童 斌，趙志楊，鄭書婷

（1.國網(wǎng)浙江杭州市余杭區(qū)供電公司，杭州 311100；2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著電力電子和新能源發(fā)電等技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對供電可靠性的要求逐步提高，配電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生了很大變化［1］。突出表現(xiàn)在：大規(guī)模的分布式電源通過交流或直流的方式接入配電網(wǎng)；用戶側(cè)需求中直流負(fù)荷的比例逐步提高；各種儲能在配電網(wǎng)大量應(yīng)用，提高了配電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力［2-3］。交直流混合成為配電網(wǎng)新特點。

交直流配電網(wǎng)作為一種新的配電網(wǎng)形態(tài)，分布式電源、儲能以及直流充電樁等新型電源與負(fù)荷的大規(guī)模接入對傳統(tǒng)配電網(wǎng)運行方式產(chǎn)生沖擊，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障分析已不再適用于新型配電網(wǎng)。因此，如何分析交直流兩側(cè)的故障暫態(tài)特性，設(shè)計適用的保護方法，成為國內(nèi)外研究的熱點問題和行業(yè)亟需解決的重點問題之一。

國內(nèi)外從故障特征分析、保護控制策略設(shè)計等方面開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［4］通過直流配電網(wǎng)中換流器對暫態(tài)電流高頻信息的邊界效應(yīng)，使用離散小波變換提取電流高頻分量，構(gòu)造了一種保護定值配合的兩段式單端量保護。文獻(xiàn)［5］基于柔性直流輸電線路的故障特征，探討了直流輸電線路的故障識別方法。文獻(xiàn)［6］基于交直流配電網(wǎng)發(fā)生單相接地后有功功率和直流電壓波動的特性，提出了一種改進控制保護方案。文獻(xiàn)［7］分析了交流暫態(tài)侵入及其暫態(tài)響應(yīng)的機理、特征，提出減少交流故障對直流繼電保護影響的方法。文獻(xiàn)［8］分析直流線路短路的電氣特征，綜合考慮保護配合問題劃分了直流線路保護區(qū)域，設(shè)計了包含主保護、后備保護在內(nèi)的直流線路保護方案。文獻(xiàn)［9］從保護、故障穿越以及諧振抑制3 個方面分析交直流混合配電網(wǎng)暫態(tài)特性，設(shè)計了交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)控制架構(gòu)、協(xié)調(diào)控制與能量管理方法。文獻(xiàn)［10］分析了交直流混合配電網(wǎng)的故障特性以及交直流相互作用對保護配置的影響。

總體來講，國內(nèi)外學(xué)者在交流配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)領(lǐng)域開展了較多研究，但由于分布式電源、交直流間影響復(fù)雜，現(xiàn)有的檢測分析手段難以保證準(zhǔn)確性和快速性。

為了建立能夠適合新形勢下配電網(wǎng)的保護控制，本文首先考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分布式電源等因素，構(gòu)建了新型交直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并建立了分布式電源與儲能裝置的模型。然后對交直流饋線、交直流母線以及交直流分支線故障進行分析，獲得交流側(cè)相間故障的暫態(tài)特性和直流側(cè)雙極故障的暫態(tài)特性。最后，基于頻域阻抗設(shè)計了交直流側(cè)保護方案，其具有快速性、可選擇性的優(yōu)勢，并通過仿真驗證所提新型配電網(wǎng)保護控制的可行性。

1 新型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及建模

為了分析由分布式電源、直流配電和新型負(fù)荷等組成的配電網(wǎng)特性，進行保護控制設(shè)計，首先構(gòu)建典型的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

1.1 新型配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

考慮多類型的分布式電源接入，直流配電網(wǎng)方式，以及配電網(wǎng)中儲能、直流負(fù)荷等新因素，結(jié)合常用的環(huán)式、放射式及兩端式等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［11-13］，構(gòu)建如圖1所示的交直流配電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 新型交直流配電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用雙電源的供電模式，便于一側(cè)發(fā)生故障時，另一側(cè)可以向負(fù)荷供電，在一定程度上阻止了大范圍停電情況的發(fā)生。連接交直流兩側(cè)的聯(lián)結(jié)變壓器在交流測和直流側(cè)的接線接地方式不同，聯(lián)結(jié)變壓器靠近交流側(cè)采用Ynd 接線，直流側(cè)采用三角形接線，這導(dǎo)致零序分量隔離在兩側(cè)的傳輸。同樣的，兩側(cè)接線方式也不同。交流側(cè)采用中性點經(jīng)消弧線圈接地，直流側(cè)采用偽雙極接線方式，相比于單極接線方式提高了供電可靠性。

