柔性直流配電網電流微分保護的制動策略研究

李 珍，程 浩，馬海潮，常懂懂，馬順青，馬曉濤

（國網青海省電力公司海東供電公司，青海 海東 810600）

直流配電網的保護技術作為系統穩定運行的關鍵，目前的發展尚未完善[1-3]。作為主保護的電流微分保護，在選擇性和可靠性方面均表現良好[4]，但微分算法本身，放大了高頻含量[5]，當配電線路中干擾較多時，電流微分保護性能表現大打折扣[6]。

針對電流微分保護在柔性直流配電網中表現差的問題，有不少學者做出研究。文獻[7]提取母線與線路故障類型的電氣量判斷依據，提出基于多層多點信息的直流配電系統保護方案，利用單端電流最大微分量區分本側母線、本側饋線、相鄰母線和相鄰饋線等故障類型，實現多端直流配電系統的故障定位，滿足直流配網的可靠性要求，但其保護邏輯復雜、易受干擾的問題仍未解決；文獻[8]提出了一種以負荷分支公共接入點為分界對直流線路進行區域劃分，利用電流微分作為故障暫態特征量，實現故障的快速定位與隔離，在速動性方面具有一定的優勢，但面對復雜的直流配電網絡，總體性能也會受到影響。

為解決上述問題，本文提出一種以電流微分的模值為制動量的制動措施，改變了傳統以某一定值為閾值的整定方式，以2個變量的大小關系進行故障判別，僅須要將動作量與制動量進行對比，邏輯簡單、計算簡便。制動量的應用極大地降低了整定值，大部分干擾量在判別計算中被減掉，增加了保護的抗干擾能力，使得保護總體性能提高，制動量也拉大了區內、外故障的差距，故障的判別更為簡便。

1 直流配電網拓撲結構

本文所研究的柔性直流配電網拓撲結構如圖1所示，以整流器為界限劃分，該直流配電網模型包括整流側交流區、逆變側交流區和直流配電區[9]。其中，整流側交流區的主要設備包括：整流側交流電源、換流變壓器、整流器MMC1（modulator multilevel converter）[10]。逆變側交流區的主要設備包括：逆變側交流電源、換流變壓器，逆變器MMC2[11]。直流配電區主要設備包括：換流器、直流變壓器、光伏發電廠[12-13]、風力發電廠、儲能電站、交直流負荷及交直流微網[14]。

圖1 柔性直流配電網拓撲結構

圖1中：SYS1和SYS2分別為整流、逆變兩側交流電源；T1、T2分別為整流、逆變兩側換流變壓器；B5、B6分別為整流、逆變兩側的交流母線；B1、B2、B3、B4分別為直流配電系統中的4條直流母線；L1、L2、L3分別為直流配電線路；UVSC（unidirectional voltage source converter）為單向電壓源換流器，與母線B1相連，將直流電轉換成交流電后，供交流負荷使用；UDCSST（unidirectional DCSST）[15]為單向直流固態變壓器，與母線B2相連，將±10kV的直流電降至 ±400V ，為直流微網提供電能，同時將光伏發電廠并網；VSC（voltage source converter）為電壓源換流器[16]，與母線B3相連，將風力發電廠并網，且將 ±10kV 的直流電變換為±10kV的交流電后，連接交流微網；DCSST（DC solid state transformer，DCSST）為直流固態變壓器，連接儲能裝置與直流微網，將電壓降至 ±400V 。

直流電沒有趨膚效應的同時，也沒有電容、電感效應，故將直流負荷等效為一個純電阻元件[17]；交流電既有電阻效應，又有電容、電感效應，故將交流負荷和交流微網等效為一個電阻和電感的串聯元件[18]。

2 故障特性分析

2.1 n側母線區外故障特性分析

當線路n側母線區外發生接地故障時，系統的故障分量網絡如圖2所示。

圖2 n母線側區外故障的故障分量網絡

圖2中：Rm、Lm為m側母線區外系統等效電阻、電抗；Rn、Ln為n系統等效電阻、電抗；?iφ(t)為m側保護安裝處的電流故障分量；?uφ(t)為m側保護安裝處的電壓故障分量；φ為正極或負極線路，正極用p、負極用q表示；r為線路的分布電阻、l為線路的分布電抗，則線路的等效電阻、電抗為分別為故障點到母線m的等效電阻和電抗；

