柔性直流配電網(wǎng)故障識別與隔離策略綜述

戴志輝，葛紅波，Peter Crossley，王增平

(1. 華北電力大學(xué) 河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；2. 曼徹斯特大學(xué)電 氣與電子工程學(xué)院，英國 曼徹斯特，M13 9PL)

柔性直流配電網(wǎng)故障識別與隔離策略綜述

戴志輝1，葛紅波1，Peter Crossley2，王增平1

(1. 華北電力大學(xué) 河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；2. 曼徹斯特大學(xué)電 氣與電子工程學(xué)院，英國 曼徹斯特，M13 9PL)

隨著技術(shù)的發(fā)展，柔性直流配電網(wǎng)將成為智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，但保護(hù)技術(shù)的不成熟一定程度上限制了其應(yīng)用。結(jié)合國內(nèi)外對其保護(hù)技術(shù)相關(guān)方面的研究做了以下工作：首先，簡述了柔性直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備VSC換流器和直流變壓器的控制策略，分析了適用于柔性直流配電系統(tǒng)的多端協(xié)調(diào)控制策略。然后，介紹了系統(tǒng)交流側(cè)不對稱故障和直流側(cè)單極接地與極間短路情況下的故障特征，并分析了系統(tǒng)接地方式對故障特性的影響。隨后，對其故障隔離手段和故障檢測、識別原理進(jìn)行了綜述，簡要分析了各種原理的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，列舉了柔性直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)所要重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題。

柔性直流配電網(wǎng)；故障檢測；故障隔離；繼電保護(hù)；直流斷路器

0 引 言

柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電，然而，在中低壓等級的配電網(wǎng)領(lǐng)域，直流供電系統(tǒng)還僅僅應(yīng)用于一些工業(yè)園區(qū)、軌道交通牽引供電系統(tǒng)、飛機(jī)和艦船供電系統(tǒng)[1]等，尚未廣泛應(yīng)用于城市供電系統(tǒng)。柔性直流配電網(wǎng)(Flexible DC power distribution networks，F(xiàn)DCPDN)的中壓直流系統(tǒng)通過電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)和交流側(cè)主電網(wǎng)連接，負(fù)荷和分布式電源則可以通過相應(yīng)的逆變器或直流變壓器(DC Transformer，DCT)與中壓直流系統(tǒng)相連接。相對于柔性直流輸電，柔性直流配電網(wǎng)：1)電壓等級更低，且在一個系統(tǒng)中可能有多個直流電壓等級，需要功率可以雙向流動的直流變壓器；2)涉及分布式電源、儲能設(shè)備、直流負(fù)荷、直流變壓器、充電站等源-網(wǎng)-儲-荷設(shè)備和系統(tǒng)；3)柔性直流配電系統(tǒng)有多種運(yùn)行方式，控制和保護(hù)策略均應(yīng)隨之改變。

相比交流配電系統(tǒng)，將柔性直流配電技術(shù)應(yīng)用于城市供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

(1)柔性直流配網(wǎng)可節(jié)省線路投資，具有電能質(zhì)量高、傳輸容量大、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單和電能損耗低等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

(2)在分布式電源和直流負(fù)荷接入時可減少一級功率變換，從而提高配電系統(tǒng)的供電效率[5]。

(3)適應(yīng)智能配電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要。柔性直流配電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)功率的靈活控制，用戶、售電商和電網(wǎng)企業(yè)可受益于其可控性和靈活性。

柔性直流配電網(wǎng)被認(rèn)為將會替代交流配電網(wǎng)，成為配電網(wǎng)的主要形式[6]。目前在美國、日本、歐洲和我國深圳等地有小范圍應(yīng)用。當(dāng)然，柔性直流配電系統(tǒng)的應(yīng)用仍然面臨著許多問題。其中，直流故障檢測、識別和隔離技術(shù)關(guān)系到柔性直流配網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。由于柔性直流配電系統(tǒng)的設(shè)備較多，運(yùn)行方式多變，故障特性受系統(tǒng)拓?fù)?、故障類型和故障地點(diǎn)等因素影響而呈現(xiàn)復(fù)雜的多態(tài)特征，給保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和配合帶來了很大困難。當(dāng)前，柔性直流配電保護(hù)系統(tǒng)仍缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需要繼續(xù)深入研究。

本文結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對柔性直流配電系統(tǒng)的研究，總結(jié)了柔性直流配電系統(tǒng)的控制策略和故障特性的研究狀況，分析了隔離直流故障的方法，并對其故障檢測、識別原理進(jìn)行了綜述，最后列舉出了柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)研究所面臨的挑戰(zhàn)。

