收稿日期：2021-12-06

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司科技項(xiàng)目（5230DK20004U）

通信作者：馬 ?。?996—），男，碩士、助理工程師，主要從事可再生能源并網(wǎng)技術(shù)及保護(hù)與控制方面的研究。symajian@icloud.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1495 文章編號(hào)：0254-0096（2023）04-0439-09

摘" 要：為保障大型光伏電站通過(guò)直流升壓匯集接入系統(tǒng)的方式安全穩(wěn)定運(yùn)行，保護(hù)裝置需對(duì)直流送出線的極間短路故障準(zhǔn)確判別。通過(guò)分析光伏直流送出線的故障特征，提出一種基于線路兩端故障電流極性變化特點(diǎn)的快速保護(hù)方法。該方法利用二維映射原理，將線路兩端換流器閉鎖前的極性特征分布在二維坐標(biāo)系中，并以概率描述的形式構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，從而避免極間短路故障存在極性穿越過(guò)程時(shí)依據(jù)瞬時(shí)值引起的誤判。通過(guò)PSIM仿真平臺(tái)搭建1 MW/±30 kV光伏直流升壓外送仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法可快速準(zhǔn)確判別故障區(qū)段，且具有耐受較高過(guò)渡電阻、分布電容、噪聲干擾及通信時(shí)延的能力。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電：直流輸電；DC-DC變換器；故障區(qū)段；二維映射

中圖分類號(hào)：TM773"""""""""""" """""""" """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

面臨“3060雙碳”目標(biāo)，電力行業(yè)必將大力發(fā)展以光伏為代表的低碳清潔可再生能源。隨著大功率電力電子器件不斷革新，換流器技術(shù)逐漸成熟，大規(guī)模光伏陣列以直流升壓技術(shù)匯集后，采用直流外送的方案得以實(shí)現(xiàn)［1-2］。但當(dāng)直流送出線發(fā)生極間短路故障時(shí)，其兩端換流器將快速閉鎖，故障電流暫態(tài)過(guò)程隨之消失［3］，為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，可靠的故障區(qū)段快速判別方法亟待研究。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏直流送出線保護(hù)方法的研究較少，鑒于直流送出線電壓等級(jí)與柔性直流配電線路相近，因此參照近年來(lái)柔性直流配電線路保護(hù)方法的研究成果展開(kāi)分析。中壓直流線路保護(hù)方法可按信號(hào)處理方式分為時(shí)域量保護(hù)［4-7］和頻域量保護(hù)［8-11］。關(guān)于時(shí)域量保護(hù)，有學(xué)者基于余弦相似度對(duì)直流線路兩端電流的極性擬合對(duì)比判定區(qū)內(nèi)外故障以及故障類型，在分析故障附加電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮換流器閉鎖的問(wèn)題［4］，采用余弦相似度可有效提高保護(hù)可靠性，但余弦相似度的擬合結(jié)果受噪聲干擾影響較大，因此需保證足夠的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)。另有學(xué)者利用區(qū)內(nèi)外故障時(shí)電流微分量的極性特征進(jìn)行判別，該方法無(wú)需數(shù)據(jù)同步，適合各種結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)［5］，但分布電容增大時(shí)，電流微分值規(guī)律不明顯，需多次微分才能滿足判據(jù)，計(jì)算量較大。還有學(xué)者針對(duì)小電流接地時(shí)差動(dòng)電流保護(hù)無(wú)法識(shí)別單極故障的情況，通過(guò)投切小電阻達(dá)到保護(hù)動(dòng)作要求，可有效提高故障辨識(shí)能力［6］，但該方法只適用于單極接地故障，且投入并聯(lián)小電阻后，故障電流變大，短時(shí)間不允許系統(tǒng)帶故障運(yùn)行。與利用故障電流特征的方法不同，有文獻(xiàn)在線路兩端加裝電抗器，利用電抗器兩端電壓變化比值來(lái)判斷正反方向故障以及故障類型［7］，但該方法對(duì)線路兩端有加裝電抗器的要求，且對(duì)通信同步有較高要求。關(guān)于頻域量保護(hù)，有學(xué)者將配電網(wǎng)模型轉(zhuǎn)化為復(fù)頻域等效模型，在此基礎(chǔ)上分析電抗器電壓在不同故障類型下的求解［8］，該方法相對(duì)時(shí)域量保護(hù)適應(yīng)性更強(qiáng)，但存在積分計(jì)算，判據(jù)計(jì)算量較大。另有學(xué)者利用暫態(tài)高頻電壓與貝葉斯算法求解故障位置或利用邊界元件兩端電流的高頻暫態(tài)能量進(jìn)行故障區(qū)段判別［9-10］，雖有較高的故障辨識(shí)能力，但整定值也需由影響暫態(tài)能量波動(dòng)的多種因素而定。還有學(xué)者通過(guò)結(jié)合電流、電壓得出功率的高頻量，并基于線路兩側(cè)高頻功率相關(guān)系數(shù)辨識(shí)故障區(qū)段和故障類型［11］，由此避免了文獻(xiàn)［9-10］的整定問(wèn)題，但相應(yīng)計(jì)算量及判據(jù)復(fù)雜度較高。

