柔性中壓直流配電網(wǎng)線路保護(hù)方案

戴志輝, 葛紅波, 陳冰研, 焦彥軍, 王增平

(河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)), 河北省保定市 071003)

柔性中壓直流配電網(wǎng)線路保護(hù)方案

戴志輝, 葛紅波, 陳冰研, 焦彥軍, 王增平

(河北省分布式儲(chǔ)能與微網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)), 河北省保定市 071003)

針對(duì)“手拉手”多端柔性直流配電系統(tǒng)的中壓直流線路,設(shè)計(jì)了基于通信系統(tǒng)和直流斷路器的繼電保護(hù)方案。首先,介紹了柔性直流配電系統(tǒng)的配置和中壓直流系統(tǒng)的故障特性;其次,針對(duì)系統(tǒng)危害較大的極間短路故障和小電阻接地故障,依靠電流量信息,根據(jù)每一保護(hù)安裝處的線路電流狀態(tài)矩陣,設(shè)計(jì)了能夠識(shí)別故障類型和故障區(qū)間、在5 ms內(nèi)隔離故障的速動(dòng)保護(hù);針對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的大電阻接地故障情況,設(shè)計(jì)了以電壓不平衡量作為啟動(dòng)判據(jù),根據(jù)同一保護(hù)安裝處的正負(fù)極不平衡電流狀態(tài)矩陣,實(shí)現(xiàn)故障定位和故障隔離的后備保護(hù);并針對(duì)可能出現(xiàn)的保護(hù)拒動(dòng)或通信裝置失靈現(xiàn)象設(shè)計(jì)了第一級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)和第二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù);還考慮了保護(hù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的配合以保證非故障區(qū)域的正常供電。最后,通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證了所提保護(hù)方案的有效性。

直流配電系統(tǒng); 直流斷路器; 保護(hù)策略; 故障隔離; 故障識(shí)別

0 引言

隨著新能源并網(wǎng)、電力電子技術(shù)的發(fā)展以及直流負(fù)荷的快速增長(zhǎng),基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的柔性直流配電網(wǎng)由于其具有線路損耗小、供電效率高[1-2],便于分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備的接入[3],快速的潮流控制能力[4],便于現(xiàn)有配電網(wǎng)升級(jí)改造[5],以及有利于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)[6-7]的特點(diǎn)而成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前,中國(guó)在深圳地區(qū)已建立了柔性直流配電系統(tǒng)示范工程,并初步對(duì)其電壓等級(jí)、技術(shù)架構(gòu)、控制策略、故障和保護(hù)方案等進(jìn)行了研究[8-11]。

作為柔性直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前直流配電網(wǎng)的繼電保護(hù)技術(shù)仍不成熟[12]。柔性直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式、故障特性等均不同于交流配電網(wǎng),交流系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)也不能照搬到直流配電網(wǎng)。另一方面,直流配電網(wǎng)含有的電力電子設(shè)備承受過(guò)流的能力非常有限,要求發(fā)生直流故障時(shí)保護(hù)系統(tǒng)能高速實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別和隔離。由于經(jīng)濟(jì)實(shí)用的中壓直流斷路器尚未大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用,直流配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展也受到了限制,當(dāng)前尚無(wú)通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證并被廣泛接受的系統(tǒng)保護(hù)方案,還有待直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善、保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定以及相應(yīng)保護(hù)理論的實(shí)踐反饋。

文獻(xiàn)[13-14]研究了過(guò)電流保護(hù)在直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用,但基于電流的保護(hù)在比較復(fù)雜的配電網(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(shí)間上的配合而應(yīng)用受限[15];另一方面,許多研究在涉及保護(hù)策略時(shí)沒(méi)有考慮到換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接地方式對(duì)系統(tǒng)故障特性的影響。文獻(xiàn)[16]以電壓變化率來(lái)判定故障區(qū)間,但相鄰保護(hù)區(qū)間定值整定困難。文獻(xiàn)[17-18]研究了距離保護(hù)在直流配電網(wǎng)的應(yīng)用,其核心思想是根據(jù)故障等效電路和基爾霍夫電壓定律，通過(guò)解方程組得到故障點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離x的值,并與保護(hù)定值比較來(lái)判斷區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。但是,距離保護(hù)做主保護(hù)時(shí)無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng),且由于配電網(wǎng)線路長(zhǎng)度短,微小的測(cè)量、計(jì)算誤差和過(guò)渡電阻的不確定性都會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