1.2 分布式電源、儲能裝置及線路建模

針對新型配電網(wǎng)關(guān)鍵組成部分，建立分布式電源、變壓器、輸電線以及儲能裝置［18-21］等單元的模型。

光伏發(fā)電輸出功率Ppv(t)為：

式中：Pe、Ge、θe分別為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的額定輸出功率、太陽輻照度和溫度，其中Ge一般取1 000 W/m2；Gc(t)、θc(t)分別為t時刻工作點實際太陽輻照度和溫度；k為功率溫度系數(shù)。

風(fēng)機的輸出功率P為：

式中：ρ為空氣密度；v為風(fēng)速；RW為葉片半徑；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，Cp是與槳距角θ和葉尖速比λ有關(guān)的函數(shù)。

輸電線路模塊等效電路如圖2所示。

圖2 輸電線路模塊等效電路

儲能系統(tǒng)可以用來維持電壓穩(wěn)定、存儲多余的電能，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額時，儲能系統(tǒng)將釋放所存的電能，抬高電壓。儲能采用圖3 所示的Buck-Boost變換器［14-17］基本結(jié)構(gòu)和等效電路。

圖3 直流配電網(wǎng)儲能結(jié)構(gòu)及等效電路

2 新型配電網(wǎng)故障特性分析

基于1.1節(jié)中提出的新型配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析交直流饋線、交直流母線以及交直流分支線上發(fā)生的典型故障。

發(fā)生單相接地故障時，配電網(wǎng)系統(tǒng)中交流側(cè)是經(jīng)消弧線圈接地，采取這種接地方式的交流配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時仍然可以維持短暫的供電，因此，交流側(cè)選取相間故障的暫態(tài)特性進行故障分析，對故障特征不明顯的單相接地故障不專門進行討論。

新型交直流配電網(wǎng)設(shè)置故障分布如圖4所示。

圖4 新型交直流配電網(wǎng)設(shè)置故障分布

2.1 直流側(cè)發(fā)生短路故障

如圖4所示，分別設(shè)置了典型直流饋線故障點1、3、6，母線故障點2、4 以及分支線故障點5，圖5 所示為圖4 中直流側(cè)故障網(wǎng)絡(luò)圖虛線部分的展開。

圖5 直流側(cè)故障網(wǎng)絡(luò)

如圖5 所示，直流饋線L45、L43、L56 上分別設(shè)置故障點1、3、6，直流母線B4、B5 上分別設(shè)置故障點2、4，直流分支線L55 上設(shè)置故障點5。

當(dāng)故障位于L45、B5、L55、L56 時，保護裝置A45、A43的阻抗為：

式中：Lh為限流電抗器的電感；Zeq為換流器的直流側(cè)頻域阻抗；和分別為保護裝置A45 和A43的阻抗；Z43為線路L43的阻抗。

式（3）表明，直流母線僅連接兩條進出線時，當(dāng)直流母線所連的某一進出線發(fā)生故障，這條線的保護裝置測量阻抗等同于另一條進出線的測量阻抗，其數(shù)值取決于該保護裝置的等效阻抗。

當(dāng)故障位于L45、B4、L43上，此時直流母線連接了3條進出線，在這種情況下，故障線的阻抗為相鄰進出線測量阻抗中的最小值，數(shù)值上同樣取決于該保護裝置的等效阻抗。

當(dāng)故障位于B4 時，保護裝置A45、A43 的阻抗分別為：

式中：Z55和Z45分別為線路L55、L45 的阻抗；Zeq-56為保護裝置A56 后的等效阻抗；Zeq-D為直流固態(tài)變壓器的等效阻抗。

當(dāng)故障位于L43 上且屬于反向故障時，保護裝置A45、A43的阻抗分別為：

式（5）表明，當(dāng)故障位于L43上，直流母線僅連接兩條進出線時母線所連某一進出線發(fā)生反向故障，該故障線所測的阻抗等于所在線路保護裝置的正向等效阻抗，如果是直流母線發(fā)生了故障，那么兩條線路的測量阻抗均等同于本線路的正向等效阻抗。

