賈 科，陳 聰，劉子奕，施志明，陳 淼，畢天姝

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）,北京市 102206）

0 引言

柔性直流配電網(wǎng)憑借其更低的線路損耗、更優(yōu)的電能質(zhì)量、更高的功率密度且不需要頻率及相位同步,可以高效連接新能源和直流負(fù)荷［1-5］,在配電系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。然而柔性直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極短路故障時(shí),電流上升迅速且峰值高［6-7］,但電力電子器件耐受暫態(tài)沖擊電流的能力有限,基于電流幅值的傳統(tǒng)交流電流保護(hù)及其整定配合無(wú)法滿足速動(dòng)性要求。因此,如何在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別故障區(qū)域,實(shí)現(xiàn)直流保護(hù)之間的相互配合,是柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)亟待解決的問(wèn)題。

現(xiàn)有的直流保護(hù)方法依據(jù)所利用的故障信息類型,可分為基于時(shí)域信息的保護(hù)和基于頻域信息的保護(hù)?；跁r(shí)域信息的保護(hù)可以直接根據(jù)電流、電壓采樣值設(shè)計(jì)低壓過(guò)流保護(hù)［8-9］,保護(hù)原理簡(jiǎn)單并且能快速檢測(cè)故障,但無(wú)法給出確定的保護(hù)邊界,選擇性難以得到保障。行波保護(hù)廣泛應(yīng)用于輸電線路,但由于配電網(wǎng)分支多、線路短,行波波頭難以準(zhǔn)確捕捉［10-11］。文獻(xiàn)［12］針對(duì)線路兩端配置有直流電抗器的柔性直流電網(wǎng),利用電抗器電壓在故障前后的變化完成故障選極和單端量保護(hù),該原理易于實(shí)現(xiàn),但直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行存在的諧波會(huì)對(duì)整定值的計(jì)算造成影響。隨著硬件計(jì)算能力的發(fā)展,部分研究也考慮將統(tǒng)計(jì)學(xué)方法運(yùn)用至直流電網(wǎng)的保護(hù)中［13-14］。文獻(xiàn)［13］引入正負(fù)極電壓與穩(wěn)態(tài)電壓的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù),然而保護(hù)方法對(duì)過(guò)渡電阻的耐受能力較差。文獻(xiàn)［14］基于假設(shè)檢驗(yàn),提出基于故障全電流相關(guān)性檢驗(yàn)的縱聯(lián)保護(hù),對(duì)故障電流的全部時(shí)域特征進(jìn)行了整體描述,該方法對(duì)過(guò)渡電阻、噪聲干擾等均有良好的適應(yīng)性,但需要高質(zhì)量的傳輸信道,因此廣泛配置于直流配電網(wǎng)存在一定的難度。

采用頻域信息的保護(hù)常基于線路電抗器形成的區(qū)內(nèi)外邊界設(shè)計(jì)保護(hù)原理。文獻(xiàn)［15-16］利用直流電網(wǎng)故障暫態(tài)電壓、電流經(jīng)過(guò)限流電抗器后在高頻段存在顯著差異實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作；文獻(xiàn)［17］則先基于限流電抗器電壓變化量初步判斷,再利用交叉小波提取故障線路阻抗角以實(shí)現(xiàn)高阻故障的保護(hù)。但是在線路中額外配置電抗器會(huì)增加電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本,而且過(guò)大的電抗值甚至?xí)绊懼绷麟娋W(wǎng)的穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)［18］考慮了一種不采用電抗器形成保護(hù)邊界的方法,通過(guò)區(qū)內(nèi)外故障在母線兩側(cè)量測(cè)得到的高頻阻抗的差別實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域識(shí)別,保護(hù)方法無(wú)須整定保護(hù)動(dòng)作值,但高頻阻抗的提取較為復(fù)雜。文獻(xiàn)［19］在柔性直流電網(wǎng)保護(hù)中引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法,基于支持向量機(jī)對(duì)多分辨分析提取的故障電流特征向量進(jìn)行訓(xùn)練識(shí)別,實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域準(zhǔn)確判斷,雖然該方法抗干擾能力較強(qiáng),但前期需要大量訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)。

