柔性直流配網繼電保護關鍵技術評述

韓笑，劉建婷，張益偉，梅雨菲，張森

(南京工程學院 江蘇省主動配網重點建設實驗室，南京 211100)

0 引 言

柔性直流配網(Flexible Distribution Network，FDN)在消納分布式能源、提高能源利用效率和提升電能質量方面展現出交流配電所不具備的優勢已成為學者的研究熱點[1-5]。我國成功建成多個智能配電網示范工程，去年8月國網杭州市供電公司負責的首個智能直流配網在杭州江東新城通過運行考驗，同年9月南網貴州電力科學研究院的五端直流配電示范工程已建成。由于直流配網存在工況和拓撲結構復雜多變、交直流互聯、開環、閉環共存等現象，使得故障的隨機特性、非線性特性增強、耦合因素增多，使得故障形式和保護配置相對復雜，使得保護的選擇性難以保證。目前，直流配網中的故障主要分為交流系統側、換流變壓器、換流器、直流系統側故障。與傳統交流配網相比，直流配網需特別關注換流變壓器、換流器、直流系統側的故障[6]。換流變壓器同常規電力變壓器類似有本體保護，也配置各種主保護和后備保護。主要配置換流變壓器及引線差動保護(簡稱大差保護)，換流變壓器差動保護(簡稱小差保護)、繞組差動保護等。換流器在直流工程中起著整流、逆變的樞紐作用，是最為關鍵的元件之一。換流器區的故障類型主要包括：逆變器的換相失敗故障、主接線回路短路、換流閥本體及其控制系統故障以及過電壓、過電流等故障。根據保護原理的不同主要分為差動保護組、諧波保護組、觸發保護組、電壓、電流保護組和換流閥本體保護組等。由于柔性直流配網分支眾多、線路短，據數據顯示，線路故障約占整個直流系統故障總數的50%，是最主要的故障類型。常見的故障有雙極短路故障、單極接地故障和斷線故障。其中雙極短路故障對系統危害最嚴重[7-10]。

傳統保護原理的研究已接近極限，隨著配網架構的日益復雜，對保護控制功能要求高，使得保護整定配合困難。應用配電物聯網、移動通信技術、新一代人工智能等主流技術，給直流配網繼電保護技術帶來了挑戰，文章將從配網故障與保護配置現狀、故障電氣量特征與保護原理、繼電保護技術的發展趨勢這三個層次介紹柔性直流配網繼電保護技術的發展情況。

1 配網故障與保護配置現狀

1.1 直流配網保護分區及主要故障

圖1表示直流配網中常見的保護分區。

圖1 柔性直流配網保護分區

其中，直流線路區、換流器區、換流變壓器是柔性直流配網中的故障頻發地。其對應的繼電保護技術也是國內外專家的研究熱點。文獻[11]結合直流配電示范工程，研究了直流配網中的保護配置和線路故障定位方法，給出保護區域的劃分方法，結合模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)及網絡的故障特性，提出各保護分區的配置方案，并介紹了線路常見故障的保護配置和故障定位方法。在簡單的直流配電系統中，單極接地故障是直流系統最常見的故障，多由絕緣老化、樹枝接觸或雷電造成的，不會引起持續性的過流，由于其故障傳播速度快、影響范圍廣，已成為直流配電保護技術發展的瓶頸。換流器在直流工程中起著整流、逆變的樞紐作用，是最為重要的元件之一。閥橋復雜的接線方式和換相特性，使其故障形式和故障機理較復雜的多。換流器的保護原則是區內故障保護動作，區外故障保護不動作。區內故障指的是換流器本體和主接線回路的故障，換流器主接線回路短路故障指各個接線端間短路、載流元件、接線端對地短路，如圖2中的直流側對地短路f1、直流側出口短路f2、閥短路故障f3、交流側相間短路f4及單相接地短路f5。換流變壓器是直流工程中的核心部件，連接于交流母線與換流器之間，與常規電力變壓器相比，換流變壓器的特殊點在于其短路阻抗大、直流偏磁嚴重、諧波含量高、有載調壓分接頭動作頻繁[12-16]。

