柔性直流配网继电保护关键技术评述

韩笑，刘建婷，张益伟，梅雨菲，张森

(南京工程学院 江苏省主动配网重点建设实验室，南京 211100)

0 引 言

柔性直流配网(Flexible Distribution Network，FDN)在消纳分布式能源、提高能源利用效率和提升电能质量方面展现出交流配电所不具备的优势已成为学者的研究热点[1-5]。我国成功建成多个智能配电网示范工程，去年8月国网杭州市供电公司负责的首个智能直流配网在杭州江东新城通过运行考验，同年9月南网贵州电力科学研究院的五端直流配电示范工程已建成。由于直流配网存在工况和拓扑结构复杂多变、交直流互联、开环、闭环共存等现象，使得故障的随机特性、非线性特性增强、耦合因素增多，使得故障形式和保护配置相对复杂，使得保护的选择性难以保证。目前，直流配网中的故障主要分为交流系统侧、换流变压器、换流器、直流系统侧故障。与传统交流配网相比，直流配网需特别关注换流变压器、换流器、直流系统侧的故障[6]。换流变压器同常规电力变压器类似有本体保护，也配置各种主保护和后备保护。主要配置换流变压器及引线差动保护(简称大差保护)，换流变压器差动保护(简称小差保护)、绕组差动保护等。换流器在直流工程中起着整流、逆变的枢纽作用，是最为关键的元件之一。换流器区的故障类型主要包括：逆变器的换相失败故障、主接线回路短路、换流阀本体及其控制系统故障以及过电压、过电流等故障。根据保护原理的不同主要分为差动保护组、谐波保护组、触发保护组、电压、电流保护组和换流阀本体保护组等。由于柔性直流配网分支众多、线路短，据数据显示，线路故障约占整个直流系统故障总数的50%，是最主要的故障类型。常见的故障有双极短路故障、单极接地故障和断线故障。其中双极短路故障对系统危害最严重[7-10]。

传统保护原理的研究已接近极限，随着配网架构的日益复杂，对保护控制功能要求高，使得保护整定配合困难。应用配电物联网、移动通信技术、新一代人工智能等主流技术，给直流配网继电保护技术带来了挑战，文章将从配网故障与保护配置现状、故障电气量特征与保护原理、继电保护技术的发展趋势这三个层次介绍柔性直流配网继电保护技术的发展情况。

1 配网故障与保护配置现状

1.1 直流配网保护分区及主要故障

图1表示直流配网中常见的保护分区。

图1 柔性直流配网保护分区

其中，直流线路区、换流器区、换流变压器是柔性直流配网中的故障频发地。其对应的继电保护技术也是国内外专家的研究热点。文献[11]结合直流配电示范工程，研究了直流配网中的保护配置和线路故障定位方法，给出保护区域的划分方法，结合模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)及网络的故障特性，提出各保护分区的配置方案，并介绍了线路常见故障的保护配置和故障定位方法。在简单的直流配电系统中，单极接地故障是直流系统最常见的故障，多由绝缘老化、树枝接触或雷电造成的，不会引起持续性的过流，由于其故障传播速度快、影响范围广，已成为直流配电保护技术发展的瓶颈。换流器在直流工程中起着整流、逆变的枢纽作用，是最为重要的元件之一。阀桥复杂的接线方式和换相特性，使其故障形式和故障机理较复杂的多。换流器的保护原则是区内故障保护动作，区外故障保护不动作。区内故障指的是换流器本体和主接线回路的故障，换流器主接线回路短路故障指各个接线端间短路、载流元件、接线端对地短路，如图2中的直流侧对地短路f1、直流侧出口短路f2、阀短路故障f3、交流侧相间短路f4及单相接地短路f5。换流变压器是直流工程中的核心部件，连接于交流母线与换流器之间，与常规电力变压器相比，换流变压器的特殊点在于其短路阻抗大、直流偏磁严重、谐波含量高、有载调压分接头动作频繁[12-16]。

