李博通 劉 濤 楊昕陸 溫偉杰 李 斌

故障自清除型直流配電網(wǎng)新型雙極短路故障元件識別方法

李博通 劉 濤 楊昕陸 溫偉杰 李 斌

（天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院 天津 300072）

直流配電網(wǎng)內(nèi)故障元件的快速、可靠識別及準(zhǔn)確隔離是直流配電網(wǎng)的技術(shù)難點之一。針對故障自清除型換流器結(jié)合快速隔離開關(guān)的直流配電方式，該文提出一種無需檢測線路兩端電氣量的故障元件識別方法。研究了基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及母線電氣量的母線虛擬電壓計算方法；利用母線虛擬電壓在不同故障位置時的差異，研究直流線路故障的快速識別及定位方法，并提出利用換流器內(nèi)子模塊投切選擇實現(xiàn)母線故障與線路端部故障的輔助識別方法。該故障元件識別方法僅利用換流器出口電流和母線電壓實現(xiàn)全配電網(wǎng)的故障元件快速識別，而無需測量線路兩端電氣量，且不受配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制，兼顧了經(jīng)濟性和可靠性。

直流配電網(wǎng) 故障自清除型換流器 故障元件識別 母線虛擬電壓

0 引言

與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有控制靈活、換流環(huán)節(jié)少、可靠性高以及電能質(zhì)量高等顯著優(yōu)勢[1-3]，越來越多的國家將直流配電方式作為當(dāng)前研究熱點及未來電網(wǎng)的重要發(fā)展方向[4]。然而，直流配電網(wǎng)一般采用電壓源型換流器，其故障電流上升速度快且無過零點，導(dǎo)致故障電流清除難度很大[5-6]。目前，直流配電網(wǎng)的故障隔離方法主要有兩種：①采用半橋子模塊拓撲換流器，并加裝直流斷路器開斷故障電流；②采用故障自清除型換流器，并加裝快速隔離開關(guān)清除故障[7]。由于直流斷路器受到成本、動作速度及可靠性等限制，目前應(yīng)用尚未成熟，因此故障自清除型換流器結(jié)合快速隔離開關(guān)的直流配電方式已成為重要的研究和應(yīng)用方向之一[8]。

采用故障自清除型換流器的直流配電網(wǎng)發(fā)生故障后，由于隔離開關(guān)沒有斷流能力，配電網(wǎng)中換流器全部進行故障自清除操作使故障支路電流變?yōu)榱愫?，才能利用隔離開關(guān)完成故障隔離。由于在故障隔離期間無需識別故障元件，因此無需快速動作的保護發(fā)出故障清除命令，但在整個系統(tǒng)故障電流清除后仍需要準(zhǔn)確識別故障元件并發(fā)出相應(yīng)的隔離信號。在故障自清除型換流器直流配電網(wǎng)中，準(zhǔn)確的故障元件識別方法是實現(xiàn)快速故障恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

雖然采用故障自清除型換流器的直流配電網(wǎng)與采用直流斷路器的直流配電網(wǎng)在故障電氣特性和故障隔離方式上有所區(qū)別[9]，但二者的故障元件識別方法在原理上基本一致，且大多數(shù)文獻中仍稱其為保護原理。直流配電網(wǎng)的保護原理可分為電壓電流保護[10-11]、邊界保護[12]、行波保護[13-14]、距離保護[15]及縱聯(lián)保護[16]等。其中，基于雙端量或多端電氣量的縱聯(lián)保護在原理上具有較好的選擇性，又由于配電線路較短，數(shù)據(jù)通信的延時較小，因此更適用于直流配電網(wǎng)。文獻[13]針對星型結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)，利用小波變換系數(shù)計算故障行波到達各換流站的時間，測量故障行波到達不同換流站的時間差并分析其與故障位置的關(guān)系，實現(xiàn)對故障線路的識別。文獻[15]研究了故障高頻信號在換流器開關(guān)過程中的回路，建立不受控制策略影響的換流器高頻恒定阻抗等效模型，進而提出一種基于高頻突變量的距離保護。文獻[16]提出一種故障全電流相關(guān)性檢驗的縱聯(lián)保護方法，指出區(qū)內(nèi)外故障時線路兩端電流相關(guān)性不同，并基于檢驗算法將檢驗統(tǒng)計量

