張 嘯，房鑫炎

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

相較于傳統(tǒng)交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)有著線路損耗小、傳輸容量大、電能質(zhì)量高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、便于分布式電源DG（distributed generation）接入等優(yōu)勢(shì)，并且隨著越來(lái)越多的直流設(shè)備接入電網(wǎng)，進(jìn)一步推動(dòng)了直流系統(tǒng)的發(fā)展[1-3]。直流系統(tǒng)采用電力電子換流器進(jìn)行電能輸送，系統(tǒng)慣性低、阻尼小，在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流上升速度非常快，在極短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到很高數(shù)值，對(duì)保護(hù)的速動(dòng)性有很高要求[4-5]。為了降低直流斷路器的負(fù)擔(dān)、給保護(hù)預(yù)留一定的反應(yīng)時(shí)間，直流系統(tǒng)通常還會(huì)采取限制故障電流上升率的措施。因?yàn)橄蘖麟娍蛊髟靸r(jià)相對(duì)較低，穩(wěn)態(tài)時(shí)幾乎不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，且有較好的限流效果，成為了目前主要的限流手段[6]，同時(shí)限流電抗器的存在也為直流線路保護(hù)的設(shè)計(jì)提供了邊界條件。

模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel converter）直流側(cè)不會(huì)并聯(lián)大電容，在中低壓配網(wǎng)中的接地方式通常采用直流側(cè)經(jīng)大電阻接地或是換流變壓器閥側(cè)不直接接地，單極接地短路時(shí)流入接地點(diǎn)的故障電流較小，對(duì)配電系統(tǒng)的危害較小。當(dāng)直流線路發(fā)生極間短路時(shí)，由于系統(tǒng)的低阻尼特點(diǎn)，故障電流將會(huì)陡然攀升，嚴(yán)重危害直流電網(wǎng)。連接交流系統(tǒng)與MMC換流站的換流變壓器多采用星三角接線方式，能夠阻斷零序分量流入直流系統(tǒng)，并且MMC 換流站的故障控制策略通常采用正負(fù)序控制，可以抑制交流側(cè)的負(fù)序電流。因此，當(dāng)直流線路出現(xiàn)極間短路時(shí)，其在交流側(cè)的復(fù)合序網(wǎng)中只有正序通路，如果不及時(shí)切除故障，將會(huì)逐漸在交流側(cè)呈現(xiàn)出三相短路的電氣特征，進(jìn)一步擴(kuò)大故障面積?？梢?jiàn)，直流線路的極間短路故障對(duì)系統(tǒng)的危害極大，構(gòu)建能夠快速動(dòng)作響應(yīng)極間故障的直流線路保護(hù)是非常有必要的[7-8]。

與交流電網(wǎng)保護(hù)類似，現(xiàn)有的直流配電網(wǎng)保護(hù)可大致分為單端量保護(hù)[9-12]和雙端量保護(hù)[13-17]兩類。單端量保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)直接來(lái)源于本地測(cè)量值，只需要在線路一側(cè)安裝測(cè)量裝置，投入成本低；雙端量保護(hù)依賴于線路兩端的通信，能夠更加可靠地識(shí)別故障點(diǎn)。

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，可以將直流線路分為穩(wěn)態(tài)電路和故障附加電路兩部分，其暫態(tài)過(guò)程中具有豐富的高頻分量，綜合考慮信號(hào)的頻譜密度及信噪比，可以選取數(shù)千赫茲頻段的信號(hào)作為故障識(shí)別的依據(jù)[18]。文獻(xiàn)[19]通過(guò)對(duì)比區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)的高頻測(cè)量阻抗，利用其突變量構(gòu)成保護(hù)，但是保護(hù)依賴于高壓直流輸電線路兩側(cè)的直流濾波器，而在采用電壓源型換流器VSC（voltage source converter）的柔性直流配電網(wǎng)中，直流線路不設(shè)置直流濾波器。文獻(xiàn)[20]提出的利用波形匹配方法的高頻阻抗保護(hù)雖然不再依賴直流濾波器作為邊界條件，但其保護(hù)原理是建立在行波測(cè)量基礎(chǔ)上的，在線路較短的配電網(wǎng)線路中并不適用。

