基于單端量的主動式直流配網故障識別

韓 笑，汪繆凡

（南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）應用于電力系統多種場合。目前，在柔性直流電網中應用的MMC主要有2種：一種是半橋子模塊MMC（half bridge based MMC，HBMMC），其優點是電力電子器件需求量較少、經濟性較好；但在故障時，換流器本身無法對其清除。另一種是全橋子模塊 MMC（full bridge based MMC，FBMMC），其優點是可通過控制策略實現故障自清除；但是，其成本較高，所以難以大規模推廣。相關文獻將二者結合使用，構成混合式MMC，在實現故障自清除的同時達到了控制成本的目標[1]。

在采用HBMMC的柔性直流配電網中，為切斷故障電流，通常需要閉鎖換流器[2]。在換流器閉鎖后，相關設備重啟過程復雜且需要一定時間，這會造成該區域短時停電[3]。另外，半橋型換流器閉鎖后，交流側的饋入將流過續流二極管，從而導致短路電流仍然存在[4]。

我國柔性直流電網的接地方式一般選用鉗位電阻接地。這種接地方式雖然可靠性高，但在故障時短路電流小、故障特征不明顯。同時，由于配電線路本身長度有限，暫態特征持續時間短[5]。所以，利用正負極暫態電流突變方向差異識別故障的方案難以保證其可靠性。在這種情形下，用暫態量識別故障，對保護裝置的性能要求極高。

近年來，主動探測式的保護方案逐漸成為新的研究熱點。有別于被動式保護，主動式保護通過主動注入信號的方法實現故障的識別，而不再依賴于故障時短暫的暫態信息。文獻[6]在線路首端串聯接入 LC注入裝置，實現了信號的主動注入；但該方法需要在系統中增加附加裝置，且只能進行離線檢測。

全橋型 MMC系統可輸出負電平，其在故障期間可實現故障穿越，從而保證了交流側的無功功率傳輸。該系統輸出的電流、電壓，可通過投入、切除子模塊來進行控制；這為實現探測信號的注入提供了基礎，且無需增加附加裝置。

基于全橋型MMC的探測式保護，在交直流混連電網中已取得良好的應用效果[7]。該方法的核心在于結合全橋型 MMC中電力電子器件的高可控性，利用其本身具有的電力電子設備向故障網絡中注入探測信號來強化特征，進而使保護更為可靠、靈敏。目前該類研究主要集中在高壓、超高壓交直流混連系統中。在中低壓的配電網中，可控的電力電子器件比例相對更高，且探測信號所需的能量、功率也相對較小，對系統的影響更小[8]。

本文研究方法：利用全橋型MMC，從一端主動向故障線路注入探測信號；根據對端檢測到特征電流信號的幅值特性來區分故障類型。該信號可多次注入，從而解決了傳統保護由于暫態特征持續時間短而造成的可靠性低的問題。應用該方法時無需附加裝置，系統結構維持不變。

1 故障識別策略

針對傳統保護原理的局限性，本文結合FBMMC，提出基于單端量的故障性質識別策略：以兩端系統為例，當直流主線路發生故障時，系統檢測到電流、電壓量突變；為保證電力電子器件不受損，兩端進入故障限流控制模式。當將直流線路故障電流限制到一個較低的值后，如圖 1所示注入信號。此時，一端保持故障限流控制模式，另一端切換為主動注入信號模式。

圖1 信號注入時序圖Fig.1 Signal injection timing diagram

信號注入端可以事先約定。本文以m端作為信號注入端。通過改變輸出直流電流、電壓的參考值，向線路注入信號。注入電流信號經故障點分流，在對端（非信號注入端）體現的幅值因故障性質不同而發生差異；以此特征來區分故障類型。所以，故障類型的判斷僅需通過采集對端電流信號幅值即可實現。

1.1 信號注入控制策略

半橋子模塊的換流器（HBMMC）只有正投入與切除 2個狀態。在這 2個狀態的基礎上，采用全橋子模塊的換流器（FBMMC）。全橋子模塊結構如圖2所示。故障控制模型框圖如圖3所示。