對(duì)于光伏直流升壓外送系統(tǒng)，其運(yùn)行環(huán)境與柔性直流配電網(wǎng)有所差異。針對(duì)變換器自身特點(diǎn)，有學(xué)者通過(guò)改變變換器控制方式向故障點(diǎn)注入信號(hào)進(jìn)行故障區(qū)段判別［12］，雖然該方法理論上非?？煽?，但對(duì)變換器的穩(wěn)定性及控制方式要求較高，且必須要等到線路兩端變換器閉鎖后才可實(shí)現(xiàn)。

綜上，柔性直流配電線路保護(hù)方法在光伏直流送出線上的適應(yīng)性需進(jìn)一步驗(yàn)證，且現(xiàn)有的光伏直流送出線保護(hù)方法仍在探索階段，還需進(jìn)一步研究。本文擬通過(guò)對(duì)光伏直流升壓外送系統(tǒng)的故障分析，提出一種基于故障電流極性變化特征的快速保護(hù)方法，以期在過(guò)渡電阻、分布電容、噪聲干擾及通信時(shí)延的影響下表現(xiàn)出較高的可靠性。

1 光伏直流送出線故障分析

1.1 光伏直流升壓匯集接入系統(tǒng)拓?fù)?/p>

集中型光伏直流升壓匯集接入系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1a所示，大規(guī)模光伏通過(guò)數(shù)個(gè)DC-DC變換器集中升壓，匯集到±30 kV直流母線，采用直流外送方式，在交流并網(wǎng)點(diǎn)通過(guò)MMC換流器逆變升壓并網(wǎng)。相比交流匯集升壓外送方案，純直流系統(tǒng)的換流環(huán)節(jié)少、功率密度高、無(wú)需站內(nèi)無(wú)功補(bǔ)償裝置，從根本上解決了光伏交流匯集升壓的穩(wěn)定性問(wèn)題。

c. MMC換流器及其子模塊

集中型光伏直流升壓匯集接入系統(tǒng)拓?fù)渲械腄C-DC變換器拓?fù)淙鐖D1b所示，采用文獻(xiàn)［1］提出的由[n]個(gè)boost全橋隔離變換器（boost full bridge isolated converter，BFBIC）通過(guò)輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)（input-parallel output-series，IPOS）方式組成的模塊化拓?fù)?。其升壓?jiǎn)卧蛪簜?cè)為帶有源鉗位支路的Boost全橋，高壓側(cè)為二極管不控整流橋，通過(guò)高頻變壓器將高、低壓側(cè)電氣隔離。由此實(shí)現(xiàn)大功率、高變比及變比可調(diào)的DC-DC升壓變換器。MMC換流器拓?fù)浼捌渥幽K如圖1c所示，其中主要參數(shù)及控制方式見(jiàn)文獻(xiàn)［13-14］。

