考慮瞬時功率特性的直流配電網線路故障定位及保護

陳新崗，朱瑩月，馬志鵬，時 晶，譚 悅，鄒越越

(1.重慶理工大學， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心， 重慶 400054；3.國網浙江省電力有限公司紹興供電公司, 浙江 紹興 312000)

近年來，隨著分布式電源以及可再生能源大量接入配電網系統[1]中，傳統交流配電網[2]傳輸功率小、環流環節多、損耗大等問題日漸突出。于是，能提高利用效率和提升電能質量的直流配電網成為了城市智能配電[3-4]的研究熱點。

目前，在直流配電網發生故障時，其故障電流上升速率非常快，能在數毫秒內達到峰值，且不受故障類型影響。因此，快速、準確地切除故障成為直流配電網保護的關鍵技術[5-6]。

常用的直流配電網線路保護有低壓過流保護[7]、縱聯保護[8-10]、直流過電壓保護[11-12]、直流電壓不平衡保護、直流斷線保護[13]、直流低電壓保護等[14]，這些保護方式大多借鑒主網線路的保護思路。文獻[15]將檢測到的相鄰線路出口處電流的大小和方向特性作為主保護判據，將不平衡電流出現作為后備保護判據，并設置了一級遠后備保護和二級遠后備保護，提高了保護的選擇性。文獻[16]利用換流站出口處裝設的電抗器作為邊界條件，檢測直流電抗器上的電流高頻暫態量來判別區內、外故障，并加入方向元件來排除反向故障。文獻[17]利用改進的電壓梯度算法檢測電壓變化作為特征量，并將其作為保護啟動判據，將檢測限流電抗器上的電壓變化率作為特征量，由此來判定故障類型，并將電壓變化量作為特征量來進行故障極判別。文獻[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的速動性，但未提出具體保護流程。文獻[19]提出了一種先閉鎖換流器、再斷開對應直流斷路器的保護控制方法，但該方法會擴大保護范圍。

以基于電壓源型(voltage source converter，VSC)換流器的中壓直流配電網為研究對象，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，并利用保護安裝處檢測的瞬時功率構造保護判據，提出了一種基于瞬時功率特性的柔性直流配電網故障定位和保護方法。最后，通過PSCAD仿真驗證了所提方法的有效性。所提故障定位及保護方法原理簡單，極大降低了系統對通信的要求。

1 直流系統配置

以基于VSC的雙端柔性直流配電網為研究對象，其拓撲結構如圖1所示。其中，變壓器的交流側電壓為110 kV，直流側電壓為10 kV。T1與T2為交流系統相連接的VSC1換流站和VSC2換流站，T3和T4分別連接直流負荷和交流負荷，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)。將與負荷相連接的端點設置為點A、B、C、D，并利用4個端點將直流配電網線路分為3條線路，即Line1、Line2和Line3。

針對圖1的雙端柔性直流配電網系統，采用定有功功率控制和定直流電壓控制。T1端口為系統功率結點，采用定有功功率控制；T2端口為系統的平衡結點，采用定直流電壓控制；其余換流器采用負荷側定電壓控制以維持負荷穩定。變壓器閥側經大電阻接地，可以降低單極接地故障后交流側饋入故障電流,保護裝置安裝在線路端口處。

圖1 雙端柔性直流配電網拓撲結構示意圖

2 直流配電網故障分析

2.1 單極接地故障

當系統發生單極接地故障時，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個階段：

1) 電容放電階段：當線路發生正極線路單極接地故障時，極間電壓存在1個暫態下降，但隨著故障電流值逐漸減小，此時極間電壓開始慢慢上升，由此，系統進入下一階段。

2) 穩定階段：在此階段，接地故障被清除后，極間電壓逐漸恢復到正常水平。

2.2 雙極短路故障

當系統發生雙極短路故障時，故障等效電路如圖3所示。

將雙極短路故障暫態過程分為3個階段[20]：

1) 電容放電階段：剛開始發生雙極短路故障時，換流器的并聯電容通過線路對故障點進行放電；由于線路內阻很小，電容放電電流會在數毫秒內遠超出額定電流，此時電容電壓迅速下降，由于電容放電回路的固有響應一般為欠阻尼響應，因此當電容電流震蕩過零時，故障進入下一階段。

