交直流配電網保護配置分析

童 斌，趙志楊，鄭書婷

（1.國網浙江杭州市余杭區供電公司，杭州 311100；2.東北電力大學，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著電力電子和新能源發電等技術的飛速發展，人們對供電可靠性的要求逐步提高，配電網形態發生了很大變化［1］。突出表現在：大規模的分布式電源通過交流或直流的方式接入配電網；用戶側需求中直流負荷的比例逐步提高；各種儲能在配電網大量應用，提高了配電網調節能力［2-3］。交直流混合成為配電網新特點。

交直流配電網作為一種新的配電網形態，分布式電源、儲能以及直流充電樁等新型電源與負荷的大規模接入對傳統配電網運行方式產生沖擊，傳統的配電網故障分析已不再適用于新型配電網。因此，如何分析交直流兩側的故障暫態特性，設計適用的保護方法，成為國內外研究的熱點問題和行業亟需解決的重點問題之一。

國內外從故障特征分析、保護控制策略設計等方面開展了相關研究。文獻［4］通過直流配電網中換流器對暫態電流高頻信息的邊界效應，使用離散小波變換提取電流高頻分量，構造了一種保護定值配合的兩段式單端量保護。文獻［5］基于柔性直流輸電線路的故障特征，探討了直流輸電線路的故障識別方法。文獻［6］基于交直流配電網發生單相接地后有功功率和直流電壓波動的特性，提出了一種改進控制保護方案。文獻［7］分析了交流暫態侵入及其暫態響應的機理、特征，提出減少交流故障對直流繼電保護影響的方法。文獻［8］分析直流線路短路的電氣特征，綜合考慮保護配合問題劃分了直流線路保護區域，設計了包含主保護、后備保護在內的直流線路保護方案。文獻［9］從保護、故障穿越以及諧振抑制3 個方面分析交直流混合配電網暫態特性，設計了交直流混合配電網系統控制架構、協調控制與能量管理方法。文獻［10］分析了交直流混合配電網的故障特性以及交直流相互作用對保護配置的影響。

總體來講，國內外學者在交流配電網和直流配電網領域開展了較多研究，但由于分布式電源、交直流間影響復雜，現有的檢測分析手段難以保證準確性和快速性。

為了建立能夠適合新形勢下配電網的保護控制，本文首先考慮拓撲結構、分布式電源等因素，構建了新型交直流配電網拓撲結構，并建立了分布式電源與儲能裝置的模型。然后對交直流饋線、交直流母線以及交直流分支線故障進行分析，獲得交流側相間故障的暫態特性和直流側雙極故障的暫態特性。最后，基于頻域阻抗設計了交直流側保護方案，其具有快速性、可選擇性的優勢，并通過仿真驗證所提新型配電網保護控制的可行性。

1 新型配電網結構及建模

為了分析由分布式電源、直流配電和新型負荷等組成的配電網特性，進行保護控制設計，首先構建典型的配電網結構。

1.1 新型配電網典型結構

考慮多類型的分布式電源接入，直流配電網方式，以及配電網中儲能、直流負荷等新因素，結合常用的環式、放射式及兩端式等拓撲結構［11-13］，構建如圖1所示的交直流配電網典型拓撲結構。

圖1 新型交直流配電網典型拓撲結構

采用雙電源的供電模式，便于一側發生故障時，另一側可以向負荷供電，在一定程度上阻止了大范圍停電情況的發生。連接交直流兩側的聯結變壓器在交流測和直流側的接線接地方式不同，聯結變壓器靠近交流側采用Ynd 接線，直流側采用三角形接線，這導致零序分量隔離在兩側的傳輸。同樣的，兩側接線方式也不同。交流側采用中性點經消弧線圈接地，直流側采用偽雙極接線方式，相比于單極接線方式提高了供電可靠性。

1.2 分布式電源、儲能裝置及線路建模

針對新型配電網關鍵組成部分，建立分布式電源、變壓器、輸電線以及儲能裝置［18-21］等單元的模型。

光伏發電輸出功率Ppv(t)為：

式中：Pe、Ge、θe分別為標準測試條件下的額定輸出功率、太陽輻照度和溫度，其中Ge一般取1 000 W/m2；Gc(t)、θc(t)分別為t時刻工作點實際太陽輻照度和溫度；k為功率溫度系數。