1.2 故障分析

由于變換器直流側(cè)均采用經(jīng)大電阻接地方式，直流線路發(fā)生單極故障時(shí)，不會(huì)引起嚴(yán)重過(guò)流，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間［8］，故本文主要針對(duì)極間短路故障展開(kāi)研究。

中低壓直流線路輸送距離較短，直流線路發(fā)生極間短路故障時(shí)，DC-DC變換器輸出電容和MMC換流器子模塊電容迅速放電，故障電流驟升，兩端換流器快速閉鎖。閉鎖后暫態(tài)量特征逐漸消失，可用作故障判別的有效數(shù)據(jù)窗不到3.4 ms［12］。與柔性直流配電網(wǎng)不同之處在于，光伏直流外送系統(tǒng)為純直流系統(tǒng)，不包含二極管自然換向、二極管自然導(dǎo)通、不控整流等階段［15］。DC-DC變換器由于有升壓電感的存在，故障后光伏側(cè)短路電流不會(huì)瞬間傳入線路。由此可知，僅利用變換器閉鎖前的電容放電過(guò)程，可對(duì)故障電流極性展開(kāi)判別。

規(guī)定電流正方向?yàn)槟妇€流向線路，且默認(rèn)功率方向?yàn)槟妇€D至母線M。當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)極間短路故障f1時(shí)，故障電流等效示意圖如圖2a所示，其右側(cè)為電流極性參考軸，即電流繪制于正極p或負(fù)極[n]線路上方的部分為正，下方的部分為負(fù)?？梢?jiàn)故障發(fā)生后，兩側(cè)故障電流迅速流入故障點(diǎn)，且存在極性轉(zhuǎn)變的過(guò)程，即極性穿越。同理分析DC-DC變換器側(cè)區(qū)外極間短路故障f2和MMC換流器側(cè)區(qū)外極間短路故障

c. MMC換流器側(cè)區(qū)外極間短路故障f2′示意圖

[f2′]，可得故障等效示意圖分別如圖2b和圖2c所示。由此可知，區(qū)內(nèi)、外故障均存在極性穿越，此時(shí)若僅利用單個(gè)電流采樣瞬時(shí)值確定故障電流極性，極易誤判，單個(gè)采樣值可能正處于極性穿越前、極性穿越中或極性穿越后。

將故障量趨于穩(wěn)定之后的電流極性特征匯總?cè)绫?所示，可見(jiàn)對(duì)于同一極直流線路，唯有區(qū)內(nèi)故障f1存在兩端電流極性相同的情況。基于該特征，提出基于電流極性分布的保護(hù)方法。

2 基于電流極性分布的保護(hù)方法

2.1 二維映射引入

為將故障電流極性特征轉(zhuǎn)化為可清晰辨識(shí)的方式，本文利用二維映射的思想，將D端和M端的正、負(fù)極電流采樣值[IDp、IMp、IDn、IMn]分別以（[IDp，IMp]）、（[IDn，IMn]）的形式映射到以[ID、IM]為橫、縱坐標(biāo)的二維坐標(biāo)系中，結(jié)合表1可得二維映射結(jié)果如圖3所示。

可見(jiàn)，理想情況下，當(dāng)直流送出線正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，采樣點(diǎn)同時(shí)分布在二、四象限；當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，采樣點(diǎn)同時(shí)分布在一、三象限。

考慮到1.2節(jié)中分析的極性穿越情況，實(shí)際采樣電流數(shù)據(jù)在故障初期并不完全按圖3分布，可能存在故障初期仍表現(xiàn)為正常狀態(tài)或采樣點(diǎn)恰好落在坐標(biāo)軸上的情況。此時(shí)用極少的采樣點(diǎn)描述極性會(huì)出現(xiàn)誤判，但考慮到取一定數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)后，大部分采樣點(diǎn)會(huì)按圖3分布，因此可采用固定數(shù)據(jù)窗采樣點(diǎn)落在二維坐標(biāo)中各象限的概率來(lái)確定故障后的電流極性，由此提高采用極性特征判別故障區(qū)段的可靠性。