作為評估指標(biāo)，進而實現(xiàn)故障區(qū)域的識別。文獻[17]在直流線路上配置了分布式光學(xué)傳感器，通過計算相鄰兩個傳感器的差分電流來識別故障，提高了電流差動保護的動作速度。文獻[18]分析了換流器電容放電階段各電氣量之間的關(guān)系，利用線路兩端直流電抗器電壓建立時域微分方程，用數(shù)值方法求出故障距離和過渡電阻值，識別故障位置。文獻[19]提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network, ANN）的故障線路識別方法，將故障時測得的電流信號特征輸入到設(shè)計好的ANN中構(gòu)建訓(xùn)練集，通過與訓(xùn)練結(jié)果進行對比實現(xiàn)故障線路的識別。上述直流配電網(wǎng)的故障元件識別方法或保護原理大多針對線路區(qū)內(nèi)外故障進行分析，對直流配電網(wǎng)內(nèi)母線故障關(guān)注較少，且均需在線路兩端或沿線裝設(shè)傳感器以對電氣量進行測量，這些傳感器會造成一定的電氣噪聲和額外損耗，也會顯著增加建設(shè)成本。

本文針對故障自清除型換流器配電網(wǎng)的雙極故障，研究一種僅依靠換流器出口電流及直流母線電壓的故障元件識別方法。通過分析各換流站故障后到故障電流清除前的電氣數(shù)據(jù)，提出基于母線虛擬電壓特征量的主識別方法和基于子模塊電容電荷轉(zhuǎn)移量的輔助識別方法，能可靠識別故障母線及故障線路，具有較強的耐過渡電阻能力。并且本方法無需采集各線路兩端的電流量，因此不再需要在線路兩側(cè)安裝電流傳感器，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的直流配電網(wǎng)，可減少一半以上電氣傳感器的使用，兼顧了經(jīng)濟性和可靠性。

1 故障自清除型直流配電網(wǎng)工作原理

本文所研究的典型直流配電網(wǎng)絡(luò)的拓撲如圖1所示，主要包括模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）、直流變壓器、直流母線、直流線路等，母線及端口編號如圖1所示。M1、M3端口采用基于混合子模塊的MMC，兩換流器經(jīng)變壓器與交流系統(tǒng)相連，其中M3采用定直流電壓控制，M1采用定功率控制。M2和M4端口為直流變壓器，內(nèi)部高壓側(cè)采用混合子模塊MMC，低壓側(cè)采用兩電平結(jié)構(gòu)，其中M2采用定功率控制，M4采用定低壓控制。換流器與直流母線、配電電纜與直流母線之間均設(shè)置隔離開關(guān)。本文所提方法僅需在各換流器出口與直流母線之間隔離開關(guān)附近設(shè)置電流傳感器、在直流母線處設(shè)置電壓傳感器。

圖1 直流配電網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖1中，i表示從母線流向母線的線路電流（、為母線編號1、2、3、4，表示線路極性，+為正極，-為負極），i表示換流器出口流向母線的電流，u表示母線的對地電壓，i、u為所需測量信息；l表示連接母線與母線的直流線路長度，表示故障點與某側(cè)母線的距離。例如，1+表示換流器M1流向母線1的正極電流；1+表示母線1的正極對地電壓；12+和14+分別表示從母線1流向母線2和母線4的正極電流；12表示連接母線1和母線2的直流線路Line1長度，若此段線路發(fā)生雙極故障，對于母線1來說，表示故障點與該線路的母線2側(cè)隔離開關(guān)的距離。

本文研究的直流配電系統(tǒng)采用偽雙極接線方式，為了保證直流側(cè)單極接地故障期間極間電壓的穩(wěn)定，同時減少正常運行時額外的功率損耗，采用交流側(cè)聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)角接、閥側(cè)星形經(jīng)電阻接地，直流側(cè)不接地的接地方式[20-21]。當(dāng)配電網(wǎng)直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，故障電流上升較小，為了提高供電可靠性，采用換流器不閉鎖，隔離開關(guān)不動作的方案；當(dāng)發(fā)生雙極故障時，故障電流大且上升速度快，采取換流器閉鎖，隔離開關(guān)動作的方案進行故障隔離。因此，本文只進行會引起換流器閉鎖的雙極短路下故障元件識別方法的研究。