1 柔性直流配電網(wǎng)及其控制策略

在直流電網(wǎng)中，故障特性、保護(hù)配置與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼白兞髌鞯目刂撇呗跃o密相關(guān)，因此，首先對其關(guān)鍵設(shè)備和多端協(xié)調(diào)控制方式做簡要總結(jié)。

柔性直流配電網(wǎng)中含有大量的換流器，由于其不能承受過高的電壓和電流，其本身也需要配置保護(hù)，因此在對柔性直流配電系統(tǒng)配置保護(hù)時，需要考慮系統(tǒng)保護(hù)和換流器自身保護(hù)的配合。柔性直流配電網(wǎng)的故障特性會受到系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，因此，研究柔性直流配網(wǎng)的控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)保護(hù)技術(shù)的一部分。

1.1 換流器控制

柔性直流配電網(wǎng)中的換流器有兩大類型，即VSC換流器和直流變壓器(DC Transformer，DCT)。

目前應(yīng)用較為廣泛的VSC換流器控制方法主要采用了基于比例積分(Proportional Integral，PI)調(diào)節(jié)器的電壓、電流雙閉環(huán)解耦的直接電流控制控制，文獻(xiàn)[7]給出了PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。根據(jù)外環(huán)控制對象的不同可將換流器級控制包含定直流電壓控制、定功率控制、定交流電壓控制。

DCT在直流配網(wǎng)中起著連接不同電壓等級直流系統(tǒng)的作用，當(dāng)前較為認(rèn)可的DCT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為雙有源橋(Dual Active Bridge, DAB)DC/DC變換器[8-10]，在柔性直流配電網(wǎng)中，DCT高壓側(cè)電壓由其所連接的中高壓直流母線提供，控制其低壓側(cè)電壓即可。基于DAB的DCT的典型的控制方法為移相控制，根據(jù)控制變量的多少，主要分為單移相控制[11]、雙移相控制[12,13]和三移相控制[14,15]，隨著控制變量的增多，其控制越靈活，越能夠降低變換器損耗，功率調(diào)節(jié)范圍越大，同時實(shí)現(xiàn)起來愈加復(fù)雜。

1.2 多端協(xié)調(diào)控制

目前對柔性直流配電網(wǎng)的控制策略多參考于柔性直流輸電系統(tǒng)，尚無成熟的直流配電網(wǎng)多端協(xié)調(diào)控制策略。多端直流輸電多端協(xié)調(diào)控制主要分為主從控制、電壓下垂控制和電壓裕度控制，目前已有文獻(xiàn)對主從控制在直流配網(wǎng)的應(yīng)用做了研究。

文獻(xiàn)[16]分析了基于主從控制策略的系統(tǒng)運(yùn)行切換策略，正常運(yùn)行時主站控制直流電壓，從站控制功率傳輸，故障時在故障隔離后通過切換系統(tǒng)運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)非故障區(qū)域的不間斷供電。文獻(xiàn)[17]對從站采用了一種新型的P-U-I 控制器，解決了系統(tǒng)在運(yùn)行方式變化時復(fù)雜的模式切換問題，降低了系統(tǒng)對監(jiān)測、通信和控制的要求，實(shí)現(xiàn)了VSC 工作模式的無縫切換。

2 柔性直流配網(wǎng)的故障特征

本文以交流側(cè)不對稱故障和直流側(cè)單極接地、極間短路故障為例展開分析。

2.1 換流器交流側(cè)不對稱故障

若故障后換流器不閉鎖，當(dāng)VSC換流器交流側(cè)發(fā)生不對稱故障時，換流器交流出口處故障的零序分量通過直流電容的接地支路形成通路，不對稱故障產(chǎn)生的零序分量會導(dǎo)致直流正負(fù)極電容電壓出現(xiàn)基頻共模波動現(xiàn)象[18,19]，負(fù)序分量會在直流側(cè)引入二次諧波。為抑制該現(xiàn)象，文獻(xiàn)[20]分析了電容中點(diǎn)經(jīng)大電阻接地的方法，表明可以使交流側(cè)發(fā)生不對稱故障后仍能保持正負(fù)極電容上電壓穩(wěn)定，故障切除后可快速恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

若故障后換流器閉鎖，故障特性與換流變壓器的接地方式有關(guān)。若換流變壓器閥側(cè)不接地，則直流側(cè)會產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象；若換流變壓器閥側(cè)接地，則直流側(cè)不會產(chǎn)生過電壓現(xiàn)象[21]。