图2 换流器主接线回路故障点

1.2 保护配置现状

对线路双极故障常配置低压过流保护、电流差动保护，对线路单极接地故障常配置直流电压不平衡保护。为防止短路造成的阀过应力，就目前保护配置现状而言，主要配置阀组短路保护，可检测各个阀的短路、接地故障及换流变阀的相间短路故障。换相失败保护可有效检测交流电网扰动、其他异常换相条件造成的换相失败。谐波保护组首先通过检测线路中的谐波含量来实现故障的检测和保护。可保护换流器交流侧相间短路、相对地短路、阀短路。为防止电流过大，烧毁换流器，预防晶闸管的损坏，目前工程主要配置直流或交流过流保护。差动类保护通过换流变阀侧电流、换流器直流侧高压端及中性端电流差值的不同区分不同的故障类型。已有文献指出，一种保护类型可以保护不同类型的故障，针对某种故障的保护也可通过多种保护类型共同完成。在换流器区保护中，要根据实际情况选取部分保护协调配合，但需保证能够保护换流器区的所有故障类型，且每一故障都配置后备保护。

换流变压器保护配置和普通电力变压器类似，主要采用国内某公司的直流保护技术。三绕组换流变压器保护典型配置如图3所示。文献[17]的研究表明，采用S变换相位差及能量相对熵算法换流变零序差动保护新判据。该判据可准确识别区内与区外故障，不受故障类型和过渡电阻影响。文献[18]讨论故障位于不同电压等级换流桥及不同时刻阀桥通断情况的差异，解决了故障性涌流导致换流变区内故障时差动保护误闭锁问题，并提出一种新的防止差动保护误闭锁的解决方案。

图3 绕组换流变压器保护典型配置

2 故障电气量特征与保护方案

2.1 故障电气量特征

直流配网线路故障占据着整个直流系统故障总数的近一半，故国内外很多学者把研究重点放在线路故障的研究。单极接地故障发生后，故障极被钳位至零电位，受换流器子模块电容的支撑作用，健全极电压升高升高到故障前2倍。当线路发生双极短路时，故障电流迅速上升，通过故障点、直流线路、换流站上下桥臂形成回路。极易造成换流器闭锁、线路过流等严重后果[19]。以MMC为拓扑结构的换流器故障后，其拓扑等效为如图4、图5所示的电容放电、交流注入两阶段。

图4 电容放电阶段

图5 交流注入阶段

此阶段的等值电路可简化为二阶振荡电路，该动态过程对应的微分方程可表示为：

(1)

式中L0和L1分别为桥臂、直流线路电感；C0为子模块电容；Uc为等值电容两端电压；R1为直流线路电阻；Rf为故障点过渡电阻。考虑到电力电子装置耐受冲击电流能力差，文献[20]采用端口的本地保护与系统中各变换器协调控制配合，通过改变换流器的调制频率，将各端口换流器变为特征信号的注入源，利用特征信号进行计算与检测，形成直流线路保护，该原理简单可靠无需较高的采样频率。

为解决直流侧故障电流上升快、过流幅值大导致难以隔离这一现象，文献[21]从交流断路器、换流器和直流断路器为分类依据，总结各自适用的隔离措施及优缺点，通过搭建两电平电压源换流器(two-level Voltage Source Converter,two-level VSC)型和MMC的直流系统，对隔离方法进行仿真测试，为工程实际中隔离措施的配置提供理论依据。文献[22]从故障快速隔离、提高供电可靠性的角度出发，设计基于直流断路器和不基于直流断路器的故障保护方案。所提方案无需通信，能可靠实现故障识别。与传统的基于交流断路器的方案相比，在速动性和供电可靠性上均有较大改善。文献[23]为解决柔性直流输配电中的直流故障隔离问题，给出一种改进的DTSS(Double Thyristor Switch Scheme,DTSS)方案，通过投入桥臂串联电阻，弥补了DTSS在隔离速度、保护死区及交流侧过流等方面的缺陷，提高了故障隔离的效率、范围、速度。