圖2 全橋子模塊結構圖Fig.2 Structure diagram of full bridge sub-module

圖3 故障控制框圖Fig.3 Fault control block diagram

圖2中，在注入信號時，VT3一直導通，VT4一直關斷。控制VT1關斷，VT2導通，FBSM輸出電平為–Uc；控制VT1導通、VT2關斷，FBSM可輸出零電平[9]。

（1）直流側故障時，不閉鎖換流器，開始故障限流。采用定電流控制，可將直流側故障電流控制到一個較低的值。

圖4 故障限流控制框圖Fig.4 Fault current limiting control block diagram

（2）當直流側故障電流降低到規定范圍內后，開始向直流側注入特征信號，將電壓參考值設定為。

上、下橋臂的參考電壓Vref,p、Vref,n可表示為：

上、下橋臂投入子模塊數量為：

式中：Usm為單個子模塊的額定電壓；下標 p、n分別表示正極、負極。換流器等效輸出的橋臂子模總數為N=np+nn。

故障限流控制方式如圖4所示。由于對端換流器保持故障限流策略，所以信號在經過電流、電壓傳感器以及閥、極控制器最終到達保護裝置時會有延時。在延時期間，控制器不會對外界注入信號有新的反饋，但在延遲后仍會對對端的注入信號進行限流控制：這可能會導致保護裝置無法完整地檢測到注入信號。

為此，在信號發出端發出信號后，為對端的故障限流過程增加5 ms左右的短暫延時，以確保保護裝置能完整的采集注入信號[10]。

圖4中：NML表示最低電平調制；Idc1為電流注入信號；Leq、Req分別為信號接收端直流系統等效電感、電抗；分別為電流、電壓控制參考值。

1.2 特征信號的選擇

1.2.1 信號幅值選擇

一方面，本文要利用所注入探測信號的幅值變化進行故障性質的判別。考慮傳輸線路會對信號造成有一定程度的衰減，同時，信號幅值過低不利于故障性質準確判別，因此：必須保證該信號具備一定的幅值。

另一方面，為保證電力電子器件的安全，注入信號的幅值也不宜過高。

本文注入信號電壓幅值取為額定電壓值的0.1倍。

1.2.2 信號持續時間

配電線路長度相對較短，且波速接近光速。對于500 km的線路，信號傳輸延遲也僅有4 ms左右。本文算例配電線路通常只有10 km左右，因此可忽略特征信號傳輸延遲的影響。

綜合以上討論，考慮到信號接收端限流策略的影響，故信號持續時間選擇為5 ms，且也可多次注入信號，以提高故障性質判別的準確性。

1.2.3 頻率的選擇

首先，探測信號的頻率過高會導致保護裝置采集不到該信號；其次，探測信號的頻率要低于換流器子模塊的投切頻率：所以，頻率上限定為10 kHz。

由于傳輸衰減作用，信號幅值的衰減會隨頻率的提高而增大，使實際值大幅偏離參考值。當信號頻率低于400 Hz時，實際電流能較好地跟隨電流的參考值。同時，為提高故障性質判別的速度，探測信號的頻率也不宜過低；因此：本文選取探測信號的頻率200 Hz，而保護裝置采樣頻率一般不高于20 kHz。

本文注入信號長度為5 ms；考慮濾波環節，數據窗長度選擇為10 ms。

2 故障類型判別

2.1 區域內故障

2.1.1 單極接地故障

以正極為例，討論當直流主線路發生單極接地故障時情況。正極接地故障電路模型如圖5所示。

圖5 正極接地故障Fig.5 Positive grounding fault

由圖 5可知，由于存在過渡電阻Rf，所以在故障極，特征電流信號會在故障點分流。分流后，一部分特征電流信號傳輸至對端。由于經分流后的正極電流信號幅值會有所衰減，所以此時負極電流信號幅值相對于正極電流信號幅值會較大。

