高淑萍 邵明星 宋國(guó)兵 段必聰 徐振曦

摘 ? 要：針對(duì)中壓直流配電網(wǎng)線路保護(hù)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(hù)方法. 首先，分析直流配電網(wǎng)中線路發(fā)生單極故障時(shí)的故障特征，利用暫態(tài)電流分量的極性進(jìn)行區(qū)內(nèi)、外故障識(shí)別，利用零模功率幅值的大小進(jìn)行故障線選擇，利用零模電壓的大小進(jìn)行故障極選擇. 其次，對(duì)所提保護(hù)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(jìn)行保護(hù)方法驗(yàn)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(qiáng)，對(duì)數(shù)據(jù)延遲不敏感，且抗干擾能力較強(qiáng).

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(hù)

中圖分類號(hào)：TM77 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)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(shì)[1-3]. 另外，采用直流配電網(wǎng)能很好解決電網(wǎng)對(duì)直流負(fù)荷供電時(shí)所需換流設(shè)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(qiáng)[4]、電網(wǎng)升級(jí)改造方便[5]等諸多優(yōu)點(diǎn). 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(hù)作為保證配電網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)仍處于探索和完善階段[6-7]. 對(duì)于直流配電網(wǎng)保護(hù)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(hù)原理. 目前應(yīng)用于直流配電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)有過流保護(hù)[8-9]、微分欠壓保護(hù)[10-11]、距離保護(hù)[12]、行波保護(hù)[13]、差動(dòng)保護(hù)[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(dāng)直流配電網(wǎng)線路中存在明顯的邊界時(shí)，可以根據(jù)邊界特征來構(gòu)造保護(hù)方案. 文獻(xiàn)[15]根據(jù)線路邊界的電抗器對(duì)故障信號(hào)的高頻阻滯作用，區(qū)外的電流高頻分量遠(yuǎn)小于區(qū)內(nèi)故障的高頻分量，利用暫態(tài)能量作為識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障的判據(jù)，并利用電抗器壓降的正負(fù)來區(qū)分正反向的故障. 文獻(xiàn)[16]對(duì)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(luò)對(duì)其故障特征進(jìn)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(hù)方法，有效解決了利用雙端量帶來的通訊延時(shí)的問題.

基于線路邊界所設(shè)計(jì)的保護(hù)適用性較窄，當(dāng)直流配電網(wǎng)中不存在明顯的邊界條件時(shí)便不再適用，因此需要根據(jù)直流配電網(wǎng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施. 文獻(xiàn)[17]在分析了直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極故障時(shí)全電流方向特征的基礎(chǔ)上，提出了一種利用全電流方向特征的縱聯(lián)保護(hù)方法. 同時(shí)為了避免單極故障時(shí)，非故障極線路由于耦合帶來的影響，有學(xué)者提出了一種適用于直流線路的相模變換矩陣[18]，對(duì)直流線路進(jìn)行解耦，通過對(duì)故障電流進(jìn)行模量分解，并分析其特征. 文獻(xiàn)[19]提出了一種利用線模故障分量動(dòng)態(tài)偏差值極值極性與大小的故障識(shí)別方法，該方法能快速識(shí)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(hù)方法.

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

針對(duì)輻射狀直流配電網(wǎng)的線路保護(hù)問題，本文首先對(duì)輻射狀VSC直流配電網(wǎng)的故障特征進(jìn)行了理論分析，在對(duì)故障分量進(jìn)行模量分解的基礎(chǔ)上，提出了一種當(dāng)線路發(fā)生單極故障時(shí)利用零模功率的保護(hù)方法. 最后在PSCAD/EMTDC下搭建了仿真模型進(jìn)行保護(hù)方法的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明所提的保護(hù)方法能夠準(zhǔn)確識(shí)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?fù)浣Y(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(jìn)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(duì)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(diǎn)經(jīng)高阻接地. 集中式新能源由光伏、風(fēng)電、蓄電池組成，系統(tǒng)中負(fù)載主要由直流和交流兩種負(fù)載組成，其中直流負(fù)荷占80%，交流負(fù)荷占20%. DAB1為直流變壓器，可進(jìn)行能量的雙向流動(dòng)，對(duì)電壓進(jìn)行降壓到800 V之后供給直流負(fù)荷2和4，并且光伏發(fā)電機(jī)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(fù)荷3. L1～L5為直流線路，且L1、L4、L5的長(zhǎng)度為10 km，L2和L3的長(zhǎng)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(zhǎng)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(fù)雜，負(fù)載多樣化，因此在進(jìn)行故障分析時(shí)需要對(duì)直流線路進(jìn)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(dāng)線路發(fā)生單極故障時(shí)檢測(cè)難度變大，保護(hù)裝置的靈敏性難以得到保證. 鑒于此，本文主要對(duì)直流配電網(wǎng)單極故障進(jìn)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?yàn)槟妇€流向線路，負(fù)極電流的正方向?yàn)榫€路流向母線. 對(duì)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(dāng)故障發(fā)生的瞬間，直流配電網(wǎng)的運(yùn)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(luò)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(jì)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(shí)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(fù)極.