2.2 構(gòu)造保護(hù)判據(jù)

影響故障電流極性判別的因素，除了極性穿越過(guò)程可能出現(xiàn)不能有效表現(xiàn)最終極性的采樣值，還有通信時(shí)延、分布電容、噪聲干擾等，同樣會(huì)導(dǎo)致二維映射時(shí)個(gè)別采樣點(diǎn)未準(zhǔn)確出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)象限?，F(xiàn)利用描述極性采樣點(diǎn)分布在二維坐標(biāo)系每個(gè)象限中的概率進(jìn)行保護(hù)判據(jù)的構(gòu)造。

令采樣窗長(zhǎng)[T]包含[NT]個(gè)采樣點(diǎn)，落在每個(gè)象限的點(diǎn)數(shù)量為[Ni]，則一個(gè)數(shù)據(jù)窗中的采樣點(diǎn)落在每個(gè)象限的概率[Pi]可用式（1）表示。

[Pi=NiNT]""""" （1）

式中：[i]——可取值1～4，對(duì)應(yīng)二維坐標(biāo)系中的4個(gè)象限。

可見(jiàn)，在理想情況下，結(jié)合圖3可知，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障f1時(shí)，[P1、P3]接近1，[P2、P4]接近0，當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障f2或f2′時(shí)相反。由于線路故障初期的采樣點(diǎn)落在各象限的概率均不可能達(dá)到1或0，需通過(guò)設(shè)定對(duì)應(yīng)門檻值[Pset1]和[Pset0]來(lái)描述采樣點(diǎn)是否滿足故障判別條件。

在故障初期，考慮到直流送出線兩端未配置大容量限流電抗器，極性穿越可在約0.1 ms完成，且對(duì)于20 km直流線路，光纖通信時(shí)延不超過(guò)0.3 ms［16］，因此故障初期0.4 ms內(nèi)易出現(xiàn)無(wú)法正確描述極性的無(wú)效值。由文獻(xiàn)［12］可知，直流送出線兩端換流器在故障發(fā)生后2 ms完成閉鎖，3.4 ms后暫態(tài)電流逐漸消失。為保證采樣數(shù)據(jù)能體現(xiàn)極性特征，數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)不能超過(guò)2 ms。由于采樣點(diǎn)越多，計(jì)算所得概率值越可靠，本文將利用故障后2 ms數(shù)據(jù)完成故障區(qū)段判別。為使門檻值[Pset1]和[Pset0]方便設(shè)定，將數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)設(shè)定為1 ms，通過(guò)連續(xù)兩次判斷確定故障區(qū)段。具體如下：

1）一次判別

正常狀態(tài)時(shí)，采樣點(diǎn)均分布在二、四象限，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障后，由上文分析可知，在故障初期0.4 ms內(nèi)仍會(huì)有采樣點(diǎn)出現(xiàn)在二、四象限。令[Nf]為一次判別中可能出現(xiàn)的無(wú)效采樣點(diǎn)數(shù)量，則[Nf]可由式（2）計(jì)算得到。

[Nf=TdT?NT]" （2）

式中：[Td]——可能出現(xiàn)無(wú)效采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間。

考慮到電流互感器采樣誤差及其他干擾因素，引入可靠系數(shù)[Kr]，則[Pset0]可由式（3）計(jì)算得到。

[Pset0=1-NfNT?Kr]"""""" （3）

通過(guò)式（2）和式（3）可得[Pset0]為0.5，則當(dāng)?shù)? ms數(shù)據(jù)窗計(jì)算所得[Pi]滿足式（4）所示關(guān)系時(shí)，判定可能發(fā)生區(qū)內(nèi)故障f1，反之可能發(fā)生區(qū)外故障f2或f2′。

