采樣率20 kHz. 系統(tǒng)參數(shù)如表1所示.
圖4 多端直流配電網(wǎng)拓?fù)淠P?/p>
表1 四端直流配電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)
根據(jù)貝瑞隆電流差動(dòng)保護(hù)基本原理可知,利用線路貝瑞隆模型計(jì)算差電流識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障主要依賴線路的波阻抗值,線路波阻抗值可以通過(guò)直流線路的幾何參數(shù)、 利用理論計(jì)算或者仿真獲取線路物理參數(shù)計(jì)算得出,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出差電流. 為此,根據(jù)PSCAD/EMTDC平臺(tái)中的直流線路依頻模型,通過(guò)仿真得到線路電容等物理參數(shù)值(所用線路模型電容值約為0.12 μF·km-1),并計(jì)算得到線路的波阻抗值.
當(dāng)線路Line1中點(diǎn)發(fā)生正極金屬性接地故障時(shí),將參考點(diǎn)位置設(shè)置在線路中點(diǎn)處,故障電流利用式(17)計(jì)算所得參考點(diǎn)位置差電流, 仿真結(jié)果如圖5所示. 對(duì)比分析表明: 利用基于貝瑞隆線路模型所得參考點(diǎn)差電流幅值與故障點(diǎn)電流完全相同,所提出的線路差電流計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確描述故障電流演化過(guò)程.
圖5 故障線路故障極參考點(diǎn)差電流與實(shí)際故障點(diǎn)電流的對(duì)比
對(duì)于線路Line1上的正極線路保護(hù)11而言,當(dāng)分別發(fā)生保護(hù)區(qū)內(nèi)末端(f3位置)金屬性正極接地故障以及正方向區(qū)外近端(f4位置)金屬性正極接地故障時(shí),基于直接電流差動(dòng)的常規(guī)差動(dòng)保護(hù)以及基于線路貝瑞隆模型計(jì)算的貝瑞隆差動(dòng)保護(hù)仿真結(jié)果如圖6所示. 當(dāng)發(fā)生保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí),區(qū)內(nèi)故障的常規(guī)差動(dòng)和貝瑞隆差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的線路差電流基本吻合. 當(dāng)負(fù)極線路發(fā)生故障時(shí),對(duì)于正極線路而言,利用常規(guī)差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的線路差電流幅值不為零,其幅值最大為0.090 kA,而對(duì)于本研究所提出的貝瑞隆差動(dòng)保護(hù)方法而言,線路差電流計(jì)算值接近零. 當(dāng)非故障線路正極發(fā)生故障時(shí),貝瑞隆差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的線路差電流遠(yuǎn)小于常規(guī)差動(dòng)保護(hù). 當(dāng)非故障線路負(fù)極發(fā)生故障時(shí),常規(guī)差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的線路差動(dòng)電流不為零,而貝瑞隆差動(dòng)保護(hù)計(jì)算的線路差電流接近零.
圖6 保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障時(shí)電流差動(dòng)保護(hù)差電流
仿真結(jié)果表明: 常規(guī)電流差動(dòng)保護(hù)由于基于時(shí)域采樣電流直接計(jì)算差電流,受線路分布電容電流的影響,導(dǎo)致保護(hù)區(qū)外故障時(shí)存在明顯的不平衡電流. 所提出的電流差動(dòng)保護(hù)能有效補(bǔ)償線路分布電容電流,降低或消除區(qū)外故障時(shí)由線路分布電容產(chǎn)生的不平衡電流. 與常規(guī)電流差動(dòng)保護(hù)相比,所提出的貝瑞隆差動(dòng)保護(hù)無(wú)需長(zhǎng)延時(shí)躲線路分布電容影響,能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)動(dòng)作速動(dòng)性.
此外,為驗(yàn)證所提出的電流差動(dòng)保護(hù)方法耐受過(guò)渡電阻能力,對(duì)線路Line1正極經(jīng)100 Ω的大過(guò)渡電阻故障(f3位置)進(jìn)行仿真,如圖7所示. 圖中,紅色線所示為利用貝瑞隆線路模型計(jì)算參考點(diǎn)差電流, 計(jì)算結(jié)果最大值為84 A; 藍(lán)色線代表保護(hù)區(qū)外線路發(fā)生正極金屬故障時(shí)的貝瑞隆差電流,最大值為48 A; 綠色線表示保護(hù)區(qū)內(nèi)(f3位置)發(fā)生負(fù)極接地故障時(shí)的貝瑞隆差電流,最大值僅為9 A; 可見(jiàn),區(qū)內(nèi)高阻故障時(shí),利用貝瑞隆線路模型計(jì)算的線路差電流將遠(yuǎn)大于保護(hù)區(qū)外故障情況. 因此,基于貝瑞隆線路模型的電流差動(dòng)保護(hù)方案耐受過(guò)渡電阻能力較強(qiáng),保護(hù)動(dòng)作可靠性和靈敏性較高.
圖7 電流差動(dòng)保護(hù)耐受過(guò)渡電阻能力驗(yàn)證
柔性直流配電網(wǎng)直流故障阻尼小、 故障發(fā)展速度快、 危害嚴(yán)重,需要實(shí)現(xiàn)故障快速識(shí)別與隔離. 而快速、 可靠且具有選擇性的保護(hù)方法是實(shí)現(xiàn)直流線路故障快速清除的前提.
1) 首先對(duì)傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)方法在柔性直流配電網(wǎng)中的適用性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)受線路分布電容電流影響較大,且由于柔性直流配電網(wǎng)多采用對(duì)稱單極接線方式,單極接地故障后故障電流較小,基于時(shí)域采樣值直接計(jì)算線路差電流的傳統(tǒng)電流差動(dòng)保護(hù)無(wú)法適用.
2) 考慮線路參數(shù)具有分布特性,中壓直流配電線路的分布電容影響不可忽略,基于貝瑞隆模型分析了故障后線路兩端差電流特征,進(jìn)一步地,提出具有分布電容電流補(bǔ)償?shù)碾娏鞑顒?dòng)快速保護(hù)方案.
3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真,驗(yàn)證了所提出的保護(hù)方案能有效適用于對(duì)稱單極柔性直流配電網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)故障快速、 可靠有選擇性的辨識(shí)與保護(hù).