在分析國(guó)內(nèi)外直流保護(hù)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,本文針對(duì)柔性直流配電網(wǎng)在雙極短路情況下滿足速動(dòng)性的同時(shí)有選擇性地切除故障線路問(wèn)題,理論分析了故障暫態(tài)電流特征和基于DC/DC 換流器形成的高頻邊界,通過(guò)離散小波提取暫態(tài)電流高頻信息,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于單端電流的暫態(tài)量保護(hù)。該保護(hù)通過(guò)設(shè)定不同整定值之間的相互配合,實(shí)現(xiàn)快速、可靠的故障區(qū)域判別。PSCAD/EMTDC 的仿真結(jié)果表明,所提保護(hù)方法能夠可靠動(dòng)作,準(zhǔn)確識(shí)別故障線路。

1 柔性直流配電網(wǎng)故障特性分析

1.1 柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文參考中國(guó)杭州江東新城、江蘇同里等直流配電網(wǎng)示范工程,搭建±10 kV 的輻射狀柔性直流配電網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該直流配電網(wǎng)通過(guò)模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）實(shí)現(xiàn)交、直流變換,并通過(guò)多個(gè)DC/DC 換流器實(shí)現(xiàn)光伏（PV）直流升壓接入配電網(wǎng)。MMC 的6 個(gè)橋臂由多個(gè)子模塊（sub-module,SM）采用半橋基本拓?fù)錁?gòu)成。DC/DC 換流器由多個(gè)雙向全橋（dual active bridge,DAB）變換器在低壓側(cè)并聯(lián)、高壓側(cè)串聯(lián)而構(gòu)成,即輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)型（inputparallel output-series,IPOS）［20］。其中,系統(tǒng)僅在MMC 換流器出口處安裝限流電抗器。

圖1 輻射狀柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of radial flexible DC distribution network

直流配電網(wǎng)的每個(gè)換流器出口處均安裝有直流快速開關(guān),用于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的投切。現(xiàn)階段較為成熟的海上風(fēng)電柔直送出工程［21］在直流側(cè)發(fā)生故障后,換流器內(nèi)的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）在1～2 ms 內(nèi)閉鎖且要求二極管能耐受20 倍額定電流100 ms,便于故障切除。鑒于此,本文在配電網(wǎng)線路的母線兩側(cè)配備可在10 ms 內(nèi)切除故障線路的機(jī)械式直流斷路器?？紤]到現(xiàn)有的柔性直流配電網(wǎng)工程以雙極方式運(yùn)行且中性點(diǎn)一般經(jīng)高阻接地,若發(fā)生單極接地故障,系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)電流,對(duì)保護(hù)的響應(yīng)速度要求不高。因此,本文的故障特性分析以及對(duì)應(yīng)提出的保護(hù)主要針對(duì)雙極短路故障,同時(shí)規(guī)定本文電流的參考方向?yàn)槟妇€指向線路。

1.2 柔性直流配電網(wǎng)故障暫態(tài)電流

在柔性直流配電網(wǎng)中,一旦線路發(fā)生故障,故障點(diǎn)的電壓瞬間跌落,這可以近似等效為在故障位置處接入一個(gè)階躍故障源。

考慮到故障期間高頻暫態(tài)量信息豐富［22］,在故障暫態(tài)階段近似將DC/DC 換流器等效為高壓側(cè)出口處支撐電容。針對(duì)MMC,在故障暫態(tài)階段也可以相應(yīng)得到故障等效電路［23-24］,具體見附錄A 圖A1。

對(duì)圖1 中母線DC2 至母線DC3 之間的線路（下稱線路2-3）的F1 處發(fā)生故障進(jìn)行分析,在F1 處引入故障源,可得到如圖2 所示的故障等效電路圖。

圖2 F1 處故障等效電路Fig.2 Equivalent circuit of fault at F1

圖中：ZL為電抗器等效阻抗；Zmmc為MMC 等效阻抗；Zdc為DC/DC 換流器等效阻抗；Zline1和Zline2分別為線路1-2 和線路2-3 的等效阻抗；i1為流經(jīng)保護(hù)測(cè)點(diǎn)23 的故障電流；uf為故障電壓源。