[P2≤Pset0"或P4≤Pset0]"""" （4）

2）二次判別

在第2 ms數(shù)據(jù)窗中，采樣數(shù)據(jù)理論上均會(huì)按圖3所示結(jié)果對(duì)應(yīng)分布，此時(shí)極性穿越、通信時(shí)延等因素對(duì)采樣值表現(xiàn)極性特征的影響不大，僅考慮到采樣誤差，設(shè)定[Pset1]為0.9。當(dāng)一次判別結(jié)果為可能發(fā)生區(qū)內(nèi)故障f1時(shí)，進(jìn)一步判斷是否滿足式（5）所示關(guān)系，若滿足即可確定為區(qū)內(nèi)故障；當(dāng)一次判別結(jié)果為可能發(fā)生區(qū)外故障f2或f2′時(shí)，進(jìn)一步判斷是否滿足式（6）所示關(guān)系，若滿足即可確定為區(qū)外故障。

[P1≥Pset1P3≥Pset1]"" （5）

[P2≥Pset1P4≥Pset1]"" （6）

通過(guò)連續(xù)兩次判別，可充分利用2 ms數(shù)據(jù)窗可靠判別故障區(qū)段，既簡(jiǎn)化了整定值的設(shè)定，也提高了基于故障電流極性分布概率的可靠性。無(wú)需暫態(tài)故障電壓量的配合，也不用借助小波分析等數(shù)學(xué)工具，能保證保護(hù)方法的速動(dòng)性。

2.3 考慮雷擊影響的啟動(dòng)判據(jù)

保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)通常采用電壓、電流變化率，為防止雷電波入侵線路使保護(hù)誤啟動(dòng)，需針對(duì)雷擊干擾對(duì)啟動(dòng)判據(jù)進(jìn)行修正。

根據(jù)雷電概率分布選取邊界雷電波形參數(shù)進(jìn)行修正，取雷電波形參數(shù)為10 μs/200 μs，即雷電上升時(shí)間為10 μs，下降時(shí)間為200 μs，幅值為3.6 kA［17］。雷電模型采用雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模擬，如式（7）所示。

[i（t）=I0?ke-αt-e-βt] （7）

式中：[I0]——雷電波形幅值；[k]——波形矯正系數(shù)，取1.091；[α]——波前衰減系數(shù)，取3.914×103；[β]——波尾衰減系數(shù)，取2.31×105。

在10 kHz采樣頻率下進(jìn)行仿真，可得雷擊和故障時(shí)電流的變化情況如圖4所示，可見(jiàn)雷擊電流波頭短，0.1 ms一個(gè)采樣點(diǎn)會(huì)錯(cuò)3.6 kA的峰值，但跌落后的雷擊電流變化率仍遠(yuǎn)大于故障電流變化率，因此只需設(shè)置雷擊電流變化率識(shí)別門檻值[MTh]，方可實(shí)現(xiàn)二者區(qū)分，即當(dāng)di/dt大于[MTh]時(shí)，判定為雷擊干擾，di/dt未超過(guò)[MTh]時(shí)，判定為線路故障。

2.4 保護(hù)流程

根據(jù)本章節(jié)分析，可得基于電流極性分布的光伏直流送出線保護(hù)流程，如圖5所示。

protection based on current polarity distribution

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提保護(hù)方法的有效性，依據(jù)圖1所示拓?fù)浜臀墨I(xiàn)［3，13］中所列光伏陣列和變換器參數(shù)，利用PSIM軟件搭建容量為1 MW的光伏直流升壓外送系統(tǒng)模型。直流送出線輸送距離為10 km，電壓等級(jí)為±30 kV，線路參數(shù)為[R=0.054 Ω/km]，[L=1.3 mH/km]，采樣頻率為10 kHz。基于上述模型對(duì)本文所提光伏直流送出線保護(hù)方法的有效性及可靠性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 區(qū)內(nèi)故障