為此，本文通過(guò)分析故障暫態(tài)期間的高頻故障分量，利用小波變換提取故障暫態(tài)高頻信息，分析高頻阻抗特征，提出一種適用于柔性直流配電網(wǎng)的線路縱聯(lián)保護(hù)原理。首先，分析極間短路故障暫態(tài)期間的系統(tǒng)工作狀態(tài)，得到暫態(tài)期間的系統(tǒng)故障附加電路；然后，在暫態(tài)故障附加電路的基礎(chǔ)上，分析直流線路保護(hù)區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)的暫態(tài)故障電氣量，并將暫態(tài)阻抗的幅值差異作為方向識(shí)別判據(jù)，提出一種暫態(tài)高頻阻抗縱聯(lián)保護(hù)原理；最后，在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單四端口直流配電網(wǎng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證保護(hù)原理的有效性。保護(hù)測(cè)得的暫態(tài)阻抗模值在理論上僅與故障點(diǎn)和保護(hù)裝置的相對(duì)位置有關(guān)，不受分支線路的影響，因此可以直接將相鄰線路的保護(hù)結(jié)合起來(lái)作為區(qū)域后備保護(hù)，且保護(hù)的判定不依賴于線路兩端電氣量的同步計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)同步的要求不高。

1 故障高頻等效電路

以圖1所示的四端口柔性直流配電系統(tǒng)為研究對(duì)象。其中，G1和G2表示兩個(gè)交流網(wǎng)絡(luò)，分別通過(guò)兩個(gè)MMC換流站（MMC1和MMC2）與該直流系統(tǒng)連接，直流負(fù)荷DCL（DC load）DCL1和DCL2分別通過(guò)直流變壓器DCT（DC transformer）DCT1和DCT2接入直流配電網(wǎng)，DCL1本地還設(shè)有光伏電站及儲(chǔ)能電站。配電網(wǎng)包含4條直流線路li（i=1，2，3，4）及4條直流母線；Pi,j為保護(hù)裝置，表示保護(hù)裝置設(shè)置在母線i和j之間的線路上，正方向?yàn)閺哪妇€i到母線j。

圖1 簡(jiǎn)易四端口直流配電網(wǎng)Fig.1 Simple four-port DC distribution network

當(dāng)直流線路發(fā)生極間短路故障時(shí)，線路故障電流迅速上升，直流保護(hù)需要在故障發(fā)生后的數(shù)個(gè)毫秒內(nèi)動(dòng)作，因此本文在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)只考慮換流器在故障初始階段的高頻等效電路。

MMC具有電能質(zhì)量高、開(kāi)關(guān)損耗小、靈活性高等優(yōu)勢(shì)，是目前配電網(wǎng)換流器的最佳選擇，其中應(yīng)用最為廣泛的是半橋型MMC，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 半橋型MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Half-bridge MMC topology

圖2中，SM為MMC 橋臂子模塊，上標(biāo)p、n分別表示上橋臂和下橋臂，下標(biāo)a、b、c表示交流三相，數(shù)字為模塊序號(hào)；N為MMC各橋臂子模塊數(shù)；LMMC為橋臂電感；CMMC為子模塊電容。

故障初期，子模塊電容CMMC通過(guò)故障點(diǎn)形成的短路回路進(jìn)行放電，由于直流系統(tǒng)阻尼很低，導(dǎo)致電容放電電流上升速率極快，是短路故障電流的主要來(lái)源。交流側(cè)饋入的故障電流受交流側(cè)阻尼限制，在故障初期并不明顯，其影響可以忽略不計(jì)。由于MMC每相橋臂同時(shí)投入的子模塊數(shù)恒為N，忽略橋臂電阻，每相橋臂都可以看成是N個(gè)子模塊電容及上下兩個(gè)橋臂的橋臂電感的串聯(lián)，因此可以在直流側(cè)將MMC 等效為一個(gè)電感電容串聯(lián)器件，其簡(jiǎn)化電路如圖3所示。

