一種適用于中壓直流配電網(wǎng)單極故障的保護方法

高淑萍 邵明星 宋國兵 段必聰 徐振曦

摘 ? 要：針對中壓直流配電網(wǎng)線路保護尚不完善這一問題，提出一種基于零模功率的單極故障保護方法. 首先，分析直流配電網(wǎng)中線路發(fā)生單極故障時的故障特征，利用暫態(tài)電流分量的極性進行區(qū)內(nèi)、外故障識別，利用零模功率幅值的大小進行故障線選擇，利用零模電壓的大小進行故障極選擇. 其次，對所提保護方法給出了整定判據(jù). 最后，在PSCAD/EMTDC中搭建直流配電網(wǎng)模型用以輸出故障數(shù)據(jù)，利用MATLAB進行保護方法驗證. 結(jié)果表明，所提方法快速有效，可靠性高，耐受過渡電阻的能力較強，對數(shù)據(jù)延遲不敏感，且抗干擾能力較強.

關(guān)鍵詞：直流配電網(wǎng);電流極性;相模變換;零模功率;繼電保護

中圖分類號：TM77 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

A New Type of Protection Method Suitable for Single-pole Fault

in Medium Voltage DC Distribution Network

GAO Shuping1，SHAO Mingxing1，SONG Guobing2，DUAN Bicong1，XU Zhenxi1

（1. School of Electrical and Control Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2. School of Electrical Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China）

Abstract：In order to solve the problem of imperfect line protection in medium voltage DC distribution network，a single-pole fault protection method based on zero-mode power is proposed in this paper. Firstly，the characteristics of single-pole fault in the DC distribution network are analyzed. Fault identification is carried out by using the polarity of the transient current component，fault line selection is realized by using the magnitude of zero -mode power amplitude，and fault pole selection is implemented by using the magnitude of zero -mode voltage. Secondly，the setting criteria are given for the proposed protection method. Finally，a DC distribution network model is built in PSCAD/EMTDC to output fault data，and MATLAB is used to verify the protection method. The simulation results show that the proposed method is fast and effective，highly reliable，and has a strong ability to withstand transition resistance. It is not sensitive to data delay and has a strong anti-interference ability.

Key words：DC distribution system;current polarity;phase-mode transformation;zero-mode power;relay protection

近年來，電力電子器件的快速發(fā)展推動了直流配電網(wǎng)的快速發(fā)展，直流配電網(wǎng)在電能質(zhì)量、穩(wěn)定性、傳輸容量等諸多方面都較交流配電網(wǎng)有優(yōu)勢[1-3]. 另外，采用直流配電網(wǎng)能很好解決電網(wǎng)對直流負荷供電時所需換流設備的問題，降低了投資成本. 直流配電網(wǎng)還具有潮流可控性強[4]、電網(wǎng)升級改造方便[5]等諸多優(yōu)點. 因此，直流配電網(wǎng)無疑是未來配電網(wǎng)發(fā)展的主流方向.

繼電保護作為保證配電網(wǎng)長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)仍處于探索和完善階段[6-7]. 對于直流配電網(wǎng)保護的研究主要是借鑒交流配電網(wǎng)以及直流輸電的相關(guān)保護原理. 目前應用于直流配電網(wǎng)的保護技術(shù)有過流保護[8-9]、微分欠壓保護[10-11]、距離保護[12]、行波保護[13]、差動保護[14]等. 直流配電網(wǎng)的線路可根據(jù)是否存在明顯的邊界分為兩種情況，當直流配電網(wǎng)線路中存在明顯的邊界時，可以根據(jù)邊界特征來構(gòu)造保護方案. 文獻[15]根據(jù)線路邊界的電抗器對故障信號的高頻阻滯作用，區(qū)外的電流高頻分量遠小于區(qū)內(nèi)故障的高頻分量，利用暫態(tài)能量作為識別區(qū)內(nèi)外故障的判據(jù)，并利用電抗器壓降的正負來區(qū)分正反向的故障. 文獻[16]對MMC換流器和VSC換流器共存的環(huán)狀直流配電網(wǎng)利用線模和零模網(wǎng)絡對其故障特征進行分析，提出了一種利用線路邊界電感電壓初始值差異的單端量保護方法，有效解決了利用雙端量帶來的通訊延時的問題.

