基于高低頻電壓幅值比的直流配電網(wǎng)線路保護(hù)技術(shù)

盧峰宇，陳忠孝，馮怡菲，馬 卓

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

直流配電系統(tǒng)由于電能質(zhì)量高、傳輸效率好、便于分布式電源接入等優(yōu)勢(shì)[1]，在未來配電系統(tǒng)中，將有著巨大的使用發(fā)展前景[2]。然而，保護(hù)技術(shù)作為直流配電網(wǎng)的重要技術(shù)，也面臨著許多困難，主要難點(diǎn)在于怎樣從復(fù)雜的故障過程中提取出保護(hù)技術(shù)可用的暫態(tài)信息[3]，使其可以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地找出故障區(qū)域。

現(xiàn)階段直流配電網(wǎng)中實(shí)際應(yīng)用的線路保護(hù)原理主要有電流保護(hù)[4]、縱聯(lián)保護(hù)[5]和差動(dòng)保護(hù)[6]。而電流保護(hù)在直流配電網(wǎng)中無法保證選擇性，縱聯(lián)保護(hù)對(duì)直流配電網(wǎng)的采樣頻率要求極高[7]，差動(dòng)保護(hù)極大依賴于數(shù)據(jù)同步，且耐過渡電阻的能力較低。

基于以上難點(diǎn)，本文將限流電抗器安裝在直流配電線路的兩端，令其作為邊界元件，利用限流電抗器對(duì)低頻分量基本無影響，但對(duì)高頻分量產(chǎn)生明顯阻滯作用的特點(diǎn)，并通過對(duì)比在發(fā)生故障時(shí)區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的高低頻電壓幅值的不同，提出一種僅使用單端量就能夠進(jìn)行直流線路保護(hù)的方法[8]。該方法可以精確、迅速地識(shí)別出故障線路，并且對(duì)采樣的要求不高[9]。

1 故障特性分析

1.1 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文將搭建兩端供電型作為直流配電網(wǎng)的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)某一側(cè)的交流電源出現(xiàn)故障后，可以由另一側(cè)的電源繼續(xù)供電，使得直流配電可以更加可靠的運(yùn)行[10]。電壓等級(jí)選取中壓±10 kV，換流器選取電壓源換流器（voltage source converter，VSC），其兩端供電型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[11]。系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1 所示。

圖1 兩端供電型中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)模型Fig.1 System model of medium voltage DC distribution network with power supply at both ends

表1 主要系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Main system parameters

1.2 VSC 并網(wǎng)換流器故障響應(yīng)

在實(shí)際出現(xiàn)極間短路故障時(shí)，VSC 并網(wǎng)換流器可以分為3 個(gè)階段：絕緣柵雙極型晶體管會(huì)在故障短路電路流過時(shí)立即關(guān)斷，這時(shí)VSC 并網(wǎng)換流器并聯(lián)的電容就會(huì)向故障點(diǎn)持續(xù)放電，第一階段為電容放電階段[12]，如圖2（a）所示；當(dāng)電容不再放電，故障電流就會(huì)通過VSC 并網(wǎng)換流器的反向并聯(lián)的二極管續(xù)流，第二階段為二極管全導(dǎo)通階段，如圖2（b）所示；故障電流通過二極管續(xù)流會(huì)隨著時(shí)間而一直衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一程度后，故障點(diǎn)的電流將由交流側(cè)提供，最終階段就為交流饋入階段，如圖2（c）所示[13]。

圖2 VSC 故障各階段電路Fig.2 VSC fault circuit at each stage

1.3 過渡電阻對(duì)故障響應(yīng)過程影響

不同阻值的過渡電阻不僅可以改變電容放電的形式，也可以使電流和電壓的波形產(chǎn)生較大的改變。在PSCAD 仿真軟件中設(shè)置阻值為0.5 Ω、1 Ω、5 Ω 和10 Ω 的過渡電阻對(duì)L3中點(diǎn)故障進(jìn)行仿真，如圖3、圖4 所示。

