基于直流斷路器的多端柔性直流配電網智能化保護配置

徐玉韜，談竹奎，謝百明，黃輝，呂黔蘇，班國邦，袁旭峰

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽市 550002; 2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京市100085)

0 引 言

直流配電網隨著柔性直流技術的發展、分布式新能源發電的開發利用和越來越多的城市直流負荷的接入，成為國內外研究的熱點并具有良好的發展前景[1-3]。直流配電網具有線路損耗小、供電質量高、輸送容量大等特點，而且不會出現電磁環網現象，因此為基于環形拓撲結構的多端直流配電網的出現提供了可能。

文獻[3-5]對柔性直流配電網的系統架構做了概括的研究介紹。文獻[6-7]對目前的柔性直流配電網保護技術及動作策略做了綜合性介紹。文獻[8]研究了不同控制方式對柔性直流配電系統性能指標的影響并提出了相應的改進措施。文獻[9-10]主要提供了兩端拓撲結構的柔性直流配電網故障分析及限流方法的研究思路，并給出了基本保護分區及配置方法。文獻[11-12]在柔性高壓直流輸電的層面介紹了系統接地方式對系統運行及直流側故障特性的影響。文獻[13-14]在柔性直流配電網的拓撲下分析了不同的接地方式對系統控制保護的影響，提出了更適用于直流配電網的換流變壓器閥側經高電阻接地的方式。

可見，已經有學者對柔性直流配電網進行了探索性研究，提出了或改進了故障情況下控制保護系統的響應策略或解決思路。但是，對于環形拓撲的多端柔性直流配電網的研究仍然較少。交流配電網中不存在環網運行的拓撲結構，沒有現成的經驗可循。直流配電網也不同于直流輸電網，具有潮流方式多變、分布式電源大量接入及負荷類型多樣等特點。因此，需要對多端環形拓撲結構的柔性直流配電網運行特征進行分析研究。

本文主要針對多端環形拓撲結構下潮流反轉快、運行方式多變以及換流設備種類多樣的特點，以三端環形柔性直流配電網拓撲結構為例，提供一種基于直流斷路器的多端柔性直流配電網智能化保護配置方案。從拓撲結構、換流設備種類及運行方式等方面分析系統故障的典型特征，制定完整的直流配電網保護原理、分層配置方案和直流線路故障選線方法。保護方案完全適應于不同功率和不同運行方式，具有動態定值自我切換的智能化保護功能。隨后利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建三端柔性直流配電網模型，驗證所提保護配置方案的可行性。

1 三端柔性直流配電網拓撲結構

采用環形結構的三端柔性直流配電網拓撲如圖1所示。直流高壓側電壓等級為±10 kV，低壓側電壓等級為±400 V；3個換流端與交流電網采用模塊化多電平換流器(modular multi-level converter, MMC)連接。換流變壓器變比110 kV/10 kV、 Y/△聯接方式且閥側中性點經高電阻接地。

交流負荷通過AC/DC換流器、直流負荷通過DC/DC換流器與直流系統連接；直流微電網包括分布式風電、光伏發電以及儲能單元，匯流后經DC/DC換流器連接至直流配電網，各設備容量如圖1中所示。直流線路由直流電纜構成，該輸電形式可以節約城市供電空間，減少直流線路發生故障的概率，且每段線路的正負極兩端均配備直流斷路器。

圖1 三端柔性直流配電網拓撲結構Fig.1 Topology of three-terminal VSC-DC distribution network

2 故障特征分析

多端柔性直流配電網中有大量的電力電子設備，環形拓撲結構造成系統運行方式多樣且潮流多變，導致故障特征受系統拓撲結構、故障類型和故障地點等因素的影響較多，與交流系統的故障特征有很大不同。

2.1 故障類型多樣

多端柔性直流配電網按設備的配置情況，可能發生的典型故障包括：

(1)換流器閥側交流故障；

(2)換流器內部故障，包括橋臂短路、電抗器故障、冷卻系統故障等；

(3)直流側設備(如直流斷路器、直流聯絡開關、直流電抗器)閃絡或接地故障等；

(4)直流線路及直流母線的單極接地、極間短路故障，直流線路斷路故障等；

(5)直流配電網接入設備故障，例如交直流負載網、風光儲設備的出口母線故障等。

柔性直流配電網常見的故障點涉及交流側(F1)、換流器側(F2)、直流線路以及母線側(F3/F4)等位置，如圖2所示。故障類型也涵蓋了交流接入側的單相及相間故障以及直流側的單極、雙極故障等。這就要求系統具有完整的保護策略，包括所有可能涉及的故障位置和類型。