同樣，當(dāng)故障位于B5 時，直流母線連有3 條及以上的進出線，如果其中某條線發(fā)生反向故障，那么該故障線所測阻抗等于此條線保護裝置的正向等效阻抗；如果是直流母線本身發(fā)生故障，那么其所連的所有線阻抗都等于本線路的正向等效阻抗。

2.2 交流側(cè)產(chǎn)生故障

如圖4所示，在交流饋線上設(shè)置故障點7、9、13，在交流母線上設(shè)置故障點8、10，在交流分支線上設(shè)置故障點11、12。圖6所示為圖4中交流側(cè)故障網(wǎng)絡(luò)圖虛線部分的展開。

圖6 交流側(cè)故障網(wǎng)絡(luò)

如圖6 所示，交流饋線L23、L12、L34 上分別分別設(shè)置故障點7、9、13，交流母線B2、B3上分別設(shè)置故障點10、8，交流分支線L22-1、L22-2上分別設(shè)置故障點11、12。

當(dāng)故障位于L23、B3、L22-1、L22-2、L34上時，保護裝置A32、A34的阻抗均為：

式中：Zeq為換流器的交流側(cè)頻域阻抗；和分別為保護裝置A32、A34 的阻抗；Z34為饋線L34的阻抗；ZT3為變壓器T3的等值阻抗。

式（6）表明，當(dāng)交流母線僅連接兩條進出線時，交流母線所連的某一進出線發(fā)生正向故障，這條線的保護裝置與另一條進出線的測量阻抗相等，數(shù)值上取決于該保護裝置的等效阻抗。

當(dāng)故障位于L23、B2、L12時，此時交流母線連接了3條進出線，在這種情況下，故障線路的保護裝置所測阻抗為相鄰線所測阻抗的最小值，數(shù)值上同樣取決于保護裝置的等效阻抗。

當(dāng)故障位于B2 時，保護裝置A32、A34 的阻抗分別為：

式中：Z23為饋線L23 的阻抗；Z22-1和Z22-2分別為分支線L22-1、L22-2的阻抗；Zeq-l為節(jié)點2所連負(fù)荷的阻抗；Zeq-21為保護裝置A21 之后的阻抗；ZT2為變壓器T2的等值阻抗；Zeq-G為風(fēng)電機組的等值阻抗。

當(dāng)故障位于L12 時，保護裝置A32 和A34 的阻抗分別為：

式（8）表明，當(dāng)故障位于L12時，交流母線僅連接兩條進出線，母線所連的某一進出線故障，該故障線所測的阻抗等于所在線保護裝置的等效阻抗。

同樣，當(dāng)故障位于B2 時，交流母線連有3 條及以上的進出線，如果其中某條線發(fā)生反向故障，那么該故障線所測阻抗等于此條線保護裝置的等效阻抗；如果是母線發(fā)生故障，那么其所連所有線的阻抗都等于本線路的等效阻抗。

綜上所述，無論是直流側(cè)還是交流側(cè)，如果發(fā)生故障處與母線相連的進出線只有兩條，當(dāng)發(fā)生正向故障時，故障線路保護裝置所測阻抗與另條線相等；當(dāng)發(fā)生反向故障時，故障線路保護裝置所測阻抗等于所在線保護裝置的正向等效阻抗。

如果發(fā)生故障處與母線相連的進出線有3條及以上，當(dāng)發(fā)生正向故障時，故障線路的保護裝置所測阻抗為相鄰線所測阻抗的最小值；當(dāng)發(fā)生反向故障時，故障線所測阻抗等于此條線保護裝置的正向等效阻抗。

3 基于頻域阻抗的新型配電網(wǎng)保護配置方案

保護配置方案如圖7所示，通過其中的保護裝置，求解正反向故障時各測量阻抗在相應(yīng)特征頻域內(nèi)的理論值，將保護裝置內(nèi)所測得的暫態(tài)電壓信號Δu（t）和電流信號Δi（t）通過快速傅里葉變換提取對應(yīng)的暫態(tài)信號高頻信息。同時，為了避免處理信號時產(chǎn)生的頻譜畸變現(xiàn)象，采用窗函數(shù)對信號進行截斷，減少采樣信號的時域截斷邊界對結(jié)果的影響。對時域暫態(tài)電壓、電流信號加Hamming 窗后再進行快速傅里葉變換，提取特征頻段的電壓、電流后，根據(jù)電壓、電流和阻抗的關(guān)系得到對應(yīng)的故障頻域阻抗，并進行相應(yīng)的故障識別。