風機的輸出功率P為：

式中：ρ為空氣密度；v為風速；RW為葉片半徑；Cp為風能利用系數，Cp是與槳距角θ和葉尖速比λ有關的函數。

輸電線路模塊等效電路如圖2所示。

圖2 輸電線路模塊等效電路

儲能系統可以用來維持電壓穩定、存儲多余的電能，當電網出現功率缺額時，儲能系統將釋放所存的電能，抬高電壓。儲能采用圖3 所示的Buck-Boost變換器［14-17］基本結構和等效電路。

圖3 直流配電網儲能結構及等效電路

2 新型配電網故障特性分析

基于1.1節中提出的新型配電網拓撲結構，分析交直流饋線、交直流母線以及交直流分支線上發生的典型故障。

發生單相接地故障時，配電網系統中交流側是經消弧線圈接地，采取這種接地方式的交流配電網系統發生故障時仍然可以維持短暫的供電，因此，交流側選取相間故障的暫態特性進行故障分析，對故障特征不明顯的單相接地故障不專門進行討論。

新型交直流配電網設置故障分布如圖4所示。

圖4 新型交直流配電網設置故障分布

2.1 直流側發生短路故障

如圖4所示，分別設置了典型直流饋線故障點1、3、6，母線故障點2、4 以及分支線故障點5，圖5 所示為圖4 中直流側故障網絡圖虛線部分的展開。

圖5 直流側故障網絡

如圖5 所示，直流饋線L45、L43、L56 上分別設置故障點1、3、6，直流母線B4、B5 上分別設置故障點2、4，直流分支線L55 上設置故障點5。

當故障位于L45、B5、L55、L56 時，保護裝置A45、A43的阻抗為：

式中：Lh為限流電抗器的電感；Zeq為換流器的直流側頻域阻抗；和分別為保護裝置A45 和A43的阻抗；Z43為線路L43的阻抗。

式（3）表明，直流母線僅連接兩條進出線時，當直流母線所連的某一進出線發生故障，這條線的保護裝置測量阻抗等同于另一條進出線的測量阻抗，其數值取決于該保護裝置的等效阻抗。

當故障位于L45、B4、L43上，此時直流母線連接了3條進出線，在這種情況下，故障線的阻抗為相鄰進出線測量阻抗中的最小值，數值上同樣取決于該保護裝置的等效阻抗。

當故障位于B4 時，保護裝置A45、A43 的阻抗分別為：

式中：Z55和Z45分別為線路L55、L45 的阻抗；Zeq-56為保護裝置A56 后的等效阻抗；Zeq-D為直流固態變壓器的等效阻抗。

當故障位于L43 上且屬于反向故障時，保護裝置A45、A43的阻抗分別為：

式（5）表明，當故障位于L43上，直流母線僅連接兩條進出線時母線所連某一進出線發生反向故障，該故障線所測的阻抗等于所在線路保護裝置的正向等效阻抗，如果是直流母線發生了故障，那么兩條線路的測量阻抗均等同于本線路的正向等效阻抗。

同樣，當故障位于B5 時，直流母線連有3 條及以上的進出線，如果其中某條線發生反向故障，那么該故障線所測阻抗等于此條線保護裝置的正向等效阻抗；如果是直流母線本身發生故障，那么其所連的所有線阻抗都等于本線路的正向等效阻抗。

2.2 交流側產生故障

如圖4所示，在交流饋線上設置故障點7、9、13，在交流母線上設置故障點8、10，在交流分支線上設置故障點11、12。圖6所示為圖4中交流側故障網絡圖虛線部分的展開。

圖6 交流側故障網絡

如圖6 所示，交流饋線L23、L12、L34 上分別分別設置故障點7、9、13，交流母線B2、B3上分別設置故障點10、8，交流分支線L22-1、L22-2上分別設置故障點11、12。

當故障位于L23、B3、L22-1、L22-2、L34上時，保護裝置A32、A34的阻抗均為：

式中：Zeq為換流器的交流側頻域阻抗；和分別為保護裝置A32、A34 的阻抗；Z34為饋線L34的阻抗；ZT3為變壓器T3的等值阻抗。

式（6）表明，當交流母線僅連接兩條進出線時，交流母線所連的某一進出線發生正向故障，這條線的保護裝置與另一條進出線的測量阻抗相等，數值上取決于該保護裝置的等效阻抗。

當故障位于L23、B2、L12時，此時交流母線連接了3條進出線，在這種情況下，故障線路的保護裝置所測阻抗為相鄰線所測阻抗的最小值，數值上同樣取決于保護裝置的等效阻抗。

當故障位于B2 時，保護裝置A32、A34 的阻抗分別為：

式中：Z23為饋線L23 的阻抗；Z22-1和Z22-2分別為分支線L22-1、L22-2的阻抗；Zeq-l為節點2所連負荷的阻抗；Zeq-21為保護裝置A21 之后的阻抗；ZT2為變壓器T2的等值阻抗；Zeq-G為風電機組的等值阻抗。