2.2 VSC換流器直流側(cè)故障

VSC換流器直流側(cè)故障可以劃分為單極接地故障、極間短路故障和斷線故障，本文主要考慮短路故障。

2.2.1 直流側(cè)單極接地故障

直流線路單極接地故障是直流系統(tǒng)最為常見的故障，多是由于線路絕緣老化問題造成，但是其對系統(tǒng)所造成的危害遠(yuǎn)不及兩極短路故障[22,23]。

若故障后IGBT立即閉鎖，故障經(jīng)歷三個過程，分別是“電容放電階段”、“電網(wǎng)饋入階段”和“穩(wěn)定狀態(tài)”[24]，其中第二階段會使得二極管產(chǎn)生過流現(xiàn)象，若不及時隔離故障，會造成二極管損壞。

若故障后IGBT不閉鎖，系統(tǒng)故障特性與換流變壓器的接地方式有關(guān)。當(dāng)換流變壓器閥側(cè)不接地，且直流電容中點(diǎn)接地時，直流線路單極接地故障后，故障極的電容迅速放電，該極電壓趨向于零，同時會有較大的故障電流，而非故障極的電容電壓則會在直流電壓控制系統(tǒng)的作用下上升到原來的2倍[23]，但是當(dāng)故障清除后，由于直流電容沒有充放電回路，直流線路的不平衡電壓無法恢復(fù)。當(dāng)直流系統(tǒng)采用某一極接地，例如負(fù)極接地時，則正極接地故障等效于極間短路，而負(fù)極接地故障則對系統(tǒng)運(yùn)行沒有影響，這時換流變壓器的接地方式不會對其故障特性造成影響；當(dāng)直流系統(tǒng)和換流變壓器均不接地時，單極故障電流只能通過線路的雜散電容形成通路[23]，故障電流很小，但在正常運(yùn)行時，其直流正負(fù)極電壓是未知的，且故障后不平衡電壓同樣無法恢復(fù)；而換流變壓器閥側(cè)中性點(diǎn)接地時，直流接地故障發(fā)生后，變壓器接地點(diǎn)和故障接地點(diǎn)通過換流器形成放電回路，此時故障特性與故障電阻有很大的關(guān)系，在故障清除后，直流正負(fù)極電壓都能夠恢復(fù)至正常水平[25]。

文獻(xiàn)[19,26]的研究表明，直流側(cè)單極接地故障對交流側(cè)也會造成影響，例如在換流變壓器經(jīng)電阻接地的情況下，單極接地故障使得交流側(cè)電壓出現(xiàn)零序偏置的現(xiàn)象，使得交流側(cè)會路出現(xiàn)了零序電流分量。不同接地方式下直流側(cè)單極故障對交流系統(tǒng)的影響仍需進(jìn)一步研究。

若系統(tǒng)采用MMC換流器情況則有所不一樣。由于MMC換流器直流側(cè)正負(fù)極通常經(jīng)大電阻接地，在換流器發(fā)生單極接地故障時，其子模塊電容不存在與故障點(diǎn)的放電通路，電容電壓基本保持不變，這時故障極電壓變?yōu)榱?，而非故障極電壓上升1倍。極間電壓保持不變不影響功率傳送，但需要考慮非故障極的絕緣能力[27]。故障恢復(fù)后，其正負(fù)極對地電壓可很快恢復(fù)正常，有利于直流線路暫態(tài)故障恢復(fù)[28]。

2.2.2 直流側(cè)極間短路故障

雙極短路故障對柔性直流配電系統(tǒng)的危害最為嚴(yán)重。盡管2電平VSC與MMC在結(jié)構(gòu)上有所不同，但極間短路時的故障特性類似。換流器直流側(cè)極間短路發(fā)生后，故障電流會可能在4 ms內(nèi)上升到額定工作電流的35倍[29]，如此大的電流電力電子器件無法承受。文獻(xiàn)[29-31]假定故障后IGBT立即閉鎖，分析了換流站直流側(cè)雙極故障后的電磁暫態(tài)過程。直流側(cè)兩極短路故障的暫態(tài)過程可劃分為以下三階段：①直流側(cè)電容放電階段。②二極管自然換相階段。③二極管全導(dǎo)通階段。故障電流含三個部分：①直流電容放電電流ic，②直流側(cè)電纜電感通過續(xù)流二極管的放電電流iL，③交流電網(wǎng)饋入電流iGrid。其中故障電流①未經(jīng)換流器， ②和③流經(jīng)二極管，若不及時隔離故障，會造成二極管損壞[32]。

對于直流側(cè)保護(hù)，極間故障電阻小，電流的上升迅速，對系統(tǒng)的危害最為嚴(yán)重；單極接地的故障電阻受系統(tǒng)接地方式的影響，因此保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到接地方式的影響。