作为交直流转换的枢纽，换流器的故障特性较为复杂，常见的故障有：阀短路、误开通、不开通及换相失败等。阀短路是换流器阀绝缘损坏或被短接造成的故障，是换流器最为严重的故障。由交流侧电动势产生的二相短路、三相短路电流幅值如式(2)所示。

(2)

式中E为换相线电压；Lr为换相电感；ω为角频率。整流器阀短路的主要特征是交流侧交替发生两相短路和三相短路。换流变压器是直流配电工程中的关键部件之一。可能出现的主要故障有：换流变压器内部相间短路故障、内部绕组匝间层间短路故障、内部绕组接地故障等，其故障分析与普通变压器故障分析类似。此外，励磁涌流、和应涌流和直流偏磁也是国内外学者的研究热点。励磁涌流的出现会导致换流变不能正常投入、差动保护误动作等后果，将引起换流变压器的直流偏磁，造成变压器过热及噪声的增大等严重后果。和应涌流影响着电流互感器的正常工作及变压器后备保护的可靠运行。直流偏磁可增加变压器的无功消耗，造成继电保护的误动。

2.2 直流线路保护

目前，直流线路发生故障，常用的直流保护有：低压过流保护、方向过流保护、直流过电压保护、直流电压不平衡保护、直流断线保护、直流低电压保护等。鉴于直流电网现有线路保护存在的问题，专家学者积极开展研究，取得了较为丰硕的成果。文献[24]以张北直流电网工程为背景，提出全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路单端量快速保护方案，该方案速动性好，采用电压梯度检测故障，借助限流电抗器对故障电压的平滑作用实现对故障区间的判别，具有较好的选择性和可靠性。文献[25]借助小波变换提取故障时刻高频暂态电压分量，根据区内外暂态能量差异识别故障，根据正负极电压变化差异给出故障极判据，设计包括故障启动、识别、选极、多次重合闸判据的线路保护方案。该方案无需借助通信、具有一定的耐过渡电阻和抗扰动能力。文献[26]针对MMC、电压源换流器共存的环状直流配网线路，提出借助附加电感电压的故障识别方法，先是给出模量网络故障后线路附加电感电压初始值的计算方法，再借助线路附加电感电压初始值在区内、区外故障的差异进行故障的迅速识别，最后通过比较故障极和健全极电感电压初始值的差异进行选极。文献[27]提出适用于新型多端柔直配网的线路保护方法。借助线路边界特性，通过小波变换提取区内、外故障的的暂态特征差异，并采用直流电抗器压降判据保证保护的方向性。文献[28]为解决现有纵联电流差动保护存在的问题，提出一种采用电流突变量夹角余弦值的纵联保护方法，借助线路两端电流突变量计算夹角余弦值进行区内、区外故障判断。该方法可靠性较高、不受分布电流的影响。由以上文献可知，现有的直流配网保护分为单端量保护和双端量保护。单端量保护虽然无需通信能实现迅速动作，但阈值整定较难。双端量保护虽避免单端量保护阈值整定，但对通信要求较高，保护速动性难以保证。

在简单的直流配网中，发生双极短路故障时常配置低压过流保护和差动保护。其中，低压过流保护判据如式(3)所示。

(3)

式中Ud,p和Ud,n分别直流线路正、负极电压；Id,p和Id,n分别为直流正、负极线路电流;Uset,s、Iset,s分别为动作电压、电流门槛值；KU为低压判据电压系数；KI过流判据电流系数; Δtset,LVOC为低压过流保护持续判断时间;IN为换流器直流侧额定电流。直流线路正负极分别安装电流差动保护,用于有选择性地识别直流线路区内外故障。保护判据为：

(4)

