基于多重綜合判據(jù)的單端MMC直流配電網(wǎng)單極接地保護方法

張偉，方永麗，孫碩，姜華，曹亞非，沈興來

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000)

與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)在線路損耗、電能質(zhì)量、功率密度、相位、頻率等方面都具有較大的優(yōu)勢，且便于新能源和充電樁等直流負(fù)荷的接入，具有良好的應(yīng)用前景[1-4]。基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的直流配電網(wǎng)，因控制靈活、可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、具備故障自清除能力等優(yōu)勢，成為直流配電網(wǎng)方面的研究熱點[5-7]。為了提高供電可靠性，直流配電網(wǎng)一般采取直流側(cè)經(jīng)鉗位電阻接地方式。該接地方式與交流配電網(wǎng)的小電流接地方式類似，當(dāng)直流饋線發(fā)生單極接地故障時，配電網(wǎng)能夠帶故障持續(xù)運行一段時間[6-12]。但是在鉗位電阻接地方式下，單極接地故障時故障電流很小，故障特征不明顯，難以準(zhǔn)確可靠地判別出故障饋線。

國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究[13-20]，提出基于故障特征的被動檢測法和基于注入信號的主動檢測法2類故障線路判斷方法。文獻[13]提出一種基于饋線正負(fù)極暫態(tài)電流突變方向的故障饋線判斷方法，但是由于故障暫態(tài)電流持續(xù)時間短、頻率大且不固定，該方法易受暫態(tài)電流的振蕩衰減等因素的影響而降低準(zhǔn)確性。文獻[14]提出一種基于放電電流極性的圖論故障選線方法，但只適用于電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)直流配電網(wǎng)，對于MMC直流配電網(wǎng)則存在適應(yīng)性問題。文獻[15]在VSC直流側(cè)電容中性點增加接地開關(guān)，并在故障后投入，向配電網(wǎng)注入脈沖以實現(xiàn)故障判別，但是該方案并不適用于直流側(cè)無集中并聯(lián)電容的MMC直流配電網(wǎng)。文獻[16]提出當(dāng)發(fā)生單極接地故障后，通過改變MMC的控制策略，使MMC產(chǎn)生需要的探測信號，并分析主動探測信號大小、頻率的選擇依據(jù)，但是該方法對控制策略的要求較高，不利于推廣。

綜上所述，現(xiàn)有針對直流配電網(wǎng)單極接地故障的2類保護方法均有不足，因此繼續(xù)開展相關(guān)研究，有效解決直流配電網(wǎng)單極接地保護準(zhǔn)確性和可靠性的問題具有重要意義。本文以結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、應(yīng)用較廣的MMC單端直流配電網(wǎng)為研究對象，綜合利用故障饋線與非故障饋線各自正負(fù)極電流故障特性、故障饋線與非故障饋線故障極電流的故障特性、故障饋線與非故障饋線正負(fù)極電流之和的故障特性，分別計算這3種故障判據(jù)，并構(gòu)建基于上述3種故障判據(jù)的多重綜合判據(jù)單極接地保護方法。最后，利用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simulation system，RTDS)軟件搭建MMC單端直流配電網(wǎng)的單極接地故障仿真模型，對所提方法進行驗證。

1 單端直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前直流配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要有單端、雙端和環(huán)狀3類。其中單端放射狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，保護配合方便，投資成本低，是己建設(shè)工程實踐中最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[21-27]，如圖1所示。

圖1 單端放射狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Single-ended radial network topology

由半橋子模塊級聯(lián)構(gòu)成的三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中：ua、ub、uc為三相交流電壓源；ia、ib、ic為三相電流；uaP、ubP、ucP為上橋臂電壓；iaP、ibP、icP為上橋臂電流；uaN、ubN、ucN為下橋臂電壓；iaN、ibN、icN為下橋臂電流；Udc為直流電壓；ism為子模塊電流；usm為子模塊電壓；uc為子模塊電容電壓；R0為橋臂電阻；L0為橋臂電抗；C為子模塊電容；SM1—SMn為n個子模塊；T1、T2為絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)；D1、D2為二極管。

圖2 三相MMC及其子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of three-phase MMC and its submodules

