考慮瞬時(shí)功率特性的直流配電網(wǎng)線(xiàn)路故障定位及保護(hù)

陳新崗，朱瑩月，馬志鵬，時(shí) 晶，譚 悅，鄒越越

(1.重慶理工大學(xué)， 重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400054；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司, 浙江 紹興 312000)

近年來(lái)，隨著分布式電源以及可再生能源大量接入配電網(wǎng)系統(tǒng)[1]中，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)[2]傳輸功率小、環(huán)流環(huán)節(jié)多、損耗大等問(wèn)題日漸突出。于是，能提高利用效率和提升電能質(zhì)量的直流配電網(wǎng)成為了城市智能配電[3-4]的研究熱點(diǎn)。

目前，在直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，其故障電流上升速率非?？?，能在數(shù)毫秒內(nèi)達(dá)到峰值，且不受故障類(lèi)型影響。因此，快速、準(zhǔn)確地切除故障成為直流配電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。

常用的直流配電網(wǎng)線(xiàn)路保護(hù)有低壓過(guò)流保護(hù)[7]、縱聯(lián)保護(hù)[8-10]、直流過(guò)電壓保護(hù)[11-12]、直流電壓不平衡保護(hù)、直流斷線(xiàn)保護(hù)[13]、直流低電壓保護(hù)等[14]，這些保護(hù)方式大多借鑒主網(wǎng)線(xiàn)路的保護(hù)思路。文獻(xiàn)[15]將檢測(cè)到的相鄰線(xiàn)路出口處電流的大小和方向特性作為主保護(hù)判據(jù)，將不平衡電流出現(xiàn)作為后備保護(hù)判據(jù)，并設(shè)置了一級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)和二級(jí)遠(yuǎn)后備保護(hù)，提高了保護(hù)的選擇性。文獻(xiàn)[16]利用換流站出口處裝設(shè)的電抗器作為邊界條件，檢測(cè)直流電抗器上的電流高頻暫態(tài)量來(lái)判別區(qū)內(nèi)、外故障，并加入方向元件來(lái)排除反向故障。文獻(xiàn)[17]利用改進(jìn)的電壓梯度算法檢測(cè)電壓變化作為特征量，并將其作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，將檢測(cè)限流電抗器上的電壓變化率作為特征量，由此來(lái)判定故障類(lèi)型，并將電壓變化量作為特征量來(lái)進(jìn)行故障極判別。文獻(xiàn)[18]利用混合直流斷路器的特性，在MMC換流器閉鎖前切除故障，從而滿(mǎn)足直流輸電線(xiàn)路保護(hù)的速動(dòng)性，但未提出具體保護(hù)流程。文獻(xiàn)[19]提出了一種先閉鎖換流器、再斷開(kāi)對(duì)應(yīng)直流斷路器的保護(hù)控制方法，但該方法會(huì)擴(kuò)大保護(hù)范圍。

以基于電壓源型(voltage source converter，VSC)換流器的中壓直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，分析了柔性直流配電線(xiàn)路在單極接地故障以及雙極短路故障下的故障特征，并利用保護(hù)安裝處檢測(cè)的瞬時(shí)功率構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，提出了一種基于瞬時(shí)功率特性的柔性直流配電網(wǎng)故障定位和保護(hù)方法。最后，通過(guò)PSCAD仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。所提故障定位及保護(hù)方法原理簡(jiǎn)單，極大降低了系統(tǒng)對(duì)通信的要求。

1 直流系統(tǒng)配置

以基于VSC的雙端柔性直流配電網(wǎng)為研究對(duì)象，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，變壓器的交流側(cè)電壓為110 kV，直流側(cè)電壓為10 kV。T1與T2為交流系統(tǒng)相連接的VSC1換流站和VSC2換流站，T3和T4分別連接直流負(fù)荷和交流負(fù)荷，T5、T6和T7分別連接不同的分布式電源，其中直流變換器采用雙有源橋(dual active bridge，DAB)。將與負(fù)荷相連接的端點(diǎn)設(shè)置為點(diǎn)A、B、C、D，并利用4個(gè)端點(diǎn)將直流配電網(wǎng)線(xiàn)路分為3條線(xiàn)路，即Line1、Line2和Line3。