式中i1,i2分别为线路双侧电流瞬时值;K为制动系数,借鉴高压直流的经验,一般取0.5～0.8;Iop为最小动作门槛；Δtset,DIFF为电流差动保护持续判断时间。相比于其他保护而言，差动保护具有绝对的选择性，不易受故障严重程度、故障电阻及分布式电源的影响，但在直流配网中应用差动保护还存在一些挑战：如在规定时间内检测并隔离故障、电流变化率高的情况下的时间同步等问题。对于多分支、多节点的直流配网，线路保护配置有待于进一步研究。单极接地故障可能危害交直流系统的对地绝缘 ,依据电压偏移的故障特征,针对单极接地故障常配置直流电压不平衡保护。

文献[29]提出基于线路边界元件的新型快速方向纵联故障识别判据和故障选极判据，该保护方案可耐受过渡电阻，不受线路分布电容影响。文献[30]的研究表明，基于自适应白噪声的完备集成经验模态分解法能量熵对单极故障区域的检测是有效的。文献[31]采用行波保护、电压、电流突变量保护相结合的方式实现短路故障的快速定位，通过双端线路故障检测结果实现保护动作快速出口。文献[32]在文献[31]的基础上，把电流波形曲率作为曲率，提出适用于多端直流配网的暂态量线路保护。在借鉴传统的高压、柔性直流输电现有线路保护的基础上，研究兼具速动性和可靠性的线路保护是国内外专家的研究热点。对于线路保护，极间故障电阻小，对系统危害最为严重；单极接地的故障电阻受接地方式的影响，保护系统的设计需考虑接地方式的影响。文献[33]表明，基于行波的故障检测研究多用于双端和多端直流输电系统，行波保护在配网中的适用性还受到采样频率和设备投资等因素限制。

由于直流配网中电源众多、含有大量主电源、风电、光伏，系统各级阻抗无明显差异，同时系统运行方式复杂，这使得电流定值及延时整定配合困难。目前，行业的解决方案为主要为：分布式保护和集中式保护，分散布置的装置通过GOOSE通信，进行系统故障的识别及定位，集中布置的装置直接接入多间隔的模拟量，进行系统故障识别与定位。通过这两种工作模式的互相协作，进行系统故障识别及定位。

2.3 换流器区保护

针对换流器区的故障中的阀短路保护，就目前保护研究现状而言，采用的判据如(5)所示。正常情况下，流过Y桥和D桥交流连接线上的电流IacY和IacD应相等。当发生6脉桥换相失败、阀短路故障直流侧出口高压端、中性端对换流器中点短路等故障时，Y桥与D桥之间对称特性的消失，二者不再相等。利用交流连线电流这一故障特征可构成桥差保护，采用的判据如(6)所示。

(5)

(6)

式中Iac=max(IacY,IacD)；Iset为启动电流定值，每个时刻取IacY和IacD中的较大者，分别与IacY和IacD进行相减，两个差值中只要有一个大于保护定值，桥差保护动作。为减少直流系统的停运次数，桥差保护在逆变侧一般设置两段定值。文献[34]针对两电平换流器(VSC-MMC)系统换流器区内常见的IGBT贯穿故障，提出利用闭锁时刻的直流电压及闭锁后2个周期的三相交流电作为特征信号进行故障分类与定位的诊断，并确定区分故障类型的电压、电流诊断阈值。文献[35]的研究表明，基于小波奇异熵理论和相关向量机的诊断方法可快速、准确地对VSC-MTDC换流器进行诊断。该方法具有更高的诊断准确率和更短的诊断时间。文献[36]的研究表明S变换可提取故障信号低频段工频分量，采用遗传优化的二叉树多分类支持向量机实现故障类型的精准分类，可缩短了计算时间。文献[37]分析了换流阀闭锁保护策略下的电容放电阶段与闭锁阶段的等效电路，给出电容电压和电流的解析式，为解决换流站闭锁期间功率模块模块电容电压渐渐发散导致的交流断路器跳闸问题，提出一种FBMMC-HVDC的故障穿越控制保护策略。