根據(jù)故障等效電路,在復(fù)頻域下對(duì)各元件的串、并聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析,可以得到故障點(diǎn)左側(cè)等效阻抗Zleft1(s),具體為：

式中：Z12（s）為故障狀態(tài)下MMC、電抗器及線路1-2的串聯(lián)等效阻抗；d1為故障位置至本線路保護(hù)測(cè)點(diǎn)23 的距離占線路全長(zhǎng)的百分比。

基于電路理論,可以進(jìn)一步得到i1的復(fù)頻域表達(dá)式I1（s）為：

式中：r0為MMC 橋臂開關(guān)管導(dǎo)通電阻；Larm為MMC橋臂電感,Csm為子模塊電容；N1為橋臂上串聯(lián)的子模塊個(gè)數(shù)；Ldc為直流配電網(wǎng)的電抗器電感；CH為DAB 高壓側(cè)的支撐電容；N2為DC/DC 換流器中DAB 模塊的數(shù)目；r1和l1分別為線路1-2 的電阻和電感；r2和l2分別為線路2-3 的電阻和電感；Ud為線路極間正常工作電壓；Uf（s）為uf的復(fù)頻域值。

同樣對(duì)配電線路3-4 上F2 處發(fā)生故障進(jìn)行分析。在F2 處引入故障源,可以得到如圖3 所示的故障等效電路。圖中：i2和i3分別為流經(jīng)保護(hù)測(cè)點(diǎn)34和23 的故障電流。

圖3 F2 處故障等效電路Fig.3 Equivalent circuit of fault at F2

根據(jù)故障等效電路圖,在復(fù)頻域下對(duì)各元件的進(jìn)行串、并聯(lián)關(guān)系簡(jiǎn)化,可以得到故障點(diǎn)左側(cè)等效阻抗Zleft2(s),具體為：

式中：r3和l3分別為線路3-4 的電阻和電感；d2為故障位置至本線路3-4 保護(hù)測(cè)點(diǎn)的距離占本線路全長(zhǎng)的百分比；Zline3（s）為線路3-4 的等效阻抗。

進(jìn)而可得i2的復(fù)頻域表達(dá)式I2（s）為：

1.3 柔性直流配電網(wǎng)高頻邊界

線路阻抗、直流電抗器阻抗和MMC 等效阻抗模值會(huì)隨著頻率的增大而不斷增大。由于DC/DC換流器近似等效為電容,在高頻區(qū)段下,則會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)前述三者極小的高頻阻抗模值。結(jié)構(gòu)上DC/DC 換流器并聯(lián)接入柔性直流配電網(wǎng),因此故障電流的高頻分量傳輸至與DC/DC 換流器并聯(lián)的下級(jí)線路時(shí),由于分流作用,故障電流的暫態(tài)高頻分量會(huì)大量流入阻抗模值相對(duì)極小的DC/DC 換流器內(nèi)的支撐電容中。相較于故障發(fā)生的本級(jí)線路,下級(jí)線路所流經(jīng)的高頻分流大大減少,相當(dāng)于在柔性直流配電網(wǎng)上形成了并聯(lián)邊界。

式（11）也可以說(shuō)明暫態(tài)電流的高頻分量從故障點(diǎn)流出以后,會(huì)大量流入DC/DC 換流器3-1。因此,當(dāng)系統(tǒng)中間線路故障后,故障線路兩端的DC/DC 換流器形成有效的高頻并聯(lián)邊界,具體如附錄A圖A2（a）所示。線路1-2 以及線路3-4 發(fā)生故障以后,高頻分量的流向分析類似,具體如圖A2（b）、（c）所示。

小波變換能夠反映信號(hào)的時(shí)變特性,因此小波成為分析暫態(tài)信號(hào)的理想時(shí)序工具［25］。而離散小波變化更加適用于處理實(shí)際工程采樣得到的信號(hào)。此外,離散化可以極大程度地降低和消除連續(xù)小波變換系數(shù)的冗余性。

式中：N為小波變換系數(shù)的長(zhǎng)度。

2 基于高頻暫態(tài)量的電流保護(hù)

由于故障電流的高頻分量在線路上存在衰減,同時(shí)會(huì)大量流入柔直配電網(wǎng)上并聯(lián)的DC/DC 換流器,因此可以通過(guò)檢測(cè)故障暫態(tài)電流的高頻分量信息實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)、外的保護(hù)。

