考虑瞬时功率特性的直流配电网线路故障定位及保护

陈新岗，朱莹月，马志鹏，时 晶，谭 悦，邹越越

(1.重庆理工大学， 重庆 400054；2.重庆市能源互联网工程技术研究中心， 重庆 400054；3.国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司, 浙江 绍兴 312000)

近年来，随着分布式电源以及可再生能源大量接入配电网系统[1]中，传统交流配电网[2]传输功率小、环流环节多、损耗大等问题日渐突出。于是，能提高利用效率和提升电能质量的直流配电网成为了城市智能配电[3-4]的研究热点。

目前，在直流配电网发生故障时，其故障电流上升速率非常快，能在数毫秒内达到峰值，且不受故障类型影响。因此，快速、准确地切除故障成为直流配电网保护的关键技术[5-6]。

常用的直流配电网线路保护有低压过流保护[7]、纵联保护[8-10]、直流过电压保护[11-12]、直流电压不平衡保护、直流断线保护[13]、直流低电压保护等[14]，这些保护方式大多借鉴主网线路的保护思路。文献[15]将检测到的相邻线路出口处电流的大小和方向特性作为主保护判据，将不平衡电流出现作为后备保护判据，并设置了一级远后备保护和二级远后备保护，提高了保护的选择性。文献[16]利用换流站出口处装设的电抗器作为边界条件，检测直流电抗器上的电流高频暂态量来判别区内、外故障，并加入方向元件来排除反向故障。文献[17]利用改进的电压梯度算法检测电压变化作为特征量，并将其作为保护启动判据，将检测限流电抗器上的电压变化率作为特征量，由此来判定故障类型，并将电压变化量作为特征量来进行故障极判别。文献[18]利用混合直流断路器的特性，在MMC换流器闭锁前切除故障，从而满足直流输电线路保护的速动性，但未提出具体保护流程。文献[19]提出了一种先闭锁换流器、再断开对应直流断路器的保护控制方法，但该方法会扩大保护范围。

以基于电压源型(voltage source converter，VSC)换流器的中压直流配电网为研究对象，分析了柔性直流配电线路在单极接地故障以及双极短路故障下的故障特征，并利用保护安装处检测的瞬时功率构造保护判据，提出了一种基于瞬时功率特性的柔性直流配电网故障定位和保护方法。最后，通过PSCAD仿真验证了所提方法的有效性。所提故障定位及保护方法原理简单，极大降低了系统对通信的要求。

1 直流系统配置

以基于VSC的双端柔性直流配电网为研究对象，其拓扑结构如图1所示。其中，变压器的交流侧电压为110 kV，直流侧电压为10 kV。T1与T2为交流系统相连接的VSC1换流站和VSC2换流站，T3和T4分别连接直流负荷和交流负荷，T5、T6和T7分别连接不同的分布式电源，其中直流变换器采用双有源桥(dual active bridge，DAB)。将与负荷相连接的端点设置为点A、B、C、D，并利用4个端点将直流配电网线路分为3条线路，即Line1、Line2和Line3。

针对图1的双端柔性直流配电网系统，采用定有功功率控制和定直流电压控制。T1端口为系统功率结点，采用定有功功率控制；T2端口为系统的平衡结点，采用定直流电压控制；其余换流器采用负荷侧定电压控制以维持负荷稳定。变压器阀侧经大电阻接地，可以降低单极接地故障后交流侧馈入故障电流,保护装置安装在线路端口处。

图1 双端柔性直流配电网拓扑结构示意图

2 直流配电网故障分析

2.1 单极接地故障

当系统发生单极接地故障时，其故障等效电路如图2所示。

图2 正极接地故障等效电路图

将单极接地故障分为2个阶段：

1) 电容放电阶段：当线路发生正极线路单极接地故障时，极间电压存在1个暂态下降，但随着故障电流值逐渐减小，此时极间电压开始慢慢上升，由此，系统进入下一阶段。

2) 稳定阶段：在此阶段，接地故障被清除后，极间电压逐渐恢复到正常水平。

2.2 双极短路故障

当系统发生双极短路故障时，故障等效电路如图3所示。

将双极短路故障暂态过程分为3个阶段[20]：

1) 电容放电阶段：刚开始发生双极短路故障时，换流器的并联电容通过线路对故障点进行放电；由于线路内阻很小，电容放电电流会在数毫秒内远超出额定电流，此时电容电压迅速下降，由于电容放电回路的固有响应一般为欠阻尼响应，因此当电容电流震荡过零时，故障进入下一阶段。

2) 二极管导通阶段：当电容电压过零后，交流侧可视为三相短路，此时交流侧馈入三相短路电流，与电感续流回路构成故障电流；当二极管中的电流过零后，VSC换流器中的二极管同时导通，直流侧形成1个放电回路，由此进入下一阶段。