3 故障隔離方案

根據(jù)直流側(cè)故障特征，直流故障電流的上升十分迅速，直流側(cè)的保護(hù)應(yīng)在直流電容放電階段動作以保護(hù)換流器器件，這要求保護(hù)系統(tǒng)在2ms左右的時間檢測并隔離故障[33]，能滿足要求的故障隔離技術(shù)成為柔性直流配電系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)之一。

3.1 直接利用換流器隔離故障

在基于電流源換流器的高壓直流輸電(LCC-HVDC)系統(tǒng)中，可以通過關(guān)閉換流站來關(guān)閉整個系統(tǒng)，但這種方法并不適用于基于VSC的柔性直流配電網(wǎng)中，這是因?yàn)榧幢鉜SC的IGBT閉鎖，交流電源仍可以通過續(xù)流二極管向直流側(cè)故障點(diǎn)饋入故障電流[34]，如果要通過閉鎖換流器來隔離故障則需要對換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[35]提出采用可關(guān)斷電力電子器件來代替VSC的續(xù)流二極管，這樣就可以阻斷交流側(cè)與故障點(diǎn)的電流通路。對于無源交流負(fù)荷側(cè)故障，則可以通過直接閉鎖逆變器實(shí)現(xiàn)其保護(hù)，因?yàn)楫?dāng)無源交流負(fù)荷發(fā)生故障時，直流側(cè)不會通過續(xù)流二極管向交流側(cè)故障饋入故障電流[36]。

隨著MMC換流器的廣泛應(yīng)用，越來越多的學(xué)者研究新型MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使其本身具備切除故障電流的能力。如具有自清除直流故障能力的全橋子模塊和雙鉗位子模塊[37,38]。此外，還有學(xué)者提出了增強(qiáng)自阻型子模塊[39]、交叉連接型子模塊[40]、混合型子模塊[41]等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

但這種方法在柔性直流配電網(wǎng)直流側(cè)故障時會擴(kuò)大停電范圍，且無法阻斷直流電容的放電回路，保護(hù)的選擇性和可靠性較低。

3.2 利用交流系統(tǒng)的設(shè)備來隔離直流故障

已有的VSC-HVDC工程多采用過換流器交流側(cè)設(shè)備如交流斷路器或熔斷器來隔離直流故障[42]。利用交流系統(tǒng)的設(shè)備來隔離直流系統(tǒng)故障具有配置簡單，經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。但缺點(diǎn)也不能忽視，首先，熔斷器和交流斷路器的動作時間都需要數(shù)十毫秒的時間[43]，無法達(dá)到直流系統(tǒng)對保護(hù)的快速性的要求；其次，對于直流配電系統(tǒng)來說，直流側(cè)發(fā)生故障會使整個直流系統(tǒng)停電，無法達(dá)到保護(hù)的選擇性。

文獻(xiàn)[44]針對直流環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)提出了“握手方法”，利用直流快速隔離開關(guān)、換流器和交流斷路器的配合來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。故障發(fā)生后，所有換流器立即閉鎖，然后斷開所有交流斷路器，在故障線路(需利用故障檢測方法確認(rèn))的電壓和電流均衰減至隔離開關(guān)額定關(guān)斷電流值以下時，其直流隔離開關(guān)動作將故障線路隔離，然后所有的換流器重新啟動，使得直流母線和正常運(yùn)行的負(fù)荷恢復(fù)供電。這種保護(hù)方法能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)的選擇性，但也有不足，首先保護(hù)配置無法阻斷電容放電電流，這會造成電容的損壞；其次，交流斷路器動作速度慢，在其動作前交流系統(tǒng)已經(jīng)通過續(xù)流二極管向故障點(diǎn)饋入故障電流，損壞二極管；最后，這種保護(hù)配置使系統(tǒng)重啟時間長，造成正常線路的不必要停電，降低了系統(tǒng)可靠性。

3.3 限制故障電流的上升

文獻(xiàn)[45]提出了LCL-VSC的概念，這種換流器由LCL電路和VSC構(gòu)成，其拓?fù)淙鐖D1所示。

圖 1 LCL-VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of LCL-VSC

電感L1、L2和電容C構(gòu)成了無源LCL電路，可以將LCL電路視為一個電力網(wǎng)絡(luò)，其輸入量為V1ac和I1ac，輸出量為V2ac和I2ac。LCL-VSC與交流系統(tǒng)之間不需要變壓器，因?yàn)長CL電路具有電壓變換的功能，通過合理設(shè)計LCL電路的參數(shù)，可以使得無論系統(tǒng)發(fā)生直流側(cè)故障還是交流側(cè)故障，流過換流器二極管的故障電流均小于額定工作電流。文獻(xiàn)[46]對LCL-VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，把LCL電路中的電容C改為一系列電容并聯(lián)到電路上，提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。LCL-VSC限制故障電流在額定電流附近，降低了對保護(hù)動作時間的要求，也降低了對直流斷路器容量的要求。