圖7 保護配置方案示意圖

由于交直流兩側(cè)檢測的是不同類型的故障，因此，需采取不同的保護方案，分別對直流側(cè)和交流側(cè)的保護方法進行分析。

3.1 直流側(cè)保護方法

結(jié)合直流側(cè)故障分析，設(shè)計一種基于頻域阻抗的新型配電網(wǎng)直流側(cè)保護方案。首先，根據(jù)極間電壓突變情況設(shè)置啟動判據(jù)，當(dāng)滿足條件時，判定系統(tǒng)中出現(xiàn)了故障，采集故障時刻參數(shù)并依據(jù)窗函數(shù)截斷信號，將故障前后2 ms 設(shè)定為數(shù)據(jù)窗，通過快速傅里葉變換得到故障頻域阻抗值；其次，根據(jù)阻抗的幅值判斷故障方向；最后，結(jié)合阻抗判斷故障具體位置，發(fā)出跳閘信號，通過斷路器斷開故障線路。

由于短路故障可以通過暫態(tài)電壓突變量進行檢測，極間電壓構(gòu)建直流側(cè)啟動判據(jù)為：

式中：n表示采樣點；u(n)和u（n-1）為極間電壓采樣信號；|Δu(n)|為兩個相鄰采樣信號的差值；ε為門檻值，取值為0.01Udc，Udc為直流側(cè)極間額定電壓。當(dāng)差值大于門檻值時，直流側(cè)的保護啟動，并對故障時刻的n進行采集。

發(fā)生正向故障時，所測阻抗為保護裝置等效阻抗，將阻抗的幅值作為判定，構(gòu)建直流側(cè)故障方向識別判據(jù)為：

通過判斷頻域測量阻抗大小，當(dāng)故障頻域測量阻抗?jié)M足式（10）時，則認(rèn)定此時發(fā)生的故障類型是正向故障，反之則為反向故障。

直流側(cè)保護方案流程如圖8所示。

圖8 直流側(cè)保護方案流程

3.2 交流側(cè)保護方法

結(jié)合交流側(cè)故障分析，設(shè)計一種基于頻域阻抗的新型配電網(wǎng)交流側(cè)保護方案。滿足交流側(cè)的啟動判據(jù)時，將故障前后10 ms設(shè)定為數(shù)據(jù)窗；其次，零模電壓判斷接地故障是否發(fā)生，根據(jù)故障暫態(tài)電壓信息進行故障選相，進而判斷出故障的類型，并由故障類型求解故障頻域阻抗值；判斷故障方向，發(fā)出跳閘信號。

考慮暫態(tài)電壓構(gòu)建交流側(cè)啟動判據(jù)為：

式中：uk(t)和|Δuk(t)|分別為k相t時刻所測的電壓采樣值和電壓差值；T為交流電壓周期；設(shè)置門檻值ε。當(dāng)任意一相中連續(xù)3 個電壓信號的變化量大于設(shè)定的門檻值時，交流側(cè)的保護算法就會啟動。

通過是否存在零模電壓分量判斷是否為接地故障，零模電壓分量計算式和接地判據(jù)為：

式中：u0(t)、ua(t)、ub(t)、uc(t)分別為零模電壓和A、B、C 相暫態(tài)電壓；S0為零模電壓分量的積分平均值；L為數(shù)據(jù)窗長度；Sε為整定門檻值。式（12）表明，如果所測電壓含零模分量，則判定接地故障。

為了提高靈敏度，將各相暫態(tài)電壓減去零模電壓的方式進行故障相判別，故障相識別判據(jù)為：

式中：Smax=max｛Sa，Sb，Sc｝；Sk為經(jīng)過修正的k相積分平均值；當(dāng)Sk大于門檻值且大于0.85 倍的最大值電壓時，則認(rèn)定k 相為故障相，反之為非故障相。

綜上所述，結(jié)合故障頻域阻抗值可判別故障類型。

交流側(cè)保護方案流程如圖9所示。

圖9 交流側(cè)保護方案流程

4 仿真分析

為了驗證設(shè)計的保護方案性能，以如圖2所示的新型配電網(wǎng)系統(tǒng)為例，驗證交直流兩側(cè)故障分別對互相側(cè)電氣量的影響和各自的暫態(tài)特性，依據(jù)基于頻域阻抗的保護方案進行仿真驗證，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型參數(shù)