由圖2可以分析出，當(dāng)線路1正極發(fā)生接地故障時(shí)，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(dāng)直流線路發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，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?yàn)閳D1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(biāo)注了線路暫態(tài)電流分量的流向，接近故障點(diǎn)的m1側(cè)的暫態(tài)電流分量為線路流向母線，極性為負(fù).

2.2 ? 含子饋線的線路暫態(tài)電流分量極性

對(duì)于含有子饋線的線路，當(dāng)主饋線正極發(fā)生故障時(shí)，如圖4所示，此時(shí)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(shí)，如圖5所示，此時(shí)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(zhǔn)確判別故障所存在的區(qū)段，存在誤判的可能.

進(jìn)一步分析可知，當(dāng)主饋線正極發(fā)生故障時(shí)，線路m3側(cè)暫態(tài)電流分量的極性為負(fù)，此時(shí)主饋線和子饋線的暫態(tài)電流分量的極性相反;當(dāng)子饋線正極發(fā)生故障時(shí)，線路m3側(cè)暫態(tài)電流分量的極性為正，此時(shí)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(duì)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(dāng)判別為子饋線故障時(shí)，為避免主饋線的誤切除而導(dǎo)致供電質(zhì)量不能保證，此時(shí)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確動(dòng)作子饋線的保護(hù)裝置，而主饋線的保護(hù)裝置不應(yīng)誤動(dòng)作.

其余同類型的線路故障特征可按照上述方法進(jìn)行分析，不再贅述.

綜上所述，對(duì)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(jìn)行區(qū)內(nèi)、外故障的判別;對(duì)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(jìn)行輔助判別.

2.3 ? 故障線路與非故障線路特征分析

當(dāng)直流配電網(wǎng)中線路1區(qū)內(nèi)發(fā)生正極接地故障時(shí)，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(diǎn)之后的線路和負(fù)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(yuǎn)小于線路和負(fù)載的等效阻抗，因此故障點(diǎn)之后的線路和負(fù)載可認(rèn)為被切除，線路因此過流. 而對(duì)于非故障線路來說，線路電流基本不發(fā)生波動(dòng).

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(duì)故障分量進(jìn)行解耦，文獻(xiàn)[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(fù)極電氣量;x1、x0分別為對(duì)應(yīng)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(fù)極電流;up、un分別表示線路的正、負(fù)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(jìn)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(dāng)線路1發(fā)生正極接地故障時(shí)，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(jì)算得到線路1的零模功率為：

線路1發(fā)生負(fù)極接地故障時(shí)，其線路零模電流和零模電壓為：

通過式（4）可計(jì)算得到線路1的零模功率為：

由于正極故障時(shí)負(fù)極電流只產(chǎn)生微小波動(dòng)，故 i1p + i1n的值可認(rèn)為是線路正極的暫態(tài)電流分量，只對(duì)暫態(tài)電流分量和零模功率的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比.

式中：|·|表示對(duì)其中的值取模值，即只考慮其值大小.

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

對(duì)于非故障線路而言，其線路電壓、電流波動(dòng)范圍很小，在一定程度上可以認(rèn)為是無波動(dòng)的，通過式（4）計(jì)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(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障的判定，采用各線路零模功率的幅值進(jìn)行故障選線，采用零模電壓的正負(fù)進(jìn)行故障選極.