基于線路邊界所設計的保護適用性較窄，當直流配電網(wǎng)中不存在明顯的邊界條件時便不再適用，因此需要根據(jù)直流配電網(wǎng)的特點設計恰當?shù)谋Ｗo措施. 文獻[17]在分析了直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極故障時全電流方向特征的基礎上，提出了一種利用全電流方向特征的縱聯(lián)保護方法. 同時為了避免單極故障時，非故障極線路由于耦合帶來的影響，有學者提出了一種適用于直流線路的相模變換矩陣[18]，對直流線路進行解耦，通過對故障電流進行模量分解，并分析其特征. 文獻[19]提出了一種利用線模故障分量動態(tài)偏差值極值極性與大小的故障識別方法，該方法能快速識別線路故障的類型，可以作為直流配電網(wǎng)的一種快速保護方法.

現(xiàn)有文獻雖然對直流配電網(wǎng)的故障特征進行了詳細分析，并且提出了一些行之有效的保護方法，但是目前直流配電網(wǎng)的保護方法還比較少，仍處于探索開發(fā)階段.

針對輻射狀直流配電網(wǎng)的線路保護問題，本文首先對輻射狀VSC直流配電網(wǎng)的故障特征進行了理論分析，在對故障分量進行模量分解的基礎上，提出了一種當線路發(fā)生單極故障時利用零模功率的保護方法. 最后在PSCAD/EMTDC下搭建了仿真模型進行保護方法的驗證，驗證結(jié)果表明所提的保護方法能夠準確識別故障并隔離故障.

1 ? 中壓直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文所搭建的輻射狀中壓直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)采用交流10 kV系統(tǒng)經(jīng)變壓器進行供電，VSC1、VSC2為兩電平電壓源換流器，輸出電壓為±12 kV，且均為偽雙極接線方式. 對于系統(tǒng)的接地方式，變壓器采用Y/Yn且二次側(cè)經(jīng)高阻接地，直流側(cè)采用分裂電容中點經(jīng)高阻接地. 集中式新能源由光伏、風電、蓄電池組成，系統(tǒng)中負載主要由直流和交流兩種負載組成，其中直流負荷占80%，交流負荷占20%. DAB1為直流變壓器，可進行能量的雙向流動，對電壓進行降壓到800 V之后供給直流負荷2和4，并且光伏發(fā)電機組（PV）經(jīng)過DAB1升壓之后并入到直流配電網(wǎng)中，DAB2把電壓降到1 500 V之后供給直流負荷3. L1～L5為直流線路，且L1、L4、L5的長度為10 km，L2和L3的長度為5 km，均采用頻變參數(shù)模型（Frequency Dependent（Phase）Model，F(xiàn)DPM）的同軸電纜，單位長度電纜的電阻值為0.12 Ω/km，電感值為0.17 mH/km，f1～f7表示不同位置的故障.

2 ? 中壓直流配電網(wǎng)故障特征

由于圖1所示的輻射狀中壓直流配電網(wǎng)出線復雜，負載多樣化，因此在進行故障分析時需要對直流線路進行分類處理. 本文按照直流線路是否含有子饋線分為兩類[20]. 線路1、2、4、5屬于主饋線，線路3屬于線路2的子饋線.

由于直流配電網(wǎng)線路發(fā)生單極接地故障的概率較高，且直流配電網(wǎng)常采用高阻接地方式以限制故障極電流，因此，當線路發(fā)生單極故障時檢測難度變大，保護裝置的靈敏性難以得到保證. 鑒于此，本文主要對直流配電網(wǎng)單極故障進行研究.

2.1 ? 不含子饋線的線路暫態(tài)電流分量極性

為了便于分析，首先規(guī)定線路正極電流的正方向為母線流向線路，負極電流的正方向為線路流向母線. 對于不含有子饋線的線路分析如下，以線路1發(fā)生區(qū)內(nèi)單極接地故障為例，如圖1中f1處. 當故障發(fā)生的瞬間，直流配電網(wǎng)的運行狀態(tài)還未發(fā)生改變，可以利用疊加定理把故障后的等效網(wǎng)絡視為非故障狀態(tài)與故障附加狀態(tài)的疊加[21]，其中故障附加狀態(tài)的電路圖如圖2所示，可計算得到線路的電流為：

If i = ΔIpm i + ΔIpn iIL i = Ii + If i ? ? ? （1）

式中：If i表示線路的故障電流;ΔIpm i、ΔIpn i表示線路兩側(cè)電流的故障分量;Ii表示線路故障前一時刻的電流;i表示第幾條線路，i = 1、2、3、4、5;IL i表示線路的全電流;P表示線路正極;N表示線路負極.

