基于電流變化率的多級(jí)直流配電饋線保護(hù)研究

孫原冰， 段建東， 周一

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

基于電流變化率的多級(jí)直流配電饋線保護(hù)研究

孫原冰， 段建東， 周一

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

線路保護(hù)技術(shù)不完善是目前制約直流配電網(wǎng)發(fā)展的重要因素之一。本文提出了一種可用于具有多級(jí)饋線的直流配電系統(tǒng)線路保護(hù)方案及其整定方法。利用不同故障位置下，直流電容放電電流變化率不同構(gòu)成了保護(hù)判據(jù)，并且在時(shí)序上將直流故障的發(fā)展過(guò)程分為了三個(gè)階段，根據(jù)每一階段的等效電路及故障電流的計(jì)算結(jié)果對(duì)保護(hù)進(jìn)行整定。在RT-LAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)該線路保護(hù)方案做了一系列性能測(cè)試。仿真結(jié)果表明，所提出的保護(hù)方案能夠與換流器保護(hù)形成配合，分辨故障是否發(fā)生在本級(jí)線路，保證直流斷路器的動(dòng)作具有選擇性，有效地保護(hù)直流配電線路。

直流配電系統(tǒng); 線路保護(hù); 整定方法; 直流斷路器

現(xiàn)存的直流輸配電系統(tǒng)更多的是作為不同地域間有源交流電網(wǎng)互相連接的橋梁，其自身并沒有形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。造成這種現(xiàn)狀的主要原因之一是直流系統(tǒng)的線路保護(hù)技術(shù)不夠完善。近幾年有學(xué)者提出在配電網(wǎng)等級(jí)上也進(jìn)行直流供電[1-3]，因此制定一套較為可行的線路保護(hù)方案對(duì)直流電網(wǎng)的發(fā)展就變得尤為重要。

針對(duì)該問題，各國(guó)學(xué)者展開了多方面研究。文獻(xiàn)[4][5]對(duì)基于電壓源型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究，為直流短路故障分析提供了參考。目前多端柔性直流輸電系統(tǒng)一般采用常規(guī)交流斷路器代替直流斷路器，通過(guò)與換流站控制系統(tǒng)或直流側(cè)隔離開關(guān)相配合隔離來(lái)故障線路[6-7]，但是可能造成故障后整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)，此類保護(hù)方案僅適用于連接有源交流網(wǎng)絡(luò)的多端直流系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8][9]討論了基于VSC的艦船直流配電系統(tǒng)的保護(hù)與重構(gòu)方案，可保證系統(tǒng)非故障部分正常運(yùn)行，但是艦船直流配電多配置冗余的供電線路，其保護(hù)模式不可直接應(yīng)用于配電網(wǎng)饋線。文獻(xiàn)[10][11]討論了直流微網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)，基于此，文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了輻射狀直流配電饋線的保護(hù)，但其較少涉及供電線路故障的定量分析與保護(hù)動(dòng)作閾值的整定計(jì)算。文獻(xiàn)[13][14]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外直流電網(wǎng)線路保護(hù)技術(shù)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

本文通過(guò)對(duì)直流故障的分析，結(jié)合傳統(tǒng)三段式保護(hù)的思想，提出了一種適用于具有多級(jí)線路的直流配電系統(tǒng)的線路保護(hù)方案。最后本文給出某一測(cè)試系統(tǒng)的整定算例，并在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RT-LAB上對(duì)該保護(hù)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 多級(jí)直流配電饋線的保護(hù)思想

對(duì)于多級(jí)配電饋線保護(hù)，最基本的要求是：1)對(duì)于本級(jí)饋線故障要可靠動(dòng)作；2)對(duì)于其他饋線故障要可靠不動(dòng)作。

1.1 多級(jí)直流饋線保護(hù)原理

直流配電系統(tǒng)中電源側(cè)使用的電壓源型換流器或電力電子變壓器中含有電力電子開關(guān)器件。為了防止這些開關(guān)器件被故障電流擊穿，電源端換流器本身具有閉鎖功能，在故障后會(huì)及時(shí)切斷供電電源。

