基于高低频电压幅值比的直流配电网线路保护技术

卢峰宇，陈忠孝，冯怡菲，马 卓

（西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021）

直流配电系统由于电能质量高、传输效率好、便于分布式电源接入等优势[1]，在未来配电系统中，将有着巨大的使用发展前景[2]。然而，保护技术作为直流配电网的重要技术，也面临着许多困难，主要难点在于怎样从复杂的故障过程中提取出保护技术可用的暂态信息[3]，使其可以在短时间内准确地找出故障区域。

现阶段直流配电网中实际应用的线路保护原理主要有电流保护[4]、纵联保护[5]和差动保护[6]。而电流保护在直流配电网中无法保证选择性，纵联保护对直流配电网的采样频率要求极高[7]，差动保护极大依赖于数据同步，且耐过渡电阻的能力较低。

基于以上难点，本文将限流电抗器安装在直流配电线路的两端，令其作为边界元件，利用限流电抗器对低频分量基本无影响，但对高频分量产生明显阻滞作用的特点，并通过对比在发生故障时区域内和区域外的高低频电压幅值的不同，提出一种仅使用单端量就能够进行直流线路保护的方法[8]。该方法可以精确、迅速地识别出故障线路，并且对采样的要求不高[9]。

1.1 直流配电网系统结构

本文将搭建两端供电型作为直流配电网的主拓扑结构。其优势在于当某一侧的交流电源出现故障后，可以由另一侧的电源继续供电，使得直流配电可以更加可靠的运行[10]。电压等级选取中压±10 kV，换流器选取电压源换流器（voltage source converter，VSC），其两端供电型系统结构如图1 所示[11]。系统的主要参数如表1 所示。

图1 两端供电型中压直流配电网系统模型Fig.1 System model of medium voltage DC distribution network with power supply at both ends

表1 主要系统参数表Tab.1 Main system parameters

1.2 VSC 并网换流器故障响应

在实际出现极间短路故障时，VSC 并网换流器可以分为3 个阶段：绝缘栅双极型晶体管会在故障短路电路流过时立即关断，这时VSC 并网换流器并联的电容就会向故障点持续放电，第一阶段为电容放电阶段[12]，如图2（a）所示；
当电容不再放电，故障电流就会通过VSC 并网换流器的反向并联的二极管续流，第二阶段为二极管全导通阶段，如图2（b）所示；
故障电流通过二极管续流会随着时间而一直衰减，当到达某一程度后，故障点的电流将由交流侧提供，最终阶段就为交流馈入阶段，如图2（c）所示[13]。

图2 VSC 故障各阶段电路Fig.2 VSC fault circuit at each stage

1.3 过渡电阻对故障响应过程影响

不同阻值的过渡电阻不仅可以改变电容放电的形式，也可以使电流和电压的波形产生较大的改变。在PSCAD 仿真软件中设置阻值为0.5 Ω、1 Ω、5 Ω 和10 Ω 的过渡电阻对L3中点故障进行仿真，如图3、图4 所示。

图3 不同过渡电阻下的直流线路电流Fig.3 DC line current under different transition resistance

图4 不同过渡电阻下的直流侧电压Fig.4 DC side voltage under different transition resistance

对比图3、图4 可知，不同阻值的过渡电阻确实对故障电流和电压有一定程度的影响[14]。在金属性接地的情况下，故障电流可以理解为二阶欠阻尼电路的放电电流，其峰值高达2.5 kA，约为正常电流的156 倍；
当故障电阻为1 Ω 时，其峰值降低为0.3 kA，约为正常电流20 倍[15]。从中可以发现故障电流和电压信号与正常值的差距会随着过渡电阻阻值的逐步提高而减小，这就会影响特征量的提取和定值整定，使其依据这些特征量的保护方法不能满足对故障精确识别的要求。

2.1 中压直流配电网系统

一般情况下，限流电抗器都会设置在直流配电系统各条直流线路的出口[16]，如图5 所示。其作用是通过限制短路电流来提高换流站的故障穿越能力，以及提升直流配电网发生故障时的生存能力[17]。

图5 直流电抗器安装于直流线路两端Fig.5 Installation of DC reactor at both ends of DC line

2.2 高低频暂态电压幅值比特征分析

2.2.1 区内故障特性分析

由于线路分布电容都是远小于换流站出口直流侧的电容，本文不考虑线路分布电容的影响，线路区内故障电路如图6 所示。

图6 线路区内故障电路Fig.6 Fault circuit in line area

图6 中显示的为uf线路附加的直流电压源，UH为fH的高频电压分量幅值，UL为fL的低频电压分量幅值，，分别为UH，UL传播至保护R1的高低频电压分量幅值，其中fH＞fL。由于故障点到R1的阻抗较小，从而可认为故障点的高低频能量的相对含量近似等于R1的高低频能量的相对含量。即有：