1.2 節(jié)已經(jīng)推導(dǎo)出故障電流在時(shí)域的理論表達(dá)式,其中的高頻分量根據(jù)故障位置的不同存在差異,通過(guò)對(duì)表達(dá)式運(yùn)用1.3 節(jié)的離散小波變換可以提取高頻電流能量,進(jìn)而進(jìn)行保護(hù)的整定計(jì)算。

2.1 高頻暫態(tài)量保護(hù)定值整定

參照交流系統(tǒng)中電流保護(hù)的配置方式和整定計(jì)算,分別針對(duì)保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段的整定原則進(jìn)行分析。

根據(jù)文獻(xiàn)［21］,MMC 等效模型及DC/DC 等效模型在1～2 kHz 頻段內(nèi)具有較高精度。柔性直流配電網(wǎng)工程的測(cè)點(diǎn)的實(shí)際采樣頻率通常為10 kHz,因此本文取離散小波的尺度為2,針對(duì)頻帶為1.25～2.5 kHz 的電流高頻暫態(tài)信息進(jìn)行保護(hù)整定。

1）保護(hù)Ⅰ段整定策略

假若圖1 中F1 處發(fā)生故障,對(duì)于保護(hù)測(cè)點(diǎn)23 來(lái)說(shuō)是區(qū)內(nèi)故障,電流保護(hù)Ⅰ段（速斷保護(hù)）無(wú)延時(shí),應(yīng)立即動(dòng)作。設(shè)計(jì)電流保護(hù)Ⅰ段整定值如下：

由于DC/DC 換流器并聯(lián)在柔性直流配電網(wǎng)上,且近似等效為高壓側(cè)支撐電容,因而會(huì)與非故障線路及感性元件通過(guò)串、并聯(lián)等效形成容性元件。若下級(jí)線路出口處發(fā)生故障,出口處線路電感會(huì)與等效容性元件形成串聯(lián)諧振,等效電路圖如附錄A圖A3 所示。根據(jù)圖A3 計(jì)算故障點(diǎn)相鄰測(cè)點(diǎn)的背側(cè)等效阻抗Zeq(jω)為：

式中：f為頻率；ω為角頻率。

再令下級(jí)線路出口處的阻抗Zout(jω)為：

結(jié)合本文參數(shù),當(dāng)下級(jí)線路出口處前0.5%～2.5%發(fā)生故障時(shí),即m∈[0.5%,2.5%],諧振頻點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在1.25～2.5 kHz 頻帶內(nèi)。此時(shí),本級(jí)線路測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的高頻能量會(huì)高于故障發(fā)生于本級(jí)線路末端的情況。

因此,KⅠrel作為保護(hù)Ⅰ段可靠系數(shù),需要有效躲過(guò)相鄰出口處諧振能量,同時(shí)考慮互感器誤差和參數(shù)測(cè)量誤差等影響,取1.2～1.3。

2）保護(hù)Ⅱ段整定策略

電流保護(hù)Ⅱ段（限時(shí)速斷保護(hù)）整定值需要與相鄰線路保護(hù)Ⅰ段相配合。設(shè)計(jì)電流保護(hù)Ⅱ段整定值為：

柔性直流配電網(wǎng)上其他線路的電流保護(hù)配合及定值整定方法與上述類似,此處不再贅述。

2.2 高頻暫態(tài)量保護(hù)時(shí)間配合

電流保護(hù)Ⅱ段的保護(hù)范圍延伸至下一級(jí)相鄰線路,因此在下級(jí)線路發(fā)生故障時(shí),需要保證下級(jí)線路的Ⅰ段優(yōu)先切除故障以滿足保護(hù)的選擇性要求。在交流線路的電流保護(hù)中,保護(hù)Ⅱ段會(huì)比下級(jí)線路的保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作時(shí)限高一個(gè)時(shí)間階段。鑒于此,柔性直流配電網(wǎng)的保護(hù)Ⅱ段與下級(jí)相鄰線路保護(hù)Ⅰ段同樣通過(guò)時(shí)延以實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性。