根據(jù)直流配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，直流饋線可能發(fā)生的故障類型有極間短路、極線接地、極線與中性線短路。但是在這三種類型的故障中，僅憑換流器本身的閉鎖均不能阻止電源端換流器及負(fù)荷換流器的直流電容向故障點(diǎn)放電。為防止負(fù)荷換流器直流電容放電，需在其進(jìn)線端裝設(shè)二極管，而電源端換流器為保證潮流雙向流通能力，一般不設(shè)二極管。因此，可以通過(guò)檢測(cè)電源端換流器直流電容的放電電流來(lái)判斷直流饋線的故障情況。當(dāng)故障位于饋線不同區(qū)段時(shí)，該放電電流的變化率存在很大差異，因此利用這個(gè)信息可以判斷故障位置，切斷配電饋線的故障部分，從而構(gòu)成饋線主保護(hù)。

1.2 多級(jí)直流饋線保護(hù)配置

圖1是一個(gè)由三級(jí)直流饋線組成的放射狀配電系統(tǒng)，分別稱為Cable A、Cable B、Cable C，線路保護(hù)及直流斷路器分別配置在各級(jí)饋線首端，按順序命名為A、B、C。各級(jí)保護(hù)由兩段組成，其中保護(hù)I段為無(wú)延時(shí)動(dòng)作，考慮到保護(hù)整定的可靠系數(shù)，I段的實(shí)際保護(hù)范圍有限。于是設(shè)置延時(shí)動(dòng)作的保護(hù)II段，其保護(hù)范圍延伸至下一級(jí)線路。下面舉例說(shuō)明：

此外，除了電流變化率保護(hù)作為饋線主保護(hù)，還應(yīng)設(shè)置定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)作為近后備，防止主保護(hù)拒動(dòng)。而換流器或電力電子變壓器保護(hù)則可作為整個(gè)饋線保護(hù)的遠(yuǎn)后備。

2 直流配電饋線故障分析與計(jì)算

一般情況下，交流電源到換流器之間裝有變壓器、換流電抗、濾波器等元件，故障分析時(shí)應(yīng)考慮。本文以極間短路為例(下文所述“故障”均指極間短路)，對(duì)直流饋線故障電流進(jìn)行計(jì)算。在雙極直流配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的極線接地和極線與中性線短路，也可以采用類似的方法進(jìn)行分析。

從時(shí)間順序上，可以將整個(gè)故障發(fā)展過(guò)程可分為3個(gè)階段：1)換流器保護(hù)動(dòng)作階段；2)電容放電階段；3)線路電感續(xù)流階段。下面對(duì)各個(gè)故障階段進(jìn)行分析，以便于保護(hù)動(dòng)作閾值整定。

2.1 換流器保護(hù)動(dòng)作階段

此階段以故障發(fā)生時(shí)刻t0為始，以換流器保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻t1為止。忽略線路對(duì)地電容，則該階段內(nèi)直流系統(tǒng)等效電路如圖2所示。

圖2中R1、L1為電源等效阻抗，包括換流電抗、開關(guān)管電阻等。R2、L2為直流線路等效電阻、電感。i(t0)為故障前的負(fù)荷電流，udc為無(wú)窮大電壓源，其值等于換流器直流電壓參考值，uc(t)為直流電容電壓，即直流系統(tǒng)的實(shí)際電壓，ic為電容電流，idc為電源提供的故障電流，icable為線路上的故障電流。故障發(fā)生時(shí)，相當(dāng)于電路右側(cè)的故障支路導(dǎo)通，因此該階段內(nèi)故障電流的變化情況即為icable的全響應(yīng)。

設(shè)故障電阻為Rf，由圖2所示電路可列出式(1)。求解該式，即可得出本階段內(nèi)線路故障電流的解析表達(dá)式icable(t)，進(jìn)而得到其變化率。

(1)

2.2 直流電容放電階段

此階段內(nèi)由于電源被切斷，因此故障電流僅由直流電容提供，此時(shí)直流系統(tǒng)等效電路如圖3所示。

此時(shí)線路故障電流的變化情況即為icable的零輸入響應(yīng)，icable的初值i(t1)等于上一階段icable的終值，uc(t)的初值等于上一階段uc(t)的終值。設(shè)故障電阻為Rf，由圖3可得式(2)。通過(guò)求解式(2)，即可得出本階段內(nèi)線路故障電流的解析表達(dá)式icable(t)，進(jìn)而得到其變化率。