由圖2可以分析出，當線路1正極發(fā)生接地故障時，線路m1側(cè)的暫態(tài)電流分量為母線流向線路，極性為正.

當直流線路發(fā)生區(qū)外故障時，如圖1所示的f7處發(fā)生單極故障，其等效電路圖如圖3所示. 因為圖1中各條主饋線為并聯(lián)關(guān)系，所以此處只畫出了線路1的等效電路，標注了線路暫態(tài)電流分量的流向，接近故障點的m1側(cè)的暫態(tài)電流分量為線路流向母線，極性為負.

2.2 ? 含子饋線的線路暫態(tài)電流分量極性

對于含有子饋線的線路，當主饋線正極發(fā)生故障時，如圖4所示，此時線路m2側(cè)暫態(tài)電流分量的極性判別結(jié)果與上述不含子饋線的線路判別結(jié)果相同，線路m2側(cè)暫態(tài)電流分量的極性為正. 子饋線正極發(fā)生故障時，如圖5所示，此時線路m2側(cè)暫態(tài)電流分量的極性判別結(jié)果仍然為正;故僅依靠線路m2側(cè)暫態(tài)電流分量的極性并不能準確判別故障所存在的區(qū)段，存在誤判的可能.

進一步分析可知，當主饋線正極發(fā)生故障時，線路m3側(cè)暫態(tài)電流分量的極性為負，此時主饋線和子饋線的暫態(tài)電流分量的極性相反;當子饋線正極發(fā)生故障時，線路m3側(cè)暫態(tài)電流分量的極性為正，此時主饋線和子饋線的暫態(tài)電流分量的極性相同.

基于以上特征差異，對于含有子饋線的線路可以根據(jù)主、子饋線m側(cè)暫態(tài)電流分量的極性是否相同來區(qū)分主、子饋線故障. 當判別為子饋線故障時，為避免主饋線的誤切除而導致供電質(zhì)量不能保證，此時應當準確動作子饋線的保護裝置，而主饋線的保護裝置不應誤動作.

其余同類型的線路故障特征可按照上述方法進行分析，不再贅述.

綜上所述，對于不含子饋線的線路可以采用線路m側(cè)暫態(tài)電流分量的極性進行區(qū)內(nèi)、外故障的判別;對于含有子饋線的線路采用主饋線m2側(cè)暫態(tài)電流分量的極性和子饋線m3側(cè)暫態(tài)電流分量的極性進行輔助判別.

2.3 ? 故障線路與非故障線路特征分析

當直流配電網(wǎng)中線路1區(qū)內(nèi)發(fā)生正極接地故障時，由于單極接地故障往往是直接接地或經(jīng)一過渡電阻接地，接地支路與接地點之后的線路和負載為并聯(lián)關(guān)系，雖然可能存在一定的過渡電阻，但其值也遠小于線路和負載的等效阻抗，因此故障點之后的線路和負載可認為被切除，線路因此過流. 而對于非故障線路來說，線路電流基本不發(fā)生波動.

為了消除極間線路可能因耦合作用而存在的影響，引入模量分解的方法對故障分量進行解耦，文獻[18]中介紹了一種適用于直流線路的解耦矩陣.

式中：xp、xn為直流線路正、負極電氣量;x1、x0分別為對應的線模和零模量;S為解耦矩陣;S-1為解耦逆矩陣.

由（2）式可以得出線路電流、電壓的零模分量為：

式中：ip、in分別表示線路的正、負極電流;up、un分別表示線路的正、負極電壓.

由于直流配電網(wǎng)中常采用小電流接地方式以限制故障電流的上升，因此考慮采用功率量進行分析，在此定義線路的零模功率為：

p0 = u0 i0 ? ? ? （4）

式中：p0表示線路的零模功率;u0表示線路的零模電壓;i0表示線路的零模電流.