圖2 換流器主接線回路故障點

1.2 保護配置現狀

對線路雙極故障常配置低壓過流保護、電流差動保護，對線路單極接地故障常配置直流電壓不平衡保護。為防止短路造成的閥過應力，就目前保護配置現狀而言，主要配置閥組短路保護，可檢測各個閥的短路、接地故障及換流變閥的相間短路故障。換相失敗保護可有效檢測交流電網擾動、其他異常換相條件造成的換相失敗。諧波保護組首先通過檢測線路中的諧波含量來實現故障的檢測和保護。可保護換流器交流側相間短路、相對地短路、閥短路。為防止電流過大，燒毀換流器，預防晶閘管的損壞，目前工程主要配置直流或交流過流保護。差動類保護通過換流變閥側電流、換流器直流側高壓端及中性端電流差值的不同區分不同的故障類型。已有文獻指出，一種保護類型可以保護不同類型的故障，針對某種故障的保護也可通過多種保護類型共同完成。在換流器區保護中，要根據實際情況選取部分保護協調配合，但需保證能夠保護換流器區的所有故障類型，且每一故障都配置后備保護。

換流變壓器保護配置和普通電力變壓器類似，主要采用國內某公司的直流保護技術。三繞組換流變壓器保護典型配置如圖3所示。文獻[17]的研究表明，采用S變換相位差及能量相對熵算法換流變零序差動保護新判據。該判據可準確識別區內與區外故障，不受故障類型和過渡電阻影響。文獻[18]討論故障位于不同電壓等級換流橋及不同時刻閥橋通斷情況的差異，解決了故障性涌流導致換流變區內故障時差動保護誤閉鎖問題，并提出一種新的防止差動保護誤閉鎖的解決方案。

圖3 繞組換流變壓器保護典型配置

2 故障電氣量特征與保護方案

2.1 故障電氣量特征

直流配網線路故障占據著整個直流系統故障總數的近一半，故國內外很多學者把研究重點放在線路故障的研究。單極接地故障發生后，故障極被鉗位至零電位，受換流器子模塊電容的支撐作用，健全極電壓升高升高到故障前2倍。當線路發生雙極短路時，故障電流迅速上升，通過故障點、直流線路、換流站上下橋臂形成回路。極易造成換流器閉鎖、線路過流等嚴重后果[19]。以MMC為拓撲結構的換流器故障后，其拓撲等效為如圖4、圖5所示的電容放電、交流注入兩階段。

圖4 電容放電階段

圖5 交流注入階段

此階段的等值電路可簡化為二階振蕩電路，該動態過程對應的微分方程可表示為：

(1)

式中L0和L1分別為橋臂、直流線路電感；C0為子模塊電容；Uc為等值電容兩端電壓；R1為直流線路電阻；Rf為故障點過渡電阻。考慮到電力電子裝置耐受沖擊電流能力差，文獻[20]采用端口的本地保護與系統中各變換器協調控制配合，通過改變換流器的調制頻率，將各端口換流器變為特征信號的注入源，利用特征信號進行計算與檢測，形成直流線路保護，該原理簡單可靠無需較高的采樣頻率。

為解決直流側故障電流上升快、過流幅值大導致難以隔離這一現象，文獻[21]從交流斷路器、換流器和直流斷路器為分類依據，總結各自適用的隔離措施及優缺點，通過搭建兩電平電壓源換流器(two-level Voltage Source Converter,two-level VSC)型和MMC的直流系統，對隔離方法進行仿真測試，為工程實際中隔離措施的配置提供理論依據。文獻[22]從故障快速隔離、提高供電可靠性的角度出發，設計基于直流斷路器和不基于直流斷路器的故障保護方案。所提方案無需通信，能可靠實現故障識別。與傳統的基于交流斷路器的方案相比，在速動性和供電可靠性上均有較大改善。文獻[23]為解決柔性直流輸配電中的直流故障隔離問題，給出一種改進的DTSS(Double Thyristor Switch Scheme,DTSS)方案，通過投入橋臂串聯電阻，彌補了DTSS在隔離速度、保護死區及交流側過流等方面的缺陷，提高了故障隔離的效率、范圍、速度。