三相MMC中包含3個相單元和6個橋臂，每橋臂由n個子模塊和1個電抗器串聯(lián)構(gòu)成，傳統(tǒng)VSC中的電抗器接在換流器與交流系統(tǒng)之間，而MMC中的電抗器直接串聯(lián)在橋臂中。MMC中的電抗器能夠抑制3個相單元瞬時電壓不同時引起的相間環(huán)流，還能抑制直流線路故障時短路電流的瞬時沖擊。橋臂等效電阻R0主要由橋臂中半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗等效而得。上下橋臂的連接處與三相交流系統(tǒng)相連，通過對MMC中IGBT施加不同的觸發(fā)脈沖，可實現(xiàn)對子模塊運行狀態(tài)的任意切換，以實現(xiàn)電壓、電流控制與換流的目的。

2 單極接地故障特性分析

為便于分析，將單端放射性直流配電網(wǎng)簡化成如圖3所示結(jié)構(gòu)，其中L1—L4為饋線。

圖3 單端MMC直流配電網(wǎng)簡化結(jié)構(gòu)Fig.3 Simplified structure of single-ended MMC DC distribution network

由圖3以及MMC控制和工作特征可知，系統(tǒng)正常運行時，由于采用的是單極對稱接線方式，當(dāng)以地為參考點時，正極對地電壓UP與負(fù)極對地電壓UN的絕對值相等，方向相反，即UP=-UN。直流配電網(wǎng)MMC的交流側(cè)一般采用中性點經(jīng)小電流接地方式，單極接地時不存在子模塊電容放電，且子模塊電容電壓不變；因此當(dāng)發(fā)生單極接地故障時，直流線路正負(fù)極之間的極間電壓總是維持正常運行時的極間電壓不變。

當(dāng)發(fā)生正極接地故障時，正極線路電壓降為0，負(fù)極線路電壓降低為負(fù)的額定電壓值；同理，負(fù)極接地故障時，負(fù)極線路電壓升高為0，正極線路電壓升高為額定電壓值。因此，單極接地僅改變零電位點，使得直流配電系統(tǒng)中的接地故障線路電壓為0，而非故障線路電壓為故障前電壓的2倍。直流配電網(wǎng)多采用電纜線路，電纜線路具有隨頻率變化的分布參數(shù)特性，線路電壓會經(jīng)過一個衰減震蕩過程后才進入穩(wěn)態(tài)。線路電壓在震蕩過程中不斷變化，導(dǎo)致線路對地的分布電容對接地點產(chǎn)生不斷變化的衰減震蕩電流。

在MATLAB中搭建基于圖3結(jié)構(gòu)的仿真模型，其中，交流變壓器為110 kV/10 kV，MMC換流站額定容量35 MVA，子模塊電容9 000 μF，橋臂電抗12 mH，單橋臂子模塊數(shù)20，直流配電網(wǎng)MMC工作在雙閉環(huán)控制方式下。仿真中采樣頻率為24 kHz，饋線L1—L4的長度分別為5 km、8 km、3 km、6 km，電流互感器變比分別為200/5、200/5、200/5、100/5。在0.5 s時模擬饋線L1的正極單極接地故障，其母線電壓和各饋線首端測量電流如圖4所示。

圖4 饋線L1上發(fā)生正極接地故障時的故障波形Fig.4 Fault waveforms in case of positive grounding fault on feeder L1

由圖4(a)可知：在0.5 s發(fā)生故障時，正極電壓由正常運行時的10 kV迅速下降為0；負(fù)極電壓由-10 kV迅速下降至-20 kV，負(fù)極電壓幅值瞬間增大到原來幅值的2倍；極間直流電壓在故障后仍維持正常運行時的20 kV。由于線路電壓突變，直流線路對地電容存在短時放電，使得直流線路正負(fù)極電壓在故障后出現(xiàn)短暫衰減震蕩后才趨于穩(wěn)態(tài)。

由圖4(b)—(e)可知：在發(fā)生單極接地故障前，正極線路電流正常運行在穩(wěn)定狀態(tài)；在0.5 s發(fā)生單極接地故障后，由于正負(fù)極電壓短暫波動，線路對地電容通過接地點發(fā)生短時放電現(xiàn)象，正負(fù)極電流經(jīng)過暫態(tài)過渡過程重新進入穩(wěn)態(tài)，沒有嚴(yán)重過流情況。