隨著配電網(wǎng)智能化的發(fā)展,配電網(wǎng)中通信設(shè)備也越來(lái)越多,基于通信設(shè)施的保護(hù)方案具有快速識(shí)別故障區(qū)間、不需復(fù)雜運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[19-20]將差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用于直流配電系統(tǒng),具有受故障電流大小、電流變化率、分布式電源及過(guò)渡電阻影響較小的優(yōu)點(diǎn),但需同步比較兩端的電流值。由于直流故障的電流變化率很大,微小的時(shí)間差異會(huì)造成很大計(jì)算誤差。文獻(xiàn)[21]則通過(guò)比較各個(gè)保護(hù)安裝處的電流幅值和電流方向識(shí)別故障區(qū)間,但未考慮經(jīng)較大過(guò)渡電阻接地故障時(shí)保護(hù)可能存在拒動(dòng)的情況。

本文首先簡(jiǎn)要分析了柔性直流配電網(wǎng)中壓直流系統(tǒng)極間短路故障和單極接地故障的故障特性,然后提出了一種依靠通信裝置,通過(guò)比較相鄰保護(hù)安裝處的線路電流狀態(tài)值和不平衡電流狀態(tài)值來(lái)判定故障區(qū)間,并通過(guò)直流斷路器來(lái)隔離故障的主保護(hù)和兩級(jí)后備保護(hù)。其中,主保護(hù)僅依靠電流量信息,能反映極間短路故障和過(guò)渡電阻較小的單極接地故障;后備保護(hù)針對(duì)可能出現(xiàn)的主保護(hù)拒動(dòng)及通信裝置故障情況,以電壓不平衡量構(gòu)造啟動(dòng)判據(jù),僅需對(duì)比同一保護(hù)安裝處的正負(fù)極電流即可實(shí)現(xiàn)故障定位。相較于差動(dòng)保護(hù),本文設(shè)計(jì)的保護(hù)只需比較相鄰保護(hù)處的線路電流狀態(tài)信號(hào)和不平衡電流狀態(tài)信號(hào),降低了對(duì)通信系統(tǒng)的要求。還考慮了保護(hù)與控制系統(tǒng)的配合,以保證非故障區(qū)域的正常運(yùn)行。最后,通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證了所提保護(hù)方案的有效性。

1 系統(tǒng)配置

本文所研究的柔性直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各端口編號(hào)如圖1所示。其中T1和T2端口分別代表與交流主網(wǎng)相連的VSC1換流站和VSC2換流站;T3至T6端口與負(fù)荷相連,其中T3和T6與直流負(fù)荷相連接,T3負(fù)荷側(cè)含有分布式電源光伏電池,T6負(fù)荷側(cè)不含分布式電源，T4和T5與交流負(fù)荷相連接,其中T5端口含有分布式電源風(fēng)力發(fā)電,T4端口則沒(méi)有。

圖1 “手拉手”多端柔性直流配電網(wǎng)Fig.1 “Hand-in-hand” multi-terminal flexible DC distribution network

1.1 關(guān)鍵設(shè)備及控制策略

本文中交流與直流之間的變換均采用三相兩電平VSC,圖1中T1,T2,T4,T5端口均采用這種換流器;直流與直流之間的變換采用雙主動(dòng)橋(dual active bridge,DAB)[22]結(jié)構(gòu),圖1中的T3和T6采用該種換流器。

針對(duì)圖1所示的多端柔性直流配電系統(tǒng),本文采用基于主從控制的單點(diǎn)電壓控制方式,T2端口采用定直流電壓控制,作為整個(gè)系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn);T1端口采用定功率控制,作為整個(gè)系統(tǒng)的功率節(jié)點(diǎn);T3至T6端口與負(fù)荷側(cè)相連,為維持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定,T3至T6端口均采用定負(fù)荷側(cè)電壓控制。

1.2 接地方案

系統(tǒng)的接地點(diǎn)有直流側(cè)電容接地點(diǎn)和聯(lián)接變壓器接地點(diǎn)。

1)直流電容接地配置

為降低線路絕緣要求,本文采用直流正負(fù)極對(duì)稱運(yùn)行,對(duì)直流側(cè)電容采用分裂電容中點(diǎn)直接接地,以確保正常運(yùn)行時(shí)正負(fù)極電壓的對(duì)稱和平衡。

2)聯(lián)接變壓器接地配置

直流系統(tǒng)發(fā)生的單極接地故障被隔離后,若要消除不平衡電壓、恢復(fù)系統(tǒng)的對(duì)稱運(yùn)行,則至少有一個(gè)端口的聯(lián)接變壓器的閥側(cè)需接地[23];同時(shí),為限制單極接地故障后交流側(cè)饋入直流側(cè)的故障電流,可使變壓器閥側(cè)經(jīng)電阻接地,接地電阻越大,單極故障后交流側(cè)的故障電流越小,但在故障清除后直流側(cè)不平衡電壓的恢復(fù)速度越慢。綜合考慮以上因素,本文對(duì)T1和T2端口的聯(lián)接變壓器換流器側(cè)采用經(jīng)電阻接地,交流網(wǎng)側(cè)三角形連接的方案,對(duì)T4和T5端口聯(lián)接變壓器的換流器側(cè)采用三角形連接,負(fù)荷側(cè)星形接點(diǎn)的方案。

