李 珍，程 浩，馬海潮，常懂懂，馬順青，馬曉濤

（國(guó)網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司，青海 海東 810600）

直流配電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)作為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，目前的發(fā)展尚未完善[1-3]。作為主保護(hù)的電流微分保護(hù)，在選擇性和可靠性方面均表現(xiàn)良好[4]，但微分算法本身，放大了高頻含量[5]，當(dāng)配電線路中干擾較多時(shí)，電流微分保護(hù)性能表現(xiàn)大打折扣[6]。

針對(duì)電流微分保護(hù)在柔性直流配電網(wǎng)中表現(xiàn)差的問(wèn)題，有不少學(xué)者做出研究。文獻(xiàn)[7]提取母線與線路故障類型的電氣量判斷依據(jù)，提出基于多層多點(diǎn)信息的直流配電系統(tǒng)保護(hù)方案，利用單端電流最大微分量區(qū)分本側(cè)母線、本側(cè)饋線、相鄰母線和相鄰饋線等故障類型，實(shí)現(xiàn)多端直流配電系統(tǒng)的故障定位，滿足直流配網(wǎng)的可靠性要求，但其保護(hù)邏輯復(fù)雜、易受干擾的問(wèn)題仍未解決；文獻(xiàn)[8]提出了一種以負(fù)荷分支公共接入點(diǎn)為分界對(duì)直流線路進(jìn)行區(qū)域劃分，利用電流微分作為故障暫態(tài)特征量，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位與隔離，在速動(dòng)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但面對(duì)復(fù)雜的直流配電網(wǎng)絡(luò)，總體性能也會(huì)受到影響。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種以電流微分的模值為制動(dòng)量的制動(dòng)措施，改變了傳統(tǒng)以某一定值為閾值的整定方式，以2個(gè)變量的大小關(guān)系進(jìn)行故障判別，僅須要將動(dòng)作量與制動(dòng)量進(jìn)行對(duì)比，邏輯簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便。制動(dòng)量的應(yīng)用極大地降低了整定值，大部分干擾量在判別計(jì)算中被減掉，增加了保護(hù)的抗干擾能力，使得保護(hù)總體性能提高，制動(dòng)量也拉大了區(qū)內(nèi)、外故障的差距，故障的判別更為簡(jiǎn)便。

1 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所研究的柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，以整流器為界限劃分，該直流配電網(wǎng)模型包括整流側(cè)交流區(qū)、逆變側(cè)交流區(qū)和直流配電區(qū)[9]。其中，整流側(cè)交流區(qū)的主要設(shè)備包括：整流側(cè)交流電源、換流變壓器、整流器MMC1（modulator multilevel converter）[10]。逆變側(cè)交流區(qū)的主要設(shè)備包括：逆變側(cè)交流電源、換流變壓器，逆變器MMC2[11]。直流配電區(qū)主要設(shè)備包括：換流器、直流變壓器、光伏發(fā)電廠[12-13]、風(fēng)力發(fā)電廠、儲(chǔ)能電站、交直流負(fù)荷及交直流微網(wǎng)[14]。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中：SYS1和SYS2分別為整流、逆變兩側(cè)交流電源；T1、T2分別為整流、逆變兩側(cè)換流變壓器；B5、B6分別為整流、逆變兩側(cè)的交流母線；B1、B2、B3、B4分別為直流配電系統(tǒng)中的4條直流母線；L1、L2、L3分別為直流配電線路；UVSC（unidirectional voltage source converter）為單向電壓源換流器，與母線B1相連，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電后，供交流負(fù)荷使用；UDCSST（unidirectional DCSST）[15]為單向直流固態(tài)變壓器，與母線B2相連，將±10kV的直流電降至 ±400V ，為直流微網(wǎng)提供電能，同時(shí)將光伏發(fā)電廠并網(wǎng)；VSC（voltage source converter）為電壓源換流器[16]，與母線B3相連，將風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)，且將 ±10kV 的直流電變換為±10kV的交流電后，連接交流微網(wǎng)；DCSST（DC solid state transformer，DCSST）為直流固態(tài)變壓器，連接儲(chǔ)能裝置與直流微網(wǎng)，將電壓降至 ±400V 。