由圖4可知：故障饋線正負(fù)極電流之間不僅大小差別較大，且其方向具有反向性；非故障饋線正負(fù)極電流大小與其線路長度成正比，且方向具有同向性。故障饋線的故障極暫態(tài)電流與所有非故障饋線的故障極暫態(tài)電流之間具有明顯的反向性，而所有非故障饋線的故障極暫態(tài)電流之間具有明顯的同向性。因此，可以根據(jù)這些差異判斷出故障饋線。

3 基于多重綜合判據(jù)單極接地保護方法

由上述故障特征的分析和仿真可知，當(dāng)發(fā)生單極接地故障時，雖然沒有大的短路電流產(chǎn)生且極間電壓維持不變，但是正負(fù)極對地電壓嚴(yán)重不對稱，會對電網(wǎng)和用電設(shè)備造成一定的影響，因此需要盡快切除故障進行維護，以免發(fā)生更嚴(yán)重的極間短路故障。

MMC直流配電網(wǎng)發(fā)生單極接地故障時，其各饋線電壓和首端電流之間具有明顯的差異，可以根據(jù)這些差異來判斷出故障饋線。直流電壓的變化不會隨故障位置的改變而改變，因此無法單獨采用電壓判據(jù)來實現(xiàn)故障饋線的判斷，但是利用電壓判據(jù)可以容易地判斷出是否發(fā)生單極接地故障以及故障極是正極還是負(fù)極。故障饋線與非故障饋線的首端電流信號之間存在一定差異，可利用該暫態(tài)電流信號來判斷出故障饋線。由于單極接地故障時的暫態(tài)電流信號相對較小，衰減較快，易受故障點過渡電阻等因素影響，采用單一的故障判據(jù)容易造成誤判。為提高判斷的準(zhǔn)確性，本文基于各饋線本身正負(fù)極暫態(tài)電流之間的差異性、所有饋線故障極電流之間的差異性、所有饋線正負(fù)極對應(yīng)電流和之間的差異性3種故障判據(jù)，構(gòu)建基于多重綜合判據(jù)的單極接地保護方法。實現(xiàn)流程如下：

a)確定各饋線正負(fù)極電流互感器安裝方向的正確性，以及各互感器的變比，以便于分析與計算判據(jù)。

b)不斷地采樣獲取直流配電網(wǎng)的正負(fù)極對地電壓、極間電壓和各饋線首端的正負(fù)極電流。

c)判斷是否發(fā)生單極接地故障。單極接地故障時故障極電壓變?yōu)?，非故障極電壓變?yōu)闃O間電壓，而極間電壓維持不變。因此，當(dāng)正負(fù)極電壓當(dāng)滿足式(1)時，判斷為發(fā)生了單極接地故障，則進行后續(xù)各饋線各種故障判據(jù)的計算和故障饋線的判斷；否則，繼續(xù)檢測直流配電網(wǎng)電壓和各饋線首端的正負(fù)極電流。

(1)

式中：UPN為極間電壓；UPN,e為極間電壓額定值；為了避免發(fā)生誤判，設(shè)置相關(guān)的可靠系數(shù)0.4、0.8；0.5UPN,e為單極對地的額定電壓。

d)判斷出故障極。當(dāng)滿足|UN|>|UP|，判斷為正極發(fā)生單極接地故障；否則，判斷為負(fù)極發(fā)生單極接地故障。

e)根據(jù)所有饋線本身正負(fù)極間電流相似性系數(shù)判據(jù)初步判斷出故障饋線。根據(jù)式(2)分別計算出所有饋線本身正負(fù)極相似性系數(shù)判據(jù)p′i；由故障特性理論和仿真分析可知，理論上故障饋線的判據(jù)p′i必然小于0，而非故障饋線的判據(jù)p′i大于0。因此，可以根據(jù)p′i初步判斷出故障饋線，即p′i值最小且p′i<0的饋線為故障饋線。

(2)

式中：ii+(k)、ii-(k)分別為第i條饋線正極電流、負(fù)極電流的第k個采樣值；N為采樣計算數(shù)據(jù)量。

然后，利用各饋線故障極電流采樣值，根據(jù)式(3)計算所有饋線故障極電流之間的相似性系數(shù)判據(jù)p″i。故障饋線的判據(jù)p″i必然小于0，而非故障饋線的判據(jù)p″i大于0。因此，可以根據(jù)p″i初步判斷出故障饋線，即p″i值最小且p″i<0的饋線為故障饋線。