對m側系統阻抗、線路等效阻抗、故障點到母線m的等效阻抗、故障電壓源構成的回路為列寫KVL可得：

再對式（1）進行合并同類項、移項等，整理可得電流故障分量與故障電壓、阻抗的關系為：

一般直流配電系統的系統阻抗遠大于線路的分布阻抗，在系統阻抗上的分壓也遠大于線路分布阻抗上的分壓，在進行電流微分量方向信息判別時，可忽略掉線路分布阻抗和故障點到母線n的等效阻抗上的分壓。忽略掉電流的微分量可表示為：

由式（3）可知：uf(t)、Rm、 ?iφ(t) 、Lm均為正值，則電流微分量的方向與電流故障分量的方向一致。再結合圖2可知：當發生n側母線區外故障時，電流微分量的方向為正。

2.2 m側母線區外故障特性分析

同樣，系統發生m側母線區外故障時，故障分量網絡如圖3所示。

圖3 m側母線區外故障的故障分量網絡

對故障電壓源、故障點到母線n等效阻抗、線路分布阻抗、母線n側系統等效阻抗所在回路列寫KVL可得：

將式（4）合并同類項，整理可得電流的微分量為：

與n側母線區外故障分析原理相同，忽略線路等效電阻、電抗，可得：

從式（6）可以看出：當發生m側母線區外故障時，電流微分量的方向與電流故障分量的方向相反，為負值。與n側母線區外故障相比，存在明顯的差異，則利用此差距可區分m側區外故障與n側區外故障。

2.3 區內故障特性分析

當系統發生區內故障時，故障分量網絡如圖4所示。

圖4 區內故障的故障分量網絡

圖4中：d表示故障點到母線m的距離，則故障點到母線m的等效阻抗為rd，到母線m的等效阻抗為r(D-d)。

對m側系統阻抗、故障點到母線m的系統阻抗、故障電壓源所在回路列寫 KVL 可得：

理上式可得：

再忽略掉分布阻抗：

從式（9）中可以看出，決定電流微分量的除電流故障分量外，還有3個量，分別為：uf(t) 、Rm、Lm，其中，分母部分為正值，分子部分的方向由uf(t)和的大小關系決定。在區內故障的故障分量網絡中，僅有一個電源，Rmiφ(t) 為uf(t) 在m側系統電阻上的分壓，必定小于uf(t) ，則式（9）中的分子部分也為正值，電流微分量的方向與電流故障分量的方向相同。

根據上述分析，n側區外故障、m側區外故障、保護區內故障在電流微分量方向上，表現出明顯的差異，如表1所示。

表1 不同故障位置電流微分量的差異

根據表1可知： diφ(t)/dt的方向隨故障位置變化，其模值不會變化。以 |diφ(t)/dt| 為制動量，則保護判據的表達式為：

將電流微分量與電流微分量的模值進行相加，發生m側區外故障時，判別式的值接近于零，發生區內故障和n側區外故障時，判別式的值接近于兩倍的電流微分值。加入制動量后，拉大了m側區外故障與n側區外、區內故障的差異，使電流微分量的方向信息轉變為兩個更具差距的數值信息，增加了保護的可靠性。

根據上述電流微分量與電流微分量模值特性的分析，故障分量的使用，可以區分正常運行狀態與故障狀態，電流微分量的方向信息可以區分m側區外故障與區內故障，制動量的使用增大了其故障差距。但依然無法區分區內故障，與n側區外故障，則須要上下級線路保護的配合。

3 保護方案

3.1 保護分區

在直流配電網中，可分為整流器交流側保護區、直流配電線路保護區、負荷保護區、換流器保護區和逆變器交流側保護區，如圖5所示。本文主要研究對直流配電線路的保護，即線路L1、L2、L3。