2 故障的電流特性

1)極間短路

故障發(fā)生后,各端口的電容都會(huì)與故障點(diǎn)形成放電回路,電容放電電流會(huì)在數(shù)毫秒內(nèi)(時(shí)間長(zhǎng)短與限流電抗器的取值有關(guān))遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出線路的額定電流;同時(shí),隨著電容電壓的下降,交流電網(wǎng)亦會(huì)通過(guò)二極管向故障點(diǎn)饋入電流,使得故障點(diǎn)所在線路持續(xù)過(guò)流。若不能及時(shí)切除故障,則會(huì)對(duì)電力電子器件造成損壞。

2)單極接地故障

以T1端口為例,故障時(shí)等效電路如圖2所示。T1端口與故障點(diǎn)形成2個(gè)故障電流回路,分別是正極電容放電回路1(藍(lán)色虛線所示)、故障點(diǎn)與聯(lián)接變壓器接地點(diǎn)形成的放電回路2(紅色虛線所示),回路1的放電電流在故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)后變?yōu)榱恪?/p>

圖2 正極接地故障等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of positive pole-to-ground fault

圖2中,Vp和Vn分別表示正極對(duì)地電壓和負(fù)極對(duì)地電壓,Rf為故障點(diǎn)過(guò)渡電阻,RS和LS為換流器交流側(cè)等效電阻和電感。根據(jù)附錄A的推導(dǎo),可得如下結(jié)論。

正常運(yùn)行時(shí),同一位置的正、負(fù)極電流大小相等。單極接地故障后,若過(guò)渡電阻較小,回路1的放電電流使正極電流快速增大,正負(fù)極不平衡電流(正極電流和負(fù)極電流的差值)也快速增大;當(dāng)過(guò)渡電阻較大,故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),故障點(diǎn)電流If與聯(lián)接變壓器閥側(cè)接地電阻RT、過(guò)渡電阻Rf的關(guān)系為:

(1)

式中:VdcN為直流系統(tǒng)的額定電壓。

根據(jù)附錄A,只有當(dāng)聯(lián)接變壓器閥側(cè)接地時(shí),交流側(cè)才能與故障點(diǎn)形成放電回路,因此只有T1和T2端口交流系統(tǒng)能夠與故障點(diǎn)形成放電回路。當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí),可認(rèn)為T(mén)1和T2端口交流側(cè)向故障點(diǎn)饋入的故障電流相等,即

(2)

式中:If1和If2分別為交流側(cè)經(jīng)T1和T2端口向故障點(diǎn)饋入的電流,其值的大小等于正極電流與負(fù)極電流的差值。

單極接地故障發(fā)生后有|Vp|≠|(zhì)Vn|,定義直流系統(tǒng)正負(fù)極不平衡電壓Edif為:

Edif=|Vp|-|Vn|

(3)

當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí),可計(jì)算出其值為:

(4)

3 保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于圖1所示的柔性直流配電網(wǎng),其保護(hù)區(qū)域可以劃分為交流側(cè)保護(hù)、換流站保護(hù)、中壓直流線路保護(hù)和負(fù)荷側(cè)保護(hù),本文主要研究中壓直流線路保護(hù)。為滿足直流系統(tǒng)對(duì)保護(hù)動(dòng)作速度的要求,采用直流斷路器隔離故障。由于直流系統(tǒng)無(wú)論發(fā)生極間短路故障還是單極接地故障,都會(huì)造成有關(guān)線路出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象,本文基于該特性提出了一種新的繼電保護(hù)方案。

3.1 保護(hù)配置

如圖1所示,0至11為中壓直流線路上的12處保護(hù)。其中1至10每處安裝一組直流斷路器,直流斷路器編號(hào)與保護(hù)編號(hào)一致,直流斷路器采用ABB公司提出的混合直流斷路器模型[24],每一保護(hù)安裝處的正負(fù)極直流斷路器同時(shí)動(dòng)作;編號(hào)為0和11的兩處保護(hù)分別位于VSC1和VSC2換流站,該處保護(hù)動(dòng)作時(shí),令換流站閉鎖并跳開(kāi)其交流側(cè)斷路器。兩相鄰保護(hù)可以保護(hù)它們之間的區(qū)域,如保護(hù)3和4保護(hù)其間的電纜線路2,保護(hù)4和5保護(hù)母線②和該母線上連接的負(fù)荷。每個(gè)保護(hù)安裝處都安裝電流測(cè)量裝置和通信裝置,T1和T2端口處還裝設(shè)了電壓測(cè)量裝置。

3.2 主保護(hù)設(shè)計(jì)

本文以任何相鄰的3組直流斷路器為研究對(duì)象,并以圖1中與母線②和線路3相連的3組直流斷路器為例進(jìn)行分析。其斷路器編號(hào)和電流正方向規(guī)定如圖3所示,正極電流正方向?yàn)閺哪妇€指向線路,負(fù)極電流正方向規(guī)定為從線路指向母線。