(3)

式中：p″i,s為第i條饋線與第s條饋線故障極電流之間的相關(guān)性系數(shù)；ii,g(k)為第i條饋線故障極電流的第k個采樣值；ni為第i條饋線的電流互感器變比；M為該配電網(wǎng)的饋線總數(shù)。

f)根據(jù)所有饋線正負(fù)極電流和之間的相似性系數(shù)判斷故障線路。利用各饋線正負(fù)極電流采樣值，根據(jù)式(4)計算所有饋線正負(fù)極電流和之間的相似性系數(shù)判據(jù)p′′′i。故障饋線的判據(jù)p′′′i必然小于0，而非故障饋線的判據(jù)p′′′i大于0。因此，可以根據(jù)p′′′i初步判斷出故障饋線，即p′′′i值最小且p′′′i<0的饋線為故障饋線。

(4)

式中：p′′′i,s為第i條饋線與第s條饋線的正負(fù)極電流和之間的相關(guān)性系數(shù)；ii,P(k)為第i條饋線正極電流的第k個采樣值；ii,N(k)為第i條饋線負(fù)極電流的第k個采樣值。

從理論分析上看，上述3種判據(jù)都可準(zhǔn)確判斷出故障饋線，但是單極接地故障時，該暫態(tài)分量較小，干擾因素多，頻率不確定，互感器多且變比不一致，如果只采用單一的判據(jù)容易產(chǎn)生誤判。因此，綜合上述3種故障判據(jù)以提高判斷的準(zhǔn)確性。

單獨利用上述3種判據(jù)判斷出的故障饋線相同時，則該饋線即為故障饋線；當(dāng)單獨利用上述3種判據(jù)選擇出的故障饋線不同或某個判據(jù)無法判斷出故障饋線時，利用式(5)的綜合計算方法計算各饋線的綜合判據(jù)pi，則pi值最大的饋線即為故障饋線。

(5)

4 仿真驗證

仿真參數(shù)同上，分別在饋線L1上距首端不同距離處模擬單極接地故障，各饋線的故障判據(jù)及判斷結(jié)果見表1，其中l(wèi)1為饋線L1的長度，lF為故障點至饋線L1首端的距離。對各饋線的電流信號附加隨機干擾信號(不超過各饋線電流互感器額定電流的5%)和40 dB的高斯白噪聲信號后的故障判據(jù)及結(jié)論見表2。

由表1、2可見，本文方法可以準(zhǔn)確判斷出故障饋線，且具有較強的抗干擾能力。在有干擾情況下，隨著故障點過渡電阻的增大，利用單一故障判據(jù)的方法有可能產(chǎn)生誤判；當(dāng)過渡點電阻增大到一定程度，故障信號中的暫態(tài)分量很小時，綜合判據(jù)法也可能產(chǎn)生誤判，但其準(zhǔn)確率較單一判據(jù)高。因此，需要繼續(xù)研究高阻接地故障的判斷方法。

表1 在饋線L1上距首端不同距離處單極接地故障的故障判據(jù)和結(jié)論Tab.1 Fault criteria and conclusions of single pole grounding fault at different distances on feeder L1 from the head end

表2 附加干擾信號后的各饋線故障判據(jù)和結(jié)論Tab.2 Fault criteria and conclusions of each feeder after adding interference signal

5 結(jié)束語

本文提出基于多重綜合判據(jù)的單端MMC直流配電網(wǎng)單極接地保護方法，利用MMC直流配電網(wǎng)單極接地故障時各饋線本身正負(fù)極電流之間的相似性、各饋線故障極電流之間的相似性、各饋線正負(fù)極電流和之間的相似性作為綜合故障判據(jù)，實現(xiàn)單

極接地保護。經(jīng)仿真驗證，本文方法具有抗干擾能力強、判斷準(zhǔn)確性高等優(yōu)點，可有效解決單端MMC直流配電網(wǎng)單極保護地問題，但其針對高阻接地故障的判斷準(zhǔn)確性還有待進一步研究。