(2)

2.3 線路電感續(xù)流階段

當(dāng)直流電容放電完畢，即電容電壓降為零時(shí)，進(jìn)入線路電感續(xù)流階段。該階段一直持續(xù)到線路電流降為零為止。設(shè)直流電容電壓降為零的時(shí)刻為t2，則此階段內(nèi)直流系統(tǒng)等效電路如圖4。

圖4中ivd為流過(guò)反并聯(lián)二極管的續(xù)流電流，此時(shí)線路故障電流的變化情況即為icable的零輸入響應(yīng)。icable的初值i(t2)等于上一階段icable的終值。設(shè)故障電阻為Rf，由圖4可得下式：

(3)

通過(guò)求解式(3)，即可得出本階段內(nèi)線路故障電流的解析表達(dá)式icable(t)，進(jìn)而得到其變化率。

3 多級(jí)直流配電饋線保護(hù)整定及總體方案

根據(jù)上一節(jié)得出的直流線路故障電流計(jì)算方法，本節(jié)說(shuō)明基于電流變化率的多級(jí)直流配電線路保護(hù)的動(dòng)作閾值的整定及總體方案的設(shè)計(jì)。

3.1 保護(hù)動(dòng)作閾值的整定方法

(4)

其中Δi為保護(hù)測(cè)得的采樣間隔內(nèi)的電流增量，則保護(hù)I段動(dòng)作條件為：

(5)

式(5)中T1是直流斷路器固有動(dòng)作時(shí)間。相應(yīng)地，保護(hù)II段動(dòng)作條件為：

(6)

式(6)中T2為本級(jí)保護(hù)II段相對(duì)于下一級(jí)保護(hù)I段的動(dòng)作延遲時(shí)間。

3.2 直流配電饋線保護(hù)的總體方案

結(jié)合前文所闡述的對(duì)保護(hù)思想以及對(duì)直流配電饋線故障電流變化過(guò)程的定量分析，可以設(shè)計(jì)出保護(hù)總體方案及動(dòng)作流程如圖5所示。

由于電源端的換流器或電力電子變壓器具有通信功能，所以在直流斷路器斷開后，保護(hù)裝置應(yīng)發(fā)重啟信息給電源端換流器。電源端換流器收到重啟信息或等待一段固定延時(shí)后重新啟動(dòng)。

4 測(cè)試系統(tǒng)及其定值計(jì)算

以圖1作為測(cè)試系統(tǒng)，其中電源端換流器控制直流網(wǎng)絡(luò)的電壓，而負(fù)荷端換流器控制負(fù)載電壓。設(shè)直流電壓udc為750 V；三級(jí)線路參數(shù)相同，線路電阻和線路電感分別為R=0.12 Ω/km，L=1.3 mH/km，每級(jí)線路長(zhǎng)度l=0.3 km，每級(jí)線路各帶負(fù)荷100 kW；直流電容C=0.007F，換流器保護(hù)動(dòng)作閾值為600 A，故障過(guò)渡電阻Rf=1 Ω。若第一級(jí)饋線Cable A末端0.3 km處發(fā)生金屬性故障，則根據(jù)2.1節(jié)描述的故障電流計(jì)算方法得到電容放電階段電流波形與Simulink仿真軟件的仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

由圖6可知，直流電容放電電流計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果相差不大。于是進(jìn)一步得到各級(jí)饋線末端故障時(shí)，電容放電階段電流波形及其變化率波形，分別如圖7(a)和圖7(b)。

5 仿真測(cè)試

本節(jié)利用RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，在上一節(jié)所述系統(tǒng)中對(duì)電流變化率保護(hù)進(jìn)行幾種故障情況下的仿真測(cè)試，以考察其性能。

