柔性直流配电网电流微分保护的制动策略研究

李 珍，程 浩，马海潮，常懂懂，马顺青，马晓涛

（国网青海省电力公司海东供电公司，青海 海东 810600）

直流配电网的保护技术作为系统稳定运行的关键，目前的发展尚未完善[1-3]。作为主保护的电流微分保护，在选择性和可靠性方面均表现良好[4]，但微分算法本身，放大了高频含量[5]，当配电线路中干扰较多时，电流微分保护性能表现大打折扣[6]。

针对电流微分保护在柔性直流配电网中表现差的问题，有不少学者做出研究。文献[7]提取母线与线路故障类型的电气量判断依据，提出基于多层多点信息的直流配电系统保护方案，利用单端电流最大微分量区分本侧母线、本侧馈线、相邻母线和相邻馈线等故障类型，实现多端直流配电系统的故障定位，满足直流配网的可靠性要求，但其保护逻辑复杂、易受干扰的问题仍未解决；文献[8]提出了一种以负荷分支公共接入点为分界对直流线路进行区域划分，利用电流微分作为故障暂态特征量，实现故障的快速定位与隔离，在速动性方面具有一定的优势，但面对复杂的直流配电网络，总体性能也会受到影响。

为解决上述问题，本文提出一种以电流微分的模值为制动量的制动措施，改变了传统以某一定值为阈值的整定方式，以2个变量的大小关系进行故障判别，仅须要将动作量与制动量进行对比，逻辑简单、计算简便。制动量的应用极大地降低了整定值，大部分干扰量在判别计算中被减掉，增加了保护的抗干扰能力，使得保护总体性能提高，制动量也拉大了区内、外故障的差距，故障的判别更为简便。

1 直流配电网拓扑结构

本文所研究的柔性直流配电网拓扑结构如图1所示，以整流器为界限划分，该直流配电网模型包括整流侧交流区、逆变侧交流区和直流配电区[9]。其中，整流侧交流区的主要设备包括：整流侧交流电源、换流变压器、整流器MMC1（modulator multilevel converter）[10]。逆变侧交流区的主要设备包括：逆变侧交流电源、换流变压器，逆变器MMC2[11]。直流配电区主要设备包括：换流器、直流变压器、光伏发电厂[12-13]、风力发电厂、储能电站、交直流负荷及交直流微网[14]。

图1 柔性直流配电网拓扑结构

图1中：SYS1和SYS2分别为整流、逆变两侧交流电源；T1、T2分别为整流、逆变两侧换流变压器；B5、B6分别为整流、逆变两侧的交流母线；B1、B2、B3、B4分别为直流配电系统中的4条直流母线；L1、L2、L3分别为直流配电线路；UVSC（unidirectional voltage source converter）为单向电压源换流器，与母线B1相连，将直流电转换成交流电后，供交流负荷使用；UDCSST（unidirectional DCSST）[15]为单向直流固态变压器，与母线B2相连，将±10kV的直流电降至 ±400V ，为直流微网提供电能，同时将光伏发电厂并网；VSC（voltage source converter）为电压源换流器[16]，与母线B3相连，将风力发电厂并网，且将 ±10kV 的直流电变换为±10kV的交流电后，连接交流微网；DCSST（DC solid state transformer，DCSST）为直流固态变压器，连接储能装置与直流微网，将电压降至 ±400V 。

直流电没有趋肤效应的同时，也没有电容、电感效应，故将直流负荷等效为一个纯电阻元件[17]；交流电既有电阻效应，又有电容、电感效应，故将交流负荷和交流微网等效为一个电阻和电感的串联元件[18]。

2 故障特性分析

2.1 n侧母线区外故障特性分析

当线路n侧母线区外发生接地故障时，系统的故障分量网络如图2所示。

图2 n母线侧区外故障的故障分量网络

图2中：Rm、Lm为m侧母线区外系统等效电阻、电抗；Rn、Ln为n系统等效电阻、电抗；∆iφ(t)为m侧保护安装处的电流故障分量；∆uφ(t)为m侧保护安装处的电压故障分量；φ为正极或负极线路，正极用p、负极用q表示；r为线路的分布电阻、l为线路的分布电抗，则线路的等效电阻、电抗为分别为故障点到母线m的等效电阻和电抗；