2.2.2 区外故障特性分析

如图7 所示为线路区外故障电路。

图7 线路区外故障电路Fig.7 Fault circuit outside the line area

LT为限流电抗器，r，l 分别为线路全长的电阻和电感。关于高频信号，本文可以忽略线路电抗和回路中的电阻值抗的影响，R1处与故障点高频电压分量幅值比为

式中：nH=fh/f50Hz；
nL=ff/f50Hz。针对于低频信号来说，要足够看重R1所在线路中相对较小的电阻和电抗，绝不能忽略M 侧等效阻抗ZM的电阻值。则有：

故障若存在于R1反向线路，这种情况有上述分析类型，这里不再重复推理。

2.2.3 区内外故障特性差异

从上述的分析中可以得出，故障区域内外的高低频电压幅值比的特征差异可由系数K 很清除地体现出来。K 一定是一个小于1 的值，故障特征的差异随着K 值的减小变得越来越明显。K 随nL变化的关系曲线如图8 所示。

图8 K 与nL 的关系曲线Fig.8 Relation curve between K and nL

从图8 中分析可以看出，限流电抗器可以作为区内外保护的天然边界，对高频信号产生较大的阻滞效果。当故障发生在区内时，故障电压会直接作用于直流线路，并没有流经限流电抗器；
当故障发生在区外时，就可以利用直流电抗器对低频分量和高频分量具有不同的阻滞效果来识别故障时发生在区内还是区外，将以此作为故障判据。

2.3 基于高低频电压幅值比的保护策略

2.3.1 保护判据

（1）故障识别判据

当直流配电网发生短路故障后，保护元件就会提取故障信息并计算出高低频电压的幅值比与其设定的整定值作比较，由此来确定是否为区内故障，故障识别判据为

要充分考虑到高低频电压幅值比在区内故障与区外故障的差异，fH与fL的选取应尽量小，同时也要满足式（3）的条件成立，一般来说fH的取值应为fL的10 倍左右。而WHLset的整定值必须要避开相邻线路发生故障这种情况下来整定。

（2）故障类型判据

当直流配电网发生故障时，提取分析故障中的暂态信息非常关键，对于非故障极来说，电压会持续升高直至到达额定值，这时也可能会使非故障极误动。因此，保护不但要识别出故障的区域，也要快速确定故障极，使得故障极正确动作。

式中：up，un分别为线路正负极电压；
Cset为略大于1的比值系数。

2.3.2 保护算法

本文直流线路保护策略流程如图9 所示。对比于利用电压、电流变化率构成的单端量保护和利用故障电流方向构成的纵联保护方法，具有以下优势：

图9 保护策略流程Fig.9 Flow chart of protection strategy

（1）此保护策略仅需单端量，具有较强的耐受过渡电阻的能力。

（2）利用高低频电压幅值比作为保护判据，明确区内外的特征差异，有利于提高保护的选择性。

（3）对采样频率没有严格需求，所需数据窗短。

为验证所提保护方法的有效性，本文设置线路L3上保护R31为对象，同时设置区内外发生不同的故障类型和不同大小的过渡电阻，将采样频率设定为20 kHz，fH=5000 Hz，fL=500 Hz。

（1）区内故障（L3双极短路故障）

（2）区内高阻接地故障

（3）区外故障（L5正极金属接地故障）

图10 区内双极短路故障特征Fig.10 Characteristics of bipolar short circuit fault in the zone

图11 区内正极线路髙阻接地故障特征Fig.11 Characteristics of high resistance grounding fault of positive line in the area

从图9～图12 可以看出，当区外发生正极金属性接地故障时，高低频电压幅值比存在显著不同，可以看出这种保护方法不但能够迅速地找出故障区域，也可以准确识别出故障的类型，同时还具有较强的耐过渡电阻能力。

图12 区外金属接地故障特征Fig.12 Characteristics of metal grounding fault outside the zone

本文设置不同故障类型、不同故障区域和不同过渡电阻的情况下进行大量仿真实验，其结果如表2 所示。

表2 不同情况下的故障判断结果Tab.2 Fault judgment results under different conditions

本文利用限流电抗器的特点，将其作为边界元件。当发生故障时，研究区域内和区域外高频电压幅值和低频电压幅值之间的差异，将以此作为保护判据，构成基于高低频电压幅值比的保护策略。经大量仿真结果显示，该保护方法具备较强的耐过渡电阻能力，且采样频率低，能够迅速找出故障区域和正确判别故障类型。