另外，由于混合式斷路器是直流斷路器未來(lái)的發(fā)展方向，它很可能成為直流配電網(wǎng)的主要開關(guān)元件。這類斷路器是以全控型半導(dǎo)體器件作為關(guān)斷支路[15]。因此本文用可關(guān)斷開關(guān)管模擬直流斷路器關(guān)斷過(guò)程，且在仿真中為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加入一段固有延時(shí)，以表征斷路器動(dòng)作時(shí)間。

5.1 典型故障仿真

假設(shè)第三級(jí)饋線(Cable C)0.15 km處在t=1 s時(shí)發(fā)生金屬性故障，按照本文描述的保護(hù)方案，設(shè)電源端VSC換流器在t=1.05 s時(shí)重啟，則各級(jí)饋線電流波形如圖8(a)所示；各級(jí)饋線保護(hù)發(fā)出的斷路器控制信號(hào)如圖8(b)所示(0代表分?jǐn)啵?代表閉合)；切斷過(guò)程中各級(jí)電路電流如圖8(c)所示。

由圖8可知，當(dāng)t=1 s Cable C發(fā)生故障后，保護(hù)C經(jīng)過(guò)判斷后，于t=1.005 s對(duì)斷路器發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)，切斷了故障電流。其他饋線的保護(hù)裝置并未發(fā)出分?jǐn)嘈盘?hào)，說(shuō)明該保護(hù)方案可以快速判斷并有選擇性地切除故障線路，保證系統(tǒng)無(wú)故障部分繼續(xù)運(yùn)行。

5.2 其他故障仿真

對(duì)本文所描述的主保護(hù)進(jìn)行大量仿真測(cè)試。設(shè)故障發(fā)生在t=1 s，在不同過(guò)渡電阻、不同故障位置情況下，各級(jí)饋線保護(hù)的動(dòng)作情況如表2所示，其中故障距離是指電源端換流器到故障點(diǎn)的距離，“-”表示該保護(hù)未動(dòng)作。

由表2中Rf=0.1 Ω的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)故障發(fā)生在各級(jí)饋線末端時(shí)，由本級(jí)保護(hù)II段延時(shí)動(dòng)作切除故障，而當(dāng)故障發(fā)生在各級(jí)饋線首端時(shí)，本級(jí)保護(hù)I段經(jīng)過(guò)判斷會(huì)先于上一級(jí)保護(hù)的II段發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，防止上一級(jí)保護(hù)誤動(dòng)。

另外，當(dāng)Rf=1 Ω時(shí)，各保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間晚于Rf=0.1 Ω，這是因?yàn)楫?dāng)過(guò)渡電阻增大后，故障電流的變化率變小，使故障電流到達(dá)保護(hù)啟動(dòng)電流的時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)Rf=3 Ω時(shí)，某些饋線的電流變化率保護(hù)未能正確動(dòng)作，這是因?yàn)楸?中整定值是按Rf=1 Ω的條件計(jì)算得出，當(dāng)過(guò)渡電阻超過(guò)整定條件時(shí)，電流變化率保護(hù)的范圍將縮小。這時(shí)在直流饋線保護(hù)的整體方案中，就需要依靠后備保護(hù)或絕緣監(jiān)察裝置加以彌補(bǔ)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以直流饋線短路故障后，直流電容放電電流變化率為判據(jù)，描述了直流配電系統(tǒng)饋線保護(hù)的整體方案及其動(dòng)作閾值整定方法。并利用RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上對(duì)所提出的保護(hù)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該保護(hù)方案可在不依賴長(zhǎng)距離通信的前提下，能夠快速、可靠、有選擇性的切除故障線路，且保護(hù)原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

[1]王丹, 毛承雄, 陸繼明, 等. 直流配電系統(tǒng)技術(shù)分析及設(shè)計(jì)構(gòu)想[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013, 37(8): 82-88.

Wang Dan, Mao Chengxiong, Lu Jiming, et al. Technical analysis and design concept of DC distribution system[J].Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(8): 82-88.

[2]江道灼, 鄭歡. 直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(8): 98-104

Jiang Daozhuo, Zheng Huan. Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8): 98104.

[3]宋強(qiáng), 趙彪, 劉文華, 等. 智能直流配電網(wǎng)研究綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(25): 9-19.