由于本文所研究的中壓直流配電網(wǎng)的換流器的接線方式為偽雙極接線方式，所以當線路1發(fā)生正極接地故障時，其線路零模電流和零模電壓為：

式中：uN表示直流配電網(wǎng)的額定電壓24 kV.

通過式（4）可計算得到線路1的零模功率為：

線路1發(fā)生負極接地故障時，其線路零模電流和零模電壓為：

通過式（4）可計算得到線路1的零模功率為：

由于正極故障時負極電流只產(chǎn)生微小波動，故 i1p + i1n的值可認為是線路正極的暫態(tài)電流分量，只對暫態(tài)電流分量和零模功率的數(shù)值進行對比.

式中：|·|表示對其中的值取模值，即只考慮其值大小.

因此，理論上對暫態(tài)電流分量的放大倍數(shù)可達12倍. 而非故障線路的正負極電流基本無波動，由式（4）計算得到的零模功率的值基本為0. 并且當線路正極故障時通過式（4）計算得到的零模功率的值小于0，同時零模電壓小于0;當線路負極發(fā)生故障時，由式（4）計算得到的零模功率的值小于0，同時零模電壓大于0.

對于非故障線路而言，其線路電壓、電流波動范圍很小，在一定程度上可以認為是無波動的，通過式（4）計算得到零模功率.

基于以上分析，可以考慮采用暫態(tài)電流分量的極性進行區(qū)內(nèi)外故障的判定，采用各線路零模功率的幅值進行故障選線，采用零模電壓的正負進行故障選極.

3 ? 零模功率保護原理

由上述分析可知，對于不含子饋線的線路，通過線路m側(cè)暫態(tài)電流分量極性的不同可以實現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障的識別. 對于含有子饋線的線路，通過主、子饋線m側(cè)暫態(tài)電流分量極性的異同可以實現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障的識別. 區(qū)內(nèi)故障時，可以利用各線路零模功率幅值的差異進行故障線路的選擇并由零模電壓的正負實現(xiàn)故障極的選擇.

3.1 ? 故障啟動判據(jù)

由上述分析可知，當直流配電網(wǎng)中發(fā)生單極接地故障時，故障線路的電流發(fā)生變化，采用電流在時間域的變化量大于整定值作為本文所提保護的啟動判據(jù). 即，

式中：表示各線路電流在時間域的變化量;Ii表示直流配電網(wǎng)正常運行時的各線路電流;K表示判據(jù)整定值，針對本文所搭建的直流配電網(wǎng)模型，經(jīng)過大量的仿真驗證可以得出，當線路瞬時電流的幅值在相鄰采樣點發(fā)生0.1 kA的變化時可以認為線路中發(fā)生了故障，因此K值可取1 000.

為了避免保護的誤啟動，預設當連續(xù)三個采樣點計算得到的值均滿足式（11）時，保護啟動.

3.2 ? 區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)

當線路電流的變化滿足式（11）時，線路保護啟動. 由第2節(jié)分析可知，當不含子饋線的直流線路正極發(fā)生接地故障時，線路m側(cè)的暫態(tài)電流分量的極性為正;當直流線路的負極發(fā)生接地故障時，線路m側(cè)的暫態(tài)電流分量的極性為正;而當區(qū)外故障時，線路m側(cè)的暫態(tài)電流分量的極性為負. 所以判別區(qū)內(nèi)、外故障的依據(jù)可整定為：

D1 = 1，ΔIPm i > 0 & ΔINm i > 00，ΔIPm i < 0 & ΔINm i < 0 ? ? ? （12）

式中：ΔIPmi、ΔINmi表示線路m側(cè)電流的故障分量;P表示線路正極，N表示線路負極;i表示線路的編號.

式（12）表示，當暫態(tài)電流分量的極性為正時，判斷為1，屬于主饋線區(qū)內(nèi)故障;當暫態(tài)電流分量的極性為負時，判斷為0，屬于主饋線區(qū)外故障.