圖3 故障示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault

設(shè)定主保護(hù)m的正、負(fù)值電流定值Ihm和Ilm,其與該線路正常運(yùn)行時(shí)允許流過(guò)的最大電流IN，max的關(guān)系為:

(5)

式中:Krel1為主保護(hù)可靠系數(shù),該保護(hù)同時(shí)利用了相鄰保護(hù)安裝處電流的大小和方向信息,因此Krel1的取值只需略大于1即可保證保護(hù)的可靠性;另一方面,由于主保護(hù)用于保護(hù)極間短路故障和小過(guò)渡電阻的單極接地故障,這兩類故障產(chǎn)生的故障電流會(huì)在約2 ms內(nèi)上升至遠(yuǎn)大于IN,max的水平,Krel1取2以下對(duì)保護(hù)的靈敏度影響不大,本文設(shè)置其值為1.2～1.5。

將每個(gè)保護(hù)安裝處的電流值與上述主保護(hù)電流定值進(jìn)行比較,得到線路電流狀態(tài)信號(hào)Smt如下:

(6)

式中:m為直流斷路器的編號(hào),m=1,2,…,10;t表示直流斷路器的正、負(fù)極,t取p(正極)或n(負(fù)極);Imt為保護(hù)m處t極線路測(cè)得的電流值。

每個(gè)直流斷路器處的保護(hù)向相鄰的兩個(gè)斷路器處的保護(hù)傳遞線路電流狀態(tài)信號(hào),如CB5P處的保護(hù)將其電流狀態(tài)信號(hào)S5p傳遞給CB4P和CB6P處的保護(hù);同理,CB4P和CB6P處的保護(hù)也會(huì)將它們的線路電流狀態(tài)信號(hào)S4p和S6p傳遞給CB5P處的保護(hù)。

當(dāng)k1點(diǎn)發(fā)生正極接地故障時(shí),斷路器CB5P和CB6P處測(cè)得的電流正向過(guò)流,而CB4P處測(cè)得的電流反向過(guò)流,因此有S5p=S6p=1,S4p=-1,負(fù)極線路上由于只有線路電容形成的泄露電流,不會(huì)造成線路過(guò)流,因此S4n=S5n=S6n=0。同理,當(dāng)k3點(diǎn)發(fā)生極間短路時(shí),保護(hù)5和6處的4個(gè)直流斷路器處流過(guò)的電流均為正向過(guò)流,即S5p=S5n=S6p=S6n=1,而CB4P和CB4N處的電流反向過(guò)流,因此有S4p=S4n=-1。類似的,可得故障點(diǎn)k1至k6對(duì)應(yīng)的各直流斷路器處保護(hù)的電流狀態(tài)矩陣的元素值如表1所示。

表1 電流狀態(tài)矩陣的元素值Table 1 Element values of current state matrix

將相鄰兩個(gè)保護(hù)處的線路電流狀態(tài)信號(hào)相乘可得3種結(jié)果:

(7)

令Sm(m+1)t=SmtS(m+1)t,對(duì)于中壓直流線路任意一處故障,以m和(m+1)處保護(hù)為例,有如下關(guān)系式:

(8)

則當(dāng)Sm(m+1)t=1時(shí),表示t極線路保護(hù)m和(m+1)之間發(fā)生了故障,例如若Sm(m+1)p=1,Sm(m+1)n=0,則表示斷路器m和(m+1)之間發(fā)生了正極接地故障;若Sm(m+1)p=Sm(m+1)n=1,則表示m和(m+1)之間發(fā)生了極間短路故障;若Sm(m+1)p和Sm(m+1)n都等于-1,則表示在m和(m+1)之外發(fā)生了極間短路故障,若Sm(m+1)p和Sm(m+1)n之中只有一個(gè)等于-1、另外一個(gè)為0,則取值為-1的那一極線路在m和(m+1)區(qū)間外發(fā)生了單極接地故障。

綜上,進(jìn)一步定義故障區(qū)間判別函數(shù):

Sm(m+1)=

(9)

若Sm(m+1)=1,則判定保護(hù)m和(m+1)之間的區(qū)域發(fā)生了故障;若Sm(m+1)=0,則判定保護(hù)m和(m+1)之間的區(qū)域處于正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)故障被切除后,保護(hù)m和(m+1)處的電流變?yōu)榱?Sm(m+1)重新置0。

為提高保護(hù)的可靠性,定義主保護(hù)動(dòng)作區(qū)間判別函數(shù):

(10)