圖3中，Ceq,a、Ceq,b、Ceq,c分別為三相橋臂的等效電容，Ceq,a=Ceq,b=Ceq,c=CMMC/N；Leq,a、Leq,b、Leq,c分別為三相橋臂的等效電感，Leq,a=Leq,b=Leq,c=2LMMC。進(jìn)一步簡(jiǎn)化可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的電感電容串聯(lián)電路，如圖3 所示。其中，Ceq為MMC等效總電容，Ceq=3CMMC/N；Leq為MMC 等效總電感，Leq=2LMMC/3。

兩電平VSC為了維持直流電壓穩(wěn)定、減小電壓紋波，其直流側(cè)并聯(lián)有支撐大電容。目前，直流配電網(wǎng)普遍采用由雙有源橋DAB（dual active bridge）模塊組成的DCT，DAB 模塊的一、二次側(cè)均并聯(lián)有穩(wěn)壓電容，高壓側(cè)通過(guò)DAB模塊的串聯(lián)提高電壓等級(jí)，低壓側(cè)通過(guò)并聯(lián)DAB模塊提高傳輸容量。故障初期，兩電平VSC和DCT的直流線電壓高于交流線電壓，換流器續(xù)流二極管仍然處于閉合狀態(tài)，向直流線路饋入的短路電流主要由線路側(cè)支撐大電容向故障點(diǎn)放電提供，高頻下在直流側(cè)呈現(xiàn)出電容器特性，可以簡(jiǎn)化為電容元件。

2 故障特性分析

時(shí)域信號(hào)在時(shí)頻變換后可以分解為不同頻率信號(hào)的疊加，借此將時(shí)域下全波形信號(hào)的分析轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域下不同頻率信號(hào)的分析。由于直流線路的故障需要在數(shù)個(gè)毫秒內(nèi)得到有效處理，因此本文將從高頻信號(hào)著手設(shè)計(jì)保護(hù)原理。

極間短路故障時(shí)的故障附加電路如圖4 所示。其中：im,n、in,m為線路兩端電流；um、un為線路兩端極間電壓；F1、F2為極間故障位置，分別表示線路lk區(qū)內(nèi)故障和區(qū)外故障；UF1、UF2為各故障的故障附加電源；Lk為線路lk兩端安裝的限流電抗器對(duì)應(yīng)的電感；Zeq,m、Zeq,n為線路兩端換流器的暫態(tài)高頻等效阻抗。

圖4 故障附加電路Fig.4 Fault additional circuit

直流線路的分布電容與線路長(zhǎng)度呈正相關(guān)，架空線路單位長(zhǎng)度的分布電容很小，數(shù)量級(jí)為nF，相較于mF 級(jí)的MMC 子模塊電容可以忽略不計(jì)。即使是單位長(zhǎng)度分布電容更大的電纜線路，由于直流配電網(wǎng)中的線路較短，通常為數(shù)千米至十?dāng)?shù)千米，其線路總分布電容仍然很小，可以忽略不計(jì)[21]，因此本文在之后的分析中，將不會(huì)考慮線路分布電容的影響。

1）線路lk保護(hù)區(qū)內(nèi)（F1點(diǎn)處）發(fā)生極間短路

從故障附加電路可以看出，在該故障下，故障處于保護(hù)裝置Pm,n和Pn,m的正方向，測(cè)得的暫態(tài)阻抗均為相應(yīng)裝置的背側(cè)總阻抗，與本線路參數(shù)無(wú)關(guān)。測(cè)得的暫態(tài)阻抗可表示為

式中：Zm,n和Zn,m分別為Pm,n和Pn,m測(cè)得的暫態(tài)阻抗；Zs,m、Zs,n分別為線路lk的m端和n端換流站的背側(cè)系統(tǒng)高頻等效阻抗。

該種故障下，Zm,n

2）線路lk保護(hù)區(qū)外（F2點(diǎn)處）發(fā)生極間短路

由于故障仍然位于Pm,n的正方向，因此Zm,n與式（1）中相同。但此時(shí)，故障發(fā)生在Pn,m的反方向，其測(cè)得的Zn,m將變?yōu)镻n,m的正向總阻抗，包括線路lk的總阻抗及Pm,n的背側(cè)總阻抗，可表示為