當(dāng)配電系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障后，以具有故障自清除能力的全橋子模塊換流器為例，換流器橋臂電容迅速向故障點放電。當(dāng)換流器出口電流達到設(shè)定閾值時，閉鎖換流器內(nèi)所有子模塊，即所有IGBT施加關(guān)斷信號，全橋子模塊電容被反向接入故障回路，全橋子模塊電容不斷被充電并提供反向電動勢，如圖2所示。此過程中故障電流逐漸減小，直至橋臂電容電壓總和大于交流側(cè)線電壓，即交流側(cè)無法向故障點饋流，故障電流減小為零且不再變化。

假設(shè)=0.51s時，在圖1所示直流配電網(wǎng)線路Line1中點處發(fā)生金屬性雙極短路故障，各換流器流入正極母線的電流值1p、2p、3p、4p（ip表示換

圖2 全橋子模塊閉鎖后電流回路

流器出口流向正極母線的電流）仿真結(jié)果如圖3所示。系統(tǒng)具體仿真參數(shù)如第4節(jié)中表1及表2所示，故障前系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。

圖3 各換流器正極出口電流

由圖3可知，故障發(fā)生后，換流器出口電流迅速增大，從正極線路故障點流出的電流f+從0開始持續(xù)增大。各換流器在出口電流為額定電流2倍時開始阻斷，換流器開始反向投入電容清除故障電流后，f+持續(xù)減小至0，故障發(fā)生后8ms內(nèi)，配電網(wǎng)內(nèi)故障電流清除完成。

2 母線虛擬電壓特性分析

2.1 線路內(nèi)部故障時母線虛擬電壓特性

以換流器M1與M2之間線路Line1發(fā)生雙極故障為例進行分析，即故障點位于圖1中的f12處。配電系統(tǒng)中每一條線路都連接兩條母線，稱此線路與所連兩母線有關(guān)聯(lián)。由于配電網(wǎng)絡(luò)電壓等級較低，因此本文采用RL集中參數(shù)直流線路模型進行分析，s、s、m分別為線路單位長度的自電阻、自電感、互電感參數(shù)。

對于與故障線路無關(guān)聯(lián)的母線3，對與其相連的正極線路Line2和Line3列寫電壓方程為

對式（3）兩端進行積分得

式中，1～2為故障后的一段時間。

由于雙極故障是對稱性故障，故障發(fā)生后，對于正、負極線路電流，總有i++i-=0成立，故式（4）可簡化為

式中，1=s-m。

推廣至其他與故障線路無關(guān)聯(lián)的母線，總有

式（6）包含的電氣量僅為故障后各換流器出口電流值與母線電壓值，而與線路側(cè)電流無關(guān)。針對其他拓撲結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)，式（6）同樣成立。

對于與故障線路有關(guān)聯(lián)的母線1，對與其相連的正極線路Line1和Line4列電路方程，有

又由KCL可知，當(dāng)線路Line1發(fā)生雙極故障時，對于網(wǎng)絡(luò)正極回路總有

式中，f+為正極線路故障點處流出的電流。

將式（8）代入方程組（7）并化簡得到

同理，對式（9）兩端進行積分處理并化簡得到

推廣至其他與故障線路有關(guān)聯(lián)的母線，總有

式（11）中包含的電氣量僅為故障后各換流器出口電流值與母線電壓值，而無線路電氣量。針對其他拓撲結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)，式（11）同樣成立。

對于式（11）右側(cè)，當(dāng)故障位置在直流線路上時，對于與故障有關(guān)聯(lián)的母線，均有≠0成立。故障發(fā)生后，對于故障自清除型配電網(wǎng)恒有f+＞0，則

選取1為故障后初始時刻，選取故障電流清除前的任一時刻2，滿足f+(2)≥f+(1)，則

結(jié)合式（12）、式（13），可以得到式（11）右側(cè)不恒為0。

比較式（6）與式（11），等式左側(cè)含有的變量相同，將等式左側(cè)定義為母線虛擬電壓uf為

式中，=1,…,。

由上述分析可知，當(dāng)直流配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)生故障時，對于每一條母線都能計算對應(yīng)的母線虛擬電壓uf，提出的母線虛擬電壓僅含有故障后換流器出口電流值與母線電壓值等非線路電氣量，且無過渡電阻變量，因此理論上不受過渡電阻影響。