作為交直流轉換的樞紐，換流器的故障特性較為復雜，常見的故障有：閥短路、誤開通、不開通及換相失敗等。閥短路是換流器閥絕緣損壞或被短接造成的故障，是換流器最為嚴重的故障。由交流側電動勢產生的二相短路、三相短路電流幅值如式(2)所示。

(2)

式中E為換相線電壓；Lr為換相電感；ω為角頻率。整流器閥短路的主要特征是交流側交替發生兩相短路和三相短路。換流變壓器是直流配電工程中的關鍵部件之一。可能出現的主要故障有：換流變壓器內部相間短路故障、內部繞組匝間層間短路故障、內部繞組接地故障等，其故障分析與普通變壓器故障分析類似。此外，勵磁涌流、和應涌流和直流偏磁也是國內外學者的研究熱點。勵磁涌流的出現會導致換流變不能正常投入、差動保護誤動作等后果，將引起換流變壓器的直流偏磁，造成變壓器過熱及噪聲的增大等嚴重后果。和應涌流影響著電流互感器的正常工作及變壓器后備保護的可靠運行。直流偏磁可增加變壓器的無功消耗，造成繼電保護的誤動。

2.2 直流線路保護

目前，直流線路發生故障，常用的直流保護有：低壓過流保護、方向過流保護、直流過電壓保護、直流電壓不平衡保護、直流斷線保護、直流低電壓保護等。鑒于直流電網現有線路保護存在的問題，專家學者積極開展研究，取得了較為豐碩的成果。文獻[24]以張北直流電網工程為背景，提出全網配置直流斷路器、采用架空線輸電的對稱雙極直流電網線路單端量快速保護方案，該方案速動性好，采用電壓梯度檢測故障，借助限流電抗器對故障電壓的平滑作用實現對故障區間的判別，具有較好的選擇性和可靠性。文獻[25]借助小波變換提取故障時刻高頻暫態電壓分量，根據區內外暫態能量差異識別故障，根據正負極電壓變化差異給出故障極判據，設計包括故障啟動、識別、選極、多次重合閘判據的線路保護方案。該方案無需借助通信、具有一定的耐過渡電阻和抗擾動能力。文獻[26]針對MMC、電壓源換流器共存的環狀直流配網線路，提出借助附加電感電壓的故障識別方法，先是給出模量網絡故障后線路附加電感電壓初始值的計算方法，再借助線路附加電感電壓初始值在區內、區外故障的差異進行故障的迅速識別，最后通過比較故障極和健全極電感電壓初始值的差異進行選極。文獻[27]提出適用于新型多端柔直配網的線路保護方法。借助線路邊界特性，通過小波變換提取區內、外故障的的暫態特征差異，并采用直流電抗器壓降判據保證保護的方向性。文獻[28]為解決現有縱聯電流差動保護存在的問題，提出一種采用電流突變量夾角余弦值的縱聯保護方法，借助線路兩端電流突變量計算夾角余弦值進行區內、區外故障判斷。該方法可靠性較高、不受分布電流的影響。由以上文獻可知，現有的直流配網保護分為單端量保護和雙端量保護。單端量保護雖然無需通信能實現迅速動作，但閾值整定較難。雙端量保護雖避免單端量保護閾值整定，但對通信要求較高，保護速動性難以保證。

在簡單的直流配網中，發生雙極短路故障時常配置低壓過流保護和差動保護。其中，低壓過流保護判據如式(3)所示。

(3)

式中Ud,p和Ud,n分別直流線路正、負極電壓；Id,p和Id,n分別為直流正、負極線路電流;Uset,s、Iset,s分別為動作電壓、電流門檻值；KU為低壓判據電壓系數；KI過流判據電流系數; Δtset,LVOC為低壓過流保護持續判斷時間;IN為換流器直流側額定電流。直流線路正負極分別安裝電流差動保護,用于有選擇性地識別直流線路區內外故障。保護判據為：

(4)