當故障位于L12 時，保護裝置A32 和A34 的阻抗分別為：

式（8）表明，當故障位于L12時，交流母線僅連接兩條進出線，母線所連的某一進出線故障，該故障線所測的阻抗等于所在線保護裝置的等效阻抗。

同樣，當故障位于B2 時，交流母線連有3 條及以上的進出線，如果其中某條線發生反向故障，那么該故障線所測阻抗等于此條線保護裝置的等效阻抗；如果是母線發生故障，那么其所連所有線的阻抗都等于本線路的等效阻抗。

綜上所述，無論是直流側還是交流側，如果發生故障處與母線相連的進出線只有兩條，當發生正向故障時，故障線路保護裝置所測阻抗與另條線相等；當發生反向故障時，故障線路保護裝置所測阻抗等于所在線保護裝置的正向等效阻抗。

如果發生故障處與母線相連的進出線有3條及以上，當發生正向故障時，故障線路的保護裝置所測阻抗為相鄰線所測阻抗的最小值；當發生反向故障時，故障線所測阻抗等于此條線保護裝置的正向等效阻抗。

3 基于頻域阻抗的新型配電網保護配置方案

保護配置方案如圖7所示，通過其中的保護裝置，求解正反向故障時各測量阻抗在相應特征頻域內的理論值，將保護裝置內所測得的暫態電壓信號Δu（t）和電流信號Δi（t）通過快速傅里葉變換提取對應的暫態信號高頻信息。同時，為了避免處理信號時產生的頻譜畸變現象，采用窗函數對信號進行截斷，減少采樣信號的時域截斷邊界對結果的影響。對時域暫態電壓、電流信號加Hamming 窗后再進行快速傅里葉變換，提取特征頻段的電壓、電流后，根據電壓、電流和阻抗的關系得到對應的故障頻域阻抗，并進行相應的故障識別。

圖7 保護配置方案示意圖

由于交直流兩側檢測的是不同類型的故障，因此，需采取不同的保護方案，分別對直流側和交流側的保護方法進行分析。

3.1 直流側保護方法

結合直流側故障分析，設計一種基于頻域阻抗的新型配電網直流側保護方案。首先，根據極間電壓突變情況設置啟動判據，當滿足條件時，判定系統中出現了故障，采集故障時刻參數并依據窗函數截斷信號，將故障前后2 ms 設定為數據窗，通過快速傅里葉變換得到故障頻域阻抗值；其次，根據阻抗的幅值判斷故障方向；最后，結合阻抗判斷故障具體位置，發出跳閘信號，通過斷路器斷開故障線路。

由于短路故障可以通過暫態電壓突變量進行檢測，極間電壓構建直流側啟動判據為：

式中：n表示采樣點；u(n)和u（n-1）為極間電壓采樣信號；|Δu(n)|為兩個相鄰采樣信號的差值；ε為門檻值，取值為0.01Udc，Udc為直流側極間額定電壓。當差值大于門檻值時，直流側的保護啟動，并對故障時刻的n進行采集。

發生正向故障時，所測阻抗為保護裝置等效阻抗，將阻抗的幅值作為判定，構建直流側故障方向識別判據為：

通過判斷頻域測量阻抗大小，當故障頻域測量阻抗滿足式（10）時，則認定此時發生的故障類型是正向故障，反之則為反向故障。

直流側保護方案流程如圖8所示。

圖8 直流側保護方案流程

3.2 交流側保護方法

結合交流側故障分析，設計一種基于頻域阻抗的新型配電網交流側保護方案。滿足交流側的啟動判據時，將故障前后10 ms設定為數據窗；其次，零模電壓判斷接地故障是否發生，根據故障暫態電壓信息進行故障選相，進而判斷出故障的類型，并由故障類型求解故障頻域阻抗值；判斷故障方向，發出跳閘信號。

考慮暫態電壓構建交流側啟動判據為：

式中：uk(t)和|Δuk(t)|分別為k相t時刻所測的電壓采樣值和電壓差值；T為交流電壓周期；設置門檻值ε。當任意一相中連續3 個電壓信號的變化量大于設定的門檻值時，交流側的保護算法就會啟動。

通過是否存在零模電壓分量判斷是否為接地故障，零模電壓分量計算式和接地判據為：

式中：u0(t)、ua(t)、ub(t)、uc(t)分別為零模電壓和A、B、C 相暫態電壓；S0為零模電壓分量的積分平均值；L為數據窗長度；Sε為整定門檻值。式（12）表明，如果所測電壓含零模分量，則判定接地故障。