對比式（6）和式（11）可以看出，當(dāng)≠0時

即當(dāng)直流線路故障時（0），與故障線路關(guān)聯(lián)的2條母線的虛擬電壓大于0，其余母線的虛擬電壓都等于0。

2.2 線路端部故障時母線虛擬電壓特性

當(dāng)故障位置在線路Line1靠近母線1的始端時，對于與故障線路無關(guān)聯(lián)的母線3、母線4，仍有式（6）成立；對于與故障線路關(guān)聯(lián)的母線1，此時=12，根據(jù)式（11），則母線1的虛擬電壓遠大于0；對于與故障線路關(guān)聯(lián)的母線2，此時=0，根據(jù)式（12），則母線2的虛擬電壓等于0。

雖然線路端部故障屬于直流線路故障，但此時僅有1條母線的虛擬電壓大于0，該母線與故障線路關(guān)聯(lián)且故障位于故障線路靠近該母線側(cè)端部，即式（16）成立。

2.3 母線故障時母線虛擬電壓特性

假設(shè)圖1中的母線1發(fā)生雙極短路故障f1，對各母線電氣量分析如下。

使用2.1節(jié)中與故障線路無關(guān)聯(lián)的母線分析方法，對于非故障母線2、3、4列寫電壓方程，與故障發(fā)生在線路時相同，仍有等式（6）成立。

對與故障母線1相鄰的線路Line 2和Line 4列寫電壓方程，即

根據(jù)KCL可得

同理，仍消去線路電流量，保留母線電壓電流電氣量，則上述方程可轉(zhuǎn)換為

仍對等式兩側(cè)做積分處理，得到

推廣至其他母線，若該母線處發(fā)生了雙極故障，則

比較式（6）、式（11）、式（21）可知，等式左側(cè)均為母線虛擬電壓uf，只含有故障后母線電流與電壓等測量量。針對其他拓撲結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)絡(luò)，式（21）同樣成立。

由前文可知，此時有母線虛擬電壓uf＞0，即對于母線故障，有

從式（16）和式（22）中可以看出，故障發(fā)生在母線上時和發(fā)生在關(guān)聯(lián)直流線路端部時，配電網(wǎng)內(nèi)母線虛擬電壓呈現(xiàn)相同特點，都僅有1條母線的虛擬電壓大于0。

3 故障元件識別方法

3.1 基于母線虛擬電壓的主識別方法

結(jié)合第2節(jié)分析可知，配電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生雙極故障后，各母線的虛擬電壓大小與故障位置相關(guān)。發(fā)生線路內(nèi)故障時，有兩條母線的虛擬電壓明顯大于其余母線的虛擬電壓，發(fā)生母線故障或關(guān)聯(lián)線路端口處故障時，只有一條母線的虛擬電壓明顯大于其余母線的虛擬電壓。

因此各母線虛擬電壓可作為確定故障發(fā)生位置的特征量。本文設(shè)計如式（23）所示的基于母線虛擬電壓的故障元件識別特征量。

式中，fmax1、fmax2分別為所有母線虛擬電壓降序排序后第一大與第二大的母線虛擬電壓值。

若直流線路內(nèi)發(fā)生故障，則兩條母線虛擬電壓都較大，即0＜k≤1；若母線或關(guān)聯(lián)線路端部發(fā)生故障，fmax2= 0，即k= 0。

為了提高故障元件識別準(zhǔn)確性，選擇主識別方法整定值kset=0.05。同時構(gòu)造如下故障元件主識別方法：

1）采集各母線故障后的錄波信息，包括換流器出口流向母線的電流和母線對地電壓。

2）按式（14）計算各母線的虛擬電壓。

3）對母線虛擬電壓按降序排序，按式（23）計算特征量k。

4）若k≥0.05，則識別為線路故障，當(dāng)各換流器完全阻斷后，打開該故障線路兩側(cè)的隔離開關(guān)，完成故障隔離。

5）若k＜0.05，假設(shè)母線的虛擬電壓遠大于其余母線虛擬電壓，則識別為母線附近發(fā)生雙極故障。此時需要輔助策略配合才能完成故障元件準(zhǔn)確識別。