式中i1,i2分別為線路雙側電流瞬時值;K為制動系數,借鑒高壓直流的經驗,一般取0.5～0.8;Iop為最小動作門檻；Δtset,DIFF為電流差動保護持續判斷時間。相比于其他保護而言，差動保護具有絕對的選擇性，不易受故障嚴重程度、故障電阻及分布式電源的影響，但在直流配網中應用差動保護還存在一些挑戰：如在規定時間內檢測并隔離故障、電流變化率高的情況下的時間同步等問題。對于多分支、多節點的直流配網，線路保護配置有待于進一步研究。單極接地故障可能危害交直流系統的對地絕緣 ,依據電壓偏移的故障特征,針對單極接地故障常配置直流電壓不平衡保護。

文獻[29]提出基于線路邊界元件的新型快速方向縱聯故障識別判據和故障選極判據，該保護方案可耐受過渡電阻，不受線路分布電容影響。文獻[30]的研究表明，基于自適應白噪聲的完備集成經驗模態分解法能量熵對單極故障區域的檢測是有效的。文獻[31]采用行波保護、電壓、電流突變量保護相結合的方式實現短路故障的快速定位，通過雙端線路故障檢測結果實現保護動作快速出口。文獻[32]在文獻[31]的基礎上，把電流波形曲率作為曲率，提出適用于多端直流配網的暫態量線路保護。在借鑒傳統的高壓、柔性直流輸電現有線路保護的基礎上，研究兼具速動性和可靠性的線路保護是國內外專家的研究熱點。對于線路保護，極間故障電阻小，對系統危害最為嚴重；單極接地的故障電阻受接地方式的影響，保護系統的設計需考慮接地方式的影響。文獻[33]表明，基于行波的故障檢測研究多用于雙端和多端直流輸電系統，行波保護在配網中的適用性還受到采樣頻率和設備投資等因素限制。

由于直流配網中電源眾多、含有大量主電源、風電、光伏，系統各級阻抗無明顯差異，同時系統運行方式復雜，這使得電流定值及延時整定配合困難。目前，行業的解決方案為主要為：分布式保護和集中式保護，分散布置的裝置通過GOOSE通信，進行系統故障的識別及定位，集中布置的裝置直接接入多間隔的模擬量，進行系統故障識別與定位。通過這兩種工作模式的互相協作，進行系統故障識別及定位。

2.3 換流器區保護

針對換流器區的故障中的閥短路保護，就目前保護研究現狀而言，采用的判據如(5)所示。正常情況下，流過Y橋和D橋交流連接線上的電流IacY和IacD應相等。當發生6脈橋換相失敗、閥短路故障直流側出口高壓端、中性端對換流器中點短路等故障時，Y橋與D橋之間對稱特性的消失，二者不再相等。利用交流連線電流這一故障特征可構成橋差保護，采用的判據如(6)所示。

(5)

(6)

式中Iac=max(IacY,IacD)；Iset為啟動電流定值，每個時刻取IacY和IacD中的較大者，分別與IacY和IacD進行相減，兩個差值中只要有一個大于保護定值，橋差保護動作。為減少直流系統的停運次數，橋差保護在逆變側一般設置兩段定值。文獻[34]針對兩電平換流器(VSC-MMC)系統換流器區內常見的IGBT貫穿故障，提出利用閉鎖時刻的直流電壓及閉鎖后2個周期的三相交流電作為特征信號進行故障分類與定位的診斷，并確定區分故障類型的電壓、電流診斷閾值。文獻[35]的研究表明，基于小波奇異熵理論和相關向量機的診斷方法可快速、準確地對VSC-MTDC換流器進行診斷。該方法具有更高的診斷準確率和更短的診斷時間。文獻[36]的研究表明S變換可提取故障信號低頻段工頻分量，采用遺傳優化的二叉樹多分類支持向量機實現故障類型的精準分類，可縮短了計算時間。文獻[37]分析了換流閥閉鎖保護策略下的電容放電階段與閉鎖階段的等效電路，給出電容電壓和電流的解析式，為解決換流站閉鎖期間功率模塊模塊電容電壓漸漸發散導致的交流斷路器跳閘問題，提出一種FBMMC-HVDC的故障穿越控制保護策略。