除此之外，也可以在直流側(cè)安裝專門的故障電流限流器(Fault Current Limiter, FCL)來限制故障電流，其原理是在系統(tǒng)正常工作時顯示出很小的阻抗，而在故障時呈現(xiàn)出較大的阻抗從而達(dá)到限制故障電流而又不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。根據(jù)工作原理可分為基于超導(dǎo)材料、基于飽和電抗器、基于正溫度系數(shù)和基于電力電子器件等幾類[47]。

3.4 利用直流斷路器

隔離直流故障最有效的辦法是在其故障電流上升到危及電力電子設(shè)備前就將其斷開，因此采用在數(shù)毫秒內(nèi)能夠隔離直流故障的直流斷路器非常有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)柔性直流配電系統(tǒng)采用直流斷路器后就可以在故障時只隔離故障區(qū)域，非故障區(qū)域則不受影響，大大提高了供電可靠性。根據(jù)直流斷路器中開斷器件的不同，可以將其分為三類: 機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)式直流斷路器和混合式直流斷路器[48,49]。機(jī)械式直流斷路器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、通態(tài)損耗小，但由于自身結(jié)構(gòu)的制約，斷開時產(chǎn)生的電弧易損壞觸頭，故障電流切除時間相對較長，無法實(shí)時、靈活、快速動作。常規(guī)全固態(tài)直流斷路器的動作迅速、無弧操作、結(jié)構(gòu)簡單，但耐壓能力有限，通態(tài)損耗較高?；旌鲜街绷鲾嗦菲鹘Y(jié)合了機(jī)械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動態(tài)性能，理論上具有開斷時間短、通態(tài)損耗小、無需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。

2012年，ABB公司研發(fā)了世界第一臺高壓直流斷路器，可以在5 ms之內(nèi)斷開大型發(fā)電站的故障電流；2014年，法國阿爾斯通電網(wǎng)宣布試制出了開端電流大于3 kA，開斷時間小于2.5 ms的高壓直流斷路器樣機(jī)；2015年5月，中國國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院也完成了200 kV混合式直流斷路器的技術(shù)成果鑒定，其能夠在3 ms內(nèi)開斷15 kA的故障電流，同年，額定電流5 000 A的西門子直流斷路器已經(jīng)在我國洛渡-浙江高壓直流輸電系統(tǒng)上成功測試。盡管當(dāng)前國內(nèi)外對直流斷路器的研究尚處在實(shí)驗(yàn)室階段，但其大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用只是時間問題，隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，其價格將進(jìn)一步降低，開斷速度也將進(jìn)一步提高。

4 故障檢測和識別原理

由于柔性直流配電系統(tǒng)的故障特性不同于交流系統(tǒng)，一些應(yīng)用于交流系統(tǒng)的故障檢測方法并不能直接應(yīng)用于柔性直流系統(tǒng)[32]，另一方面，直流系統(tǒng)對保護(hù)快速性的要求也使得保護(hù)系統(tǒng)對故障檢測方法要求苛刻。除此之外，不同區(qū)域的故障可能影響到其他區(qū)域，如整流器交流側(cè)故障和直流側(cè)故障的相互影響，準(zhǔn)確的故障定位和保護(hù)配合也是柔性直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的挑戰(zhàn)之一。

4.1 基于電流的故障檢測

文獻(xiàn)[36]通過檢測整流器直流側(cè)電流，當(dāng)電流超過一定閥值并且測的直流電壓降低到額定電壓的80%以下時即判定發(fā)生了故障，同時繼電器還要監(jiān)控交流側(cè)電流，若直流側(cè)電流沒有上升則判斷故障在交流側(cè)。而當(dāng)向無源負(fù)荷供電的逆變器交流側(cè)發(fā)生故障時，其直流側(cè)電容不會向交流側(cè)饋入故障電流，當(dāng)該逆變器直流側(cè)電流超過閥值，若交流側(cè)電流也超過相應(yīng)的閥值時則判斷逆變器負(fù)荷側(cè)發(fā)生故障，反之則判斷為直流側(cè)故障，向直流負(fù)荷供電的DC/DC變換器的故障定位方法與逆變器的判定方法相同。

文獻(xiàn)[50]研究了過流保護(hù)在直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用，該文對直流線路的極間短路故障配置兩段式過電流保護(hù)，保護(hù)啟動判據(jù)為

(1)