对m侧系统阻抗、线路等效阻抗、故障点到母线m的等效阻抗、故障电压源构成的回路为列写KVL可得：

再对式（1）进行合并同类项、移项等，整理可得电流故障分量与故障电压、阻抗的关系为：

一般直流配电系统的系统阻抗远大于线路的分布阻抗，在系统阻抗上的分压也远大于线路分布阻抗上的分压，在进行电流微分量方向信息判别时，可忽略掉线路分布阻抗和故障点到母线n的等效阻抗上的分压。忽略掉电流的微分量可表示为：

由式（3）可知：uf(t)、Rm、 ∆iφ(t) 、Lm均为正值，则电流微分量的方向与电流故障分量的方向一致。再结合图2可知：当发生n侧母线区外故障时，电流微分量的方向为正。

2.2 m侧母线区外故障特性分析

同样，系统发生m侧母线区外故障时，故障分量网络如图3所示。

图3 m侧母线区外故障的故障分量网络

对故障电压源、故障点到母线n等效阻抗、线路分布阻抗、母线n侧系统等效阻抗所在回路列写KVL可得：

将式（4）合并同类项，整理可得电流的微分量为：

与n侧母线区外故障分析原理相同，忽略线路等效电阻、电抗，可得：

从式（6）可以看出：当发生m侧母线区外故障时，电流微分量的方向与电流故障分量的方向相反，为负值。与n侧母线区外故障相比，存在明显的差异，则利用此差距可区分m侧区外故障与n侧区外故障。

2.3 区内故障特性分析

当系统发生区内故障时，故障分量网络如图4所示。

图4 区内故障的故障分量网络

图4中：d表示故障点到母线m的距离，则故障点到母线m的等效阻抗为rd，到母线m的等效阻抗为r(D-d)。

对m侧系统阻抗、故障点到母线m的系统阻抗、故障电压源所在回路列写 KVL 可得：

理上式可得：

再忽略掉分布阻抗：

从式（9）中可以看出，决定电流微分量的除电流故障分量外，还有3个量，分别为：uf(t) 、Rm、Lm，其中，分母部分为正值，分子部分的方向由uf(t)和的大小关系决定。在区内故障的故障分量网络中，仅有一个电源，Rmiφ(t) 为uf(t) 在m侧系统电阻上的分压，必定小于uf(t) ，则式（9）中的分子部分也为正值，电流微分量的方向与电流故障分量的方向相同。

根据上述分析，n侧区外故障、m侧区外故障、保护区内故障在电流微分量方向上，表现出明显的差异，如表1所示。

表1 不同故障位置电流微分量的差异

根据表1可知： diφ(t)/dt的方向随故障位置变化，其模值不会变化。以 |diφ(t)/dt| 为制动量，则保护判据的表达式为：

将电流微分量与电流微分量的模值进行相加，发生m侧区外故障时，判别式的值接近于零，发生区内故障和n侧区外故障时，判别式的值接近于两倍的电流微分值。加入制动量后，拉大了m侧区外故障与n侧区外、区内故障的差异，使电流微分量的方向信息转变为两个更具差距的数值信息，增加了保护的可靠性。

根据上述电流微分量与电流微分量模值特性的分析，故障分量的使用，可以区分正常运行状态与故障状态，电流微分量的方向信息可以区分m侧区外故障与区内故障，制动量的使用增大了其故障差距。但依然无法区分区内故障，与n侧区外故障，则须要上下级线路保护的配合。

3 保护方案

3.1 保护分区

在直流配电网中，可分为整流器交流侧保护区、直流配电线路保护区、负荷保护区、换流器保护区和逆变器交流侧保护区，如图5所示。本文主要研究对直流配电线路的保护，即线路L1、L2、L3。