式中，Zlk為線路lk的高頻總阻抗，包括限流電抗器阻抗和線路阻抗。

該種故障下，Zm,nZlk。

從區(qū)內(nèi)、外故障時(shí)線路保護(hù)安裝處測(cè)得的暫態(tài)高頻阻抗可以看出，當(dāng)保護(hù)裝置正向區(qū)域發(fā)生極間短路時(shí)，測(cè)得的高頻阻抗小于本線路首端換流器的高頻等效阻抗；當(dāng)保護(hù)裝置反向區(qū)域發(fā)生極間短路時(shí)，測(cè)得的高頻阻抗大于本線路的線路總阻抗。

高頻下線路阻抗主要由電感決定，模值較大；VSC和DCT在故障暫態(tài)期間可被等效為電容元件，其高頻阻抗模值很小；MMC 包含電感和電容，在高頻下呈現(xiàn)感性，其等效電感一般比線路中限流電抗器小很多，因此高頻阻抗模值不大。

綜上所述，可以利用故障發(fā)生后保護(hù)裝置處測(cè)得的暫態(tài)高頻阻抗的模值大小來(lái)判斷故障發(fā)生方向，再通過(guò)線路兩端的通信確定區(qū)內(nèi)外故障。

3 暫態(tài)高頻阻抗縱聯(lián)保護(hù)

3.1 啟動(dòng)判據(jù)

直流線路發(fā)生極間短路故障時(shí)，直流線路電壓會(huì)快速跌落。為了滿足保護(hù)的速動(dòng)性，本文采取直流線路極間電壓快速跌落瞬間產(chǎn)生的較大電壓微分量作為保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)，可表示為

式中：udc為直流線路極間電壓；為保護(hù)啟動(dòng)閾值。為了使保護(hù)在線路正常運(yùn)行時(shí)不受雷擊干擾，判據(jù)應(yīng)持續(xù)0.5 ms再啟動(dòng)線路保護(hù)。

3.2 保護(hù)方案

小波變換有著多分辨率的特點(diǎn)，能夠更好地反映信號(hào)在不同頻段的特征，具有良好的時(shí)頻局域化特性[22]。本文采用離散小波變換提取故障暫態(tài)期間的線路高頻電氣量，其中Mallat 算法是一種高效的快速離散小波變換算法，通過(guò)高、低濾波器序列與原信號(hào)序列進(jìn)行卷積，再隔點(diǎn)抽取來(lái)實(shí)現(xiàn)離散信號(hào)的小波分解，適用于對(duì)暫態(tài)信息進(jìn)行快速處理。對(duì)于一組離散信號(hào)A0(n)，Mallat小波分解的過(guò)程可表示為

式中：H（n）和G（n）分別為所選取小波函數(shù)的低通和高通濾波器；Aj(n)和Bj(n)分別為原始信號(hào)的第j層近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)。

保護(hù)裝置啟動(dòng)后，將采樣獲得的電壓、電流故障分量作為原始數(shù)列，通過(guò)小波變換提取特定層數(shù)的細(xì)節(jié)系數(shù)。由于電壓、電流具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，令頻段內(nèi)信號(hào)分量包含的全部頻率有f1，f2，…，fn，定義該頻段內(nèi)阻抗大小等于該頻段內(nèi)電壓、電流含量的比值，可表示為

式中：Zj為頻段高頻阻抗；Bj.U和Bj.I分別為電壓和電流的第j層細(xì)節(jié)系數(shù)；Ui(jωi)、Ii(jωi)分別為電壓和電流對(duì)應(yīng)頻率分量的幅值；ωi為fi對(duì)應(yīng)的角速度。

計(jì)算出的高頻阻抗?jié)M足

式中，Zmin、Zmax分別為對(duì)應(yīng)于各頻率分量中的最小阻抗和最大阻抗。

以圖4 中簡(jiǎn)化電路的m 側(cè)保護(hù)裝置為例，定義故障方向系數(shù)Dm,n為

式中，為保護(hù)Pm,n的高頻阻抗整定值。

由上述分析可知，若故障發(fā)生在保護(hù)裝置正方向時(shí)，D=1；否則，D=0。因此，線路lk的主保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障識(shí)別判據(jù)為