圖2 柔性直流配電網典型故障分布圖Fig.2 Typical fault distribution of VSC-DC distribution network

2.2 MMC故障原理分析

2.2.1單極故障

直流線路、母線的單極接地故障與柔性直流配電網的接地方式設計有直接關系。文獻[10，13-14]詳細介紹了各自接地方式下的優缺點并認為在換流變壓器閥側經大電阻接地的方案更適合于直流配電網。

如圖3所示為直流線路單極故障時單端MMC故障通路示意圖。單相短路故障時，由于MMC子模塊電容較小且通路中阻抗很大，子模塊電容的放電浪涌電流很小，電容電壓可以基本維持穩定。

圖3 單端MMC直流單極故障通路示意圖Fig.3 Diagram of single-pole fault path in single-terminal MMC-DC system

若忽略電容放電過程，則故障電流的穩態值if可近似表示為

(1)

式中：UfDC是故障極橋臂等效電壓，可近似取UfDC=0.5Udc；R是交流系統等效電阻；XL是交流系統和換流器的等效電抗；Rs是換流變的接地電阻；Rf是故障過渡電阻，當發生金屬性短路故障時，有Rf=0。

三端柔性直流配電網發生單極故障時，故障電流通路示意圖如圖4所示。

若忽略線路阻抗，由疊加原理可近似認為故障電流為單端時的3倍，即：

(2)

圖4 三端MMC直流單極故障通路示意圖Fig.4 Diagram of single-pole fault path in three-terminal MMC-DC system

綜上分析，與傳統電壓源換流器(voltage source converter, VSC)不同，單極故障期間，MMC子模塊電容不會產生較大的放電浪涌電流，除中性參考點偏移外，直流正負極間電壓、直流線路穩態電流基本保持不變[10,12]。MMC可正常輸送功率，且故障恢復后，其正負極對地電壓可很快恢復正常，如果絕緣滿足要求，直流配電網單極故障時可持續運行一段時間，保證功率的傳輸。

2.2.2MMC端極間故障機理

直流極間故障與系統的接地方式無關，本文以常見的半橋型MMC為例分析其極間故障機理。故障發生時，半橋拓撲子模塊中的續流二極管會自然導通，即便換流閥閉鎖故障電流依然會存在。短路電流的故障通路如圖5所示，為換流閥閉鎖后由交流系統提供的故障饋入電流。

圖5 MMC極間故障電流通路示意圖Fig.5 Diagram of pole-to-pole fault in single-terminal MMC-DC system

極間故障特征相當于交流系統的三相短路[15-16]，交流側的穩態故障相電流可表示為

(3)

式中：Um是交流單相電壓的峰值；L是交流系統等效電抗、換流變壓器等效電抗與橋臂電抗的和；φ是交流系統的相角；φ0是故障時刻的交流系統相角。從上式可以看出，通過增大系統阻抗、換流變壓器的等效阻抗或橋臂電抗器電感值均可以限制短路電流的幅值。

綜上所述，直流線路極間故障電流在閉鎖后仍有相當于三相短路的故障電流存在，故障電流可能達到額定電流值的數倍甚至十幾倍[9]。由于直流配電網的阻尼較小[10]，特別是對于環形拓撲的多端直流配電網而言，故障電流的傳播通路復雜，會嚴重威脅系統的穩定運行及設備安全。

2.3 多端柔性直流配電網典型運行特征

2.3.1運行方式多樣及潮流多變

在環形拓撲的多端柔性直流配電網中，由于網絡拓撲的復雜性，存在T接線路或負載，也可能存在多個直流電壓等級以及雙向流動的直流變壓器并涉及交直流負荷、分布式電源和儲能等設備，因此具有多端直流配電網潮流多變、運行方式多樣的特點。

2.3.2換流設備過流能力差

柔性直流配電網中含有的各類電力電子器件價格昂貴且能承受過電壓和過電流的能力差，為保護相關設備的安全，對保護的可靠性和動作速度提出了較高要求。同時，在配置直流配電網的保護方案時還需要考慮系統保護和換流器自身保護的配合。