3.2 基于部分子模塊投切的輔助識別方法

由3.1節(jié)可知，發(fā)生母線故障或線路端部故障時，均只有一條母線虛擬電壓較大，則母線虛擬電壓判據(jù)僅能識別故障位于母線附近，無法準(zhǔn)確識別故障元件，因此需要研究能夠識別母線故障與線路端部故障的輔助識別方法。

故障發(fā)生后，換流器進入閉鎖狀態(tài)以清除故障電流，故障電流清除完畢后配電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無電流。由主識別方法確定故障在母線附近，故可先打開該母線及其關(guān)聯(lián)線路兩側(cè)隔離開關(guān)，然后依次閉合母線與線路隔離開關(guān)，并投入換流器內(nèi)一部分子模塊電容對故障點放電，檢測是否有故障回路存在，完成故障元件的識別。

在故障回路存在的情況下，以下對換流器全橋子模塊電容的投入過程及與故障回路進行詳細分析。

在閉鎖狀態(tài)下，換流器內(nèi)子模塊電容僅能被充電，為了讓換流器提供一定的電容放電電流，需要將一部分全橋子模塊由閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換為投入狀態(tài)，同時為了防止其余子模塊電容被再次充電，應(yīng)使剩余子模塊處于閉鎖或切除狀態(tài)。本文設(shè)計的子模塊投切方案為將換流器某一相的部分全橋子模塊適時投入，該相的剩余子模塊做切除狀態(tài)，其余兩相子模塊仍保持閉鎖狀態(tài)。

為了簡化分析，假設(shè)B、C相繼續(xù)閉鎖，A相上、下橋臂投入相等數(shù)量的全橋子模塊，其余子模塊處于切除狀態(tài)。故障放電回路如圖4中回路1所示。

圖4 A相投入部分全橋子模塊

圖4中，au、ad分別表示A相上、下橋臂電感大小；auL、adL分別表示A相上、下橋臂電感電壓；auC、adC分別表示A相上、下橋臂投入狀態(tài)的子模塊電容電壓總和。

回路1為A相投入的一部分全橋子模塊電容、橋臂電感與電阻組成的一個RLC串聯(lián)二階電路，電阻包括IGBT或二極管通態(tài)電阻及過渡電阻。由于此時故障發(fā)生在母線或線路端部，因此不考慮線路參數(shù)的影響。對回路1進行分析，根據(jù)KVL有

假設(shè)

則式（25）可化簡為

式中，為子模塊電容投入后等效橋臂電感電壓；為子模塊電容投入后等效電容電壓；u為回路1中電阻的總電壓；為回路1電阻；、分別為回路1的等效電感和等效電容，其計算公式為

式中，為投入電容的個數(shù)；0為單個子模塊電容參數(shù)。

為了簡化分析，假設(shè)B相上、下橋臂的全橋子模塊電容電壓總和為buFC、bdFC，C相上、下橋臂的全橋子模塊電容電壓總和為cuFC、cdFC，則此時B、C相橋臂是否被交流側(cè)充電僅取決于線電壓ab和ac的大小。以B相橋臂為例，交流側(cè)的充電路徑如圖4中路徑2、路徑3所示。當(dāng)A相全橋子模塊部分投入時，若線電壓ab小于路徑2壓降，且線電壓ba小于路徑3壓降，則B相子模塊不會被充電，C相橋臂也有類似充電路徑。因此若A相子模塊投入后，B、C相橋臂子模塊保持閉鎖且不被交流側(cè)充電，則A相子模塊投入時間需滿足式（30），式中方程組上、下兩不等式取交集。

將式（29）代入式（30）可得

由式（31）可知，按照本文采用的上、下橋臂投入相同數(shù)量的全橋子模塊的方法，B、C相橋臂全橋子模塊不被充電條件與A相投入的子模塊基本無關(guān)。

為了計算A相子模塊投入系統(tǒng)相位要求，假設(shè)對于交流系統(tǒng)有

式中，為交流側(cè)線電壓最大值。

式中，為整數(shù)。

根據(jù)式（27），A相投入子模塊放電電流表達式為

假設(shè)A相子模塊投入時間為Δ，可按照式（35）計算電荷轉(zhuǎn)移量設(shè)置輔助整定值。為了提高故障元件識別準(zhǔn)確性，選擇可靠系數(shù)rel2=0.7。