3 ? 零模功率保護(hù)原理

由上述分析可知，對(duì)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(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障的識(shí)別. 對(duì)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(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)外故障的識(shí)別. 區(qū)內(nèi)故障時(shí)，可以利用各線路零模功率幅值的差異進(jìn)行故障線路的選擇并由零模電壓的正負(fù)實(shí)現(xiàn)故障極的選擇.

3.1 ? 故障啟動(dòng)判據(jù)

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

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

為了避免保護(hù)的誤啟動(dòng)，預(yù)設(shè)當(dāng)連續(xù)三個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算得到的值均滿足式（11）時(shí)，保護(hù)啟動(dòng).

3.2 ? 區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)

當(dāng)線路電流的變化滿足式（11）時(shí)，線路保護(hù)啟動(dòng). 由第2節(jié)分析可知，當(dāng)不含子饋線的直流線路正極發(fā)生接地故障時(shí)，線路m側(cè)的暫態(tài)電流分量的極性為正;當(dāng)直流線路的負(fù)極發(fā)生接地故障時(shí)，線路m側(cè)的暫態(tài)電流分量的極性為正;而當(dāng)區(qū)外故障時(shí)，線路m側(cè)的暫態(tài)電流分量的極性為負(fù). 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(fù)極;i表示線路的編號(hào).

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

當(dāng)含有子饋線的直流線路發(fā)生單極故障時(shí)，根據(jù)第2章所介紹的僅依靠D1并不能準(zhǔn)確識(shí)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(jìn)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(fù)極m側(cè)電流的故障分量.

式（13）表示，當(dāng)主、子饋線暫態(tài)電流分量的極性同為正時(shí)，判斷為1，屬于子饋線區(qū)內(nèi)故障;當(dāng)主、子饋線暫態(tài)電流分量的極性相反時(shí)，判斷為0，屬于子饋線區(qū)外故障，此時(shí)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(shí)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(jìn)行選線和選極判據(jù)的設(shè)計(jì).

利用2.3節(jié)所介紹的零模功率的方法進(jìn)行故障線路的選擇以便于實(shí)現(xiàn)保護(hù)的檢測(cè)識(shí)別，達(dá)到保護(hù)靈敏度的要求.

當(dāng)線路區(qū)內(nèi)發(fā)生單極故障時(shí)，通過式（4）所計(jì)算得到的故障線路零模功率的幅值遠(yuǎn)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(fù)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(shí)現(xiàn)故障線路的選擇，并且可以根據(jù)零模電壓的正負(fù)實(shí)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(dāng)?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(shí)，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(dòng)作于跳閘.

pi 0 >pj 0ui 0 > 0 ? ? ? （15）

式（15）表示當(dāng)?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(shí)，表明線路i中發(fā)生了負(fù)極故障，發(fā)出跳閘指令，使得斷路器動(dòng)作于跳閘.

3.4 ? 保護(hù)邏輯

上述章節(jié)詳細(xì)闡述了每個(gè)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(hù)進(jìn)行保護(hù)的啟動(dòng)，然后對(duì)故障是否發(fā)生在區(qū)內(nèi)進(jìn)行判別，當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時(shí)，通過比較每條線路零模功率的幅值進(jìn)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(jìn)行故障極的選擇，整個(gè)保護(hù)實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示.

4 ? 仿真驗(yàn)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(shè)置圖1中不同位置的故障進(jìn)行保護(hù)原理可行性的驗(yàn)證.

本文所提的保護(hù)方法在進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障判別時(shí)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(duì)時(shí)系統(tǒng)可將時(shí)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(shè)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(hào)的傳輸速度，數(shù)據(jù)窗口選擇為3 ms. 故障發(fā)生的時(shí)間為0.7 s，持續(xù)時(shí)間為0.05 s.

4.1 ? 不含子饋線的線路區(qū)內(nèi)單極故障

對(duì)于主饋線的單極故障情況，以線路1正極故障為例，設(shè)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(shí)，故障電流的導(dǎo)數(shù)在所取的數(shù)據(jù)窗口內(nèi)滿足式（11）所整定的啟動(dòng)判據(jù)，保護(hù)裝置得以啟動(dòng). 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(jìn)一步的進(jìn)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(yuǎn)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(yù)設(shè)的故障類型相同，實(shí)現(xiàn)了故障線路的正確選擇，可快速切除故障.