式中，Dn,m為保護(hù)Pn,m計(jì)算得到的故障方向系數(shù)。

同時(shí)，可以通過(guò)相鄰線路保護(hù)之間的配合實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)功能，以圖1 中線路l1、l2組成的直流區(qū)域配電網(wǎng)為例，其故障識(shí)別判據(jù)為

目前，配電網(wǎng)的通訊手段主要包括光纖傳輸和無(wú)線通信兩種。光纖通信雖然抗干擾能力強(qiáng)、傳輸容量大、質(zhì)量高，但是建設(shè)難度大、成本高、可靠性不足；無(wú)線通信成本低、維護(hù)方便，但存在帶寬受限、時(shí)延長(zhǎng)、安全性不足、可靠性低等缺點(diǎn)，在需要高可靠性快速保護(hù)的直流配電網(wǎng)中適用性不高。隨著5G通信的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了無(wú)線通信的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[23]從不同電壓等級(jí)及現(xiàn)有的數(shù)據(jù)同步技術(shù)方面對(duì)5G縱聯(lián)保護(hù)的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，提出了一種基于5G 通信的縱聯(lián)保護(hù)策略，為5G 通信在電網(wǎng)中的工程應(yīng)用提供了參考。因此本文建議采用5G作為保護(hù)的通信手段。

3.3 參數(shù)整定

為了保證保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性，阻抗保護(hù)整定選取本端換流器高頻阻抗與本線路高頻總阻抗的平均值，即

Mallat 算法是在一個(gè)頻帶范圍內(nèi)提取高頻信號(hào)，將頻帶的頻率上限和下限分別記為fup和flow。為了使保護(hù)能夠可靠區(qū)分正、反方向的故障，需要在保護(hù)進(jìn)行判斷時(shí)做到小于最小值及大于最大值，因此在保護(hù)的整定計(jì)算時(shí)，應(yīng)選取該頻段內(nèi)各頻率對(duì)應(yīng)的最大換流器阻抗及最小線路阻抗。

配電網(wǎng)線路包含限流電抗器及線路自身阻抗，高頻下呈感性，取flow計(jì)算最小線路阻抗進(jìn)行整定，即

式中：Rlk為線路lk的電阻；Llk為線路lk的電感；ωlow為flow對(duì)應(yīng)的角速度。

兩電平VSC和DCT 可以等效為電容，取flow計(jì)算最大換流器阻抗進(jìn)行整定，即

式中：ZVSC(DCT)為VSC（或DCT）的等效高頻阻抗；CVSC(DCT)為VSC（或DCT）直流線路側(cè)的支撐電容。

MMC 換流器可等效為電感與電容串聯(lián)，高頻下呈感性，取fup計(jì)算最大阻抗進(jìn)行整定，即

式中：ZMMC為MMC 的等效高頻阻抗；ωup為fup對(duì)應(yīng)的角速度；N為MMC橋臂子模塊數(shù)。

3.4 保護(hù)流程

保護(hù)時(shí)刻監(jiān)視和記錄線路電壓、電流，當(dāng)線路某端的極間電壓達(dá)到電壓微分量啟動(dòng)判據(jù)時(shí)，線路保護(hù)立即啟動(dòng)，保護(hù)流程如圖5 所示，具體流程如下。

圖5 保護(hù)流程Fig.5 Flow chart of protection

步驟1記錄故障時(shí)刻，取故障前后各2 ms 內(nèi)的電壓、電流故障分量作為原始數(shù)據(jù)序列。

步驟2通過(guò)Mallat 小波算法提取故障電壓、電流序列第j層的細(xì)節(jié)系數(shù)Bj。

步驟3計(jì)算暫態(tài)高頻阻抗Zj，通過(guò)式（7）得到故障方向系數(shù)D，將方向系數(shù)D傳輸至線路對(duì)端以及區(qū)域后備保護(hù)，并等待接收對(duì)端信號(hào)。