當含有子饋線的直流線路發(fā)生單極故障時，根據(jù)第2章所介紹的僅依靠D1并不能準確識別故障所處的區(qū)段，區(qū)分主、子饋線故障的方法是結(jié)合主、子饋線m側(cè)暫態(tài)電流分量的極性是否相同進行輔助判別，故障判據(jù)可整定為：

D2 = 1，（ΔIPm2 > 0，ΔIPm3 > 0）& ? ?（ΔINm2 > 0，ΔINm3 > 0）;0，（ΔIPm2 > 0，ΔIPm3 < 0）& ? ?（ΔINm2 > 0，ΔINm3 < 0）. ? ? ? （13）

式中：ΔIPm2、ΔIPm3表示線路2和線路3正極m側(cè)電流的故障分量;ΔINm2、ΔINm3表示線路2和線路3負極m側(cè)電流的故障分量.

式（13）表示，當主、子饋線暫態(tài)電流分量的極性同為正時，判斷為1，屬于子饋線區(qū)內(nèi)故障;當主、子饋線暫態(tài)電流分量的極性相反時，判斷為0，屬于子饋線區(qū)外故障，此時若D1的值為1，則可判定為主饋線區(qū)內(nèi)故障，反之，主饋線也不存在故障.

3.3 ? 選線和選極判據(jù)

由3.2節(jié)介紹的區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)可以實現(xiàn)故障區(qū)段的判定，但不能最終確定出具體是哪條線路哪一極發(fā)生了接地故障，需要進行選線和選極判據(jù)的設計.

利用2.3節(jié)所介紹的零模功率的方法進行故障線路的選擇以便于實現(xiàn)保護的檢測識別，達到保護靈敏度的要求.

當線路區(qū)內(nèi)發(fā)生單極故障時，通過式（4）所計算得到的故障線路零模功率的幅值遠大于0，而非故障線路零模功率的幅值接近于0. 如果發(fā)生的是正極故障，故障線路的零模電壓小于0，如果發(fā)生的是負極故障，故障線路的零模電壓大于0.

因此，基于上述零模功率的理論可以實現(xiàn)故障線路的選擇，并且可以根據(jù)零模電壓的正負實現(xiàn)故障極的選擇. 具體的選線選極判據(jù)可整定如下：

pi 0 >pj 0ui 0 < 0 ? ? ? （14）

式中：|·|表示線路零模功率的幅值;ui 0表示故障線路i的零模電壓.

式（14）表示當?shù)趇條線路的零模功率的幅值大于其余j條線路零模功率的幅值且第i條線路的零模電壓小于0時，表明線路i中發(fā)生了正極故障，發(fā)出跳閘指令，使得斷路器動作于跳閘.

pi 0 >pj 0ui 0 > 0 ? ? ? （15）

式（15）表示當?shù)趇條線路的零模功率的幅值大于其余j條線路的零模功率的幅值且第i條線路的零模電壓大于0時，表明線路i中發(fā)生了負極故障，發(fā)出跳閘指令，使得斷路器動作于跳閘.

3.4 ? 保護邏輯

上述章節(jié)詳細闡述了每個階段的故障判別過程，首先根據(jù)直流配電網(wǎng)中配置的電流微分保護進行保護的啟動，然后對故障是否發(fā)生在區(qū)內(nèi)進行判別，當故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時，通過比較每條線路零模功率的幅值進行故障線路的選擇，根據(jù)故障線路零模電壓值與0相比較的結(jié)果進行故障極的選擇，整個保護實現(xiàn)流程如圖6所示.

4 ? 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC中搭建了如圖1所示的輻射狀中壓直流配電網(wǎng)，通過設置圖1中不同位置的故障進行保護原理可行性的驗證.

本文所提的保護方法在進行區(qū)內(nèi)外故障判別時需要交互主子饋線m側(cè)的信息，目前電力系統(tǒng)中使用的GPS對時系統(tǒng)可將時間誤差控制在10 μs以內(nèi)，完全滿足數(shù)據(jù)的同步性要求，數(shù)據(jù)采樣頻率設為10 kHz，考慮到VSC直流配電網(wǎng)中電容放電速度以及零模信號的傳輸速度，數(shù)據(jù)窗口選擇為3 ms. 故障發(fā)生的時間為0.7 s，持續(xù)時間為0.05 s.