由于線路負(fù)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(duì)稱的，限于篇幅，仿真驗(yàn)證結(jié)果在下文將會(huì)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(duì)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(dāng)線路發(fā)生故障后，啟動(dòng)裝置所檢測(cè)計(jì)算到的數(shù)據(jù)迅速滿足整定值，保護(hù)裝置快速啟動(dòng). 圖8（b）所示的邏輯結(jié)果表明可以迅速地把故障識(shí)別為區(qū)內(nèi)故障，進(jìn)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(dāng)線路發(fā)生單極故障時(shí)，本文所提的方法仍能夠準(zhǔn)確識(shí)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(yàn)證結(jié)果如圖9所示. 圖9（a）表示，在0.700 s時(shí)電流微分值瞬間超過整定值，并且可以連續(xù)三個(gè)點(diǎn)確認(rèn)故障發(fā)生，保護(hù)得以正確啟動(dòng). 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(shí)別結(jié)果與預(yù)設(shè)故障類型相同，所提方案準(zhǔn)確識(shí)別出了含子饋線的線路所發(fā)生的故障.

按照類似方法驗(yàn)證其余線路發(fā)生故障時(shí)是否準(zhǔn)確識(shí)別故障線路，驗(yàn)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(fù)極故障，上述所提的保護(hù)方法均能準(zhǔn)確識(shí)別出故障線路，可以實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離.

4.3 ? 區(qū)外故障

對(duì)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(shí)的情況，保護(hù)判據(jù)在整定時(shí)需要躲過區(qū)外故障最嚴(yán)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(dāng)直流母線正極發(fā)生金屬性接地故障時(shí)（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(jì)算結(jié)果不能連續(xù)三次滿足整定值，保護(hù)不能正確啟動(dòng)，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(hù)不能誤動(dòng)作，具有良好的選擇性.

當(dāng)交流側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)（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(hù)裝置不能啟動(dòng)，判定為區(qū)外故障.

4.4 ? 過渡電阻對(duì)保護(hù)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(duì)所提保護(hù)進(jìn)行耐受過渡電阻能力的驗(yàn)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(yàn)證結(jié)果如表2所示.

4.5 ? 數(shù)據(jù)傳輸延遲對(duì)保護(hù)方法的影響

在對(duì)含有子饋線的線路進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障的判定時(shí)需要主子饋線m側(cè)暫態(tài)電流的極性配合進(jìn)行判定，若數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在延遲可能會(huì)對(duì)判別結(jié)果產(chǎn)生影響. 假設(shè)主饋線m側(cè)暫態(tài)電流極性判別信號(hào)送往子饋線時(shí)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(cè)量點(diǎn)，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(dòng)選線、選極，圖12（c），在0.701 s之后選線、選極裝置可以準(zhǔn)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(duì)本文所提的保護(hù)方法沒有影響.

4.6 ? 抗干擾能力

性能優(yōu)越的保護(hù)方法不僅在故障點(diǎn)處存在過渡電阻時(shí)能準(zhǔn)確識(shí)別出故障線路，而且在存在干擾的情況下也應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別出故障線路. 為此，對(duì)于本文所提的保護(hù)方法驗(yàn)證了當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)信號(hào)中存在20 dB的高斯白噪聲的故障識(shí)別情況，因篇幅有限，以線路1正極故障進(jìn)行驗(yàn)證說明.

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

4.7 ? 與其他方法對(duì)比分析

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

1）保護(hù)可靠性高，本文所提的保護(hù)方法采用故障電流分量極性進(jìn)行區(qū)內(nèi)外故障判別，各線路零模功率幅值的差別進(jìn)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(hù)方法抗過渡電阻、抗噪聲干擾的能力較強(qiáng)，保護(hù)不易誤動(dòng)作. 文獻(xiàn)[9]利用電流微分作為故障識(shí)別判據(jù)，當(dāng)故障點(diǎn)處存在較大的過渡電阻時(shí)，保護(hù)的正確性必然會(huì)受到影響.