其中連續(xù)3次采樣所用的時(shí)間即為主保護(hù)的故障確認(rèn)時(shí)間,以tc表示。當(dāng)Tm(m+1)=1時(shí),表示故障區(qū)間已確定為保護(hù)m和(m+1)之間,即令保護(hù)m和(m+1)處的直流斷路器動(dòng)作,將故障隔離。當(dāng)故障被隔離,且直流斷路器m和(m+1)合閘成功后Tm(m+1)被重置為0。

設(shè)從故障發(fā)生到故障完全隔離用時(shí)為ttotal1,則ttotal1包括故障檢測(cè)時(shí)間tdet1和故障隔離時(shí)間tiso;tdet1包括故障電流達(dá)到定值的時(shí)間tri1、故障確認(rèn)時(shí)間tc和通信延時(shí)tdelay;直流電容放電電流上升速度很快,一般有tri1≤1.5 ms,考慮1 ms的通信延時(shí)和2.5 ms的直流斷路器動(dòng)作時(shí)間,故障可在5 ms內(nèi)被隔離。

3.3 后備保護(hù)設(shè)計(jì)

主保護(hù)能快速隔離極間短路故障和小電阻接地故障,但當(dāng)接地故障的過(guò)渡電阻較大時(shí),可能因?yàn)楣收蠘O過(guò)流不明顯甚至不過(guò)流導(dǎo)致主保護(hù)不能識(shí)別故障的現(xiàn)象。為提高保護(hù)可靠性,本文設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的后備保護(hù)。

1)保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)

單極故障發(fā)生后,由于交流側(cè)與故障點(diǎn)的故障回路受變壓器接地電阻限流,使VSC仍能控制直流電壓在正常水平[25],但故障極電壓會(huì)降低,非故障極電壓升高。盡管極間電壓保持穩(wěn)定,但正負(fù)極電壓出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象。本文根據(jù)單極接地故障的電壓不平衡特性設(shè)計(jì)后備保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)如下:

(11)

若要求后備保護(hù)要能夠識(shí)別最大過(guò)渡電阻值為Rf,max的單極接地故障,將Rf,max代入式(4)可求得Edif的最小值Edif,min,則Vset=Edif,min/Krel2。其中,可靠系數(shù)Krel2需大于1,具體取值以躲開(kāi)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最大不平衡電壓為準(zhǔn)。tset1為不平衡電壓大于閾值所持續(xù)的時(shí)間,按躲開(kāi)主保護(hù)的故障檢測(cè)時(shí)間取值。

2)定位和隔離策略

系統(tǒng)正常運(yùn)行和極間短路故障時(shí)保護(hù)安裝處的正極電流和負(fù)極電流之差,即電流不平衡量Ifm為零;單極接地故障后,正極電流和負(fù)極電流不再平衡,Ifm等于故障回路流過(guò)的電流[26]。對(duì)任一保護(hù)安裝處m,有

Ifm=Imp-Imn

(12)

式中:Imp和Imn分別為該處測(cè)得的正極電流和負(fù)極電流。

各個(gè)保護(hù)安裝處測(cè)得的不平衡電流即為T(mén)1端口或T2端口提供的故障電流。根據(jù)式(2),故障達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,T1端口和T2端口向故障點(diǎn)饋入的最小故障電流為:

(13)

m處后備保護(hù)的正值電流定值Ihm′和負(fù)值電流定值Ilm′可按下式取值:

(14)

其中,Krel3的取值略大于1,以使定值小于要求能識(shí)別的最大過(guò)渡電阻下的不平衡電流。由于過(guò)渡電阻較大時(shí),故障點(diǎn)位置對(duì)故障電流的影響很小,故本文將不同保護(hù)安裝處的定值電流Ihm′設(shè)置為同一值,Ilm′設(shè)置為同一值。將每個(gè)保護(hù)安裝處的不平衡電流值與后備保護(hù)設(shè)定的電流定值進(jìn)行比較,可得不平衡電流狀態(tài)信號(hào)Cm為:

(15)

對(duì)于圖3所示的系統(tǒng),當(dāng)故障點(diǎn)在k1,k2,k4,k5處時(shí),可得附錄B表B1所示的不平衡電流狀態(tài)矩陣。由矩陣可知,若接地故障發(fā)生在保護(hù)安裝處m和(m+1)之間,則有CmCm+1=1,令

Cm(m+1)=CmCm+1

(16)

為與主保護(hù)配合,只有在主保護(hù)識(shí)別不出故障時(shí)(Tm(m+1)=0),后備保護(hù)才進(jìn)行故障區(qū)間判斷。故定義后備保護(hù)的故障區(qū)間判定函數(shù)為:

(17)

可根據(jù)Sm(m+1)′的取值判別故障區(qū)間,即若Sm(m+1)′=1,則故障發(fā)生在保護(hù)m與(m+1)之間;反之則該區(qū)間無(wú)故障。當(dāng)故障被切除,保護(hù)m和(m+1)處的不平衡電流變?yōu)榱?Sm(m+1)′重新置零。

