柔性中壓直流配電網(wǎng)線路加速縱聯(lián)保護

李再男，段建東，路文超，杜曉通

（西安理工大學電氣工程學院，陜西省西安市710048）

0 引言

分布式發(fā)電和儲能技術(shù)不斷更新，城市直流負荷快速增加［1］，導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷”發(fā)生翻天覆地的變化。與此同時，緊缺的城市供電走廊是限制擴建交流配電線路的主要制約因素［2］。中壓直流（medium voltage direct current，MVDC）配電網(wǎng)易于接入分布式能源［3］，便于和儲能配合。相比交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)因電能傳輸效率更高［2］、電能質(zhì)量更優(yōu)［4］、損耗更低以及環(huán)境污染更小等優(yōu)勢，成為解決以上問題的有效手段之一［5］。直流配電網(wǎng)含有大量電力電子器件，系統(tǒng)形態(tài)發(fā)生巨大改變，故障在時空傳播上也有了新特性。直流配電網(wǎng)直流側(cè)一般呈現(xiàn)欠阻尼狀態(tài)，直流側(cè)線路發(fā)生故障后，短路電流在幾毫秒內(nèi)可以達到額定電流的數(shù)十倍［6-7］。換流器內(nèi)絕緣柵門極晶體管（insulated gate bipolar translator，IGBT）承受短路電流能力有限，故障電流嚴重威脅其安全。為確保直流配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，需研究快速動作的線路保護方案。

目前柔性直流配電網(wǎng)線路故障隔離方法有3 種：①利用交流斷路器隔離直流線路故障［8］，該方法簡單、成本低，但不能滿足直流保護對速動性的要求；②利用具有故障自清除能力的換流器隔離故障，該方法缺點是會造成全網(wǎng)失電，經(jīng)濟性差［9-11］；③利用直流斷路器（direct current circuit breaker，DCCB）與保護方案協(xié)調(diào)配合，該方法可以適應(yīng)各種復(fù)雜拓撲的直流配電網(wǎng)，也是目前最有效的保護手段［12-18］。本文主要聚焦第3 種隔離方案，研究含多段架空線的多端柔性中壓直流配電網(wǎng)線路保護。

直流線路保護方案大體上可以分為2 種，即基于本地信息的單端量保護和基于通信的雙端量保護。單端量保護動作速度快，但需要限流電抗器構(gòu)造邊界，考慮配電網(wǎng)特性，換流器出口也就是線路源側(cè)處會裝設(shè)限流電抗器，而多段線路之間并不會安裝限流電抗器［12］。因此，基于通信的雙端量保護成為保障直流配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要手段。傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護主要比對線路兩端電流幅值構(gòu)成保護，線路電容會影響差動保護的正確動作，文獻［13］在直流配電系統(tǒng)中應(yīng)用縱聯(lián)差動保護，通過比較相鄰保護安裝處的線路電流狀態(tài)值和不平衡電流狀態(tài)值來判定故障區(qū)間，保護方案需要采集故障后5 ms的數(shù)據(jù)點，較難滿足速動性要求?？v聯(lián)方向保護主要是通過比較線路兩端電氣量的方向特性構(gòu)成保護方案，文獻［14］利用線路兩側(cè)串聯(lián)的限流電抗器故障后瞬態(tài)電壓比確定區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，仍然需要利用直流電抗器充當邊界元件，無法適用于直流配電網(wǎng)。文獻［15］利用故障后全電流方向特征構(gòu)造縱聯(lián)方向保護，但是保護方案動作時長十分依賴過渡電阻的大小。文獻［16］主要采集線路的電流波形，通過分析線路兩端電流的相似程度實現(xiàn)區(qū)內(nèi)區(qū)外的識別，時域電流波形更容易受到噪聲和過渡電阻的影響?，F(xiàn)有文獻提出的雙端量保護都難以滿足速動性的需求。

本文從速動性角度出發(fā)，提出適用于含多段架空線的MVDC 配電網(wǎng)線路加速縱聯(lián)保護，主要面對架空線頻發(fā)的瞬時故障。加速保護可以確保DCCB在故障后1～2 ms 內(nèi)啟動跳閘，保證換流器內(nèi)IGBT安全。加速保護關(guān)鍵在于構(gòu)建可靠的啟動方案。如果是永久性故障，為提升識別故障區(qū)域的可靠性，本文提出利用DCCB 重合閘過程的電流數(shù)據(jù)。從波形角度出發(fā)，利用線路兩側(cè)故障電流波形關(guān)于橫軸對稱程度差異構(gòu)造保護判據(jù)，DCCB 重合閘過程的電流數(shù)據(jù)對提升加速保護可靠性有積極作用。在PSCAD/EMTDC 軟件中模擬中國張北直流電網(wǎng)搭建了含多段架空線四端柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，通過大量仿真分析驗證了加速保護方案可行性。