圖3 不同過渡電阻下的直流線路電流Fig.3 DC line current under different transition resistance

圖4 不同過渡電阻下的直流側(cè)電壓Fig.4 DC side voltage under different transition resistance

對(duì)比圖3、圖4 可知，不同阻值的過渡電阻確實(shí)對(duì)故障電流和電壓有一定程度的影響[14]。在金屬性接地的情況下，故障電流可以理解為二階欠阻尼電路的放電電流，其峰值高達(dá)2.5 kA，約為正常電流的156 倍；當(dāng)故障電阻為1 Ω 時(shí)，其峰值降低為0.3 kA，約為正常電流20 倍[15]。從中可以發(fā)現(xiàn)故障電流和電壓信號(hào)與正常值的差距會(huì)隨著過渡電阻阻值的逐步提高而減小，這就會(huì)影響特征量的提取和定值整定，使其依據(jù)這些特征量的保護(hù)方法不能滿足對(duì)故障精確識(shí)別的要求。

2 基于高低頻電壓幅值比的邊界保護(hù)

2.1 中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

一般情況下，限流電抗器都會(huì)設(shè)置在直流配電系統(tǒng)各條直流線路的出口[16]，如圖5 所示。其作用是通過限制短路電流來提高換流站的故障穿越能力，以及提升直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的生存能力[17]。

圖5 直流電抗器安裝于直流線路兩端Fig.5 Installation of DC reactor at both ends of DC line

2.2 高低頻暫態(tài)電壓幅值比特征分析

2.2.1 區(qū)內(nèi)故障特性分析

由于線路分布電容都是遠(yuǎn)小于換流站出口直流側(cè)的電容，本文不考慮線路分布電容的影響，線路區(qū)內(nèi)故障電路如圖6 所示。

圖6 線路區(qū)內(nèi)故障電路Fig.6 Fault circuit in line area

圖6 中顯示的為uf線路附加的直流電壓源，UH為fH的高頻電壓分量幅值，UL為fL的低頻電壓分量幅值，，分別為UH，UL傳播至保護(hù)R1的高低頻電壓分量幅值，其中fH＞fL。由于故障點(diǎn)到R1的阻抗較小，從而可認(rèn)為故障點(diǎn)的高低頻能量的相對(duì)含量近似等于R1的高低頻能量的相對(duì)含量。即有：

2.2.2 區(qū)外故障特性分析

如圖7 所示為線路區(qū)外故障電路。

圖7 線路區(qū)外故障電路Fig.7 Fault circuit outside the line area

LT為限流電抗器，r，l 分別為線路全長的電阻和電感。關(guān)于高頻信號(hào)，本文可以忽略線路電抗和回路中的電阻值抗的影響，R1處與故障點(diǎn)高頻電壓分量幅值比為

式中：nH=fh/f50Hz；nL=ff/f50Hz。針對(duì)于低頻信號(hào)來說，要足夠看重R1所在線路中相對(duì)較小的電阻和電抗，絕不能忽略M 側(cè)等效阻抗ZM的電阻值。則有：

故障若存在于R1反向線路，這種情況有上述分析類型，這里不再重復(fù)推理。

2.2.3 區(qū)內(nèi)外故障特性差異

從上述的分析中可以得出，故障區(qū)域內(nèi)外的高低頻電壓幅值比的特征差異可由系數(shù)K 很清除地體現(xiàn)出來。K 一定是一個(gè)小于1 的值，故障特征的差異隨著K 值的減小變得越來越明顯。K 隨nL變化的關(guān)系曲線如圖8 所示。

圖8 K 與nL 的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between K and nL

從圖8 中分析可以看出，限流電抗器可以作為區(qū)內(nèi)外保護(hù)的天然邊界，對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生較大的阻滯效果。當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時(shí)，故障電壓會(huì)直接作用于直流線路，并沒有流經(jīng)限流電抗器；當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)外時(shí)，就可以利用直流電抗器對(duì)低頻分量和高頻分量具有不同的阻滯效果來識(shí)別故障時(shí)發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外，將以此作為故障判據(jù)。

2.3 基于高低頻電壓幅值比的保護(hù)策略

2.3.1 保護(hù)判據(jù)