在直流斷路器動(dòng)作后,非故障區(qū)域的不平衡電流會(huì)出現(xiàn)振蕩,可能導(dǎo)致在某次采樣時(shí)非故障區(qū)域的保護(hù)誤判。因此,為保證后備保護(hù)的可靠性,定義后備保護(hù)動(dòng)作區(qū)間判別函數(shù)為:

(18)

后備保護(hù)的故障確認(rèn)時(shí)間與主保護(hù)相同。當(dāng)Tm(m+1)′=1時(shí),表示故障區(qū)間已確定在斷路器m和(m+1)之間,即令保護(hù)m和(m+1)處的直流斷路器動(dòng)作,將故障隔離。故障隔離后,只有當(dāng)直流斷路器m和(m+1)重新閉合后Tm(m+1)′被重新置零。

設(shè)后備保護(hù)從故障發(fā)生到故障完全被隔離用時(shí)為ttotal2,則ttotal2包括故障檢測(cè)時(shí)間tdet2和故障隔離時(shí)間tiso;tdet2包括不平衡電壓達(dá)到定值的時(shí)間、故障電流達(dá)到定值的時(shí)間tri2、故障確認(rèn)時(shí)間tc和通信延時(shí)tdelay,由于后備保護(hù)啟動(dòng)后,其不平衡電流一般已達(dá)到定值,故tri2可忽略?？紤]1 ms通信延時(shí)和2.5 ms的直流斷路器動(dòng)作時(shí)間,該后備保護(hù)能在其啟動(dòng)后3.5 ms內(nèi)將故障隔離。

3.4 遠(yuǎn)后備保護(hù)設(shè)計(jì)

若故障后,前述的主保護(hù)和后備保護(hù)檢測(cè)到故障,但直流斷路器發(fā)生拒動(dòng)或通信系統(tǒng)故障導(dǎo)致故障無(wú)法隔離,則啟動(dòng)遠(yuǎn)后備保護(hù)。

3.4.1 第一級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)

首先,定義第一級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)線路過(guò)流信號(hào)Sm和不平衡電流過(guò)流信號(hào)Sm′分別如式(19)和式(20)所示。

(19)

(20)

若Sm=1,則表示m處的保護(hù)測(cè)得的線路電流過(guò)流,反之則不過(guò)流。Sm′=0表示m處保護(hù)測(cè)得的不平衡電流未超過(guò)定值,反之則超過(guò)定值。

對(duì)于直流線路上的任意區(qū)間m到(m+1),其中1≤m≤9,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到Tm(m+1)=1(Tm(m+1)′=1),且持續(xù)時(shí)間超過(guò)tset2,其中tset2>tiso,則表明主保護(hù)(后備保護(hù))已判定故障區(qū)間在保護(hù)m和(m+1)之間,正常情況下m和(m+1)處的直流斷路器已經(jīng)將故障隔離,應(yīng)有Sm=Sm+1=0(Sm′=Sm+1′=0)。若Sm(Sm′)和Sm+1(Sm+1′)中任一個(gè)不為零,則表示該處直流斷路器拒動(dòng),此時(shí)令與之相鄰的保護(hù)動(dòng)作。具體動(dòng)作策略為:若Sm=1(Sm′=1)時(shí),令(m-1)處保護(hù)動(dòng)作;當(dāng)Sm+1=1(Sm+1′=1)時(shí),則令(m+2)處保護(hù)動(dòng)作。

3.4.2 第二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)

前述的主保護(hù)、后備保護(hù)和第一級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)都需要通信系統(tǒng)參與來(lái)進(jìn)行故障識(shí)別和隔離,若通信系統(tǒng)故障或相關(guān)直流斷路器失效,則上述保護(hù)失效,此時(shí)由第二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)完成故障識(shí)別和隔離。

第二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)通過(guò)閉鎖換流站、跳開(kāi)交流側(cè)的交流斷路器實(shí)現(xiàn)。對(duì)主換流站VSC1和VSC2引入過(guò)流保護(hù)和電壓不平衡保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)的原理為:當(dāng)主換流站VSC1和VSC2檢測(cè)到系統(tǒng)過(guò)流,且持續(xù)時(shí)間大于tset3時(shí),閉鎖相應(yīng)的換流站,并令換流站的交流斷路器跳閘,其中tset3>tset2+tiso。

電壓不平衡保護(hù)的原理為:當(dāng)VSC1和VSC2換流站檢測(cè)到電壓不平衡值超過(guò)定值Vset(與后備保護(hù)定值相同),且持續(xù)時(shí)間超過(guò)tset3,閉鎖相應(yīng)換流站并跳開(kāi)交流側(cè)斷路器。