2.3.3故障電流幅值大及傳播速度快

直流配電網中的阻尼小，其故障電流幅值較大且傳播速度很快，可能引起非故障側的保護裝置誤動作，導致故障影響范圍擴大。電力電子負荷以及分布式電源的存在也可能使故障電流波形畸變嚴重，同時導致故障時系統阻抗降低、故障電流激增，擴大故障影響范圍。

2.3.4故障隔離及恢復難度大

換流器或直流側發生故障時，換流器內部電容以及直流電纜的分布電容都會向故障點放電，交流電源、電動機等單元還會通過換流器內續流二極管持續向故障點提供短路電流。隨著故障的蔓延，不僅會導致故障點出現暫態過電流，而且對非故障區域造成影響。這就需要控制保護系統與直流斷路器協調配合，保證故障隔離后系統可靠供電。

由上述分析發現，柔性直流配電網的保護相比于交流配電網和直流輸電網而言，在保護識別、動作速度、故障隔離恢復等方面具有更高要求。

3 智能化保護配置策略

3.1 保護分層配置策略

為滿足多端柔性直流配電網整體保護的需求，實現保護功能無死區，首先按照設備所處的電氣間隔以及分區可復制性的原則，并參照可能發生的故障類型確定系統設備的保護分區為：交流系統保護區、電壓源換流器保護區、直流線路保護區以及交直流負荷與微電網等的接入換流器保護區等幾個部分。

隨后針對每個區域的故障特性配置不同層次的保護方案。所配置的保護功能既相互獨立，不同保護間又相互配合以滿足柔性直流配電網的基本應用需要。表1所示為多端柔性直流配電網所配置的基本保護原理。

表1 多端柔性直流配電網保護原理配置Table 1 Protection principle configuration of flexible DC distribution network

根據不同的故障類型，配置不同層次的保護方案：

(1)不同保護動作時間。根據故障的嚴重程度配置慢速保護和快速保護2層方案。慢速保護采用常規保護處理方法，故障判斷時間在ms級；快速保護采用基于FPGA的快速處理方法，在發生換流器內部相間故障、直流側極間故障等情況下，能夠將保護的判斷時間縮短到百μs級別，可大幅縮短保護判斷及故障隔離的時間。本保護方案配置的快速保護原理包括：橋臂過流快速段、閥直流過流快速段、直流低壓過流保護、直流線路母線差動保護快速段、直流過流保護快速段。

(2)不同保護出口策略。按照故障對系統的影響嚴重程度劃分不同層次的保護出口策略，通常出口策略類型包括：報警、永久閉鎖換流器、短時閉鎖換流器、觸發換流器旁路晶閘管、跳交流進線斷路器、跳直流斷路器、禁止換流器解鎖等。

保護分層配置的基本原則是保證在直流配電網中設備安全的條件下，盡可能縮小停電范圍、縮短停電時間，提高多端柔性直流配電網的運行可靠性。

3.2 動態定值切換

動態保護定值切換是指在不同的運行方式或拓撲結構下，保護系統以每個獨立的換流端為單位，選取基于不同電流基準的保護整定值并實現定值的自動切換。具體策略為：環網運行時，選取換流器的額定電流為保護計算的基準值；解網運行時，選擇額定負載電流為保護計算的基準值。該策略主要是考慮某一換流端在單端電源供電及多端電源供電情形下，供電直流線路數量不同而制定不同的保護定值。

其中，環網、解網運行狀態通過換流端出口的左右兩側斷路器狀態進行判斷：兩側斷路器均閉合判定為環網運行；一側斷路器開斷，另一側斷路器閉合判定為解網運行。

以交流負載換流端為例，當直流線路L1、L2兩側出口處的斷路器狀態為閉合時，判定該端為環網運行，保護電流基準以MMC換流器的額定電流為計算值:I=10 MW/20 kV=500 A；當兩側出口斷路器狀態為一個開斷一個閉合時，判定該端為解網運行，保護電流基準以MMC換流器的額定電流為計算值:I′=6 MW/20 kV=300 A。

該策略可以按照保護設計要求在不同運行方式下，實現保護定值的動態自適應切換，通過實時改變定值提高了保護動作的靈敏度，特別適用于環形拓撲結構的多端柔性直流配電網。

3.3 故障隔離恢復

3.3.1換流器內部故障

換流器內部故障包括橋臂電抗器、橋臂子模塊等器件的單相或相間故障，如圖2中F2所示位置。故障發生后，要求保護快速閉鎖換流閥并跳開換流器兩邊交直流斷路器。直流斷路器的響應特性在多端柔性直流配電網故障隔離及恢復過程中起到了至關重要的作用。