為了提高靈敏度，將各相暫態電壓減去零模電壓的方式進行故障相判別，故障相識別判據為：

式中：Smax=max｛Sa，Sb，Sc｝；Sk為經過修正的k相積分平均值；當Sk大于門檻值且大于0.85 倍的最大值電壓時，則認定k 相為故障相，反之為非故障相。

綜上所述，結合故障頻域阻抗值可判別故障類型。

交流側保護方案流程如圖9所示。

圖9 交流側保護方案流程

4 仿真分析

為了驗證設計的保護方案性能，以如圖2所示的新型配電網系統為例，驗證交直流兩側故障分別對互相側電氣量的影響和各自的暫態特性，依據基于頻域阻抗的保護方案進行仿真驗證，系統仿真參數如表1所示。

表1 仿真模型參數

4.1 直流側保護方案仿真驗證

直流側各處設置6 個典型故障點，4 s 時發生故障，通過故障分析進行整定計算，直流側保護裝置的整定值如表2所示。

表2 直流側各保護裝置整定值

直流側發生雙極故障時，分別通過直流饋線上的故障點1和3來驗證方案的可行性，故障頻域阻抗如圖10所示。

圖10 故障點1、3處故障頻域阻抗

由圖10 比較可知，非故障處的測量阻抗明顯大于故障處阻抗，且方向識別判據能有效識別正反向，進一步證明了各保護裝置整定值合理，能準確識別出故障處線路，保護裝置可以有選擇性地切除故障。

母線故障選擇故障點4處母線，故障頻域阻抗如圖11所示。由圖11可知，母線故障時方向識別判據能有效識別正反向，各保護裝置整定值合理，保護裝置能準確識別出母線故障。

圖11 故障點4處故障頻域阻抗

分支線故障選擇故障點5處，故障頻域阻抗如圖12所示。由圖12可知，分支線保護裝置能有效識別正反向，且整定值合理，能準確識別出故障類型。

圖12 故障點5處故障頻域阻抗

綜上所述，所提的保護方案通過頻域阻抗識別故障方向是可行的，以判據來判斷故障類型也是準確的，且算法可以在短時間內實現故障識別，能快速且有選擇性地動作。該方案僅通過比較阻抗幅值即可得到故障類型，易于實現。

4.2 交流側保護方案仿真驗證

如圖4所示，在交流側各處設置7個典型故障點，設定故障發生時刻在4 s，通過故障分析計算判斷故障方向的整定值，交流側保護裝置的整定值如表3所示。

表3 交流側各保護裝置整定值

交流側首先需在各類故障下進行故障選相，選相結果如表4所示。

表4 交流側故障選相結果

交流側發生三相故障時，通過交流饋線上的故障點來驗證方案的可行性，各保護裝置的故障頻域阻抗如圖13所示。

圖13 故障點7處故障頻域阻抗

由圖13 可知，所設計的交流側保護方案中故障方向識別判據適用于交流側，能有效識別正反向故障，各保護裝置整定值合理，能準確識別出故障處線路，保護裝置可以有選擇性地切除故障。

母線故障選擇故障點10 處母線，故障頻域阻抗如圖14所示。由圖14可知，母線故障時方向識別判據可以有效識別正反向故障，各保護裝置設定的整定值合理，保護裝置能準確識別出母線故障。

圖14 故障點10處故障頻域阻抗

分支線故障選擇故障點11 處，故障頻域阻抗如圖15所示。由圖15可知，分支線保護裝置能有效識別正反向故障，且整定值合理，能準確識別出故障類型。

圖15 故障點11處故障頻域阻抗

綜上所述，本文所提交流側保護方案通過頻域阻抗來識別故障方向是可行的，以判據來判斷故障類型也是準確的，且算法可以在短時間內實現故障識別，能快速且有選擇地動作。除此之外，由于該方案僅通過比較阻抗幅值即可得到故障類型，易于實現，適應性強。

5 結論

針對新型配電網保護問題，考慮其分布式電源、交直流混合等特性，基于交直流側故障分析，得到故障阻抗特性，提出相應的保護方案，結論如下：

1）基于頻域阻抗特性和故障方向識別判據，結合阻抗幅值可以明確故障發生類型。此直流側保護方案具有判別速度快的特點，對直流配電網適應性強。

2）基于交流側短路故障時保護裝置所測的頻域阻抗判別故障方向，結合阻抗幅值確定故障發生類型，具有判斷準確、冗余性強的特點。