當(dāng)線路故障發(fā)生時(shí),電流保護(hù)Ⅰ段、Ⅱ段在收到保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)后,需要提取故障前、后各1 ms 的數(shù)據(jù)窗,將此時(shí)間段記為tw；在滿足整定值的情況下,機(jī)械式斷路器會(huì)收到保護(hù)的動(dòng)作信號(hào),進(jìn)而切除故障線路,此過(guò)程大致需要10 ms［28］,將此時(shí)間段記為top；同時(shí),考慮其他可能會(huì)影響到保護(hù)執(zhí)行時(shí)間的因素,記為tm。結(jié)合上述分析,下級(jí)保護(hù)Ⅰ段切除故障線路所需的總時(shí)間tset為：

因此,當(dāng)故障的位置位于保護(hù)Ⅱ段延伸范圍和下級(jí)相鄰保護(hù)Ⅰ段范圍重疊處時(shí),此時(shí)兩處保護(hù)檢測(cè)到的故障電流高頻分量均滿足自身的整定值。下級(jí)保護(hù)Ⅰ段迅速動(dòng)作,本級(jí)保護(hù)Ⅱ段則延時(shí)tset為下級(jí)保護(hù)提供動(dòng)作時(shí)間裕度。

經(jīng)過(guò)延時(shí)以后,需要再一次判斷故障是否已經(jīng)由下級(jí)線路的保護(hù)切除,若已經(jīng)切除則能夠可靠返回,否則要迅速動(dòng)作。附錄A 圖A4 給出了下級(jí)線路故障情況下本級(jí)保護(hù)測(cè)點(diǎn)量測(cè)的電流仿真圖。若斷路器可靠隔離故障后,配電網(wǎng)被分割成多個(gè)系統(tǒng),新的系統(tǒng)由于控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)呈現(xiàn)出快速時(shí)變的特性。若斷路器拒動(dòng),故障電流長(zhǎng)期存在于配電網(wǎng)中,只能依靠線路阻抗以緩慢減小。斷路器是否動(dòng)作引起的量測(cè)電流變化規(guī)律,可以用于經(jīng)過(guò)時(shí)延后的保護(hù)Ⅱ段二次判斷。由于相同時(shí)間內(nèi)差分電流的累加值隨電流波動(dòng)加劇而增大［29］,所以給定數(shù)據(jù)窗內(nèi)差分電流積聚值大于整定值時(shí),說(shuō)明下級(jí)線路斷路器可靠動(dòng)作,本級(jí)保護(hù)Ⅱ段應(yīng)返回,即：

返回門檻值可以按照下級(jí)線路5%處發(fā)生故障后,斷路器不動(dòng)作仿真得到的積聚值再乘以可靠系數(shù)進(jìn)行整定,可靠系數(shù)可以取1.5。

2.3 高頻暫態(tài)量保護(hù)方案

針對(duì)本文所提的保護(hù),可以配置di/dt、du/dt判據(jù)以檢測(cè)故障,從而作為啟動(dòng)判據(jù)。

單端量保護(hù)需要配有方向性判據(jù)以防止保護(hù)的反方向發(fā)生短路故障時(shí)誤動(dòng)。在本系統(tǒng)中,若保護(hù)正方向發(fā)生短路故障,則故障電流突變量為正；若保護(hù)反方向發(fā)生短路故障,則電流突變量為負(fù)。因此,本文將方向判據(jù)設(shè)計(jì)為［30］：