4.1 直流側(cè)保護方案仿真驗證

直流側(cè)各處設(shè)置6 個典型故障點，4 s 時發(fā)生故障，通過故障分析進行整定計算，直流側(cè)保護裝置的整定值如表2所示。

表2 直流側(cè)各保護裝置整定值

直流側(cè)發(fā)生雙極故障時，分別通過直流饋線上的故障點1和3來驗證方案的可行性，故障頻域阻抗如圖10所示。

圖10 故障點1、3處故障頻域阻抗

由圖10 比較可知，非故障處的測量阻抗明顯大于故障處阻抗，且方向識別判據(jù)能有效識別正反向，進一步證明了各保護裝置整定值合理，能準(zhǔn)確識別出故障處線路，保護裝置可以有選擇性地切除故障。

母線故障選擇故障點4處母線，故障頻域阻抗如圖11所示。由圖11可知，母線故障時方向識別判據(jù)能有效識別正反向，各保護裝置整定值合理，保護裝置能準(zhǔn)確識別出母線故障。

圖11 故障點4處故障頻域阻抗

分支線故障選擇故障點5處，故障頻域阻抗如圖12所示。由圖12可知，分支線保護裝置能有效識別正反向，且整定值合理，能準(zhǔn)確識別出故障類型。

圖12 故障點5處故障頻域阻抗

綜上所述，所提的保護方案通過頻域阻抗識別故障方向是可行的，以判據(jù)來判斷故障類型也是準(zhǔn)確的，且算法可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)故障識別，能快速且有選擇性地動作。該方案僅通過比較阻抗幅值即可得到故障類型，易于實現(xiàn)。

4.2 交流側(cè)保護方案仿真驗證

如圖4所示，在交流側(cè)各處設(shè)置7個典型故障點，設(shè)定故障發(fā)生時刻在4 s，通過故障分析計算判斷故障方向的整定值，交流側(cè)保護裝置的整定值如表3所示。

表3 交流側(cè)各保護裝置整定值

交流側(cè)首先需在各類故障下進行故障選相，選相結(jié)果如表4所示。

表4 交流側(cè)故障選相結(jié)果

交流側(cè)發(fā)生三相故障時，通過交流饋線上的故障點來驗證方案的可行性，各保護裝置的故障頻域阻抗如圖13所示。

圖13 故障點7處故障頻域阻抗

由圖13 可知，所設(shè)計的交流側(cè)保護方案中故障方向識別判據(jù)適用于交流側(cè)，能有效識別正反向故障，各保護裝置整定值合理，能準(zhǔn)確識別出故障處線路，保護裝置可以有選擇性地切除故障。

母線故障選擇故障點10 處母線，故障頻域阻抗如圖14所示。由圖14可知，母線故障時方向識別判據(jù)可以有效識別正反向故障，各保護裝置設(shè)定的整定值合理，保護裝置能準(zhǔn)確識別出母線故障。

圖14 故障點10處故障頻域阻抗

分支線故障選擇故障點11 處，故障頻域阻抗如圖15所示。由圖15可知，分支線保護裝置能有效識別正反向故障，且整定值合理，能準(zhǔn)確識別出故障類型。

圖15 故障點11處故障頻域阻抗

綜上所述，本文所提交流側(cè)保護方案通過頻域阻抗來識別故障方向是可行的，以判據(jù)來判斷故障類型也是準(zhǔn)確的，且算法可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)故障識別，能快速且有選擇地動作。除此之外，由于該方案僅通過比較阻抗幅值即可得到故障類型，易于實現(xiàn)，適應(yīng)性強。

5 結(jié)論

針對新型配電網(wǎng)保護問題，考慮其分布式電源、交直流混合等特性，基于交直流側(cè)故障分析，得到故障阻抗特性，提出相應(yīng)的保護方案，結(jié)論如下：

1）基于頻域阻抗特性和故障方向識別判據(jù)，結(jié)合阻抗幅值可以明確故障發(fā)生類型。此直流側(cè)保護方案具有判別速度快的特點，對直流配電網(wǎng)適應(yīng)性強。

2）基于交流側(cè)短路故障時保護裝置所測的頻域阻抗判別故障方向，結(jié)合阻抗幅值確定故障發(fā)生類型，具有判斷準(zhǔn)確、冗余性強的特點。