2.4 换流变压器保护

换流变压器保护配置主要分为主保护和后备保护，主保护主要有比率差动、差动速断、零序比率差动等，后备保护包括过流、零序过流、过电压等。其中，比率制动式差动保护常采用两折线和三折线两种。可反映换流变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地故障短路及匝间短路等故障。两折线动作方程如下：

(7)

式中Iop为启动电流；Ires为制动电流；S为动作特性曲线中的斜率，一般取0.5，Iop.min为最小启动电流，Ires.0为拐点电流，取(0.8～1.0)Ie。Ie为换流变压器二次额定电流。引线差动保护是换流变压器引线故障的主保护，保护范围为引线电流互感器到网侧电流互感器之间的区域，检测换流变压器引线的相间及接地故障。文献[38]研究了故障性涌流的产生机理及其对差动保护的影响，根据故障时阀侧电流直流分量发生极性反转的特征，改进了换流变差动保护闭锁逻辑判据防止差动保护闭锁的解决方案。文献[39]采用相空间重构技术，提出基于零序电流相空间分布重心幅值变化特征的零序过电流保护闭锁新判据，该判据可应对换流变复杂涌流导致的零序过流保护误动。文献[40]结合南方电网频繁出现励磁涌流引起直流50 Hz保护动作事件，通过对比励磁涌流、和应涌流及故障电流波形特征差异，可很好的解决空投涌流造成的直流50 Hz保护误动。随着柔性直流输电技术的发展，配网换流变压器的保护技术将更加完善，降低励磁涌流、和应涌流、直流偏磁对保护可靠性的影响，有助于提升配网的安全性。

2.5 其它保护

除以上介绍的保护外，直流配网中，还存在着直流母线区保护、接地极线路区保护、交直流滤波器保护等保护。母线保护根据流过互感器的电流方向正负相反这一特征来区分区内、外故障，主要配置的保护有：高压直流母线差动、中性直流母线差动和直流后备差动保护。接地极线路区的作用是给直流电流提供回路通道和参考电位。交直流滤波器主要作用是限制系统中的谐波电流，配置的主保护是主要差动保护。作用借鉴传统的高压直流输电，为简化配网的保护配置，相同故障电气特征的不同故障类型可采用同一种保护类型，可简化直流系统的保护配置。

直流故障保护问题是直流电网的关键技术之一，文献[41]针对直流断路器应用于直流电网时的故障差异难以区分这一难题，提出了直流断路器附加电感的直流电网故障保护策略及电感值的选取方法。由附加电感电压和MMC直流侧电压组合的直流断路器动作判据，该判据参数由本地测量可得，具有不依赖异地信号实时通信的优点。所提的故障保护策略具有一定的“选择性”，对不同结构的直流电网具有良好的适应性。

与传统的交流配网相比，交流配网的保护技术已经成熟，柔性直流配网保护的研究停留在理论研究阶段，缺乏相关的标准和运行经验，远未达到工程应用要求，缺乏系统的保护体系。此外，还需考虑直流配网的拓扑结构、控制方式和保护标准的制定，在借鉴国内外实际工程经验，对直流配电系统的理论和工程应用做深入的完善与推广。我国的直流输电工程多采用三取二冗余配置，当一套保护故障时，剩下两个通道自动变成二取一。柔性直流配电技术保护配置应在借鉴直流输电技术的基础上兼具速动性和经济性，争取实现工程化应用。

3 继电保护技术发展趋势

3.1 配电物联网技术

作为泛在电力物联网的重要组成部分，配电物联网在直流配网中的主要应用有:故障预警、故障处理和用户服务。故障预警可根据配网设备故障前出现的早期信号，对异常设备进行快速定位；可根据配网电压等级的差异，采用不同的故障处理模式；通过对继电保护设备电子标签和二维码的自动识别，可实现数据贯通。通过图像智能识别及语音识别技术，可提高信息的交互能力，可实现保护设备的在线监测与历史数据的融合。