圖4為保護(hù)方案的原理框圖。

3.5 保護(hù)與控制策略的配合

保護(hù)與控制策略有兩個(gè)方面的配合,一是第二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)中涉及與控制策略的配合。二是當(dāng)故障被直流斷路器隔離后,換流站控制策略的切換:故障隔離后,圖1所示的系統(tǒng)從兩端同時(shí)供電運(yùn)行模式變成了兩端隔離運(yùn)行方式。此時(shí)故障區(qū)域的右側(cè)由T2端口供電,由于T2端口采用的是定直流電壓控制方式,因此該區(qū)域仍然能夠維持正常運(yùn)行;故障的左側(cè)區(qū)域則由T1端口供電,而T1端口在正常運(yùn)行時(shí)采用的是定功率控制,因此故障后該區(qū)域的電壓可能無(wú)法維持在正常水平,若該區(qū)域的負(fù)荷小于T1傳送的功率值,則該區(qū)域電壓升高,反之電壓降低。要維持該非故障區(qū)域的正常運(yùn)行需將T1端口的控制策略從定功率控制切換為定直流電壓控制。

T1端口控制策略的切換方式如下:各直流斷路器將其開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)Trm傳遞給T1端口,Trm是直流斷路器m所處的狀態(tài),當(dāng)處于閉合狀態(tài)時(shí)Trm=1,反之Trm=0。定義Control為T(mén)r1,Tr2,…,Tr10的“與”運(yùn)算,即

圖4 保護(hù)方案原理Fig.4 Principle of protection scheme

Control=Tr1(AND)Tr2…(AND)Tr10

(21)

當(dāng)Control=1時(shí),VSC1采用定功率控制;當(dāng)Control=0時(shí),VSC1采用定直流電壓控制。這樣在直流側(cè)無(wú)故障運(yùn)行時(shí),T1端口運(yùn)行在定功率控制模式,當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障后,Control被置為零,T1端口切換到定直流電壓運(yùn)行模式,從而實(shí)現(xiàn)了非故障區(qū)域的正常運(yùn)行。

4 算例分析

4.1 保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

在PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示的兩端供電的“手拉手”柔性直流配電系統(tǒng)。直流電纜線路1至5的長(zhǎng)度分別為2,15,10,15,2 km,聯(lián)接變壓器接地電阻RT=20 Ω,各換流站的電壓和容量如附錄B表B2所示,電壓和電流的采樣頻率為10 kHz。

正常運(yùn)行時(shí)各端口的負(fù)荷和分布式電源出力如附錄B表B3所示。其中,實(shí)部表示有功功率(單位為MW),虛部表示無(wú)功功率(單位為Mvar),PV表示T3端口連接的光伏電源,Wind表示T5端口連接的風(fēng)力發(fā)電,T1端口設(shè)定的有功出力為3.5 MW。

設(shè)計(jì)的后備保護(hù)能夠保護(hù)的最大過(guò)渡電阻為100 Ω,根據(jù)式(4)求得Edif,min=1.8 kV,根據(jù)式(13)得If1,min=If2,min=45.5 A。各保護(hù)安裝處在正常情況下的最大運(yùn)行電流如附錄B表B4所示。

以保護(hù)4,5,6為例,取Krel1=1.4,Krel2=1.5,Krel3=1.5,根據(jù)式(5)和式(14)可得保護(hù)4,5,6處主保護(hù)和后備保護(hù)電流定值如附錄B表B5所示。設(shè)定各級(jí)保護(hù)的其他主要相關(guān)參數(shù)如附錄B表B6所示。

4.2 極間短路故障保護(hù)分析

在1 s時(shí)刻,對(duì)保護(hù)5和6之間線路的中點(diǎn)施加極間短路故障,附錄B圖B1(a)給出了保護(hù)5處測(cè)得的電流值的變化,并對(duì)比了不安裝保護(hù)情況下的電流值,由圖B1(a)可知保護(hù)系統(tǒng)能在故障電流上升到最大值之前將其切除。由附錄B圖B1(b)可知,故障后保護(hù)4處也測(cè)到了過(guò)電流,附錄B圖B1(c)為主保護(hù)和后備保護(hù)的故障區(qū)間識(shí)別函數(shù),該故障由主保護(hù)識(shí)別,并準(zhǔn)確判定故障發(fā)生在保護(hù)5和6之間。仿真數(shù)據(jù)顯示,保護(hù)5和6在故障后0.3 ms檢測(cè)到電流過(guò)流,由于采樣頻率為10 kHz,因此故障確認(rèn)時(shí)間tc=0.3 ms,考慮到通信延時(shí)時(shí)間tdelay為1 ms,直流斷路器5和6在故障后1.6 ms收到跳閘指令,并最終在故障后4.0 ms切斷故障電流,對(duì)其他處施加極間短路故障可同理分析。附錄B圖B1(d)表明主保護(hù)的高速動(dòng)作特性使得故障對(duì)正常區(qū)域的運(yùn)行影響很小。