（1）故障識(shí)別判據(jù)

當(dāng)直流配電網(wǎng)發(fā)生短路故障后，保護(hù)元件就會(huì)提取故障信息并計(jì)算出高低頻電壓的幅值比與其設(shè)定的整定值作比較，由此來確定是否為區(qū)內(nèi)故障，故障識(shí)別判據(jù)為

要充分考慮到高低頻電壓幅值比在區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障的差異，fH與fL的選取應(yīng)盡量小，同時(shí)也要滿足式（3）的條件成立，一般來說fH的取值應(yīng)為fL的10 倍左右。而WHLset的整定值必須要避開相鄰線路發(fā)生故障這種情況下來整定。

（2）故障類型判據(jù)

當(dāng)直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，提取分析故障中的暫態(tài)信息非常關(guān)鍵，對(duì)于非故障極來說，電壓會(huì)持續(xù)升高直至到達(dá)額定值，這時(shí)也可能會(huì)使非故障極誤動(dòng)。因此，保護(hù)不但要識(shí)別出故障的區(qū)域，也要快速確定故障極，使得故障極正確動(dòng)作。

式中：up，un分別為線路正負(fù)極電壓；Cset為略大于1的比值系數(shù)。

2.3.2 保護(hù)算法

本文直流線路保護(hù)策略流程如圖9 所示。對(duì)比于利用電壓、電流變化率構(gòu)成的單端量保護(hù)和利用故障電流方向構(gòu)成的縱聯(lián)保護(hù)方法，具有以下優(yōu)勢(shì)：

圖9 保護(hù)策略流程Fig.9 Flow chart of protection strategy

（1）此保護(hù)策略僅需單端量，具有較強(qiáng)的耐受過渡電阻的能力。

（2）利用高低頻電壓幅值比作為保護(hù)判據(jù)，明確區(qū)內(nèi)外的特征差異，有利于提高保護(hù)的選擇性。

（3）對(duì)采樣頻率沒有嚴(yán)格需求，所需數(shù)據(jù)窗短。

3 仿真與驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提保護(hù)方法的有效性，本文設(shè)置線路L3上保護(hù)R31為對(duì)象，同時(shí)設(shè)置區(qū)內(nèi)外發(fā)生不同的故障類型和不同大小的過渡電阻，將采樣頻率設(shè)定為20 kHz，fH=5000 Hz，fL=500 Hz。

（1）區(qū)內(nèi)故障（L3雙極短路故障）

（2）區(qū)內(nèi)高阻接地故障

（3）區(qū)外故障（L5正極金屬接地故障）

圖10 區(qū)內(nèi)雙極短路故障特征Fig.10 Characteristics of bipolar short circuit fault in the zone

圖11 區(qū)內(nèi)正極線路髙阻接地故障特征Fig.11 Characteristics of high resistance grounding fault of positive line in the area

從圖9～圖12 可以看出，當(dāng)區(qū)外發(fā)生正極金屬性接地故障時(shí)，高低頻電壓幅值比存在顯著不同，可以看出這種保護(hù)方法不但能夠迅速地找出故障區(qū)域，也可以準(zhǔn)確識(shí)別出故障的類型，同時(shí)還具有較強(qiáng)的耐過渡電阻能力。

圖12 區(qū)外金屬接地故障特征Fig.12 Characteristics of metal grounding fault outside the zone

本文設(shè)置不同故障類型、不同故障區(qū)域和不同過渡電阻的情況下進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表2 所示。

表2 不同情況下的故障判斷結(jié)果Tab.2 Fault judgment results under different conditions

4 結(jié)語

本文利用限流電抗器的特點(diǎn)，將其作為邊界元件。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，研究區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外高頻電壓幅值和低頻電壓幅值之間的差異，將以此作為保護(hù)判據(jù)，構(gòu)成基于高低頻電壓幅值比的保護(hù)策略。經(jīng)大量仿真結(jié)果顯示，該保護(hù)方法具備較強(qiáng)的耐過渡電阻能力，且采樣頻率低，能夠迅速找出故障區(qū)域和正確判別故障類型。