步驟4通過(guò)式（8）判斷線路保護(hù)區(qū)內(nèi)、外故障。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)

本文在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)搭建如圖1 所示的四端口柔性直流配電網(wǎng)。其中，直流線路電壓為±10 kV；光伏站額定出力為2.0 MW，直流負(fù)荷DCL1為3 MW，DCL2為2.5 MW；線路l1、l2、l3、l4的長(zhǎng)度分別為25 km、15 km、18 km、20 km；線路各端均采用10 mH 的限流電抗器；MMC1換流站采用定直流電壓控制和定無(wú)功控制，MMC2換流站采用定有功控制和定無(wú)功控制；換流站采用脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制，橋臂電感均取10 mH，子模塊電容均取20 mF，橋臂子模塊數(shù)量均為20；DCT1控制輸出功率，DCT2控制負(fù)載側(cè)電壓穩(wěn)定，DAB模塊高壓側(cè)支撐電容均為50 mF，模塊數(shù)均為10；保護(hù)計(jì)算的采樣頻率設(shè)置為10 kHz。

為驗(yàn)證本文所提保護(hù)原理的可行性，分別在線路l1、l2、l3和母線2處設(shè)置極間短路故障，故障發(fā)生在t=0.5 s，考察4條線路的主保護(hù)及由線路l1和l2組成的區(qū)域保護(hù)的動(dòng)作情況，將故障前后各2 ms作為時(shí)間窗，通過(guò)Mallat 快速算法提取電壓、電流故障分量的第3層細(xì)節(jié)系數(shù)（對(duì)應(yīng)1.25～2.50 kHz頻段）進(jìn)行保護(hù)計(jì)算，各線路保護(hù)裝置整定值如表1所示。

表1 保護(hù)整定值Tab.1 Protection settings

4.2 仿真結(jié)果

圖6 為線路l1發(fā)生極間短路時(shí)電壓、電流波形。其中，電流波形只記錄了故障線路兩端的波形；Ui分別為4條直流母線極間電壓，i=1，2，3，4；Ii,j為線路電流，i≠j，i，j=1，2，3，4，方向由母線i指向j。

圖6 線路l1極間故障時(shí)電壓、電流Fig.6 Voltage and current under line l1 pole-to-pole fault

圖7 為對(duì)線路l1兩端電壓、電流故障分量進(jìn)行小波變換后得到的第3層細(xì)節(jié)系數(shù)，其中B3為各數(shù)據(jù)第3層細(xì)節(jié)系數(shù)。

圖7 線路l1兩端電氣量細(xì)節(jié)系數(shù)Fig.7 Detail factor of electrical quantities at both ends of line l1

測(cè)得的暫態(tài)高頻阻抗及動(dòng)作情況如表2 所示?？梢钥闯觯收暇€路l1的保護(hù)能夠快速準(zhǔn)確動(dòng)作；線路l2和l4的保護(hù)因電壓快速下降而啟動(dòng)，但保護(hù)裝置P2,3和P1,4判斷故障發(fā)生在反方向而閉鎖；線路l3的直流電壓下降不明顯，保護(hù)裝置沒(méi)有啟動(dòng)；區(qū)域保護(hù)判斷為區(qū)內(nèi)線路故障，并提供后備保護(hù)。

表2 線路l1故障仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results under line l1 fault

圖8 為線路l2發(fā)生極間短路時(shí)電壓、電流波形。圖9為對(duì)線路l2兩端電壓、電流故障分量進(jìn)行小波變換后得到的第3層細(xì)節(jié)系數(shù)。

圖8 線路l2極間故障時(shí)電壓、電流Fig.8 Voltage and current under line l2 pole-to-pole fault

圖9 線路l2兩端電氣量細(xì)節(jié)系數(shù)Fig.9 Detail factor of electrical quantities at both ends of line l2

測(cè)得的暫態(tài)高頻阻抗及動(dòng)作情況如表3 所示?？梢钥闯觯收暇€路l2的保護(hù)能夠快速準(zhǔn)確動(dòng)作；線路l1和l3的保護(hù)因電壓快速下降而啟動(dòng)，但保護(hù)裝置P2,1和P3,4判斷故障發(fā)生在反方向而閉鎖；線路l4的直流電壓下降不明顯，保護(hù)裝置沒(méi)有啟動(dòng)；區(qū)域保護(hù)判斷為區(qū)內(nèi)線路故障，并提供后備保護(hù)。