2）數(shù)據(jù)窗口更短，本文所提的保護(hù)方法在3 ms內(nèi)便可識(shí)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(jìn)一步縮小的可能，有利于減小硬件電路處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān).

5 ? 結(jié) ? 論

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

1）對(duì)于單極接地保護(hù)采用零模功率進(jìn)行故障線路判別，故障判別采用的信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)線路的快速保護(hù).

3）耐受過渡電阻的能力強(qiáng)，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(duì)所提保護(hù)方法沒有影響.

5）所提保護(hù)方法抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)中存在20 dB白噪聲時(shí)仍能準(zhǔn)確識(shí)別故障線路.

參考文獻(xiàn)

[1] ? ?DUAN J D，LI Z N，ZHOU Y，et al. Study on the voltage level sequence of future urban DC distribution network in China：a review[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2020，117：105640.

[2] ? ?袁志昌，郭佩乾，劉國(guó)偉，等. 新能源經(jīng)柔性直流接入電網(wǎng)的控制與保護(hù)綜述[J]. 高電壓技術(shù)，2020，46（5）：1460—1475.

YUAN Z C，GUO P Q，LIU G W，et al. Review on control and protection for renewable energy integration through VSC-HVDC[J]. High Voltage Engineering，2020，46（5）：1460—1475. （In Chinese）

[3] ? ?嚴(yán)勝，羅湘，賀之淵. 直流電網(wǎng)核心裝備及關(guān)鍵技術(shù)展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019，43（3）：205—215.

YAN S，LUO X，HE Z Y. Prospect of core equipment and key technology for DC power grid[J]. Automation of Electric Power Systems，2019，43（3）：205—215. （In Chinese）

[4] ? ?SECHILARIU M，WANG B C，LOCMENT F，et al. DC microgrid power flow optimization by multi-layer supervision control：design and experimental validation [J]. Energy Conversion and Management，2014，82：1—10.

[5] ? ?楊衛(wèi)朋，張愛民，李俊剛，等. 10 kV交流配電網(wǎng)升級(jí)改造不同方案的對(duì)比分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（21）：217—223.

YANG W P，ZHANG A M，LI J G，et al. Comparative analysis on different upgrading and reform schemes for 10 kV AC power distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems，2016，40（21）：217—223. （In Chinese）

[6] ? ?李斌，何佳偉，馮亞東，等. 多端柔性直流電網(wǎng)保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（21）：2—12.

LI B，HE J W，F(xiàn)ENG Y D，et al. Key techniques for protection of multi-terminal flexible DC grid[J]. Automation of Electric Power Systems，2016，40（21）：2—12. （In Chinese）

[7] ? ?李永剛，韓冰. 低壓直流配電系統(tǒng)保護(hù)研究綜述[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，47（1）：17—23.

LI Y G，HAN B. Review on protection of LVDC distribution system research[J]. Journal of North China Electric Power University （Natural Science Edition），2020，47（1）：17—23. （In Chinese）

[8] ? ?BARAN M E，MAHAJAN N R. Overcurrent protection on voltage-source-converter-based multiterminal DC distribution systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22（1）：406—412.

[9] ? ?周嘉陽，李鳳婷，陳偉偉，等. 基于電容放電特征的柔性直流配電網(wǎng)線路保護(hù)方案[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，47（8）：42—48.

ZHOU J Y，LI F T，CHEN W W，et al. Line protection schemes for flexible DC distribution network based on capacitor discharge[J]. Power System Protection and Control， 2019， 47（8）： 42—48. （In Chinese）

[10] ?高本鋒，董沛毅，劉辛?xí)希? 高壓直流輸電線路微分欠壓保護(hù)特性與定值整定[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（8）：2303—2311.

GAO B F，DONG P Y，LIU X Y，et al. Research of HVDC transmission line differential under-voltage protection characteristics and value setting[J]. Power System Technology，2015，39（8）：2303—2311. （In Chinese）

[11] ?王艷婷，張保會(huì)，范新凱. 柔性直流電網(wǎng)架空線路快速保護(hù)方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（21）：13—19.