在單極接地故障時，注入電壓信號Udc1。故障點至對端阻抗近似等效為過渡電阻與故障點至對端線路阻抗并聯，所產生的特征電流Idc1在故障點處分流。

式中：R1、R2分別為故障點兩側的電阻；L1、L2為電感；ω為特征信號的頻率；Rf為過渡電阻；Id′c為分流至對端的特征電流。

2.1.2 極間短路故障

當發生極間短路故障時，如圖6所示：注入的電流信號在故障回路流通；在信號接收端，保護安裝處所測得正負雙極電流信號對稱，幅值均為一個較小或接近于0的值，即，。

圖6 極間短路故障Fig.6 Pole-to-pole short circuit fault

特征電壓與特征電流關系如下：

2.2 區域外故障

采用線路末端電流信號幅值的大小來識別故障線路。

對于同一條母線上的線路，健全線路末端正負兩極均可檢測到幅值較大的電流信號；而對于故障線路，其故障極末端所檢測到電流信號幅值為一個較小值，當金屬性接地時則為一個接近 0的值。

當故障發生在區域外時，故障信號接收端測得正負兩極特征電流信號幅值均為一個較大的值；當發生區域內故障時，特征電流信號在故障極信號接收端的幅值相對于健全極接收到的電流信號幅值較小。故可根據正負極特征電流信號的幅值之比來確定故障極。

綜合以上分析，最終判據可以表示為：

3 故障識別流程

故障識別分為3部分：故障檢測、故障區域識別、故障選極。

故障識別。以過流、欠壓作為判據，以避免保護動作于正常運行期間出現的擾動。故障識別判據用于判斷故障是否發生在保護范圍內。

故障選極。采用基于單端量的電流幅值之比作為判據，以區分故障極性。當三者同時動作時，相應的直流斷路器才會動作。

根據電流極性進行故障類型的判別，保護方案實現流程如圖7所示。

圖7 保護邏輯框圖Fig.7 Protection logic block diagram

圖7中，當直流線路發生故障時，在測得直流電壓下降或直流電流上升至定值后，進入故障控制模式，將兩端換流器端口電流限制為0。當檢測到故障電流被限制為 0后，注入端切換為主動注入模式，注入電壓信號，完成后再次切換為故障限流模式。信號接收端則一直保持故障限流模式。

4 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC中搭建基于全橋MMC的±10 kV雙端柔性直流配電網模型：線路總長10 km，于線路中點發生金屬性短路接地，kset取1.1。

仿真實驗設置：以負極接地故障、極間短路故障為仿真算例。

當檢測到故障電流被限制為0后，注入特征電壓。此時，單極接地故障特征電流信號與正負極幅值比如圖8所示，極間短路故障特征電流信號圖9所示。

圖8 負極接地故障信號波形Fig.8 Waveform of negative grounding fault signal

圖9 極間短路故障信號波形Fig.9 Waveform of pole-to-pole short circuit fault signal

由圖8可以看出：當負極接地時，在注入信號的時段，對端正極檢測到幅值約為0.4 p.u.的特征電流，負極特征電流信號接近于0。雖然正極測得特征電流信號幅值大于設定的閾值，但由于負極檢測得電流小于設定的閾值，因此判斷為區域內故障；當負極電流與正極電流幅值比低于設定值，判斷為負極故障。當存在過渡電阻時，電流信號在過渡電阻處分流，故障極于對側保護安裝處測得電流幅值不再為接近0的低值，但仍小于健全極測得電流信號的幅值。通過合理設定kset可以使該判斷方法有較好的抗過渡電阻能力。

從圖9可以看出，在極間短路時，對端正負兩極檢測到的特征電流幅值均接近于0，正負兩極電流幅值均小于設定的閾值；因此，將判斷故障為極間短路故障。

該方法能有效識別故障類型，且在單極經過渡電阻接地時，有一定的抗過渡電阻能力。

5 結論

針對具有全橋子模塊MMC的直流配電網，提出了通過單端電流幅值比來進行故障識別的方法。

經過驗證，該方法能夠較為靈敏地識別出故障類型，具體特點為：故障限流后，在5 ms內實現故障性質的判別，滿足對故障識別速度的要求；設定閾值時留有了一定裕度，使得判據具有一定耐受過渡電阻能力；由于僅利用了單端電流幅值，所以判據設計易于實現，有利于提高故障性質識別的可靠性。

若通過預先規定處在對角位置的換流站為信號發出端，則該方法可用于四端環狀配電網。