針對(duì)圖1的雙端柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，采用定有功功率控制和定直流電壓控制。T1端口為系統(tǒng)功率結(jié)點(diǎn)，采用定有功功率控制；T2端口為系統(tǒng)的平衡結(jié)點(diǎn)，采用定直流電壓控制；其余換流器采用負(fù)荷側(cè)定電壓控制以維持負(fù)荷穩(wěn)定。變壓器閥側(cè)經(jīng)大電阻接地，可以降低單極接地故障后交流側(cè)饋入故障電流,保護(hù)裝置安裝在線(xiàn)路端口處。

圖1 雙端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2 直流配電網(wǎng)故障分析

2.1 單極接地故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，其故障等效電路如圖2所示。

圖2 正極接地故障等效電路圖

將單極接地故障分為2個(gè)階段：

1) 電容放電階段：當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生正極線(xiàn)路單極接地故障時(shí)，極間電壓存在1個(gè)暫態(tài)下降，但隨著故障電流值逐漸減小，此時(shí)極間電壓開(kāi)始慢慢上升，由此，系統(tǒng)進(jìn)入下一階段。

2) 穩(wěn)定階段：在此階段，接地故障被清除后，極間電壓逐漸恢復(fù)到正常水平。

2.2 雙極短路故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，故障等效電路如圖3所示。

將雙極短路故障暫態(tài)過(guò)程分為3個(gè)階段[20]：

1) 電容放電階段：剛開(kāi)始發(fā)生雙極短路故障時(shí)，換流器的并聯(lián)電容通過(guò)線(xiàn)路對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行放電；由于線(xiàn)路內(nèi)阻很小，電容放電電流會(huì)在數(shù)毫秒內(nèi)遠(yuǎn)超出額定電流，此時(shí)電容電壓迅速下降，由于電容放電回路的固有響應(yīng)一般為欠阻尼響應(yīng)，因此當(dāng)電容電流震蕩過(guò)零時(shí)，故障進(jìn)入下一階段。

2) 二極管導(dǎo)通階段：當(dāng)電容電壓過(guò)零后，交流側(cè)可視為三相短路，此時(shí)交流側(cè)饋入三相短路電流，與電感續(xù)流回路構(gòu)成故障電流；當(dāng)二極管中的電流過(guò)零后，VSC換流器中的二極管同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)形成1個(gè)放電回路，由此進(jìn)入下一階段。

3) 穩(wěn)定階段：故障電壓和故障電流逐漸減小，系統(tǒng)最后重新穩(wěn)定。

圖3 雙極短路故障等效電路圖

3 基于瞬時(shí)功率特性的保護(hù)原理

3.1 保護(hù)原理

由圖1的雙端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)鋱D所示，保護(hù)裝置安裝在每條線(xiàn)路端口處，即圖1中點(diǎn)A、B、C、D，每個(gè)保護(hù)系統(tǒng)由互感器、保護(hù)裝置和直流斷路器構(gòu)成。將直流線(xiàn)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖4(a)所示的示意圖，其中F1為線(xiàn)路發(fā)生區(qū)外故障，F(xiàn)2為線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。

圖4 直流線(xiàn)路故障示意圖和簡(jiǎn)化等效模型示意圖

將直流線(xiàn)路換流器出口處設(shè)為X端與Y端，即X端等效為圖1中點(diǎn)A，Y端等效為圖1中點(diǎn)D。其中，un為n端電壓同步采集值；in為流經(jīng)n端的電流同步采集值；n點(diǎn)代表A、B、C、D；R1、R2為直流線(xiàn)路等效電阻；L1、L2為直流線(xiàn)路等效電抗；C為線(xiàn)路并聯(lián)電容；iC為等效電容充電電流；由此，端點(diǎn)n的瞬時(shí)功率為：