2.4 換流變壓器保護

換流變壓器保護配置主要分為主保護和后備保護，主保護主要有比率差動、差動速斷、零序比率差動等，后備保護包括過流、零序過流、過電壓等。其中，比率制動式差動保護常采用兩折線和三折線兩種。可反映換流變壓器內部相間短路故障、高壓側單相接地故障短路及匝間短路等故障。兩折線動作方程如下：

(7)

式中Iop為啟動電流；Ires為制動電流；S為動作特性曲線中的斜率，一般取0.5，Iop.min為最小啟動電流，Ires.0為拐點電流，取(0.8～1.0)Ie。Ie為換流變壓器二次額定電流。引線差動保護是換流變壓器引線故障的主保護，保護范圍為引線電流互感器到網側電流互感器之間的區域，檢測換流變壓器引線的相間及接地故障。文獻[38]研究了故障性涌流的產生機理及其對差動保護的影響，根據故障時閥側電流直流分量發生極性反轉的特征，改進了換流變差動保護閉鎖邏輯判據防止差動保護閉鎖的解決方案。文獻[39]采用相空間重構技術，提出基于零序電流相空間分布重心幅值變化特征的零序過電流保護閉鎖新判據，該判據可應對換流變復雜涌流導致的零序過流保護誤動。文獻[40]結合南方電網頻繁出現勵磁涌流引起直流50 Hz保護動作事件，通過對比勵磁涌流、和應涌流及故障電流波形特征差異，可很好的解決空投涌流造成的直流50 Hz保護誤動。隨著柔性直流輸電技術的發展，配網換流變壓器的保護技術將更加完善，降低勵磁涌流、和應涌流、直流偏磁對保護可靠性的影響，有助于提升配網的安全性。

2.5 其它保護

除以上介紹的保護外，直流配網中，還存在著直流母線區保護、接地極線路區保護、交直流濾波器保護等保護。母線保護根據流過互感器的電流方向正負相反這一特征來區分區內、外故障，主要配置的保護有：高壓直流母線差動、中性直流母線差動和直流后備差動保護。接地極線路區的作用是給直流電流提供回路通道和參考電位。交直流濾波器主要作用是限制系統中的諧波電流，配置的主保護是主要差動保護。作用借鑒傳統的高壓直流輸電，為簡化配網的保護配置，相同故障電氣特征的不同故障類型可采用同一種保護類型，可簡化直流系統的保護配置。

直流故障保護問題是直流電網的關鍵技術之一，文獻[41]針對直流斷路器應用于直流電網時的故障差異難以區分這一難題，提出了直流斷路器附加電感的直流電網故障保護策略及電感值的選取方法。由附加電感電壓和MMC直流側電壓組合的直流斷路器動作判據，該判據參數由本地測量可得，具有不依賴異地信號實時通信的優點。所提的故障保護策略具有一定的“選擇性”，對不同結構的直流電網具有良好的適應性。

與傳統的交流配網相比，交流配網的保護技術已經成熟，柔性直流配網保護的研究停留在理論研究階段，缺乏相關的標準和運行經驗，遠未達到工程應用要求，缺乏系統的保護體系。此外，還需考慮直流配網的拓撲結構、控制方式和保護標準的制定，在借鑒國內外實際工程經驗，對直流配電系統的理論和工程應用做深入的完善與推廣。我國的直流輸電工程多采用三取二冗余配置，當一套保護故障時，剩下兩個通道自動變成二取一。柔性直流配電技術保護配置應在借鑒直流輸電技術的基礎上兼具速動性和經濟性，爭取實現工程化應用。

3 繼電保護技術發展趨勢

3.1 配電物聯網技術

作為泛在電力物聯網的重要組成部分，配電物聯網在直流配網中的主要應用有:故障預警、故障處理和用戶服務。故障預警可根據配網設備故障前出現的早期信號，對異常設備進行快速定位；可根據配網電壓等級的差異，采用不同的故障處理模式；通過對繼電保護設備電子標簽和二維碼的自動識別，可實現數據貫通。通過圖像智能識別及語音識別技術，可提高信息的交互能力，可實現保護設備的在線監測與歷史數據的融合。