2) 二極管導通階段：當電容電壓過零后，交流側可視為三相短路，此時交流側饋入三相短路電流，與電感續流回路構成故障電流；當二極管中的電流過零后，VSC換流器中的二極管同時導通，直流側形成1個放電回路，由此進入下一階段。

3) 穩定階段：故障電壓和故障電流逐漸減小，系統最后重新穩定。

圖3 雙極短路故障等效電路圖

3 基于瞬時功率特性的保護原理

3.1 保護原理

由圖1的雙端柔性直流配電網拓撲圖所示，保護裝置安裝在每條線路端口處，即圖1中點A、B、C、D，每個保護系統由互感器、保護裝置和直流斷路器構成。將直流線路的拓撲結構簡化為如圖4(a)所示的示意圖，其中F1為線路發生區外故障，F2為線路發生區內故障。

圖4 直流線路故障示意圖和簡化等效模型示意圖

將直流線路換流器出口處設為X端與Y端，即X端等效為圖1中點A，Y端等效為圖1中點D。其中，un為n端電壓同步采集值；in為流經n端的電流同步采集值；n點代表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為線路并聯電容；iC為等效電容充電電流；由此，端點n的瞬時功率為：

ΔPn=Δun(t)Δin(t)

(1)

相鄰兩點間的瞬時功率差值為：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1

(2)

當系統處于穩定狀態時，瞬時功率ΔP=0，當系統發生故障時，瞬時功率ΔP≠0，由此將瞬時功率ΔP作為進行直流線路區內、外故障判定的重要依據。

3.1.1區外故障

當系統發生如圖4所示的F1區外故障時，其等效電路圖如圖5所示，故障點可看作是連接1個電壓源uF。

圖5 區外故障等效電路圖

圖5中，uF為故障點電壓；當線路正常運行時，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。當發生故障時，兩端電壓值會急劇下降，此時會產生故障疊加電流iF，流經X端和Y端的電流值變為iX′、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，當發生區外故障時：ΔuX<0,ΔuY<0,且|ΔuX|<|ΔuY|。

故障后直流線路兩端放電電流為：

(8)

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

由式(7)和(8)可得，當線路發生區外故障時，線路的瞬時功率ΔP>0。

3.1.2區內故障

當系統發生如圖4所示的F2區外故障時，其等效電路如圖6所示，故障點可看作是連接一個電壓源uF。

圖6 區內故障等效電路圖

同理，當線路發生區內故障時，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，當線路發生區外故障時，線路的瞬時功率ΔP<0。

3.2 故障識別判據

通過上述對保護原理的分析，利用瞬時功率在區內外故障時的不同特性，構造故障識別判據：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1<ΔPset

(9)

由式(9)可知，當瞬時功率值小于整定值時，判定為區內故障；當瞬時功率值大于整定值時，判定為區外故障。由于電壓波動與電流波動對系統的影響較小，將瞬時功率整定值ΔPset設置為0。

3.3 故障區段定位判定

如圖1的拓撲結構所示，在判斷故障為區內故障后，需進一步檢測線路的故障區段。利用上述的瞬時功率特性可知，故障發生在區內時瞬時功率小于整定值，當檢測區段中出現第一個瞬時功率小于整定值時，該區段即為故障區段。即同步檢測相鄰2個區段的瞬時功率，故障區段整定判據為：

(10)

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

3.4 保護流程及實現

基于瞬時功率的故障定位及保護方法是由保護啟動和故障判別兩部分組成，具體流程如圖7所示。

圖7 保護流程框圖

1) 首先利用直流線路電流變化率在系統正常運行時幾乎為零的特性，將電流變化率作為保護啟動判據。當檢測到發生故障后，啟動判據動作，并發送啟動命令給故障識別判據。

2) 保護起動后，同步采集直流線路連接換流器兩端的電流及電壓值，并計算出對應兩端的瞬時功率差值。根據“區外故障時瞬時功率大于整定值，區內故障時瞬時功率小于整定值”的特性，首先判斷系統發生區內故障或區外故障。為增加保護動作可靠性，故障判別時連續滿足判據3次才能最終判定故障發生。