ΔPn=Δun(t)Δin(t)

(1)

相鄰兩點(diǎn)間的瞬時(shí)功率差值為：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1

(2)

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，瞬時(shí)功率ΔP=0，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，瞬時(shí)功率ΔP≠0，由此將瞬時(shí)功率ΔP作為進(jìn)行直流線(xiàn)路區(qū)內(nèi)、外故障判定的重要依據(jù)。

3.1.1區(qū)外故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的F1區(qū)外故障時(shí)，其等效電路圖如圖5所示，故障點(diǎn)可看作是連接1個(gè)電壓源uF。

圖5 區(qū)外故障等效電路圖

圖5中，uF為故障點(diǎn)電壓；當(dāng)線(xiàn)路正常運(yùn)行時(shí)，線(xiàn)路兩端電壓壓降為：

uL(t)=R1iX(t)+R2(-iY(t))+

(3)

(4)

其中：uL為線(xiàn)路兩端電壓壓降；uC為等效電容電壓。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，兩端電壓值會(huì)急劇下降，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生故障疊加電流iF，流經(jīng)X端和Y端的電流值變?yōu)閕X′、iY′。

(5)

故障后線(xiàn)路兩端電壓壓降為：

(R1+R2)iF(t)+

(6)

于是線(xiàn)路電壓增量為：

ΔuL=R1iF(t)+R2iF(t)+

(7)

所以，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)：ΔuX<0,ΔuY<0,且|ΔuX|<|ΔuY|。

故障后直流線(xiàn)路兩端放電電流為：

(8)

此時(shí)線(xiàn)路的電流增量：ΔiX>0, Δ(-iY)>0,且|ΔiXV|<|Δ(-iY)|。

由式(7)和(8)可得，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，線(xiàn)路的瞬時(shí)功率ΔP>0。

3.1.2區(qū)內(nèi)故障

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的F2區(qū)外故障時(shí)，其等效電路如圖6所示，故障點(diǎn)可看作是連接一個(gè)電壓源uF。

圖6 區(qū)內(nèi)故障等效電路圖

同理，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，電壓增量與電流增量特性為：ΔuX<0,ΔuY<0,且ΔiX>0,Δ(-iY)<0；于是ΔPX<0，ΔPY>0由此，當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，線(xiàn)路的瞬時(shí)功率ΔP<0。

3.2 故障識(shí)別判據(jù)

通過(guò)上述對(duì)保護(hù)原理的分析，利用瞬時(shí)功率在區(qū)內(nèi)外故障時(shí)的不同特性，構(gòu)造故障識(shí)別判據(jù)：

ΔP=ΔPn-ΔPn+1<ΔPset

(9)

由式(9)可知，當(dāng)瞬時(shí)功率值小于整定值時(shí)，判定為區(qū)內(nèi)故障；當(dāng)瞬時(shí)功率值大于整定值時(shí)，判定為區(qū)外故障。由于電壓波動(dòng)與電流波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小，將瞬時(shí)功率整定值ΔPset設(shè)置為0。

3.3 故障區(qū)段定位判定

如圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，在判斷故障為區(qū)內(nèi)故障后，需進(jìn)一步檢測(cè)線(xiàn)路的故障區(qū)段。利用上述的瞬時(shí)功率特性可知，故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時(shí)瞬時(shí)功率小于整定值，當(dāng)檢測(cè)區(qū)段中出現(xiàn)第一個(gè)瞬時(shí)功率小于整定值時(shí)，該區(qū)段即為故障區(qū)段。即同步檢測(cè)相鄰2個(gè)區(qū)段的瞬時(shí)功率，故障區(qū)段整定判據(jù)為：

(10)

式中：ΔPk為第k條線(xiàn)路的瞬時(shí)功率，無(wú)論是單極接地故障或是雙極短路故障，其故障區(qū)段的瞬時(shí)功率均小于整定值。

3.4 保護(hù)流程及實(shí)現(xiàn)