圖5 直流配電網的保護分區圖

圖5中的箭頭代表潮流的方向，從整流側流入配電系統、從逆變側流出，通過中間配電線路，供負荷使用。根據潮流的方向定義線路的上下級關系：在系統正常運行時，潮流始終從上級線路流向下級線路，即L2、L3為L1的下級線路，L3為L2的下級線路。

3.2 保護啟動判據

任何系統都無法避免的存在干擾，電力系統最常見的干擾包括，高斯白噪聲干擾、雷電波干擾、操作過電壓干擾。為避免保護裝置的頻繁啟動，一般設有保護啟動判據。考慮到系統內存與保護計算時間的限制，選用該保護的中間量電流微分值作為啟動判據：

式中： |dΔiφ(t)/dt|set為啟動判據整定值。

3.3 保護配置

定義電流微分量為動作量，電流微分量的模值為制動量，可表示為：

式中：Iopφ為保護的動作量；Iresφ為保護的制動量。則保護的判據為動作量大于制動量：

該保護選擇性的實現，須要上下級線路之間的配合，以線路L1為例，若檢測到動作量大于制動量，則可確定故障位置在區內或m側區外，若L1的下級線路L2檢測到動作量小于制動量，則認為故障發生在線路L1區內，保護動作，反之，則須要將線路L3的信息反饋至L2，才能判別故障是否發生在L2區內。

3.4 保護邏輯流程圖

線路L1的保護須要本線路互感器信息的同時，還須要L2的信息，同樣，可根據線路L2和線路L3的信息甄別L2區內故障與L3區內故障，從單個線路的角度出發，具體故障判別流程如圖6所示。

圖6 保護邏輯流程圖

4 仿真驗證

在PSCAD軟件里搭建柔性直流配電網模型，進行故障仿真，再將PSCAD的仿真數據導入MATLAB，進行保護算法的實現。

4.1 啟動判據仿真

發生區內故障時，保護應靈敏、迅速啟動，當線路L1發生區內故障時，保護的啟動判據仿真結果如圖7所示。

圖7 保護啟動判據仿真結果

圖7中實線表示電流微分量，即動作量，虛線表示整定值。可以看出故障后，電流的微分量急劇增大，在0.4 ms時刻大于啟動判據整定值，保護啟動判據靈敏啟動，符合對保護判據的要求。

4.2 區內故障仿真

圖8中實線表示動作量，虛線表示制動量，下文皆如此。

圖8 區內故障仿真結果

對于線路L1的保護安裝處測量量，從圖8(a)可以看出，動作量大于制動量，保護認為是本線路區內故障或下級線路區內故障。從圖8(b)可以看出，線路L2的保護安裝處測量量計算結果，制動量大于動作量，線路L2保護不動作，當線路L1接收到線路L2的判別信息后，認為是本線路區內發生故障，保護動作。

4.3 區外故障仿真

4.3.1n側區外故障仿真

n側區外發生故障后，保護特性如圖9所示。可以看出，計算結果為制動量大于動作量，保護不動作。

圖9 n側區外故障時的仿真結果

4.3.2m側區外故障仿真

m側區外發生故障后，保護特性如圖10所示。制動量大于動作量，保護不動作。

圖10 m側區外故障時的仿真結果

綜上所述，該保護可以有效地區分區內、外故障，發生區內故障時可以靈敏快速地發出跳閘信號，發生區外故障后，通過上下級線路的保護配合，也能有效地防止保護的誤動。

5 結束語

本文針對電流微分保護缺少有效制動措施的問題，提出一種帶有制動能力的電流微分保護，以電流微分量的模值作為制動量，再通過上下級線路的配合，實現故障的甄別。

以電流微分量的模值制動，有效地拉大了區內外故障的區別，更有利于故障的甄別。

通過上下級線路的配合，使保護具有更高的可靠性。

啟動判據利用主保護計算過程中的中間量，節省了計算內存和保護計算時間，提高了保護的速動性。

制動量的應用，改變了傳統的以某一數值為閾值的整定方式，使保護擁有更高的靈敏性，更有利于發現高阻接地故障，也增強了保護的抗干擾能力。