4.1 ? 不含子饋線的線路區(qū)內(nèi)單極故障

對于主饋線的單極故障情況，以線路1正極故障為例，設置正極直接接地故障，仿真結(jié)果如圖7所示. 圖7（a）（b）所示為線路零模電流和零模電壓，圖7（c）中所示線路1發(fā)生故障時，故障電流的導數(shù)在所取的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)滿足式（11）所整定的啟動判據(jù)，保護裝置得以啟動. 由圖7（d）所示的區(qū)內(nèi)外故障判別結(jié)果可以得出發(fā)生的是區(qū)內(nèi)故障，進一步的進行故障線路的選擇. 圖7（e）所示的各條線路的零模功率的幅值中，線路1零模功率的幅值遠大于其余各線路零模功率的幅值，且線路1的零模電壓的值大于0，由式（12）可判斷出線路1正極發(fā)生了故障. 在所選擇的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)的判別結(jié)果和預設的故障類型相同，實現(xiàn)了故障線路的正確選擇，可快速切除故障.

由于線路負極的故障特征與正極的故障特征類似，在一定程度上是相互對稱的，限于篇幅，仿真驗證結(jié)果在下文將會以表格的形式呈現(xiàn).

4.2 ? 含有子饋線的線路區(qū)內(nèi)單極故障

4.2.1 ? 含有子饋線的線路主饋線單極故障

對于含有子饋線的線路主饋線單極故障，以線路2正極故障為例，仿真結(jié)果如圖8所示. 圖8（a）中所示的仿真結(jié)果表明，當線路發(fā)生故障后，啟動裝置所檢測計算到的數(shù)據(jù)迅速滿足整定值，保護裝置快速啟動. 圖8（b）所示的邏輯結(jié)果表明可以迅速地把故障識別為區(qū)內(nèi)故障，進而通過圖8（c）的選線結(jié)果在3 ms內(nèi)選出故障線路. 因此，整體結(jié)果表明，即使線路中含有子饋線，當線路發(fā)生單極故障時，本文所提的方法仍能夠準確識別出故障線路.

4.2.2 ? 含有子饋線的線路子饋線單極故障

以線路3正極發(fā)生接地故障為例，驗證結(jié)果如圖9所示. 圖9（a）表示，在0.700 s時電流微分值瞬間超過整定值，并且可以連續(xù)三個點確認故障發(fā)生，保護得以正確啟動. 圖9（b）所示結(jié)果D1、D2的邏輯值均在0.700 s之后變?yōu)?.0，根據(jù)式（13）可判定為子饋線區(qū)內(nèi)故障. 圖9（c）的選線選極結(jié)果表明線路3正極發(fā)生了故障. 綜上所述，故障識別結(jié)果與預設故障類型相同，所提方案準確識別出了含子饋線的線路所發(fā)生的故障.

按照類似方法驗證其余線路發(fā)生故障時是否準確識別故障線路，驗證結(jié)果如表1所示.

從表1可以看出，直流配電網(wǎng)中各條線路不論是發(fā)生正極故障還是負極故障，上述所提的保護方法均能準確識別出故障線路，可以實現(xiàn)故障的快速隔離.

4.3 ? 區(qū)外故障

對于線路故障最難區(qū)分的是線路邊界處發(fā)生金屬性區(qū)外故障時的情況，保護判據(jù)在整定時需要躲過區(qū)外故障最嚴重的情況. 為此本文主要考慮母線故障以及交流側(cè)發(fā)生短路故障.

當直流母線正極發(fā)生金屬性接地故障時（圖1中f7所示），其仿真結(jié)果如圖10所示. 圖10（a）所得結(jié)果表明，各線路電流的微分值計算結(jié)果不能連續(xù)三次滿足整定值，保護不能正確啟動，并且圖10（b）所示的結(jié)果也表明發(fā)生的是區(qū)外故障，因此保護不能誤動作，具有良好的選擇性.

當交流側(cè)發(fā)生單相接地故障時（圖1中f6所示），其仿真結(jié)果如圖11所示. 圖11所得結(jié)果同樣表明保護裝置不能啟動，判定為區(qū)外故障.

4.4 ? 過渡電阻對保護方法的影響

直流配電網(wǎng)的單極接地故障往往是存在大小不等的過渡電阻，因此需要對所提保護進行耐受過渡電阻能力的驗證，本文以20 Ω電阻為最高過渡電阻[15]，以線路1正極故障為例，驗證結(jié)果如表2所示.