隨著電力電子器件的快速發展，陸續出現了中低壓的直流斷路器試驗樣機以及工程應用，因此混合式直流斷路器有可能將成為直流配電網直流故障處理的主流方式。直流斷路器參數主要應關注最大故障開斷電流以及故障開斷時間。開斷短路電流的能力上限與選取的電力電子器件類型、故障電流通流時間和串并聯個數相關；故障開斷時間主要由能量緩沖支路的響應時間決定，中壓混合式直流斷路器為3～5 ms[17-18]。

直流斷路器動作后故障端換流器被隔離，非故障端應能繼續運行，系統中不應出現明顯的過電壓與過電流，滿足N-1原則。

3.3.2直流單極故障

直流側單極故障后只要不超過直流線路及換流器等設備的絕緣水平，則直流系統可帶故障持續運行一段時間。當直流側單極故障消除后，直流極間電壓應快速恢復。對于本文介紹的小電流接地方式，由于換流變壓器閥側通過高電阻的鉗位作用，故障期間MMC換流器上下橋臂間電容電壓基本不變，當故障消除后，正負極對地電壓可快速恢復正常。可見，該拓撲結構的接地形式設計，對直流線路的單極故障恢復十分有利。

針對該種接地方式，本文配置直流電壓不平衡保護為該故障類型下的主保護，配置直流線路差動保護完成故障選線。

直流電壓不平衡保護的判據為

(4)

式中：Udp為直流線路正極對地電壓；Udn為直流線路負極對地電壓；Uset_B為直流電壓不平衡保護動作的門檻值；UDCBase為系統額定單極電壓，本文為10 kV；k為保護動作系數，本文為0.5。保護出口后只發報警信號不跳開直流斷路器，系統帶故障繼續運行。

直流線路差動保護是利用線路兩端故障差流判定線路區內外故障的方法，其保護判據為

|Id-Id0|>max(Ic_set_L,kset_LIres_L)

(5)

式中：差動電流門檻值Ic_set_L=0.03IDCBase，其中IDCBase為直流線路額定電流，為500 A；制動電流Ires_L=max(Id,Id0)；制動系數kset_L=0.03；Id、Id0表示直流線路兩端電流測量值。

當線路差動電流值大于整定值時，即認為線路發生故障、差動保護動作。

在多端直流配電網中，故障時的暫態電流主要是由直流線路分布電容、換流器集中電容放電產生的，放電時間短但幅值較大；故障穩態電流受接地電阻、系統綜合阻抗及短路電阻的影響，差流持續時間長但幅值較小。

3.3.3直流極間故障

直流線路雙極短路是柔性直流配電網非常嚴重的故障，其故障電流上升速率快、幅值大，而且會快速蔓延至非故障線路；故障點處電壓快速降低，MMC端口處電壓波動相對較小。由于半橋式拓撲結構的MMC續流二極管的存在，即使換流閥閉鎖交流系統仍會向故障點提供短路電流，非故障線路也將因過電流而切除，導致故障影響范圍擴大。

為盡快恢復系統供電，縮小故障影響范圍，保護配置的基本原則是：配置快速直流過電流保護作為該類故障的主保護，快速直流線路差動保護為故障選線保護。主保護動作后迅速閉鎖各端換流閥，并迅速跳開對應保護區域內的直流斷路器以隔離故障。同時應保證交流斷路器不動作，保持系統處于熱備用狀態以縮短供電恢復時間。線路差動保護動作后，上傳故障選線信息給站控系統，由其根據故障位置確定新的運行方式后，重新啟動直流配電網。

4 仿真驗證

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建如圖1所示的三端柔性直流配電網電磁暫態仿真模型，并測試換流器內部、直流線路單極和極間故障特征及保護動作情況。