3) 稳定阶段：故障电压和故障电流逐渐减小，系统最后重新稳定。

图3 双极短路故障等效电路图

3 基于瞬时功率特性的保护原理

3.1 保护原理

由图1的双端柔性直流配电网拓扑图所示，保护装置安装在每条线路端口处，即图1中点A、B、C、D，每个保护系统由互感器、保护装置和直流断路器构成。将直流线路的拓扑结构简化为如图4(a)所示的示意图，其中F1为线路发生区外故障，F2为线路发生区内故障。

图4 直流线路故障示意图和简化等效模型示意图

将直流线路换流器出口处设为X端与Y端，即X端等效为图1中点A，Y端等效为图1中点D。其中，un为n端电压同步采集值；in为流经n端的电流同步采集值；n点代表A、B、C、D；R1、R2为直流线路等效电阻；L1、L2为直流线路等效电抗；C为线路并联电容；iC为等效电容充电电流；由此，端点n的瞬时功率为：

ΔPn=Δun(t)Δin(t)

(1)

相邻两点间的瞬时功率差值为：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1

(2)

当系统处于稳定状态时，瞬时功率ΔP=0，当系统发生故障时，瞬时功率ΔP≠0，由此将瞬时功率ΔP作为进行直流线路区内、外故障判定的重要依据。

3.1.1区外故障

当系统发生如图4所示的F1区外故障时，其等效电路图如图5所示，故障点可看作是连接1个电压源uF。

图5 区外故障等效电路图

图5中，uF为故障点电压；当线路正常运行时，线路两端电压压降为：

uL(t)=R1iX(t)+R2(-iY(t))+

(3)

(4)

其中：uL为线路两端电压压降；uC为等效电容电压。当发生故障时，两端电压值会急剧下降，此时会产生故障叠加电流iF，流经X端和Y端的电流值变为iX′、iY′。

(5)

故障后线路两端电压压降为：

(R1+R2)iF(t)+

(6)

于是线路电压增量为：

ΔuL=R1iF(t)+R2iF(t)+

(7)

所以，当发生区外故障时：ΔuX<0,ΔuY<0,且|ΔuX|<|ΔuY|。

故障后直流线路两端放电电流为：

(8)

此时线路的电流增量：ΔiX>0, Δ(-iY)>0,且|ΔiXV|<|Δ(-iY)|。

由式(7)和(8)可得，当线路发生区外故障时，线路的瞬时功率ΔP>0。

3.1.2区内故障

当系统发生如图4所示的F2区外故障时，其等效电路如图6所示，故障点可看作是连接一个电压源uF。

图6 区内故障等效电路图

同理，当线路发生区内故障时，电压增量与电流增量特性为：ΔuX<0,ΔuY<0,且ΔiX>0,Δ(-iY)<0；于是ΔPX<0，ΔPY>0由此，当线路发生区外故障时，线路的瞬时功率ΔP<0。

3.2 故障识别判据

通过上述对保护原理的分析，利用瞬时功率在区内外故障时的不同特性，构造故障识别判据：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1<ΔPset

(9)

由式(9)可知，当瞬时功率值小于整定值时，判定为区内故障；当瞬时功率值大于整定值时，判定为区外故障。由于电压波动与电流波动对系统的影响较小，将瞬时功率整定值ΔPset设置为0。

3.3 故障区段定位判定

如图1的拓扑结构所示，在判断故障为区内故障后，需进一步检测线路的故障区段。利用上述的瞬时功率特性可知，故障发生在区内时瞬时功率小于整定值，当检测区段中出现第一个瞬时功率小于整定值时，该区段即为故障区段。即同步检测相邻2个区段的瞬时功率，故障区段整定判据为：

(10)

式中：ΔPk为第k条线路的瞬时功率，无论是单极接地故障或是双极短路故障，其故障区段的瞬时功率均小于整定值。

3.4 保护流程及实现

基于瞬时功率的故障定位及保护方法是由保护启动和故障判别两部分组成，具体流程如图7所示。

图7 保护流程框图

1) 首先利用直流线路电流变化率在系统正常运行时几乎为零的特性，将电流变化率作为保护启动判据。当检测到发生故障后，启动判据动作，并发送启动命令给故障识别判据。

2) 保护起动后，同步采集直流线路连接换流器两端的电流及电压值，并计算出对应两端的瞬时功率差值。根据“区外故障时瞬时功率大于整定值，区内故障时瞬时功率小于整定值”的特性，首先判断系统发生区内故障或区外故障。为增加保护动作可靠性，故障判别时连续满足判据3次才能最终判定故障发生。