在系統(tǒng)仿真模型穩(wěn)定運(yùn)行后，分別設(shè)置區(qū)內(nèi)不同故障距離和不同大小的過(guò)渡電阻，驗(yàn)證區(qū)內(nèi)極間短路故障是否能有效判別。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至1 s時(shí)刻，設(shè)置區(qū)內(nèi)故障f1，故障點(diǎn)距母線D右側(cè)5 km，且為金屬性故障。仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6a和圖6b可知，故障后正、負(fù)極線路兩端所測(cè)電流瞬間上升，且母線M端故障電流迅速完成極性穿越，與直流線路極間短路故障理論分析相符。由圖6c可見(jiàn)，一次判別時(shí)，在第1個(gè)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)落在二、四象限的采樣點(diǎn)數(shù)量同為1，即[P2=P4=0.1lt;Pset0]，滿足式（4）所示的關(guān)系，一次判別結(jié)論為可能發(fā)生區(qū)內(nèi)故障f1。由圖6d可見(jiàn)，二次判別時(shí)，在第2個(gè)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)落在一、三象限的采樣點(diǎn)數(shù)同為10，即[P1=P3=1gt;Pset1]，滿足式（5）所示的關(guān)系，因此最終判定結(jié)果為區(qū)內(nèi)極間短路故障，判別結(jié)果與理論相符，初步驗(yàn)證了區(qū)內(nèi)極間短路故障判據(jù)的有效性。

c. 一次判別""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" d. 二次判別

為驗(yàn)證不同故障距離及不同過(guò)渡電阻對(duì)區(qū)內(nèi)故障判據(jù)的影響，采用與上述相同的仿真方式，依次在0、20、50 Ω過(guò)渡電阻的基礎(chǔ)上設(shè)置0、5、10 km故障距離。其中過(guò)渡電阻設(shè)定為20 Ω時(shí)即可滿足直流配電系統(tǒng)的驗(yàn)證要求［4］，50 Ω過(guò)渡

電阻為驗(yàn)證本文所提保護(hù)方法在光伏直流送出線上更高的可靠性；母線D右側(cè)0、10 km的故障距離為模擬區(qū)內(nèi)線路發(fā)生邊界故障的情況。將仿真結(jié)果整理如表2所示，可見(jiàn)在不同過(guò)渡電阻和故障距離下，均能準(zhǔn)確判別故障區(qū)段。

3.2 區(qū)外故障

在系統(tǒng)仿真模型穩(wěn)定運(yùn)行后，分別設(shè)置區(qū)內(nèi)不同故障距離和不同大小的過(guò)渡電阻，驗(yàn)證區(qū)外極間短路故障是否能有效判別。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至1 s時(shí)刻，設(shè)置區(qū)外故障f2，故障點(diǎn)距母線D左側(cè)1 km，且為金屬性故障。仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7a和圖7b可知，與圖6a和圖6b不同的是，故障后正、負(fù)極線路均存在極性穿越，與區(qū)外故障理論相符。由于線路正常輸送能量時(shí)，電流極性本身就分布于二、四象限，當(dāng)正、負(fù)極均發(fā)生極性穿越時(shí)，由圖7c可見(jiàn)，一次判別過(guò)程中，第1個(gè)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)所有采樣點(diǎn)仍分布于二、四象限，未出現(xiàn)圖6c中所示的無(wú)效點(diǎn)，即[P2=P4=1gt;Pset0]，不滿足式（4）所示的關(guān)系，一次判別結(jié)論為可能發(fā)生區(qū)外故障f2。由圖7d可見(jiàn)，二次判別時(shí)，第2個(gè)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)所有采樣點(diǎn)均落在二、四象限，即[P2=P4=1gt;Pset1]，滿足式（6）所示的關(guān)系，因此最終判定結(jié)果為區(qū)外極間短路故障，判別結(jié)果與理論相符，初步驗(yàn)證了區(qū)外極間短路故障判據(jù)的有效性。

與區(qū)內(nèi)故障驗(yàn)證方式相同，通過(guò)設(shè)置不同故障距離及不同過(guò)渡電阻對(duì)區(qū)外故障判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到母線D左側(cè)區(qū)外為光伏匯集支路，而母線M直接與MMC換流器相連，母線M側(cè)區(qū)外故障相當(dāng)于母線M右側(cè)線路故障，因此僅母線D側(cè)區(qū)外故障需考慮線路長(zhǎng)度的影響，但匯集線路故障相對(duì)直流送出線較短。依次在0、20、50 Ω過(guò)渡電阻的基礎(chǔ)上設(shè)置母線D左側(cè)0、1、2 km故障距離，其中母線D左側(cè)0 km處故障為模擬區(qū)外邊界故障，對(duì)區(qū)外故障判據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，將仿真結(jié)果整理如表3所示。