直流電沒(méi)有趨膚效應(yīng)的同時(shí)，也沒(méi)有電容、電感效應(yīng)，故將直流負(fù)荷等效為一個(gè)純電阻元件[17]；交流電既有電阻效應(yīng)，又有電容、電感效應(yīng)，故將交流負(fù)荷和交流微網(wǎng)等效為一個(gè)電阻和電感的串聯(lián)元件[18]。

2 故障特性分析

2.1 n側(cè)母線區(qū)外故障特性分析

當(dāng)線路n側(cè)母線區(qū)外發(fā)生接地故障時(shí)，系統(tǒng)的故障分量網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 n母線側(cè)區(qū)外故障的故障分量網(wǎng)絡(luò)

圖2中：Rm、Lm為m側(cè)母線區(qū)外系統(tǒng)等效電阻、電抗；Rn、Ln為n系統(tǒng)等效電阻、電抗；?iφ(t)為m側(cè)保護(hù)安裝處的電流故障分量；?uφ(t)為m側(cè)保護(hù)安裝處的電壓故障分量；φ為正極或負(fù)極線路，正極用p、負(fù)極用q表示；r為線路的分布電阻、l為線路的分布電抗，則線路的等效電阻、電抗為分別為故障點(diǎn)到母線m的等效電阻和電抗；

對(duì)m側(cè)系統(tǒng)阻抗、線路等效阻抗、故障點(diǎn)到母線m的等效阻抗、故障電壓源構(gòu)成的回路為列寫(xiě)KVL可得：

再對(duì)式（1）進(jìn)行合并同類項(xiàng)、移項(xiàng)等，整理可得電流故障分量與故障電壓、阻抗的關(guān)系為：

一般直流配電系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗遠(yuǎn)大于線路的分布阻抗，在系統(tǒng)阻抗上的分壓也遠(yuǎn)大于線路分布阻抗上的分壓，在進(jìn)行電流微分量方向信息判別時(shí)，可忽略掉線路分布阻抗和故障點(diǎn)到母線n的等效阻抗上的分壓。忽略掉電流的微分量可表示為：

由式（3）可知：uf(t)、Rm、 ?iφ(t) 、Lm均為正值，則電流微分量的方向與電流故障分量的方向一致。再結(jié)合圖2可知：當(dāng)發(fā)生n側(cè)母線區(qū)外故障時(shí)，電流微分量的方向?yàn)檎?/p>

2.2 m側(cè)母線區(qū)外故障特性分析

同樣，系統(tǒng)發(fā)生m側(cè)母線區(qū)外故障時(shí)，故障分量網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 m側(cè)母線區(qū)外故障的故障分量網(wǎng)絡(luò)

對(duì)故障電壓源、故障點(diǎn)到母線n等效阻抗、線路分布阻抗、母線n側(cè)系統(tǒng)等效阻抗所在回路列寫(xiě)KVL可得：

將式（4）合并同類項(xiàng)，整理可得電流的微分量為：

與n側(cè)母線區(qū)外故障分析原理相同，忽略線路等效電阻、電抗，可得：

從式（6）可以看出：當(dāng)發(fā)生m側(cè)母線區(qū)外故障時(shí)，電流微分量的方向與電流故障分量的方向相反，為負(fù)值。與n側(cè)母線區(qū)外故障相比，存在明顯的差異，則利用此差距可區(qū)分m側(cè)區(qū)外故障與n側(cè)區(qū)外故障。

2.3 區(qū)內(nèi)故障特性分析

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，故障分量網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 區(qū)內(nèi)故障的故障分量網(wǎng)絡(luò)

圖4中：d表示故障點(diǎn)到母線m的距離，則故障點(diǎn)到母線m的等效阻抗為rd，到母線m的等效阻抗為r(D-d)。

對(duì)m側(cè)系統(tǒng)阻抗、故障點(diǎn)到母線m的系統(tǒng)阻抗、故障電壓源所在回路列寫(xiě) KVL 可得：

理上式可得：

再忽略掉分布阻抗：

從式（9）中可以看出，決定電流微分量的除電流故障分量外，還有3個(gè)量，分別為：uf(t) 、Rm、Lm，其中，分母部分為正值，分子部分的方向由uf(t)和的大小關(guān)系決定。在區(qū)內(nèi)故障的故障分量網(wǎng)絡(luò)中，僅有一個(gè)電源，Rmiφ(t) 為uf(t) 在m側(cè)系統(tǒng)電阻上的分壓，必定小于uf(t) ，則式（9）中的分子部分也為正值，電流微分量的方向與電流故障分量的方向相同。