由此本文提出如下故障元件輔助識別方案：

當(dāng)3.1節(jié)主識別方法的判斷結(jié)果為母線附近故障后，首先打開該母線所有關(guān)聯(lián)線路兩側(cè)隔離開關(guān)，然后通過以下步驟進行判斷：

1）任意選擇一相的上、下橋臂各兩個全橋子模塊投入，該相橋臂其余子模塊切除，其他兩相子模塊閉鎖；為了減少電容放電對換流器其他器件產(chǎn)生過電流影響，設(shè)定全橋子模塊電容投入時間Δ1ms，投入相位時刻選擇按式（31）計算。

2）采集母線電流信息，并計算投入時間內(nèi)電容電荷轉(zhuǎn)移量。若電荷轉(zhuǎn)移量大于整定值，則認為電容通過母線上的故障點形成放電回路，識別為母線故障，換流器重新閉鎖，打開母線隔離開關(guān)，完成故障隔離。

3）若Δ時間內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移量小于整定值，則認為母線無故障，再依次閉合靠近母線側(cè)的其他線路隔離開關(guān)，按照步驟（1）所述進行子模塊投入并重新判斷。當(dāng)閉合某條線路隔離開關(guān)后電荷轉(zhuǎn)移量大于整定值，則認為該條線路故障，換流器重新閉鎖，打開線路兩側(cè)隔離開關(guān)，完成故障隔離，然后再閉合其他隔離開關(guān)。

4）若閉合所有靠近母線側(cè)的其他線路隔離開關(guān)，每次子模塊投入后，電荷轉(zhuǎn)移量都小于整定值，則認為發(fā)生瞬時性故障，直接閉合其他隔離開關(guān)，后續(xù)故障恢復(fù)時所有線路都不需要進行隔離。

3.3 直流配電網(wǎng)故障元件識別方案

根據(jù)3.1節(jié)研究的基于母線虛擬電壓的主識別方法和3.2節(jié)研究的基于子模塊投切的輔助識別方法，本文提出適用于基于自清除型換流器的直流配電網(wǎng)故障元件識別方案，其流程如圖5所示。

圖5 直流配電系統(tǒng)故障元件識別方案流程

配電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障后，采集各母線電壓電流信息，根據(jù)主識別方案判斷是否為線路內(nèi)部故障。若判斷為線路內(nèi)部故障，則確定故障線路并打開故障線路兩側(cè)隔離開關(guān)，完成故障元件識別及故障隔離；若判斷為母線附近故障，應(yīng)利用母線附近隔離開關(guān)及換流器子模塊投切方案的配合對故障元件進一步識別。若發(fā)生永久性故障，給相應(yīng)的線路隔離開關(guān)發(fā)送動作信號，完成故障隔離；若發(fā)生瞬時性故障，無需故障隔離操作，直接閉合其他已打開的隔離開關(guān)即可。

4 識別方法適用性及準(zhǔn)確性驗證

本文在PSCAD中搭建圖1所示的四端直流配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)控制方式及容量見表1。直流線路采用π型等效模型，具體參數(shù)見表2。

表1 系統(tǒng)控制方式及容量

Tab.1 System control mode and capacity

表2 直流線路參數(shù)

Tab.2 DC line parameter

4.1 線路內(nèi)部故障

當(dāng)線路Line1在距離母線1不同位置發(fā)生金屬性雙極故障時，按照式（14）及式（23）計算母線虛擬電壓及特征量k，積分窗長選擇1ms，采樣頻率為100kHz，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 Line1不同故障位置下特征量ku

由圖6可知，當(dāng)故障位置位于線路端部0.5km時，母線虛擬電壓特征量小于整定值，主識別方法會將線路故障誤識別為母線故障，存在一定誤識別情況，因此需要與輔助識別方法相互配合才能完成準(zhǔn)確的故障元件識別。