式中：Δu為電壓突變量；Δuset為保護(hù)啟動定值，其設(shè)定值要考慮到系統(tǒng)正常運(yùn)行時電壓的正常波動。第一段為電流速斷保護(hù)，其保護(hù)判據(jù)為

(2)

式中：Ii為線路電流測量值；Iiset1為保護(hù)裝置的整定電流，其整定值要確保能在短路電流的上升階段發(fā)送跳閘命令；第二段保護(hù)為限時電流速斷保護(hù)，作為第一段保護(hù)的后備保護(hù)，其保護(hù)判據(jù)為

(3)

式中：Iiset2為保護(hù)裝置的限時電流速斷保護(hù)的整定值；tiset為保護(hù)延時，其整定值的確定確保故障特性達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時保護(hù)仍然能夠動作，tiset的值接近于故障暫態(tài)過程所經(jīng)歷的時間。

但是基于電流的保護(hù)在比較復(fù)雜的配網(wǎng)中由于相鄰區(qū)域的保護(hù)定值難以整定，且難以實(shí)現(xiàn)時間上的配合而應(yīng)用受限[51]，另一方面許多研究在涉及保護(hù)策略時沒有考慮到換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接地方式對系統(tǒng)故障特性的影響，例如MMC換流器或高阻接地方式下的單極接地故障的兩電平VSC換流器，在單極接地故障時故障電流幾乎沒有變化，基于電流的保護(hù)往往難以準(zhǔn)確檢測到故障。

4.2 距離保護(hù)

距離保護(hù)在用于直流系統(tǒng)中時也需克服一些困難。例如，在直流系統(tǒng)故障過程中，很難確定基頻頻率阻抗。在三相交流系統(tǒng)可以用對稱分量法來避免故障電阻的影響[52]，但這在直流系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)。對此，文獻(xiàn)[53]提出了直流系統(tǒng)的距離保護(hù)，其配置如圖2所示。

其中，Rf是故障點(diǎn)過渡電阻，iflt是故障電流， (n)點(diǎn)是直流斷路器/隔離開關(guān)及繼電器位置，臨近(n)點(diǎn)下游位置的(r)點(diǎn)是參考點(diǎn)，在(n)點(diǎn)和(r)點(diǎn)配置電壓互感器，測的的電壓值分別為vn和vr，并且在(n)點(diǎn)配置電流互感器測得的電流為in，如果接地故障為金屬性接地，故障距離x可按式(4)計算。

圖2 距離保護(hù)配置Fig.2 Distance protection configuration

(4)

若為非金屬接地時，故障距離計算公式為

(5)

其中：

(6)

D為該區(qū)段線路總長度，但過渡電阻Rf的大小未知，準(zhǔn)確的故障距離也無法直接計算。文獻(xiàn)[24]利用電容放電階段(參考圖1)，電容電壓VC和電容放電電流icable與等效電路的總電阻Rtotal和總電感Ltotal有關(guān)，根據(jù)測得的Vcable和icable求得Rtotal和Ltotal，再根據(jù)式(7)求取過渡電阻和故障距離。

(7)

文獻(xiàn)[54]則利用改進(jìn)的R-L算法來求取故障點(diǎn)與保護(hù)安裝處的距離。對于圖3所示的兩極短路故障，可得式(8)：

(8)

圖3 直流線路兩極短路故障示意圖Fig.3 Schematic diagram of DC line pole-to-pole fault

式中：u和i分別為保護(hù)安裝處電壓、電流的瞬時值；Ru和Lu分別為單位長度電纜的電阻和電感；Llimit為限流電抗器的等值電感；x為保護(hù)安裝處到故障點(diǎn)的距離。限流電抗器壓降公式為

(9)

限流電抗器的出口極間電壓為

(10)

聯(lián)立式(9-10)可得測距公式為

(11)

然后根據(jù)式(12)所示的動作判據(jù)確定是否動作，其中，xset為保護(hù)整定距離。

(12)

距離保護(hù)做主保護(hù)時無法保護(hù)線路全長，且由于過渡電阻的影響難以計算出準(zhǔn)確的故障距離，其在直流配網(wǎng)中的應(yīng)用仍待深入研究。

4.3 差動保護(hù)

文獻(xiàn)[55]研究了基于MMC的柔性直流配電網(wǎng)的保護(hù)策略，其根據(jù)MMC換流器單極接地故障特性，采用式(13)所示的電壓不平衡度做為保護(hù)啟動判據(jù)。

(13)

式中：Udp和Udn分別表示直流線路正極和負(fù)極電壓；Uset_B為不平衡度的閥值；UDCBase為直流線路額定電壓。保護(hù)啟動判據(jù)動作后以電流差動保護(hù)來進(jìn)行故障定位，其判據(jù)為