表3 線路l2故障仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results under line l2 fault

圖10 為線路l3發(fā)生極間短路時(shí)電壓、電流波形。圖11 為對(duì)線路l3兩端電壓、電流故障分量進(jìn)行小波變換后得到的第3層細(xì)節(jié)系數(shù)。

圖10 線路l3極間故障時(shí)的電壓、電流Fig.10 Voltage and current under line l3 pole-to-pole fault

圖11 線路l3兩端電氣量細(xì)節(jié)系數(shù)Fig.11 Detail factor of electrical quantities at both ends of line l3

測(cè)得的暫態(tài)高頻阻抗及動(dòng)作情況如表4 所示?？梢钥闯?，故障線路l3的保護(hù)能夠快速準(zhǔn)確動(dòng)作；線路l2和l4的保護(hù)因電壓快速下降而啟動(dòng)，但保護(hù)裝置P3,2和P4,1判斷故障在反方向而閉鎖；線路l1的直流電壓下降不明顯，保護(hù)裝置沒(méi)有啟動(dòng)，區(qū)域后備保護(hù)同樣不會(huì)啟動(dòng)。

表4 線路l3故障仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results under line l3 fault

圖12為母線2發(fā)生極間短路時(shí)電壓、電流。圖13為對(duì)區(qū)域保護(hù)兩端電壓、電流故障分量進(jìn)行小波變換后得到的第3層細(xì)節(jié)系數(shù)。

圖12 母線2 極間故障時(shí)電壓、電流Fig.12 Voltage and current under Bus 2 pole-to-pole fault

圖13 區(qū)域保護(hù)兩端電氣量細(xì)節(jié)系數(shù)Fig.13 Detail factor of electrical quantities at both ends of regional protection

測(cè)得的暫態(tài)高頻阻抗及動(dòng)作情況如表5 所示?？梢钥闯觯收宵c(diǎn)相鄰線路l1和l2因電壓快速下降而啟動(dòng)，但保護(hù)裝置P2,1和P2,3判斷故障在反方向而閉鎖；線路l3和l4的直流電壓下降不明顯，保護(hù)裝置沒(méi)有啟動(dòng)；由于保護(hù)裝置P1,2和P3,2判斷故障在正方向，而P2,1和P2,3判斷故障在反方向，故區(qū)域保護(hù)判斷故障為區(qū)內(nèi)非線路故障，若母線2的主保護(hù)沒(méi)有準(zhǔn)確動(dòng)作，則由區(qū)域保護(hù)進(jìn)行故障隔離。

表5 母線2 故障仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results under Bus 2 fault

5 結(jié) 論

為了滿足柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)的速動(dòng)性與可靠性，本文通過(guò)分析直流線路極間故障時(shí)暫態(tài)電氣特征，設(shè)計(jì)了一種基于暫態(tài)高頻阻抗幅值的直流線路極間故障保護(hù)原理，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。主要結(jié)論如下。

（1）保護(hù)通過(guò)線路兩端的通信實(shí)現(xiàn)故障定位，并且能夠在故障后幾個(gè)毫秒內(nèi)快速響應(yīng)。

（2）保護(hù)判據(jù)采用線路本地電氣量進(jìn)行方向識(shí)別，再通過(guò)通信判斷區(qū)內(nèi)、外故障，通信時(shí)延不會(huì)對(duì)保護(hù)精度產(chǎn)生影響，僅會(huì)影響保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

（3）通過(guò)相鄰線路的配合，能夠直接將線路主保護(hù)拓展為由多條線路組成的區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要額外裝配其他設(shè)備。但當(dāng)區(qū)域保護(hù)范圍過(guò)大時(shí)，即使區(qū)域內(nèi)發(fā)生了故障，邊界線路也可能不動(dòng)作，從而造成區(qū)域保護(hù)失效。