3) 当在2)中判定为区内故障后，对直流线路进行故障区段判定，此时，同步采集每段直流线路两端点的电流值和电压值，并计算出对应区段的瞬时功率值；对比相邻线路的瞬时功率值，若检测区段出现第一个瞬时功率小于整定值时，判定瞬时功率小于整定值的区段为故障区段。为保证保护方案的可靠性，只有当故障区段判定连续满足3次判据时，才能确定故障区段。

4) 当在3)中检测出对应故障区段后，跳开对应保护装置的断路器，对故障进行快速隔离。若在2)中检测为区外故障，则保护复位，为下一次保护动作做准备。

4 仿真验证

为了验证基于瞬时功率的故障定位及保护方法的可行性与正确性，在PSCAD上搭建了如图1所示的基于VSC(voltage source converter)双端柔性直流配电网仿真模型，其中故障发生在第1 s，故障持续时间为0.05 s。

4.1 保护动作行为分析

1) 区外故障。当发生如图4所示的F1故障时，同步采集的换流器出口处电压与电流值如图8(a)、(b)所示。由图8(a)、(b)得：ΔuX<0，ΔuY<0,ΔiX>0,Δ(-iY)>0。依据式(7)和(8)可得，故障初期的瞬时功率大于整定值，如图8(c)所示，符合判据要求。

2) 区内故障。当系统发生如图4所示的F2故障时，同步采集的换流器出口处电压与电流值如图9(a)、(b)所示。由图9(a)、(b)得：ΔuX<0，ΔuY<0,ΔiX>0,Δ(-iY)<0；依据式(7)、(8)可知在故障初期的瞬时功率小于整定值，如图9(c)所示，符合判据要求。

同样，当系统发生双极短路故障时，同步采集到换流器出口处的电压值与电流值如图10所示。电压与电流增量结果同单极接地故障，计算得到的瞬时功率小于整定值，符合判据要求。

图9 双端直流配电网单极接地故障仿真结果和计算结果曲线

图10 双端直流配电网双极短路故障仿真结果和计算结果曲线

4.2 故障区段判定

上述保护方案除了可以区分区内、外故障，还可以对区内故障进行故障区段的判定。文中将分别在Line3上进行单极接地故障与双极短路故障的仿真来验证上述故障区段判据的可靠性和有效性。

当单极接地故障发生在Line3上时，可分别对Line1、Line2和Line3进行分区段瞬时功率计算，计算结果如图11所示。

图11 各区段单极接地故障瞬时功率计算结果曲线

由图11所示可得，当Line3发生单极接地故障时，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line1与Line2的ΔP满足故障区段判据，因此可判定故障发生在Line3，故障区段判定结果如表1所示。

表1 Line3单极接地故障区段瞬时功率(ΔP)值

当双极短路故障发生在Line3上时，分别对Line1、Line2和Line3进行分区段瞬时功率计算，计算结果如图12所示。

图12 各区段双极短路故障瞬时功率计算结果曲线

同上述系统发生单极接地故障时，当Line3发生双极短路故障时，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line2与Line1的ΔP满足故障区段判据，因此可判定故障发生在Line3，故障区段判定结果同表1所示。

4.3 保护算法性能及对比分析

接地故障电流受过渡电阻影响较大，同时考虑到文中模型电压等级，因此通过设置不同过渡电阻值[21]，研究故障定位及保护方法在低过渡电阻故障下的可靠性。Line1、Line2和Line3上的瞬时功率计算结果如图13所示。

由图13可知，Line1和Line2的瞬时功率值随过渡电阻的增加而变小，但仍然大于整定值，可判定为非故障区段；而Line3的瞬时功率值随着过渡电阻的增加而变小，但仍然小于整定值，可判定为故障区段。

图13 各区段不同过渡电阻下瞬时功率值

表2为当单极接地故障发生在Line3时不同过渡电阻下故障区段的判定结果。为保证同步采集及计算结果的可靠性，采用第3次有效采样值。

表2 Line3故障时不同过渡电阻下瞬时功率值

由表2可得，随着过渡电阻逐渐增大，所提出故障定位及保护方法仍可以检测出故障区段，保护可靠且动作有效，验证了上述保护方法在低阻接地故障时仍具有有效性，且对过渡电阻具有一定的耐受能力。

5 结论

针对双端柔性直流配电系统，利用不同故障类型和不同故障位置所对应的瞬时功率特性不同，提出了一种基于瞬时功率特性的柔性直流配电网线路故障定位及保护方法；在PSCAD上进行大量仿真，进行区内、外故障及故障区段判定,保证了保护可靠性。仿真验证了所提出的保护方法能准确有效地实现故障判别，且抗过渡电阻能力较强。 该方法只需比较相邻区段保护安装处的瞬时功率值，原理简单，能大大降低对系统通信的要求，可为柔性直流配电网的安全运行提供有力保障。