根據(jù)上述分析，n側(cè)區(qū)外故障、m側(cè)區(qū)外故障、保護(hù)區(qū)內(nèi)故障在電流微分量方向上，表現(xiàn)出明顯的差異，如表1所示。

表1 不同故障位置電流微分量的差異

根據(jù)表1可知： diφ(t)/dt的方向隨故障位置變化，其模值不會(huì)變化。以 |diφ(t)/dt| 為制動(dòng)量，則保護(hù)判據(jù)的表達(dá)式為：

將電流微分量與電流微分量的模值進(jìn)行相加，發(fā)生m側(cè)區(qū)外故障時(shí)，判別式的值接近于零，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障和n側(cè)區(qū)外故障時(shí)，判別式的值接近于兩倍的電流微分值。加入制動(dòng)量后，拉大了m側(cè)區(qū)外故障與n側(cè)區(qū)外、區(qū)內(nèi)故障的差異，使電流微分量的方向信息轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)更具差距的數(shù)值信息，增加了保護(hù)的可靠性。

根據(jù)上述電流微分量與電流微分量模值特性的分析，故障分量的使用，可以區(qū)分正常運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)，電流微分量的方向信息可以區(qū)分m側(cè)區(qū)外故障與區(qū)內(nèi)故障，制動(dòng)量的使用增大了其故障差距。但依然無(wú)法區(qū)分區(qū)內(nèi)故障，與n側(cè)區(qū)外故障，則須要上下級(jí)線路保護(hù)的配合。

3 保護(hù)方案

3.1 保護(hù)分區(qū)

在直流配電網(wǎng)中，可分為整流器交流側(cè)保護(hù)區(qū)、直流配電線路保護(hù)區(qū)、負(fù)荷保護(hù)區(qū)、換流器保護(hù)區(qū)和逆變器交流側(cè)保護(hù)區(qū)，如圖5所示。本文主要研究對(duì)直流配電線路的保護(hù)，即線路L1、L2、L3。

圖5 直流配電網(wǎng)的保護(hù)分區(qū)圖

圖5中的箭頭代表潮流的方向，從整流側(cè)流入配電系統(tǒng)、從逆變側(cè)流出，通過(guò)中間配電線路，供負(fù)荷使用。根據(jù)潮流的方向定義線路的上下級(jí)關(guān)系：在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，潮流始終從上級(jí)線路流向下級(jí)線路，即L2、L3為L(zhǎng)1的下級(jí)線路，L3為L(zhǎng)2的下級(jí)線路。

3.2 保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)

任何系統(tǒng)都無(wú)法避免的存在干擾，電力系統(tǒng)最常見(jiàn)的干擾包括，高斯白噪聲干擾、雷電波干擾、操作過(guò)電壓干擾。為避免保護(hù)裝置的頻繁啟動(dòng)，一般設(shè)有保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)?？紤]到系統(tǒng)內(nèi)存與保護(hù)計(jì)算時(shí)間的限制，選用該保護(hù)的中間量電流微分值作為啟動(dòng)判據(jù)：

式中： |dΔiφ(t)/dt|set為啟動(dòng)判據(jù)整定值。

3.3 保護(hù)配置

定義電流微分量為動(dòng)作量，電流微分量的模值為制動(dòng)量，可表示為：

式中：Iopφ為保護(hù)的動(dòng)作量；Iresφ為保護(hù)的制動(dòng)量。則保護(hù)的判據(jù)為動(dòng)作量大于制動(dòng)量：

該保護(hù)選擇性的實(shí)現(xiàn)，須要上下級(jí)線路之間的配合，以線路L1為例，若檢測(cè)到動(dòng)作量大于制動(dòng)量，則可確定故障位置在區(qū)內(nèi)或m側(cè)區(qū)外，若L1的下級(jí)線路L2檢測(cè)到動(dòng)作量小于制動(dòng)量，則認(rèn)為故障發(fā)生在線路L1區(qū)內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作，反之，則須要將線路L3的信息反饋至L2，才能判別故障是否發(fā)生在L2區(qū)內(nèi)。