式中：Δi(k″)為第k″個(gè)采樣點(diǎn)的電流突變量；In為線路額定電流。

綜上,可以得到基于高頻暫態(tài)量的電流保護(hù)完整保護(hù)方案：發(fā)生故障瞬間,di/dt、du/dt判據(jù)達(dá)到閾值,啟動(dòng)電流保護(hù)；保護(hù)首先通過(guò)電流突變量進(jìn)行方向性判斷,進(jìn)而對(duì)保護(hù)數(shù)據(jù)窗內(nèi)的電流采樣值提取高頻暫態(tài)分量計(jì)算電流能量；若暫態(tài)電流高頻分量高于電流保護(hù)Ⅰ段整定值,保護(hù)迅速動(dòng)作,線路本側(cè)及對(duì)側(cè)斷路器跳開,切除故障線路；若故障發(fā)生于遠(yuǎn)端,電流高頻分量低于保護(hù)Ⅰ段整定值但仍舊滿足保護(hù)Ⅱ段整定值,保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作,線路本側(cè)及對(duì)側(cè)斷路器跳開,切除故障線路；下級(jí)相鄰線路發(fā)生故障后,若滿足保護(hù)Ⅱ段整定值,經(jīng)延時(shí)后二次判斷,判斷值若不滿足返回門檻值說(shuō)明下級(jí)線路斷路器拒動(dòng),本級(jí)線路斷路器跳開以防止故障范圍擴(kuò)大,否則可靠返回。

3 仿真與驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提保護(hù)原理的有效性,在PSCAD 軟件中搭建了如圖1 所示的±10 kV 柔性直流配電網(wǎng),系統(tǒng)的具體參數(shù)見附錄A。系統(tǒng)在0 s 時(shí)發(fā)生雙極短路故障,仿真中所用步長(zhǎng)為10 μs,系統(tǒng)采樣頻率則設(shè)置為10 kHz,在啟動(dòng)判據(jù)檢測(cè)到故障以后,方向判據(jù)的數(shù)據(jù)窗設(shè)置為故障后1 ms,保護(hù)所用到的離散小波數(shù)據(jù)窗取故障前、后各1 ms,二次判據(jù)的時(shí)間窗為1 ms。同時(shí),由于本文斷路器動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為10 ms,故保護(hù)Ⅱ段時(shí)延tset綜合取為15 ms。

3.1 理論故障暫態(tài)電流驗(yàn)證

以圖1 中保護(hù)測(cè)點(diǎn)23 為分析基礎(chǔ),根據(jù)式（2）至式（4）以及式（8）和式（9）分別對(duì)本級(jí)線路發(fā)生故障和下級(jí)相鄰線路發(fā)生故障的理論電流進(jìn)行驗(yàn)證。本節(jié)分別選取了本級(jí)線路70%處發(fā)生故障的情況和下級(jí)線路50% 處發(fā)生故障的情況,即d1=70%,d2=50%,得到如附錄A 圖A5 所示的結(jié)果。

根據(jù)仿真和理論的比較結(jié)果可知,故障暫態(tài)過(guò)程下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一定簡(jiǎn)化后,在復(fù)頻域下分析得到的表達(dá)式經(jīng)拉式反變換后的理論電流與仿真電流具有較高的吻合度。因此,可以利用理論電流提取相應(yīng)的高頻段分量用于電流保護(hù)Ⅰ段及Ⅱ段的整定。

3.2 本級(jí)直流線路故障仿真結(jié)果分析

對(duì)圖1 所示的柔性直流配電網(wǎng)進(jìn)行故障仿真驗(yàn)證,以系統(tǒng)F1 處發(fā)生故障為例,針對(duì)保護(hù)測(cè)點(diǎn)23,不同故障位置下故障暫態(tài)電流高頻分量與電流保護(hù)Ⅰ段及Ⅱ段的整定值比較情況如附錄A 圖A6所示。

在發(fā)生金屬性雙極短路故障情況下,若故障位置在線路全長(zhǎng)的50%以內(nèi)時(shí),暫態(tài)電流高頻分量大于電流保護(hù)Ⅰ段及Ⅱ段的整定值,電流保護(hù)Ⅰ段滿足動(dòng)作條件,立即動(dòng)作切除故障線路,保護(hù)Ⅱ段則因?yàn)闀r(shí)延可靠返回；若故障位置位于線路全長(zhǎng)的70%及更遠(yuǎn)端時(shí),此時(shí)暫態(tài)電流的高頻分量無(wú)法滿足電流保護(hù)Ⅰ段的整定值,保護(hù)不動(dòng)作,但其仍能滿足保護(hù)Ⅱ段的整定條件,保護(hù)Ⅱ段可靠動(dòng)作。電流保護(hù)Ⅰ段和Ⅱ段之間的相互配合,使得線路的全長(zhǎng)得到有效保護(hù)。