4.5 ? 數(shù)據(jù)傳輸延遲對保護方法的影響

在對含有子饋線的線路進行區(qū)內(nèi)外故障的判定時需要主子饋線m側(cè)暫態(tài)電流的極性配合進行判定，若數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在延遲可能會對判別結(jié)果產(chǎn)生影響. 假設主饋線m側(cè)暫態(tài)電流極性判別信號送往子饋線時存在1 ms的延遲，以線路3正極故障為例，仿真結(jié)果如圖12所示. 由圖12（b），D1的數(shù)據(jù)信息在故障后1 ms傳輸?shù)阶羽伨€測量點，在0.700～0.701 s之間，子饋線得到的D1的數(shù)據(jù)始終為0;0.701 s之后數(shù)據(jù)送到，D1瞬間變?yōu)?，結(jié)合D2判定為子饋線區(qū)內(nèi)發(fā)生故障，啟動選線、選極，圖12（c），在0.701 s之后選線、選極裝置可以準確無誤地選出故障線路故障極. 結(jié)果表明，數(shù)據(jù)不同步對本文所提的保護方法沒有影響.

4.6 ? 抗干擾能力

性能優(yōu)越的保護方法不僅在故障點處存在過渡電阻時能準確識別出故障線路，而且在存在干擾的情況下也應能準確識別出故障線路. 為此，對于本文所提的保護方法驗證了當區(qū)內(nèi)故障時信號中存在20 dB的高斯白噪聲的故障識別情況，因篇幅有限，以線路1正極故障進行驗證說明.

圖13為采樣信號中加入了20 dB白噪聲時仿真驗證結(jié)果，從圖13中可以看出，即使采樣信號中存在噪聲干擾，本文所提的保護方案仍能準確識別出故障線路，具有較強的抗干擾能力.

4.7 ? 與其他方法對比分析

文獻[9]中介紹了一種基于電流微分的保護，該方法主要是利用電容放電電流微分值與放電時間相結(jié)合，進行故障的判定. 本文所介紹的方法與之相對比有以下優(yōu)點：

1）保護可靠性高，本文所提的保護方法采用故障電流分量極性進行區(qū)內(nèi)外故障判別，各線路零模功率幅值的差別進行故障選線，理論和仿真均表明故障線路與非故障線路零模功率幅值相差很大，便于故障判定;而且本文所提的保護方法抗過渡電阻、抗噪聲干擾的能力較強，保護不易誤動作. 文獻[9]利用電流微分作為故障識別判據(jù)，當故障點處存在較大的過渡電阻時，保護的正確性必然會受到影響.

2）數(shù)據(jù)窗口更短，本文所提的保護方法在3 ms內(nèi)便可識別出故障線路，且從仿真數(shù)據(jù)可以看出數(shù)據(jù)窗口完全有進一步縮小的可能，有利于減小硬件電路處理數(shù)據(jù)的負擔.

5 ? 結(jié) ? 論

本文針對輻射狀直流配電網(wǎng)的線路保護進行了研究，分析了線路發(fā)生故障時的故障特征，由此提出了一種基于零模功率的新型保護方法，所提方法具有以下優(yōu)點：

1）對于單極接地保護采用零模功率進行故障線路判別，故障判別采用的信號進行了相模變換，消除了線路極間耦合的影響.

2）數(shù)據(jù)窗為3 ms，可以實現(xiàn)線路的快速保護.

3）耐受過渡電阻的能力強，可耐受常規(guī)電網(wǎng)中20 Ω的過渡電阻.

4）數(shù)據(jù)的傳輸延遲對所提保護方法沒有影響.

5）所提保護方法抗干擾能力較強，信號中存在20 dB白噪聲時仍能準確識別故障線路.

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收稿日期：2020-12-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51777166），National Natural Science Foundation of China（51777166）;國家自然科學基金聯(lián)合基金重點支持項目（U1766209），Key Support Projects of the National Natural Science Foundation（U1766209）;國家留學基金委資助項目，China Scholarship Council

作者簡介：高淑萍（1970—），女，陜西西安人，西安科技大學碩士生導師，副教授，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：1241085828@qq.com