3.4 保護(hù)邏輯流程圖

線路L1的保護(hù)須要本線路互感器信息的同時(shí)，還須要L2的信息，同樣，可根據(jù)線路L2和線路L3的信息甄別L2區(qū)內(nèi)故障與L3區(qū)內(nèi)故障，從單個(gè)線路的角度出發(fā)，具體故障判別流程如圖6所示。

圖6 保護(hù)邏輯流程圖

4 仿真驗(yàn)證

在PSCAD軟件里搭建柔性直流配電網(wǎng)模型，進(jìn)行故障仿真，再將PSCAD的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，進(jìn)行保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)。

4.1 啟動(dòng)判據(jù)仿真

發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)靈敏、迅速啟動(dòng)，當(dāng)線路L1發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)仿真結(jié)果

圖7中實(shí)線表示電流微分量，即動(dòng)作量，虛線表示整定值。可以看出故障后，電流的微分量急劇增大，在0.4 ms時(shí)刻大于啟動(dòng)判據(jù)整定值，保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)靈敏啟動(dòng)，符合對(duì)保護(hù)判據(jù)的要求。

4.2 區(qū)內(nèi)故障仿真

圖8中實(shí)線表示動(dòng)作量，虛線表示制動(dòng)量，下文皆如此。

圖8 區(qū)內(nèi)故障仿真結(jié)果

對(duì)于線路L1的保護(hù)安裝處測(cè)量量，從圖8(a)可以看出，動(dòng)作量大于制動(dòng)量，保護(hù)認(rèn)為是本線路區(qū)內(nèi)故障或下級(jí)線路區(qū)內(nèi)故障。從圖8(b)可以看出，線路L2的保護(hù)安裝處測(cè)量量計(jì)算結(jié)果，制動(dòng)量大于動(dòng)作量，線路L2保護(hù)不動(dòng)作，當(dāng)線路L1接收到線路L2的判別信息后，認(rèn)為是本線路區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作。

4.3 區(qū)外故障仿真

4.3.1n側(cè)區(qū)外故障仿真

n側(cè)區(qū)外發(fā)生故障后，保護(hù)特性如圖9所示?？梢钥闯觯?jì)算結(jié)果為制動(dòng)量大于動(dòng)作量，保護(hù)不動(dòng)作。

圖9 n側(cè)區(qū)外故障時(shí)的仿真結(jié)果

4.3.2m側(cè)區(qū)外故障仿真

m側(cè)區(qū)外發(fā)生故障后，保護(hù)特性如圖10所示。制動(dòng)量大于動(dòng)作量，保護(hù)不動(dòng)作。

圖10 m側(cè)區(qū)外故障時(shí)的仿真結(jié)果

綜上所述，該保護(hù)可以有效地區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)可以靈敏快速地發(fā)出跳閘信號(hào)，發(fā)生區(qū)外故障后，通過(guò)上下級(jí)線路的保護(hù)配合，也能有效地防止保護(hù)的誤動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電流微分保護(hù)缺少有效制動(dòng)措施的問(wèn)題，提出一種帶有制動(dòng)能力的電流微分保護(hù)，以電流微分量的模值作為制動(dòng)量，再通過(guò)上下級(jí)線路的配合，實(shí)現(xiàn)故障的甄別。

以電流微分量的模值制動(dòng)，有效地拉大了區(qū)內(nèi)外故障的區(qū)別，更有利于故障的甄別。

通過(guò)上下級(jí)線路的配合，使保護(hù)具有更高的可靠性。

啟動(dòng)判據(jù)利用主保護(hù)計(jì)算過(guò)程中的中間量，節(jié)省了計(jì)算內(nèi)存和保護(hù)計(jì)算時(shí)間，提高了保護(hù)的速動(dòng)性。

制動(dòng)量的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的以某一數(shù)值為閾值的整定方式，使保護(hù)擁有更高的靈敏性，更有利于發(fā)現(xiàn)高阻接地故障，也增強(qiáng)了保護(hù)的抗干擾能力。