在發(fā)生20 Ω 過(guò)渡電阻的雙極短路故障時(shí),故障點(diǎn)處電壓階躍的幅值減小,導(dǎo)致高頻分量相應(yīng)減少。電流高頻分量由于過(guò)渡電阻的存在相比于金屬性短路故障有所衰減,電流保護(hù)Ⅰ段的保護(hù)范圍相較于金屬性短路縮小。但不同位置處的過(guò)渡電阻短路故障情況下的電流高頻分量仍能滿足保護(hù)Ⅱ段的整定值,可以實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作。

3.3 下級(jí)相鄰直流線路故障仿真結(jié)果分析

當(dāng)下級(jí)線路發(fā)生故障時(shí),本級(jí)保護(hù)Ⅱ段滿足整定值時(shí)也不應(yīng)立即動(dòng)作,保護(hù)Ⅱ段與下級(jí)線路保護(hù)Ⅰ段存在延時(shí)配合,具體動(dòng)作時(shí)序如附錄A 圖A7所示。

當(dāng)故障發(fā)生時(shí),保護(hù)僅用故障前后1 ms 的信息就能實(shí)現(xiàn)快速故障判別：數(shù)據(jù)窗內(nèi)提取的電流高頻分量均滿足本級(jí)線路的電流保護(hù)Ⅱ段和下級(jí)保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作條件,二者動(dòng)作信號(hào)變?yōu)楦唠娖皆试S信號(hào)（邏輯信號(hào)“1”）。由于故障發(fā)生在下級(jí)相鄰線路,所以下級(jí)保護(hù)Ⅰ段發(fā)送信號(hào)給斷路器,而本級(jí)線路保護(hù)Ⅱ段保持高電平但不發(fā)送。接收到下級(jí)相鄰線路保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作信號(hào)的機(jī)械式斷路器開始切除故障,成功切除故障后,電流開始因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)作用而進(jìn)行調(diào)整。而此時(shí)電流保護(hù)Ⅱ段設(shè)定的時(shí)延結(jié)束,保護(hù)Ⅱ段重新判定下級(jí)線路的斷路器是否成功跳閘。電流積聚值由于控制系統(tǒng)的調(diào)整遠(yuǎn)大于返回門檻值,因此保護(hù)判斷故障已經(jīng)成功隔離,動(dòng)作信號(hào)變?yōu)榈碗娖?。通過(guò)時(shí)序配合和二次判斷,保護(hù)滿足了選擇性要求。

3.4 不同位置、類型線路故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果分析

本節(jié)在所研究的柔性直流配電網(wǎng)的其余配電線路上設(shè)置了雙極短路故障,具體如圖1 所示。同時(shí),故障情況均分為金屬性故障和過(guò)渡電阻為10 Ω 的非金屬性故障。根據(jù)不同位置、不同故障類型下各保護(hù)的動(dòng)作情況,統(tǒng)計(jì)相應(yīng)結(jié)果如表1 所示。

表1 中結(jié)果表明,在本文的柔性配電網(wǎng)中,故障發(fā)生在線路不同位置時(shí),金屬性故障和經(jīng)10 Ω 過(guò)渡電阻故障情況下,本文所提出的保護(hù)均可以有選擇性地切除故障線路,防止故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

表1 不同故障位置、故障類型下保護(hù)的動(dòng)作情況Table1 Operation situations of protection with different fault location and fault type

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)輻射狀柔性直流配電網(wǎng),通過(guò)分析故障電流暫態(tài)特征,構(gòu)建由DC/DC 換流器形成的并聯(lián)高頻邊界?；诟哳l邊界對(duì)暫態(tài)電流高頻分量的吸收作用,通過(guò)離散小波算法提取暫態(tài)電流高頻量,提出一種基于單端電流的暫態(tài)量保護(hù)。該方法通過(guò)設(shè)定不同的保護(hù)整定值,實(shí)現(xiàn)線路全長(zhǎng)的保護(hù)。仿真結(jié)果表明,本文方法在柔性直流配電網(wǎng)中適應(yīng)性良好,能快速有效切除故障線路,滿足保護(hù)速動(dòng)性和選擇性要求。本文方法耐受過(guò)渡電阻能力有限,如何提升保護(hù)對(duì)高阻故障的檢測(cè)能力是下一步的研究方向。

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