高淑萍，邵明星?，宋國兵，段必聰，徐振曦

（1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

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(fù)荷供電時所需換流設(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(hù)作為保證配電網(wǎng)長期穩(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，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故障信號的高頻阻滯作用，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的問題.

基于線路邊界所設(shè)計的保護(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便不再適用，因此需要根據(jù)直流配電網(wǎng)的特點設(shè)計恰當(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(xué)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(jìn)行解耦，通過對故障電流進(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(hù)方法.

現(xiàn)有文獻(xiàn)雖然對直流配電網(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.

針對輻射狀直流配電網(wǎng)的線路保護(hù)問題，本文首先對輻射狀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)方法的驗證，驗證結(jié)果表明所提的保護(hù)方法能夠準(zhǔn)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?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(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，對電壓進(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.

圖1 輻射狀中壓直流配電網(wǎng)Fig.1 Radial medium voltage DC distribution grid

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)行故障分析時需要對直流線路進(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)生單極故障時檢測難度變大，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為母線流向線路，負(fù)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(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，可計算得到線路的電流為：

式中：Ifi表示線路的故障電流；ΔIpmi、ΔIpni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；ILi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，線路m1側(cè)的暫態(tài)電流分量為母線流向線路，極性為正.

圖2 線路1 正極故障Fig.2 Line 1 positive fault

當(dāng)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(biāo)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(fù).

圖3 區(qū)外單極故障Fig.3 External single-pole fault

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(dāng)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(zhǔn)確判別故障所存在的區(qū)段，存在誤判的可能.

圖4 主饋線單極故障Fig.4 Single-pole fault of main feeder

圖5 子饋線單極故障Fig.5 Single-pole fault of sub-feeder

進(jìn)一步分析可知，當(dāng)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(fù)，此時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，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(dāng)判別為子饋線故障時，為避免主饋線的誤切除而導(dǎo)致供電質(zhì)量不能保證，此時應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確動作子饋線的保護(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，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(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，因此故障點之后的線路和負(fù)載可認(rèn)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(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：

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，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(fù)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(fù)極電流只產(chǎn)生微小波動，故i1p+i1n的值可認(rèn)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(jìn)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(dá)12 倍.而非故障線路的正負(fù)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(dāng)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(dāng)線路負(fù)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(rèn)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(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(jìn)行故障線路的選擇并由零模電壓的正負(fù)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(dāng)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(hù)的啟動判據(jù).即，

為了避免保護(hù)的誤啟動，預(yù)設(shè)當(dāng)連續(xù)三個采樣點計算得到的值均滿足式（11）時，保護(hù)啟動.

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，線路保護(hù)啟動.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，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，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，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：

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.

式（12）表示，當(dāng)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(dāng)暫態(tài)電流分量的極性為負(fù)時，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，根據(jù)第2 章所介紹的僅依靠D1并不能準(zhǔn)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(jìn)行輔助判別，故障判據(jù)可整定為：

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，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，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(jìn)行選線和選極判據(jù)的設(shè)計.

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現(xiàn)保護(hù)的檢測識別，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，通過式（4）所計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)實現(xiàn)故障極的選擇.具體的選線選極判據(jù)可整定如下：

式中：|·|表示線路零模功率的幅值；ui0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，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.

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，表明線路i 中發(fā)生了負(fù)極故障，發(fā)出跳閘指令，使得斷路器動作于跳閘.

3.4 保護(hù)邏輯

上述章節(jié)詳細(xì)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(hù)進(jìn)行保護(hù)的啟動，然后對故障是否發(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，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，整個保護(hù)實現(xiàn)流程如圖6 所示.

圖6 保護(hù)實現(xiàn)流程圖Fig.6 Protection flowchart

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(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(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(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，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）所整定的啟動判據(jù)，保護(hù)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(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，實現(xiàn)了故障線路的正確選擇，可快速切除故障.

圖7 線路1 正極故障仿真結(jié)果Fig.7 Line 1 positive fault simulating result

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(dāng)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(hù)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(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，本文所提的方法仍能夠準(zhǔn)確識別出故障線路.

圖8 線路2 正極故障仿真結(jié)果Fig.8 Line 2 positive fault simulating result

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(rèn)故障發(fā)生，保護(hù)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(yù)設(shè)故障類型相同，所提方案準(zhǔn)確識別出了含子饋線的線路所發(fā)生的故障.

圖9 線路3 正極故障仿真結(jié)果Fig.9 Line 3 positive fault simulating result

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

表1 仿真識別結(jié)果Tab.1 Simulating results

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(hù)判據(jù)在整定時需要躲過區(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（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(hù)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(hù)不能誤動作，具有良好的選擇性.

圖10 母線正極金屬性故障Fig.10 Bus positive fault

當(dāng)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(hù)裝置不能啟動，判定為區(qū)外故障.

圖11 交流側(cè)單相接地故障Fig.11 AC side single-phase ground fault

4.4 過渡電阻對保護(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，因此需要對所提保護(hù)進(jìn)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.

表2 過渡電阻的影響Tab.2 Effect of transition resistance

4.5 數(shù)據(jù)傳輸延遲對保護(hù)方法的影響

在對含有子饋線的線路進(jìn)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(jìn)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(shè)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(zhǔn)確無誤地選出故障線路故障極.結(jié)果表明，數(shù)據(jù)不同步對本文所提的保護(hù)方法沒有影響.

圖12 數(shù)據(jù)不同步仿真驗證Fig.12 Data asynchronous simulation verification

4.6 抗干擾能力

性能優(yōu)越的保護(hù)方法不僅在故障點處存在過渡電阻時能準(zhǔn)確識別出故障線路，而且在存在干擾的情況下也應(yīng)能準(zhǔn)確識別出故障線路.為此，對于本文所提的保護(hù)方法驗證了當(dāng)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(jìn)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(hù)方案仍能準(zhǔn)確識別出故障線路，具有較強(qiáng)的抗干擾能力.

圖13 噪聲干擾驗證結(jié)果Fig.13 Noise interference verification results

4.7 與其他方法對比分析

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比有以下優(yōu)點：

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)不易誤動作.文獻(xiàn)[9]利用電流微分作為故障識別判據(jù)，當(dāng)故障點處存在較大的過渡電阻時，保護(hù)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(hù)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(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：

1）對于單極接地保護(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)，信號中存在20 dB 白噪聲時仍能準(zhǔn)確識別故障線路.