4.3 單極接地故障保護(hù)分析

對(duì)保護(hù)5和6之間的線路3施加正極接地故障,故障時(shí)刻為1 s。當(dāng)故障點(diǎn)過(guò)渡電阻為0.01,1,10,100 Ω時(shí),其故障特性分別如附錄B圖B2、圖B3、圖B4和圖B5所示。由圖可見(jiàn),隨著故障電阻的增大,故障后不平衡電流減小。保護(hù)動(dòng)作參數(shù)如附錄B表B7所示,當(dāng)過(guò)渡電阻較小時(shí),主保護(hù)能夠迅速將故障隔離;當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí),主保護(hù)存在不能識(shí)別故障的可能,故障將由后備保護(hù)識(shí)別并隔離,過(guò)渡電阻越大,不平衡電壓的上升速度越小,后備保護(hù)識(shí)別故障的速度也越慢。但此時(shí)故障電流很小甚至不過(guò)流,例如過(guò)渡電阻為10 Ω和100 Ω時(shí),保護(hù)5測(cè)得的最大線路電流分別為451.6 A和61.7 A,對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行影響較小,對(duì)保護(hù)動(dòng)作的速動(dòng)性要求較低,設(shè)計(jì)的保護(hù)能夠滿足系統(tǒng)要求。

4.4 控制系統(tǒng)與保護(hù)的配合

根據(jù)附錄B表B3中的數(shù)據(jù),從中壓直流側(cè)來(lái)看,T3至T6的等效負(fù)荷分別為0.8,3.1,1.98,0.66 MW。若在1 s時(shí)刻k3點(diǎn)發(fā)生極間短路故障,保護(hù)5和6將故障隔離,此時(shí)VSC1換流站向T3和T4端口供電,VSC2換流站向T5和T6端口供電。若不改變控制策略,由于T1端口傳輸?shù)墓β手敌∮赥3和T4端口負(fù)荷的需求,因此故障后中壓直流電壓會(huì)降低,使電壓偏離正常運(yùn)行范圍,若采用3.5節(jié)中保護(hù)與控制的配合策略,則故障切除后,T3和T4端口仍然能夠維持在額定值附近運(yùn)行,附錄B圖B6為這兩種情況下VSC1直流側(cè)電壓變化情況。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“手拉手”多端柔性直流配電網(wǎng),在分析了直流側(cè)故障特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于通信系統(tǒng)和直流斷路器的保護(hù)方案。主保護(hù)采用雙端量識(shí)別故障區(qū)間,降低了定值整定的要求,能迅速隔離對(duì)系統(tǒng)危害較大的故障;后備保護(hù)識(shí)別并隔離過(guò)渡電阻較大的單極故障,提高了保護(hù)原理耐受過(guò)渡電阻的能力。主保護(hù)和后備保護(hù)的通信系統(tǒng)只傳輸電流狀態(tài)值,降低了對(duì)通信系統(tǒng)的要求。針對(duì)可能出現(xiàn)的保護(hù)拒動(dòng)或通信故障,設(shè)計(jì)了兩級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù),并通過(guò)保護(hù)與控制系統(tǒng)的相互配合,保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)方案在環(huán)狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Line Protection Schemes for Flexible Medium Voltage DC Distribution Networks

DAIZhihui,GEHongbo,CHENBingyan,JIAOYanjun,WANGZengping

(Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid (North China Electric Power University), Baoding 071003, China)

A new protection scheme for the medium voltage DC line in the “hand-in-hand” multi-terminal flexible DC distribution network is designed based on the communication system and DC circuit breakers. Firstly, the configuration of the flexible DC distribution system and the fault characteristics of the medium voltage DC system are described. Then, a quick-acting main protection scheme is designed for pole-to-pole faults and pole-to-ground faults with low fault resistance. The current information and current state matrix of each relay is used to identify the fault type and fault area to isolate the fault area within 5 ms. Subsequently, a backup protection scheme is designed for possible pole-to-ground faults with high fault resistance. In such cases, the unbalanced voltage is taken as the startup criterion, with the fault area isolated according to the state of the unbalanced current of each relay. Besides, a first-step and a second-step remote backup protection each are designed in case of failures of DC circuit breakers and communication devices. Additionally, the cooperation between the protection system and the control system is taken into consideration to make sure the healthy area is supplied normally. Finally, simulation results in PSCAD/EMTDC verify the effectiveness of the proposed protection scheme.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900203), National Natural Science Foundation of China (No. 51307059), and Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 2017MS096).

DC distribution system; DC circuit breaker; protection scheme; fault isolation; fault identification

2016-10-11;

2017-04-10。

上網(wǎng)日期: 2017-06-20。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0900203);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307059);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2017MS096)。

戴志輝(1980—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)保護(hù)與安全控制。E-mail：daihuadian@163.com

葛紅波(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)保護(hù)與安全控制。

陳冰研(1993—),男,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)保護(hù)與安全控制。

(編輯 蔡靜雯)