Song Qiang, Zhao Biao, Liu Wenhua, et al. An overview of research on smart DC distribution power network[J].Proceedings of CSEE, 2013, 33(25): 9-19.

[4]Rafferty J, Morrow D J, Xu L. Analysis of VSC-based HVDC system under DC faults[C]//39th Annual Conference of the IEEE,Vienna, 2013:459-464.

[5]Yang J, Fletcher J E, O'Reilly J. Short-circuit and ground fault analyses and location in VSC-based DC network cables[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(10): 3827-3837.

[6]許烽, 徐政, 傅闖. 多端直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障的控制保護(hù)策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(6): 74-78.

Xu Feng, Xu Zheng, Fu Chuang. A control and protection scheme of muti-terminal DC power system for DC line fault[J].Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(6): 74-78.

[7]Tang L, Ooi B T. Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(3): 1877-1884.

[8]Cuzner R M, Sielicki T, Archibald A E, et al.Management of ground faults in an ungrounded multi-terminal zonal DC distribution system with auctioneered loads[C]//IEEE Electric Ship Technologies Symposium, Virginia, 2011:300-305.

[9]賀天元. 直流區(qū)域配電系統(tǒng)的保護(hù)方法[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(6): 25-28.

He Tianyuan. Protection method of DC zonal power distribution systems[J].Marine Electric and Electronic Engineering, 2011, 31(6): 25-28.

[10]Corzine K. DC micro grid protection with the z-source breaker[C]//39th Annual Conference of the IEEE,Vienna, 2013:2197-2204.

[11]Salomonsson D, Soder L, Sannino A. Protection of low-voltage DC microgrids[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(3): 1045-1053.

[12]Salonen P, Nuutinen P, Peltoniemi P, et al. Protection scheme for an LVDC distribution system[C]//20th International conference on electricity distribution, Prague, 2009:1-4.

[13]薛士敏, 陳超超, 金毅,等. 直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(19):3114-3122

Xue Shimin, Chen Chaochao, Jin Yi, et al. A Researchreview of protection technology for DC distribution system[J]. Proceedings of CSEE, 2014,34(19):3114-3122.

[14]胡競(jìng)競(jìng), 徐習(xí)東, 裘鵬,等. 直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(4):844-851.

Hu Jingjing, Xu Xidong, Qiu Peng, et al. A Review ofthe protection methods in DC distribution system[J]. Power System Technology, 2014, 38(4):844-851.

[15]江道灼, 張弛, 鄭歡,等. 一種限流式混合直流斷路器方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2014, 38(4):65-71.

Jiang Daozhuo, Zhang Chi, Zheng Huan, et al. A scheme for current-limiting hybrid DC circuit breaker[J].Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(4): 65-71.

(責(zé)任編輯 楊小麗)

Lineprotection scheme for multistage DC power distribution system based on current changing rate

SUN Yuanbing, DUAN Jiandong, ZHOU Yi

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The imperfection of line protection technology is one of factors restricting the development of DC distribution network. This paper proposes a line protection scheme and its setting method which can be used in DC distribution network with multiple lines. Under the different fault locations leading to different DC capacitor current rate increase the operating conditions of line protection are formed. The process of DC fault occurs in DC lines is divided into three stages and analyzed in detail. For each stage, the equivalent circuit of the system and the calculation method of DC fault current are set and the action threshold is determined according to the result of fault analysis. Finally, a series of performance tests of the proposed line protection scheme is carried out by RT-LAB experimental platform. The simulation results show that the proposed protection method can cooperate with a converter protection. It can distinguish whether the fault occurred in protected zone, and ensure the selectivity of DC circuit breaker to protect the DC distribution line effectively.

DC distribution system; line protection; setting method; DC circuit breaker

1006-4710(2015)02-0214-06

2014-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50707026)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014JM7255)。

孫原冰，男，碩士生，研究方向?yàn)橹绷髋潆?。E-mail：seeleno7@126.com。

段建東，男，教授，博士，研究方向?yàn)樾滦屠^電保護(hù)、分布式供能電網(wǎng)、智能電網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)。 E-mail：duanjd@xaut.edu.cn。

TM773

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