3) 當在2)中判定為區內故障后，對直流線路進行故障區段判定，此時，同步采集每段直流線路兩端點的電流值和電壓值，并計算出對應區段的瞬時功率值；對比相鄰線路的瞬時功率值，若檢測區段出現第一個瞬時功率小于整定值時，判定瞬時功率小于整定值的區段為故障區段。為保證保護方案的可靠性，只有當故障區段判定連續滿足3次判據時，才能確定故障區段。

4) 當在3)中檢測出對應故障區段后，跳開對應保護裝置的斷路器，對故障進行快速隔離。若在2)中檢測為區外故障，則保護復位，為下一次保護動作做準備。

4 仿真驗證

為了驗證基于瞬時功率的故障定位及保護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仿真模型，其中故障發生在第1 s，故障持續時間為0.05 s。

4.1 保護動作行為分析

1) 區外故障。當發生如圖4所示的F1故障時，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。依據式(7)和(8)可得，故障初期的瞬時功率大于整定值，如圖8(c)所示，符合判據要求。

2) 區內故障。當系統發生如圖4所示的F2故障時，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；依據式(7)、(8)可知在故障初期的瞬時功率小于整定值，如圖9(c)所示，符合判據要求。

同樣，當系統發生雙極短路故障時，同步采集到換流器出口處的電壓值與電流值如圖10所示。電壓與電流增量結果同單極接地故障，計算得到的瞬時功率小于整定值，符合判據要求。

圖9 雙端直流配電網單極接地故障仿真結果和計算結果曲線

圖10 雙端直流配電網雙極短路故障仿真結果和計算結果曲線

4.2 故障區段判定

上述保護方案除了可以區分區內、外故障，還可以對區內故障進行故障區段的判定。文中將分別在Line3上進行單極接地故障與雙極短路故障的仿真來驗證上述故障區段判據的可靠性和有效性。

當單極接地故障發生在Line3上時，可分別對Line1、Line2和Line3進行分區段瞬時功率計算，計算結果如圖11所示。

圖11 各區段單極接地故障瞬時功率計算結果曲線

由圖11所示可得，當Line3發生單極接地故障時，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line1與Line2的ΔP滿足故障區段判據，因此可判定故障發生在Line3，故障區段判定結果如表1所示。

表1 Line3單極接地故障區段瞬時功率(ΔP)值

當雙極短路故障發生在Line3上時，分別對Line1、Line2和Line3進行分區段瞬時功率計算，計算結果如圖12所示。

圖12 各區段雙極短路故障瞬時功率計算結果曲線

同上述系統發生單極接地故障時，當Line3發生雙極短路故障時，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line2與Line1的ΔP滿足故障區段判據，因此可判定故障發生在Line3，故障區段判定結果同表1所示。

4.3 保護算法性能及對比分析

接地故障電流受過渡電阻影響較大，同時考慮到文中模型電壓等級，因此通過設置不同過渡電阻值[21]，研究故障定位及保護方法在低過渡電阻故障下的可靠性。Line1、Line2和Line3上的瞬時功率計算結果如圖13所示。

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

圖13 各區段不同過渡電阻下瞬時功率值

表2為當單極接地故障發生在Line3時不同過渡電阻下故障區段的判定結果。為保證同步采集及計算結果的可靠性，采用第3次有效采樣值。

表2 Line3故障時不同過渡電阻下瞬時功率值

由表2可得，隨著過渡電阻逐漸增大，所提出故障定位及保護方法仍可以檢測出故障區段，保護可靠且動作有效，驗證了上述保護方法在低阻接地故障時仍具有有效性，且對過渡電阻具有一定的耐受能力。

5 結論

針對雙端柔性直流配電系統，利用不同故障類型和不同故障位置所對應的瞬時功率特性不同，提出了一種基于瞬時功率特性的柔性直流配電網線路故障定位及保護方法；在PSCAD上進行大量仿真，進行區內、外故障及故障區段判定,保證了保護可靠性。仿真驗證了所提出的保護方法能準確有效地實現故障判別，且抗過渡電阻能力較強。 該方法只需比較相鄰區段保護安裝處的瞬時功率值，原理簡單，能大大降低對系統通信的要求，可為柔性直流配電網的安全運行提供有力保障。