可見(jiàn)，母線D側(cè)區(qū)外故障在考慮不同過(guò)渡電阻和故障距離時(shí)，一、二次判別過(guò)程中[P2、P4]均為1，說(shuō)明電流故障波形采樣點(diǎn)均落在二、四象限，考慮到區(qū)外故障時(shí)，正、負(fù)極線路兩端電流均會(huì)發(fā)生極性穿越，穿越后仍分布在二、四象限，因此仿真結(jié)果無(wú)誤，在考慮不同過(guò)渡電阻和故障距離時(shí)能準(zhǔn)確判別故障區(qū)段。母線M側(cè)區(qū)外與母線D左側(cè)0 km故障相同，因此不再贅述。

3.3 保護(hù)可靠性驗(yàn)證

由于光伏直流升壓外送系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，保護(hù)元件處理的采樣數(shù)據(jù)會(huì)受到通信時(shí)延、噪聲干擾等影響，且當(dāng)采用地下電纜輸電時(shí)，直流電纜分布電容相對(duì)架空線路較大，分布電容對(duì)故障電流波形也會(huì)產(chǎn)生一定影響。為驗(yàn)證在各種影響下保護(hù)的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)仿真模型穩(wěn)定運(yùn)行后，在設(shè)定通信時(shí)延的基礎(chǔ)上同時(shí)設(shè)置不同分布電容和噪聲干擾，驗(yàn)證區(qū)內(nèi)極間短路故障是否能有效判別。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至1 s時(shí)刻，同時(shí)設(shè)定0.3 ms通信時(shí)延，30 dB噪聲干擾和0.115 μF/km的分布電容，且將通信時(shí)延體現(xiàn)在同步誤差中，由于金屬性故障不會(huì)降低干擾引起的波動(dòng)，因此以距離母線D右側(cè)5 km處發(fā)生金屬性區(qū)內(nèi)極間短路故障f1為例，仿真結(jié)果如圖8所示?？梢?jiàn)相比于圖6a未加干擾的情況下，在直流線路模型中添加分布電容后，故障電流出現(xiàn)明顯波動(dòng)，且同時(shí)添加噪聲干擾后，故障波形更復(fù)雜，但故障電流整體變化趨勢(shì)相同，同樣出現(xiàn)單極的極性穿越。由圖8c可見(jiàn)，一次判別時(shí)，相比于圖6c在第1個(gè)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)落在二、四象限的采樣點(diǎn)分別增加為4個(gè)，但仍滿足[P2=P4=0.4lt;Pset0。]二次判別時(shí)，由圖8d可見(jiàn)，在第2個(gè)數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)內(nèi)落在一、三象限的采樣點(diǎn)數(shù)量同為10個(gè)，即[P1=P3=1gt;Pset1]。由此可知，即使故障電流存在明顯波動(dòng)，也同樣滿足式（4）和式（5）所示的關(guān)系，判別結(jié)果與理論相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了區(qū)內(nèi)極間短路故障判據(jù)的可靠性。