基于瞬時(shí)功率的故障定位及保護(hù)方法是由保護(hù)啟動(dòng)和故障判別兩部分組成，具體流程如圖7所示。

圖7 保護(hù)流程框圖

1) 首先利用直流線(xiàn)路電流變化率在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)幾乎為零的特性，將電流變化率作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生故障后，啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作，并發(fā)送啟動(dòng)命令給故障識(shí)別判據(jù)。

2) 保護(hù)起動(dòng)后，同步采集直流線(xiàn)路連接換流器兩端的電流及電壓值，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)兩端的瞬時(shí)功率差值。根據(jù)“區(qū)外故障時(shí)瞬時(shí)功率大于整定值，區(qū)內(nèi)故障時(shí)瞬時(shí)功率小于整定值”的特性，首先判斷系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。為增加保護(hù)動(dòng)作可靠性，故障判別時(shí)連續(xù)滿(mǎn)足判據(jù)3次才能最終判定故障發(fā)生。

3) 當(dāng)在2)中判定為區(qū)內(nèi)故障后，對(duì)直流線(xiàn)路進(jìn)行故障區(qū)段判定，此時(shí)，同步采集每段直流線(xiàn)路兩端點(diǎn)的電流值和電壓值，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)區(qū)段的瞬時(shí)功率值；對(duì)比相鄰線(xiàn)路的瞬時(shí)功率值，若檢測(cè)區(qū)段出現(xiàn)第一個(gè)瞬時(shí)功率小于整定值時(shí)，判定瞬時(shí)功率小于整定值的區(qū)段為故障區(qū)段。為保證保護(hù)方案的可靠性，只有當(dāng)故障區(qū)段判定連續(xù)滿(mǎn)足3次判據(jù)時(shí)，才能確定故障區(qū)段。

4) 當(dāng)在3)中檢測(cè)出對(duì)應(yīng)故障區(qū)段后，跳開(kāi)對(duì)應(yīng)保護(hù)裝置的斷路器，對(duì)故障進(jìn)行快速隔離。若在2)中檢測(cè)為區(qū)外故障，則保護(hù)復(fù)位，為下一次保護(hù)動(dòng)作做準(zhǔn)備。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于瞬時(shí)功率的故障定位及保護(hù)方法的可行性與正確性，在PSCAD上搭建了如圖1所示的基于VSC(voltage source converter)雙端柔性直流配電網(wǎng)仿真模型，其中故障發(fā)生在第1 s，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。

4.1 保護(hù)動(dòng)作行為分析

1) 區(qū)外故障。當(dāng)發(fā)生如圖4所示的F1故障時(shí)，同步采集的換流器出口處電壓與電流值如圖8(a)、(b)所示。由圖8(a)、(b)得：ΔuX<0，ΔuY<0,ΔiX>0,Δ(-iY)>0。依據(jù)式(7)和(8)可得，故障初期的瞬時(shí)功率大于整定值，如圖8(c)所示，符合判據(jù)要求。

2) 區(qū)內(nèi)故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生如圖4所示的F2故障時(shí)，同步采集的換流器出口處電壓與電流值如圖9(a)、(b)所示。由圖9(a)、(b)得：ΔuX<0，ΔuY<0,ΔiX>0,Δ(-iY)<0；依據(jù)式(7)、(8)可知在故障初期的瞬時(shí)功率小于整定值，如圖9(c)所示，符合判據(jù)要求。

同樣，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，同步采集到換流器出口處的電壓值與電流值如圖10所示。電壓與電流增量結(jié)果同單極接地故障，計(jì)算得到的瞬時(shí)功率小于整定值，符合判據(jù)要求。

圖9 雙端直流配電網(wǎng)單極接地故障仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果曲線(xiàn)

圖10 雙端直流配電網(wǎng)雙極短路故障仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果曲線(xiàn)

4.2 故障區(qū)段判定

上述保護(hù)方案除了可以區(qū)分區(qū)內(nèi)、外故障，還可以對(duì)區(qū)內(nèi)故障進(jìn)行故障區(qū)段的判定。文中將分別在Line3上進(jìn)行單極接地故障與雙極短路故障的仿真來(lái)驗(yàn)證上述故障區(qū)段判據(jù)的可靠性和有效性。