(14)

式中：Idp和Idp0表示直流正極線路兩端的電流值；Idn和Idn0表示負(fù)極線路兩端的電流值；Ic_set_L為差動電流門檻值；kset_L和Ires_L為制動系數(shù)和制動電流。對于極間短路，以欠壓保護(hù)和過流保護(hù)作為保護(hù)啟動判據(jù)，以差動保護(hù)進(jìn)行故障定位，其動作判據(jù)與式(14)類似。

相比于其他故障檢測方法，差動保護(hù)只保護(hù)特定區(qū)域，不易受故障嚴(yán)重程度、故障電阻以及分布式電源的影響，較好地適應(yīng)了柔性直流配電系統(tǒng)的特點(diǎn)。但是，在柔性直流配電系統(tǒng)中應(yīng)用差動保護(hù)還存在一些挑戰(zhàn)。

(1)是否能在要求的時間內(nèi)檢測并隔離故障，在直流系統(tǒng)中應(yīng)用差動保護(hù)需要將故障檢測的時間控制在1.5ms以內(nèi)[56],由于在直流系統(tǒng)則只需比較電流幅值，使得故障檢測時間可以達(dá)到直流系統(tǒng)對保護(hù)的要求成為可能[57]，有文獻(xiàn)表明在不計及通信延時的情況下，電流差動保護(hù)檢測直流系統(tǒng)故障只需不到40μs[56]。

(2)在電流變化率很高情況下的時間同步問題。由于直流故障的電流變化率di/dt很大，微小的時間差異會造成很大計算誤差。即使應(yīng)用GPS進(jìn)行校準(zhǔn)系統(tǒng)時間，不同設(shè)備之間也會出現(xiàn)計時誤差、采樣不同步等現(xiàn)象[58]，從而使得保護(hù)判斷出錯，時間的誤差須在設(shè)計保護(hù)方案時予以考慮。盡管如此，直流配電網(wǎng)的線路短，時間誤差小，時間不同步問題對差動保護(hù)的影響較小。

(3)在直流配電系統(tǒng)應(yīng)用差動保護(hù)還面臨著經(jīng)濟(jì)性的問題。文獻(xiàn)[51]針對直流饋線的保護(hù)提出當(dāng)某饋線與下一級的裝置配合時達(dá)不到時間要求的應(yīng)用差動保護(hù)，當(dāng)不需要與下一級保護(hù)配合或保護(hù)之間的配合滿足時間要求時優(yōu)先使用過流保護(hù)，這樣可以兼顧保護(hù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

4.4 行波保護(hù)

直流系統(tǒng)發(fā)生故障后，電壓行波和電流行波在線路上接近于光速傳播，其中包含了大量的故障信息，因此可以通過記錄并分析高頻行波的特點(diǎn)例如幅值、極性和時間間隔來判斷故障時間和故障位置[59]，基于行波的故障檢測研究現(xiàn)在多應(yīng)用于雙端和多端直流輸電系統(tǒng)[60-63]，其在直流配網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還很少見。行波保護(hù)在柔性直流配電系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)考慮到其費(fèi)用、必要性和可靠性等因素。一方面，由于直流配電網(wǎng)直流線路長度較短，微小的時間誤差就會產(chǎn)生很大的誤差，采用行波保護(hù)進(jìn)行故障定位的誤差和增加的設(shè)備投資是否在可接受范圍內(nèi)有待研究。

5 柔性直流配網(wǎng)故障識別和隔離方面仍需進(jìn)一步研究的問題

5.1 接地方式對故障檢測和識別的影響研究

目前由于柔性直流配電系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用較少，針對接地方式的問題尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但由于柔性直流配電系統(tǒng)中的設(shè)備眾多，系統(tǒng)的接地方式涉及到換流變壓器、濾波器、換流站直流側(cè)的接地方式，不同的接地方式會使系統(tǒng)產(chǎn)生不同的故障響應(yīng)，從而影響到故障檢測和故障定位。例如，電容中點(diǎn)高阻接地的2電平VSC換流器和MMC換流器在發(fā)生單極接地故障時其電流并無明顯變化，這樣會導(dǎo)致過流保護(hù)、距離保護(hù)等失效。

5.2 直流變壓器技術(shù)