為驗(yàn)證不同分布電容及噪聲干擾對(duì)保護(hù)判據(jù)的影響，采用與上述相同的仿真方式，參照YJV電纜技術(shù)參數(shù)，依次在0.115、0.126、0.137 μF/km分布電容的基礎(chǔ)上設(shè)置30、20、10 dB噪聲干擾，以此模擬不同干擾情況。其中0.115 μF/km為±30 kV/1 MW系統(tǒng)正常輸送電能時(shí)電纜線路存在的分布電容，為模擬更大輸送容量時(shí)選用更大截面積電纜線路的影響，將分布電容參數(shù)逐漸增至0.137 μF/km；對(duì)于中壓直流輸電系統(tǒng)，需滿足耐受信噪比為30 dB噪聲干擾的能力［15］，為驗(yàn)證本文所提保護(hù)的可靠性，將信噪比逐步降至10 dB，以此模擬更嚴(yán)重的干擾環(huán)境。將仿真結(jié)果整理如表4所示?？梢?jiàn)在不同分布電容及噪聲干擾下，均能準(zhǔn)確判別故障區(qū)段，但當(dāng)分布電容越大、噪聲干擾越強(qiáng)時(shí)，出現(xiàn)[P4gt;Pset0]的情況，由于一次判據(jù)中式（4）所示關(guān)系為“或”即可成立，因此在干擾最強(qiáng)的情況下，仍能準(zhǔn)確判別故障區(qū)段，由此驗(yàn)證了保護(hù)方法的可靠性。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)集中型光伏直流升壓外送系統(tǒng)中直流送出線的故障分析，提出一種基于電流極性分布的光伏直流送出線快速保護(hù)方法。并通過(guò)搭建±30 kV/1 MW光伏直流升壓外送系統(tǒng)模型，對(duì)所提保護(hù)方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析結(jié)論如下：

1）對(duì)于故障分析，光伏直流送出線極間短路故障存在極性穿越情況時(shí)，仿真所得采樣點(diǎn)在二維坐標(biāo)系的分布情況并不唯一，與理論相符，可見(jiàn)若僅用故障瞬間極少的采樣值，無(wú)法可靠判別故障區(qū)段。

2）對(duì)于保護(hù)方法，本文利用直流送出線故障后兩端電流采樣值分布在二維坐標(biāo)系中的概率構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，通過(guò)連續(xù)兩次判別，彌補(bǔ)了故障瞬間極少采樣點(diǎn)無(wú)法可靠描述極性特征的缺陷，且僅利用線路兩端換流器閉鎖前的2 ms數(shù)據(jù)窗即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需借助復(fù)雜算法，計(jì)算量小。

3）該保護(hù)方法能有效判別故障區(qū)段，且在滿足保護(hù)基本抗干擾能力要求的基礎(chǔ)上，具有耐受50 Ω過(guò)渡電阻、0.137 μF/km分布電容、10 dB噪聲干擾以及0.3 ms通信時(shí)延的能力，可靠性較高，對(duì)大規(guī)模光伏直流升壓外送系統(tǒng)中直流送出線保護(hù)有一定工程參考價(jià)值。

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PHOTOVOLTAIC DC TRANSMISSION LINE FAST PROTECTION

METHOD BASED ON CURRENT POLARITY DISTRIBUTION

Ma Jian1，2，Liu Yuan3，4，Zhang Xinyu1，4，Nan Dongliang1，Dong Xuetao1，Zhao Qi1

（1. Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co.， Ltd.， Urumqi 830011， China；

2. Xinjiang Key Laboratory of Whole Process Simulation for Power System， Urumqi 830011， China；

3. State Grid Chongqing Tongnan Power Supply Company， Chongqing 402660， China；

4. School of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830017， China）

Abstract：In order to ensure the safe and stable operation of large-scale photovoltaic power stations through DC boost convergence access system， the protection device needs to accurately distinguish the short-circuit fault between the DC transmission lines. By analyzing the fault characteristics of the photovoltaic DC transmission line， a fast protection scheme based on the characteristics of the polarity change of the fault current at both ends of the line is proposed. The method uses the principle of two-dimensional mapping to distribute the polarity characteristics of the converters at both ends of the line before being blocked in the two-dimensional coordinate system， and construct the protection criterion in the form of probability description， so as to avoid the misjudgment caused by the instantaneous value when there is a polarity ride-through process in the short circuit fault between the poles. The 1 MW/±30 kV photovoltaic DC boost output simulation model is built through the PSIM simulation platform for verification. The results show that this method can quickly and accurately identify the fault section， and has the ability to withstand higher transition resistance， distributed capacitance， noise interference and communication delay.

Keywords：photovoltaic power； DC power transmission； DC-DC converters； fault section； two-dimensional mapping