當(dāng)單極接地故障發(fā)生在Line3上時(shí)，可分別對(duì)Line1、Line2和Line3進(jìn)行分區(qū)段瞬時(shí)功率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 各區(qū)段單極接地故障瞬時(shí)功率計(jì)算結(jié)果曲線(xiàn)

由圖11所示可得，當(dāng)Line3發(fā)生單極接地故障時(shí)，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line1與Line2的ΔP滿(mǎn)足故障區(qū)段判據(jù)，因此可判定故障發(fā)生在Line3，故障區(qū)段判定結(jié)果如表1所示。

表1 Line3單極接地故障區(qū)段瞬時(shí)功率(ΔP)值

當(dāng)雙極短路故障發(fā)生在Line3上時(shí)，分別對(duì)Line1、Line2和Line3進(jìn)行分區(qū)段瞬時(shí)功率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 各區(qū)段雙極短路故障瞬時(shí)功率計(jì)算結(jié)果曲線(xiàn)

同上述系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時(shí)，當(dāng)Line3發(fā)生雙極短路故障時(shí)，ΔP1>0，ΔP2>0，但ΔP3<0，Line2與Line1的ΔP滿(mǎn)足故障區(qū)段判據(jù)，因此可判定故障發(fā)生在Line3，故障區(qū)段判定結(jié)果同表1所示。

4.3 保護(hù)算法性能及對(duì)比分析

接地故障電流受過(guò)渡電阻影響較大，同時(shí)考慮到文中模型電壓等級(jí)，因此通過(guò)設(shè)置不同過(guò)渡電阻值[21]，研究故障定位及保護(hù)方法在低過(guò)渡電阻故障下的可靠性。Line1、Line2和Line3上的瞬時(shí)功率計(jì)算結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，Line1和Line2的瞬時(shí)功率值隨過(guò)渡電阻的增加而變小，但仍然大于整定值，可判定為非故障區(qū)段；而Line3的瞬時(shí)功率值隨著過(guò)渡電阻的增加而變小，但仍然小于整定值，可判定為故障區(qū)段。

圖13 各區(qū)段不同過(guò)渡電阻下瞬時(shí)功率值

表2為當(dāng)單極接地故障發(fā)生在Line3時(shí)不同過(guò)渡電阻下故障區(qū)段的判定結(jié)果。為保證同步采集及計(jì)算結(jié)果的可靠性，采用第3次有效采樣值。

表2 Line3故障時(shí)不同過(guò)渡電阻下瞬時(shí)功率值

由表2可得，隨著過(guò)渡電阻逐漸增大，所提出故障定位及保護(hù)方法仍可以檢測(cè)出故障區(qū)段，保護(hù)可靠且動(dòng)作有效，驗(yàn)證了上述保護(hù)方法在低阻接地故障時(shí)仍具有有效性，且對(duì)過(guò)渡電阻具有一定的耐受能力。

5 結(jié)論

針對(duì)雙端柔性直流配電系統(tǒng)，利用不同故障類(lèi)型和不同故障位置所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率特性不同，提出了一種基于瞬時(shí)功率特性的柔性直流配電網(wǎng)線(xiàn)路故障定位及保護(hù)方法；在PSCAD上進(jìn)行大量仿真，進(jìn)行區(qū)內(nèi)、外故障及故障區(qū)段判定,保證了保護(hù)可靠性。仿真驗(yàn)證了所提出的保護(hù)方法能準(zhǔn)確有效地實(shí)現(xiàn)故障判別，且抗過(guò)渡電阻能力較強(qiáng)。 該方法只需比較相鄰區(qū)段保護(hù)安裝處的瞬時(shí)功率值，原理簡(jiǎn)單，能大大降低對(duì)系統(tǒng)通信的要求，可為柔性直流配電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供有力保障。