4.1 換流器內部故障

三端柔性直流配電網重負載時，設置VSC1內部A相橋臂對地短路故障，故障時刻為1 s，故障持續時間為100 ms，仿真波形如圖6—8所示。

如圖6所示，故障后A相橋臂電流持續升高并在超過橋臂過流保護定值后，保護動作閉鎖換流器并跳開兩側交直流斷路器，換流器VSC1被隔離后系統切換至兩端運行。

圖6 VSC1橋臂故障時橋臂電流波形圖Fig.6 Arm currents when fault in VSC1 bridge arm in phase A

如圖7所示，故障隔離后VSC1兩端直流電壓下降，幅值由橋臂電容殘壓決定。VSC2、VSC3電壓小幅下降后恢復至正常水平。

圖7 VSC1橋臂故障時系統直流電壓波形圖Fig.7 DC voltages when fault in VSC1 bridge arm in phase A

如圖8所示，保護跳開交直流斷路器后VSC1出口直流電流降至0，原有負載電流由換流器VSC2與VSC3分擔導致直流電流上升但均未超過額定電流值，隨后系統恢復正常運行。

圖8 VSC1橋臂故障時系統直流電流波形圖Fig.8 DC currents when fault in VSC1 bridge arm in phase A

可見，所配置的智能化保護方案可實現換流器內部故障的快速準確隔離。故障區域被隔離后，系統約在300 ms內重回穩態運行方式且無過壓過流現象發生。

4.2 直流線路單極故障

在直流線路L1上設置永久性正極金屬性短路故障，故障仿真波形及保護動作信息如圖9—10所示。

圖9 直流線路L1正極故障時系統直流電壓波形圖Fig.9 DC voltages when positive-pole-to-ground fault

由圖9可見，L1正極故障導致正極電壓跌落至0，負極對地電壓升高至極間電壓且極間電壓保持不變。直流電壓不平衡值遠大于保護動作門檻值 5 kV，保護延時0.1 s后動作。由于該類故障危害較小，保護出口方式為報警且不動作于斷路器。

由圖10可見，故障穩態差動電流大于保護動作門檻值并延時0.3 s后動作于跳開L1線路兩側直流斷路器。故障被隔離后從L1流入交流負載的電流降至0，由線路L2承擔全部流入交流負載的電流，整個過程三端直流配電網始終保持穩定運行。

由圖10仿真波形可見，三端直流配電網在發生單極故障時電流幅值較小，系統可帶故障運行一段時間。通過合理的智能化保護配置可實現不停電方式下的故障準確定位，提高供電可靠性。

圖10 直流線路L1正極故障時系統直流電流波形圖Fig.10 DC currents when positive-pole-to-ground fault

4.3 直流極間故障及系統隔離恢復

在直流線路L1上設置極間短路故障，故障時刻為0.5 s，故障持續時間為100 ms，故障仿真波形及保護動作信息如圖11—12所示。

圖11 直流線路L1極間故障電流波形圖Fig.11 Current of L1 during pole-to-pole fault

圖12 直流線路L1極間故障電流波形圖Fig.12 Current of L1 during pole-to-pole fault recovery

極間故障發生后L1兩端的直流電流由0.2 kA迅速升高至3 kA以上，差動電流遠大于1 kA保護動作門檻值，差動保護無延時動作并在故障后約2 ms完全跳開L1線路兩側直流斷路器，如圖11所示。

直流線路L1差動保護雖然能夠實現定位并隔離故障，但直流系統及直流線路之間的阻尼小，直流非故障區域的直流過電流、低壓過電流等快速保護也能感應到故障并在直流斷路器完全開斷前動作于出口，導致直流配電網內所有換流器閉鎖、直流斷路器跳開。

如圖12所示，故障發生后三端VSC閉鎖，系統直流電壓幅值降低至不控整流水平；直流斷路器動作，三端VSC出口電流降至0。故障后經過約0.25 s隔離及去游離時間后，三端換流器重新解鎖并建立直流電壓；0.1 s后非故障區域內的直流斷路器重合并建立直流電流，系統根據故障后拓撲結構解環運行并切換保護定值。整個過程未發生過壓及過流現象。

5 結 論

針對多端柔性直流配電網從拓撲結構、換流器種類及運行方式等角度，分析了交直流典型故障的發生機理并給出一種基于直流斷路器的智能化保護配置方案，有如下結論：

(1)依據不同故障類型、故障位置及危害程度等因素，劃分了保護區域并制定了基于不同保護原理和出口方式的保護配置方案。

(2)設置的環網運行、解環運行2套保護定值，具有保護定值動態自適應切換功能，進一步提高了保護的靈敏度。

(3)通過與直流斷路器及控制系統動作邏輯的協同配合可實現：單端換流器故障時，可快速準確進行隔離且不影響其他換流端的正常運行；直流單極故障時，全系統不停電可靠穿越；直流極間故障時，可快速準確進行故障選線及故障隔離恢復。