模块化多电平换流器作为柔性直流配电的关键设备，由于MMC中的子模块数量众多，造价昂贵，对桥臂电抗器、子模块状态的在线智能感知显得尤为重要。文献[42]利用输电系统中已布置的传感器，在不添加新的采集点条件下，针对传感器采集桥臂数据存在的测量噪声，引入卡尔曼滤波理论，在线性最小方差准则下，建立MMC子模块IGBT状态参数监测信息的数学模型，可得到各子模块IGBT的状态参数。桥臂电抗器承受多频电应力，可利用高频电磁波的折反射、轴向振动特性的分布及其多频损耗信息进行匝间绝缘故障定位和电抗器绝缘状态的感知。压接型高压IGBT可通过功率循环试验提取劣化特征量，通过结温与功率二者的迭代关系实时获取IGBT的结温，实现状态的感知。具有自愈特性的金属化膜型电容器，通过控制变量实时计算状态特征参数，可实现状态的感知。研究小型化、便于安装且造价低廉的新型传感器以及对传统传感器原理的改进也是主流的研究。对阀安装新型传感器，结合智能化终端技术可实现阀的设备全生命周期监测和管理，有利于直流配网的精准控制。

3.2 新一代人工智能技术

新一代的人工智能技术主要应用在配电线路的多目标监测与缺陷识别、线路故障特征的提取、气象灾害特征预警以及巡检机器人等方面。文献[43]介绍线路高阻接地故障时监测数据库的构建方法，从信号采集、特征提取以及分类器选取这三方面研究了人工智能在高阻接地故障识别上的应用。

通过采用智能校核技术，可自动分类直流配网线路故障时的真实故障数据和扰动数据，提高数据的准确性。通过新一代人工智能技术的应用，分析多源信息，还原事故过程，开展事故链的推演，实现事故全过程的复现，辅助保护人员查找保护死区、重叠区、不灵敏区、实现保护逻辑的定向优化。对线路故障案例进行深度挖掘，建立故障电气量信息库，根据故障特征，无需监督，提取故障信息，和故障信息库对比，识别故障类型，从而“对症下药”。结合传统的故障诊断模型，开发出基于“数据驱动+模型驱动”的新型故障诊断模型是配网保护技术的研究热点[44]。

3.3 一体化通信网络技术

随着5G技术的提出[45-46]，一体化的通信方式必然打破传统的网络边界，研究新型的保护安全防护体系迫在眉睫。如图6所示，目前，电力物联网常见的通信方式主要有RS-232串口、以太网、载波通信、3G/4G/5G等。

图6 电力物联网的通信方式

作为一种新兴通信方式的5G技术实现了配电物联网内部信息的综合，使得云技术实现从中央到边缘的变革，但大量的数据暴露在用户侧，更容易被入侵甚至攻击，引发的安全技术不容小觑。考虑多端直流配电系统中的故障特征和影响，建立合理的通信机制，实现兼具可靠性、经济性的直流配网保护配置方案，缩小故障影响区域、提高配网可靠性，是直流配网继电保护技术其迈向实用化的关键因素。在进行保护配置时，需优化不同区域保护之间的配合及保护定值，如直流母线、直流馈线、分布式电源等，以避免扩大停电范围。

基于包交换的通信容易扩展、配置，也是保护控制通信发展的趋势，但需要根据不同业务整体规划。保护与控制配合研究，开发广域信息保护系统、实现终端设备的即插即用、并与管理机进行交互；完成众多信息的传递，已成为直流配网保护技术发展的一大趋势。

4 结束语

文章主要对柔性直流配网继电保护的关键技术进行全面的梳理和总结。首先论述了直流配网中故障形式与保护配置、故障电气量特征与保护原理。最后探讨了配电物联网技术、新一代人工智能技术、移动通信技术等在继电保护技术中的发展趋势。随着5G等技术的提出，解决好速动性和可靠性二者间的矛盾、致力于保护新原理开发有望成为现实。同时，根据柔性直流配网规模、电源及负荷分布等情况,优化保护配置、降低整体投资成本，也是需要深入研究的课题之一。