為驗證不同故障點、不同過渡電阻下的識別結(jié)果，本文設(shè)置了不同故障場景，主識別方法仿真結(jié)果見表3。定義測量誤差的表達式為

表3 不同故障場景下故障元件識別情況

Tab.3 Fault element identification under different fault scenarios

由仿真結(jié)果可知，在線路全長10%～95%內(nèi)發(fā)生雙極故障時，本文設(shè)計的母線虛擬電壓判據(jù)均能可靠識別。隨著故障過渡電阻的增大，即使存在10?的過渡電阻，依然能可靠識別故障線路，具有較強的耐受過渡電阻能力，且測距誤差較小，與理論分析一致。

4.2 永久性母線故障及線路端部故障

為驗證3.2節(jié)中提出的故障元件輔助識別方法的正確性，本節(jié)分別設(shè)置了母線雙極故障與靠近直流線路端部的永久性雙極故障。輔助識別方法仿真情況見表4。

表4 故障元件輔助識別方法仿真情況

Tab.4 Fault element aided identification

以Line1端部故障為例，對輔助識別過程及結(jié)果進行詳細分析，換流器完全清除電流后，由主識別方法判斷故障發(fā)生在母線1附近，具體操作如下：

1）打開母線1關(guān)聯(lián)線路兩側(cè)隔離開關(guān)，選擇換流器M1中A相上、下橋臂各兩個全橋子模塊完成輔助識別工作。此時測量得到換流器M1內(nèi)B、C相各橋臂全橋子模塊電容電壓見表5。

表5 換流器M1各橋臂全橋子模塊電容電壓

Tab.5 Capacitance voltage of all bridge sub-modules of converter M1 bridge arms

（2）按照式（31）在0.521 1～0.522 1s投入A相部分全橋子模塊，如圖7a所示；此時無故障回路，全橋子模塊無放電回路，故換流器內(nèi)各橋臂電流ap、bp、cp為0，如圖7b所示；A相全橋子模塊電容電壓paF保持不變，如圖7c所示。在Δ內(nèi)檢測換流器出口電荷量轉(zhuǎn)移未到達整定值，識別為線路故障。圖7、圖8為電子版標(biāo)準(zhǔn)分圖橫坐標(biāo)加刻度及數(shù)值。

圖7 永久性故障輔助識別方法仿真結(jié)果

（3）閉合母線1與線路Line1之間的隔離開關(guān)，并按照式（31）在=0.531 1s再次投入A相部分全橋子模塊，如圖7a所示；此時有故障回路，投入的全橋子模塊放電，換流器內(nèi)僅A相橋臂電流ap大于0，如圖7b所示；由于電容放電，A相全橋子模塊電容電壓下降，如圖7c所示。=0.532 0s時檢測換流器出口電荷轉(zhuǎn)移量達到整定值，換流器立即閉鎖，并識別為線路Line1故障，故障元件輔助識別完成。

由仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計的電荷轉(zhuǎn)移量判據(jù)能準(zhǔn)確識別母線故障和線路端部故障，即在主識別方法與輔助識別方法配合下能準(zhǔn)確完成故障元件識別。

4.3 瞬時性故障

為驗證3.2節(jié)中提出的故障元件輔助識別方法的正確性，本節(jié)設(shè)置在=0.51s母線1發(fā)生瞬時性故障，故障持續(xù)時間為5ms。輔助識別方法仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 瞬時性故障輔助識別方法仿真結(jié)果

換流器完全清除電流后，由主識別方法判斷故障發(fā)生在母線1附近，根據(jù)輔助識別方法：

（1）首先打開母線1關(guān)聯(lián)線路兩側(cè)隔離開關(guān)，按照式（31）在=0.521 1～0.522 1s投入A相部分全橋子模塊，在Δ內(nèi)檢測換流器出口電荷轉(zhuǎn)移量未到達整定值，識別為線路故障。

（2）然后閉合母線1與線路Line 1之間的隔離開關(guān)，并按照式（31）在0.531 1～0.532 1s再次投入A相部分全橋子模塊，如圖8a所示，由于此時對空載線路進行合閘操作，空載線路電壓將會發(fā)生變化，線路對地電容電流通過換流器A相投入子模及交流變壓器的接地點形成回路，換流器內(nèi)僅A相橋臂有電流，如圖8b所示；該橋臂電流為空載線路合閘后線路對地電容電流，而非投入子模塊的放電電流，在子模塊投入過程中，A相全橋子模塊電容電壓paF保持不變，如圖8c所示。在Δ內(nèi)檢測換流器出口電荷轉(zhuǎn)移量未到達整定值，識別為線路Line1無故障。