模塊化多電平換流器作為柔性直流配電的關鍵設備，由于MMC中的子模塊數量眾多，造價昂貴，對橋臂電抗器、子模塊狀態的在線智能感知顯得尤為重要。文獻[42]利用輸電系統中已布置的傳感器，在不添加新的采集點條件下，針對傳感器采集橋臂數據存在的測量噪聲，引入卡爾曼濾波理論，在線性最小方差準則下，建立MMC子模塊IGBT狀態參數監測信息的數學模型，可得到各子模塊IGBT的狀態參數。橋臂電抗器承受多頻電應力，可利用高頻電磁波的折反射、軸向振動特性的分布及其多頻損耗信息進行匝間絕緣故障定位和電抗器絕緣狀態的感知。壓接型高壓IGBT可通過功率循環試驗提取劣化特征量，通過結溫與功率二者的迭代關系實時獲取IGBT的結溫，實現狀態的感知。具有自愈特性的金屬化膜型電容器，通過控制變量實時計算狀態特征參數，可實現狀態的感知。研究小型化、便于安裝且造價低廉的新型傳感器以及對傳統傳感器原理的改進也是主流的研究。對閥安裝新型傳感器，結合智能化終端技術可實現閥的設備全生命周期監測和管理，有利于直流配網的精準控制。

3.2 新一代人工智能技術

新一代的人工智能技術主要應用在配電線路的多目標監測與缺陷識別、線路故障特征的提取、氣象災害特征預警以及巡檢機器人等方面。文獻[43]介紹線路高阻接地故障時監測數據庫的構建方法，從信號采集、特征提取以及分類器選取這三方面研究了人工智能在高阻接地故障識別上的應用。

通過采用智能校核技術，可自動分類直流配網線路故障時的真實故障數據和擾動數據，提高數據的準確性。通過新一代人工智能技術的應用，分析多源信息，還原事故過程，開展事故鏈的推演，實現事故全過程的復現，輔助保護人員查找保護死區、重疊區、不靈敏區、實現保護邏輯的定向優化。對線路故障案例進行深度挖掘，建立故障電氣量信息庫，根據故障特征，無需監督，提取故障信息，和故障信息庫對比，識別故障類型，從而“對癥下藥”。結合傳統的故障診斷模型，開發出基于“數據驅動+模型驅動”的新型故障診斷模型是配網保護技術的研究熱點[44]。

3.3 一體化通信網絡技術

隨著5G技術的提出[45-46]，一體化的通信方式必然打破傳統的網絡邊界，研究新型的保護安全防護體系迫在眉睫。如圖6所示，目前，電力物聯網常見的通信方式主要有RS-232串口、以太網、載波通信、3G/4G/5G等。

圖6 電力物聯網的通信方式

作為一種新興通信方式的5G技術實現了配電物聯網內部信息的綜合，使得云技術實現從中央到邊緣的變革，但大量的數據暴露在用戶側，更容易被入侵甚至攻擊，引發的安全技術不容小覷。考慮多端直流配電系統中的故障特征和影響，建立合理的通信機制，實現兼具可靠性、經濟性的直流配網保護配置方案，縮小故障影響區域、提高配網可靠性，是直流配網繼電保護技術其邁向實用化的關鍵因素。在進行保護配置時，需優化不同區域保護之間的配合及保護定值，如直流母線、直流饋線、分布式電源等，以避免擴大停電范圍。

基于包交換的通信容易擴展、配置，也是保護控制通信發展的趨勢，但需要根據不同業務整體規劃。保護與控制配合研究，開發廣域信息保護系統、實現終端設備的即插即用、并與管理機進行交互；完成眾多信息的傳遞，已成為直流配網保護技術發展的一大趨勢。

4 結束語

文章主要對柔性直流配網繼電保護的關鍵技術進行全面的梳理和總結。首先論述了直流配網中故障形式與保護配置、故障電氣量特征與保護原理。最后探討了配電物聯網技術、新一代人工智能技術、移動通信技術等在繼電保護技術中的發展趨勢。隨著5G等技術的提出，解決好速動性和可靠性二者間的矛盾、致力于保護新原理開發有望成為現實。同時，根據柔性直流配網規模、電源及負荷分布等情況,優化保護配置、降低整體投資成本，也是需要深入研究的課題之一。