图5 直流配电网的保护分区图

图5中的箭头代表潮流的方向，从整流侧流入配电系统、从逆变侧流出，通过中间配电线路，供负荷使用。根据潮流的方向定义线路的上下级关系：在系统正常运行时，潮流始终从上级线路流向下级线路，即L2、L3为L1的下级线路，L3为L2的下级线路。

3.2 保护启动判据

任何系统都无法避免的存在干扰，电力系统最常见的干扰包括，高斯白噪声干扰、雷电波干扰、操作过电压干扰。为避免保护装置的频繁启动，一般设有保护启动判据。考虑到系统内存与保护计算时间的限制，选用该保护的中间量电流微分值作为启动判据：

式中： |dΔiφ(t)/dt|set为启动判据整定值。

3.3 保护配置

定义电流微分量为动作量，电流微分量的模值为制动量，可表示为：

式中：Iopφ为保护的动作量；Iresφ为保护的制动量。则保护的判据为动作量大于制动量：

该保护选择性的实现，须要上下级线路之间的配合，以线路L1为例，若检测到动作量大于制动量，则可确定故障位置在区内或m侧区外，若L1的下级线路L2检测到动作量小于制动量，则认为故障发生在线路L1区内，保护动作，反之，则须要将线路L3的信息反馈至L2，才能判别故障是否发生在L2区内。

3.4 保护逻辑流程图

线路L1的保护须要本线路互感器信息的同时，还须要L2的信息，同样，可根据线路L2和线路L3的信息甄别L2区内故障与L3区内故障，从单个线路的角度出发，具体故障判别流程如图6所示。

图6 保护逻辑流程图

4 仿真验证

在PSCAD软件里搭建柔性直流配电网模型，进行故障仿真，再将PSCAD的仿真数据导入MATLAB，进行保护算法的实现。

4.1 启动判据仿真

发生区内故障时，保护应灵敏、迅速启动，当线路L1发生区内故障时，保护的启动判据仿真结果如图7所示。

图7 保护启动判据仿真结果

图7中实线表示电流微分量，即动作量，虚线表示整定值。可以看出故障后，电流的微分量急剧增大，在0.4 ms时刻大于启动判据整定值，保护启动判据灵敏启动，符合对保护判据的要求。

4.2 区内故障仿真

图8中实线表示动作量，虚线表示制动量，下文皆如此。

图8 区内故障仿真结果

对于线路L1的保护安装处测量量，从图8(a)可以看出，动作量大于制动量，保护认为是本线路区内故障或下级线路区内故障。从图8(b)可以看出，线路L2的保护安装处测量量计算结果，制动量大于动作量，线路L2保护不动作，当线路L1接收到线路L2的判别信息后，认为是本线路区内发生故障，保护动作。

4.3 区外故障仿真

4.3.1n侧区外故障仿真

n侧区外发生故障后，保护特性如图9所示。可以看出，计算结果为制动量大于动作量，保护不动作。

图9 n侧区外故障时的仿真结果

4.3.2m侧区外故障仿真

m侧区外发生故障后，保护特性如图10所示。制动量大于动作量，保护不动作。

图10 m侧区外故障时的仿真结果

综上所述，该保护可以有效地区分区内、外故障，发生区内故障时可以灵敏快速地发出跳闸信号，发生区外故障后，通过上下级线路的保护配合，也能有效地防止保护的误动。

5 结束语

本文针对电流微分保护缺少有效制动措施的问题，提出一种带有制动能力的电流微分保护，以电流微分量的模值作为制动量，再通过上下级线路的配合，实现故障的甄别。

以电流微分量的模值制动，有效地拉大了区内外故障的区别，更有利于故障的甄别。

通过上下级线路的配合，使保护具有更高的可靠性。

启动判据利用主保护计算过程中的中间量，节省了计算内存和保护计算时间，提高了保护的速动性。

制动量的应用，改变了传统的以某一数值为阈值的整定方式，使保护拥有更高的灵敏性，更有利于发现高阻接地故障，也增强了保护的抗干扰能力。