（3）然后閉合母線1與線路Line 4之間的隔離開關(guān)，并按照式（31）在0.541 1～0.542 1s再次投入A相部分全橋子模塊，在Δ內(nèi)檢測換流器出口電荷轉(zhuǎn)移量未到達整定值，識別為線路Line4無故障。至此所有與母線1關(guān)聯(lián)的線路均未通過輔助判據(jù)識別出故障，則認為發(fā)生了瞬時性故障。

由仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計的電荷轉(zhuǎn)移量判據(jù)能準(zhǔn)確識別瞬時性故障，即主識別方法與輔助識別方法配合下能準(zhǔn)確完成故障元件識別。

5 結(jié)論

針對故障自清除換流器結(jié)合快速隔離開關(guān)的直流配電方式下的故障元件識別，本文提出了一種基于母線虛擬電壓特征量的主識別方法和基于子模塊電容電荷轉(zhuǎn)移量的輔助識別方法。本識別方法主要特點如下：

1）針對線路內(nèi)部故障，本文利用母線虛擬電壓特征量作為主識別判據(jù)，能實現(xiàn)故障線路的準(zhǔn)確識別及故障的準(zhǔn)確測距，且具有較強的耐過渡電阻能力。本方法僅需換流站出口及母線電氣量，無需對線路電氣量進行測量，因此減少了線路傳感器的投入，尤其對于線路較多的復(fù)雜多環(huán)配電網(wǎng)絡(luò)，可大大減少配電網(wǎng)建設(shè)投資。

2）針對配電網(wǎng)內(nèi)母線故障與線路端部故障的主識別方法死區(qū)情況，本文提出了一種基于子模塊電容電荷轉(zhuǎn)移量的輔助識別判據(jù)，能準(zhǔn)確區(qū)分母線故障與線路端部故障。為避免子模塊投切過程中剩余子模塊電容被再次充電，本文設(shè)計了一種橋臂子模塊投切方案，并給出了子模塊投切的具體電角度區(qū)間。

3）主識別方法的整定值直接設(shè)定為一定裕度的非0判斷，輔助識別方法的判據(jù)整定值有明確的理論計算方法而非依賴仿真，且易于計算。

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New Fault Element Identification Method of Bipolar Short-Circuit Fault in DC Distribution Network with Fault Self-Clearing

Li Botong Liu Tao Yang Xinlu Wen Weijie Li Bin

（School of Electrical and Information Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China）

The rapid and reliable identification and accurate isolation of fault elements in DC distribution network is one of the technical difficulties restricting its development. Aiming at the DC distribution mode of fault self-cleaning converter combined with quick disconnecting switch, this paper presents a method of identifying fault elements without detecting the electrical quantity at both ends of the line. Firstly, the calculation method of bus virtual voltage based on network structure and bus electrical quantity is studied. Based on the difference of virtual voltage of bus at different fault positions, a fast identification and location method of DC line faults is studied, and an auxiliary identification method for bus faults and line end faults is proposed by using the switching selection of submodules in the converter. The fault element identification method only uses the outlet current of the converter and the bus voltage to realize the rapid identification of the fault element of the full distribution network, without measuring the electrical quantity at both ends of the line, and is not limited by the distribution network structure, taking into account the economy and reliability.

DC distribution network, fault self-cleaning converter, fault element identification, bus virtual voltage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211318

TM77

國家自然科學(xué)基金面上項目（52177108）、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目（U1866205）和國家重點研發(fā)計劃課題（2018YFB0904600）資助。

2021-08-23

2021-11-04

李博通 男，1981年生，副教授，研究方向為交直流系統(tǒng)保護和控制。E-mail：libotong@tju.edu.cn（通信作者）

劉 濤 男，1997年生，碩士研究生，研究方向為直流系統(tǒng)保護和控制。E-mail：liutao_2019@tju.edu.cn

（編輯 赫蕾）