直流變壓器是低壓直流負(fù)荷、儲能原件、分布式電源與中壓直流系統(tǒng)聯(lián)系的中介，由于缺乏實(shí)際工程應(yīng)用，國內(nèi)外對應(yīng)用于直流電網(wǎng)的直流變壓器尚處于理論分析和仿真驗(yàn)證階段，并無確定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，當(dāng)前幾乎沒有相關(guān)文獻(xiàn)針對含有直流變壓器的柔性直流配電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入研究，大多文獻(xiàn)的研究集中在只含有VSC換流器的多端中壓直流系統(tǒng)的保護(hù)上，對直流變壓器低壓側(cè)及其高壓側(cè)的保護(hù)鮮有涉及。因此，含直流變壓器的柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)可能成為一個新的研究點(diǎn)。

5.3 直流斷路器的研發(fā)和應(yīng)用

當(dāng)前由于直流斷路器尚沒有進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，很多文獻(xiàn)對柔性直流配電系統(tǒng)的保護(hù)策略研究多集中在采取輔助措施來隔離故障，如配置限流器、閉鎖換流器觸發(fā)脈沖信號、切斷交流電路器或更改換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來隔離直流側(cè)故障等，這些方法會使直流配電系統(tǒng)擴(kuò)大停電范圍，導(dǎo)致供電可靠性降低。隨著技術(shù)的發(fā)展，直流斷路器應(yīng)用于柔性直流配電網(wǎng)是一個趨勢，其高速動作的特性能在故障電流危及到換流器安全之前將故障切除，恢復(fù)正常部分供電，縮減非故障區(qū)域停電時間，直流斷路器的應(yīng)用也將改變直流配電網(wǎng)的保護(hù)思路。

5.4 保護(hù)與控制之間的配合

柔性直流配電系統(tǒng)一般是多端系統(tǒng)，不同的換流器工作于不同的運(yùn)行方式，當(dāng)故障發(fā)生后不同端口對故障點(diǎn)饋入電流的大小受到運(yùn)行方式的影響，柔性直流配電系統(tǒng)的保護(hù)和控制密切相關(guān)，研究保護(hù)技術(shù)時應(yīng)結(jié)合控制方式的變化，利用控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的“一體化”來處理故障。

5.5 兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性的保護(hù)配置方案

柔性直流配網(wǎng)中，如何兼顧智能電網(wǎng)發(fā)展，充分利用既有資源，綜合考慮保護(hù)裝置、斷路器等資源配置，考慮多端直流系統(tǒng)中的故障特征和影響，實(shí)現(xiàn)具備可靠性和經(jīng)濟(jì)性的直流配網(wǎng)保護(hù)配置方案，減小故障影響范圍、提高供電可靠性，也是其邁向?qū)嵱没闹匾ＷC之一。保護(hù)配置時，需優(yōu)化不同區(qū)域保護(hù)之間的配合，如直流母線、直流饋線、分布式電源等，以避免擴(kuò)大停電范圍。

6 結(jié) 論

作為極具潛力的柔性直流配電網(wǎng)，在世界范圍內(nèi)受到越來越多關(guān)注。但現(xiàn)階段，包括繼電保護(hù)技術(shù)在內(nèi)的一些因素還限制著柔性直流配電技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用。本文介紹了柔性直流配電系統(tǒng)的故障特征，及故障檢測、識別和隔離策略。最后討論了直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)面臨的一些問題。

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An Overview on Fault Detection and Isolation Strategies of Flexible DC Distribution Networks

DAI Zhihui1，GE Hongbo1，Peter Crossley2，WANG Zengping1
(1. Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, University of Manchester, Manchester, M13 9PL, UK.)

With the development of technology, the flexible DC power distribution network (FDCPDN) will be one of the key parts of the smart grid and energy internet. Nevertheless, the extensive application of the FDCPDN has been limited by the immature protection technology. This paper has referred to the research both at home and board, main contents of this article are as follows: firstly, this paper introduces the control strategies of the key devices of flexible DC power distribution system such as VSC converter and DC transformer, as well as the multi-terminal coordination control strategies that apply to flexible DC distribution power system. Then, it analyzes the fault characteristics of FDCPDN about its AC side unsymmetrical faults and DC side pole-to-ground and pole-to-pole faults, the impact of the network grounding mode to the fault characteristics is analyzed as well. After that, the fault isolation technology, fault detection and identification methods are summarized. In addition, the advantage and disadvantage of the methods are also analyzed. Finally, key points in terms of the FDCPDN protection technology are presented in this paper.

flexible DC distribution networks; fault detection; fault isolation; protective relays; DC circuit breaker

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.04

2016-09-25.

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃專項(xiàng)課題(2016YFB0900203)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307059)；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2014502065)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2017MS096).

TM77

A

1007-2691(2017)04-0019-10

戴志輝 (1980-)，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；葛紅波(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；Peter Crossley (1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制，新能源電力系統(tǒng)及智能電網(wǎng)等；王增平(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制，新能源電力系統(tǒng)等。