WANG Y T，ZHANG B H，F(xiàn)AN X K. Fast protection scheme for overhead transmission lines of VSC-based HVDC grid[J]. Automation of Electric Power Systems，2016，40（21）：13—19. （In Chinese）

[12] ?王喜靖，張慧芬，趙錫彬. 柔性直流配電網(wǎng)雙極短路故障區(qū)段識(shí)別及測(cè)距研究[J]. 供用電，2020，37（9）：50—57.

WANG X J，ZHANG H F，ZHAO X B. Research on fault segment identification and ranging of flexible DC distribution network with bipolar short circuit[J]. Distribution & Utilization，2020，37（9）：50—57. （In Chinese）

[13] ?陳福鋒，楊陽，宋國(guó)兵，等. 單端量行波保護(hù)在中壓柔性直流配電網(wǎng)的適應(yīng)性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（22）：50—55.

CHEN F F，YANG Y，SONG G B，et al. Adaptability analysis of single terminal traveling wave protection in mid-voltage DC distribution based on VSC[J]. Power System Protection and Control，2016，44（22）：50—55. （In Chinese）

[14] ?TZELEPIS D，DYSKO A，F(xiàn)USIEK G，et al.Single-ended differential protection in MTDC networks using optical sensors[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2017，32（3）：1605—1615.

[15] ?李斌，何佳偉，李曄，等. 基于邊界特性的多端柔性直流配電系統(tǒng)單端量保護(hù)方案[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（21）：5741—5749.

LI B，HE J W，LI Y，et al. Single-ended protection scheme based on boundary characteristic for the multi-terminal VSC-based DC distribution system[J]. Proceedings of the CSEE，2016，36（21）：5741—5749.（In Chinese）

[16] ?戴志輝，黃敏，蘇懷波，等. 環(huán)狀柔直配網(wǎng)線路的單端量保護(hù)原理[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018，38（23）：6825—6836.

DAI Z H，HUANG M，SU H B，et al. Single-terminal quantity based line protection for ring flexible DC distribution system[J]. Proceedings of the CSEE，2018，38（23）：6825—6836. （In Chinese） [17] ?李猛，賈科，張秋芳，等. 基于全電流方向特征的柔性直流配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019，43（23）：116—122.

LI M，JIA K，ZHANG Q F，et al. Directional pilot protection for flexible DC distribution network based on directional characteristics of instantaneous current[J]. Automation of Electric Power Systems，2019，43（23）：116—122. （In Chinese）

[18] ?宋國(guó)兵，周德生，焦在濱，等. 一種直流輸電線路故障測(cè)距新原理[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（24）：57—61.

SONG G B，ZHOU D S，JIAO Z B，et al. A novel fault location principle for HVDC transmission line[J]. Automation of Electric Power Systems，2007，31（24）：57—61. （In Chinese）

[19] ?蔣鵬，周聰明，張磊，等. 基于電流模量分析的MMC-MTDC系統(tǒng)直流輸電線路故障識(shí)別[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2019，13（7）：51—57.

JIANG P，ZHOU C M，ZHANG L，et al. DC transmission line fault identification of MMC-MTDC system based on current modulus analysis[J]. Southern Power System Technology，2019，13（7）：51—57. （In Chinese）

[20] ?ZENG Y，ZOU G B，SUN C J，et al. Identification method based on correlation analysis for SPTG fault in MMC-MVDC system[J]. The Journal of Engineering，2019，2019（16）：1662—1667.

[21] ?楊亞宇，邰能靈，范春菊，等. 基于計(jì)算電阻的高壓直流輸電線路縱聯(lián)保護(hù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（7）：84—94.

YANG Y Y，TAI N L，F(xiàn)AN C J，et al. A pilot protection scheme for HVDC transmission lines based on calculated resistance[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2017，32（7）：84—94. （In Chinese）

收稿日期：2020-12-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51777166），National Natural Science Foundation of China（51777166）;國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目（U1766209），Key Support Projects of the National Natural Science Foundation（U1766209）;國(guó)家留學(xué)基金委資助項(xiàng)目，China Scholarship Council

作者簡(jiǎn)介：高淑萍（1970—），女，陜西西安人，西安科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，副教授，博士

通信聯(lián)系人，E-mail：1241085828@qq.com