1 四端柔性直流配電網(wǎng)故障分析

1.1 四端柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

參考張北直流電網(wǎng)和配電網(wǎng)分散供電的特點［19］，本文研究的MVDC 配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要為整個或者部分城市區(qū)域供電，考慮到城市人口密度和負荷密度，對能源有更高的需求和要求，選擇電壓等級±100 kV［20］。

圖1 四端柔性中壓直流配電網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of four-terminal flexible MVDC distribution network

利用半橋子模塊的模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）進行交直流電能的轉(zhuǎn)換，選用混合式DCCB 切除直流線路故障。MMC1 和MMC3 換流器之間的線路細化為4 段，其余換流器之間線路為1 段，其中MMC1、MMC2、MMC3 變流器采用恒功率控制，MMC4 變流器采用恒壓控制。

1.2 四端柔性直流配電網(wǎng)直流線路故障分析

直流配電網(wǎng)阻尼較弱，直流線路故障后，MMC子模塊的電容會快速放電，故障電流可能會擊穿電力電子設(shè)備。電力電子器件短時間內(nèi)可以承受2 倍的額定電流，大多數(shù)文獻認為如果流經(jīng)設(shè)備的故障電流超過器件額定電流的2 倍（工程上一般認為是1.4 倍），電力電子器件必須閉鎖以確保其安全。MMC 等效電路如附錄A 圖A1 所示，可以得到等效參數(shù)：

式中：Ce、Le、Re分別為變換器等效電容、電感和電阻；N 為換流器橋臂串聯(lián)子模塊個數(shù)；Ron為半橋子模塊導(dǎo)通時等效電阻；Larm為上下橋臂電感；C 為半橋子模塊等效電容。

無論直流側(cè)線路發(fā)生單極接地還是極間故障，其故障放電回路都可以等效為附錄A 圖A2 所示的二階電路，推導(dǎo)得到故障電壓電流的表達式，即：

式中：L 和R 分別為故障回路電感和電阻；udc為直流極間電壓；ildc為直流線路故障電流。

直流線路短路故障主要可以分為單極接地故障和極間故障。不同故障類型對應(yīng)的R、L、C 參數(shù)有所差異，如附錄A 表A1 所示。

2 加速保護原理

為滿足保護對速動性的要求，本文提出加速保護以減少故障隔離時間，降低IGBT 承受電流應(yīng)力。含架空線的MVDC 配電網(wǎng)發(fā)生線路瞬時故障的概率最大。參考交流線路保護中的前加速保護理念，故障后優(yōu)先給DCCB 跳閘指令切除線路，但要求不能導(dǎo)致系統(tǒng)全網(wǎng)停電，而僅僅造成故障線路全段停電，并不會導(dǎo)致配電網(wǎng)全網(wǎng)停電。在電弧去游離結(jié)束后，如果是瞬時性故障，利用重合閘可以有效糾正這種低選擇性動作。如果是永久性故障，需要準確可靠判別故障類型和故障區(qū)域，進而有選擇動作對應(yīng)的DCCB［20-21］。直流配電網(wǎng)的加速保護有2 點要求：①加速保護方案不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行，不對系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響；②加速保護要對系統(tǒng)產(chǎn)生有益效果，最差維持原有保護［20-21］。

加速繼電器裝置（acceleration relay device，AR）裝設(shè)在整條線路的源側(cè)，如圖1 所示。以L14為例，無論L14內(nèi)任何一段中間支路發(fā)生故障，AR14 和AR41 都會快速啟動，切除L14整條線路。AR 工作示意如附錄A 圖A3 所示，AR 采集電氣量進行預(yù)判，并借助通信進行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的交互，發(fā)送指令給直流斷路器。

定義正方向，規(guī)定正極線路正方向從母線流到線路側(cè)，而負極線路正方向從線路側(cè)流到母線。為了保證抵抗足夠過渡電阻且保證運行可靠性，本文綜合考慮工程實踐等因素，選用20 kHz 采樣率，以下所有分析均以標幺值計算。本文提出的加速保護主要包括故障后的加速保護啟動方案、重合閘后瞬時性故障判別、永久性故障類型識別以及故障區(qū)域識別。

2.1 加速保護啟動方案

一般地，前加速保護第1 次動作沒有選擇性，因此重構(gòu)加速保護啟動方案顯得尤為重要。本文設(shè)定先通過無選擇性的初始啟動判據(jù)，然后進入增強一定選擇性的故障篩選判據(jù)，最后加速保護動作。即新的加速保護啟動方案由初始啟動判據(jù)、故障篩選判據(jù)兩部分構(gòu)成。

2.1.1 初始啟動判據(jù)

MVDC 配電網(wǎng)正常運行時，認為電壓和電流的波動范圍在±5%或±7%之間。啟動判據(jù)主要為了躲避穩(wěn)態(tài)情況，結(jié)合故障特性，認為電流增大10%，電壓減小10%即可認為滿足啟動判據(jù)。

啟動判據(jù)如式（3）所示，只要有1 個點滿足，即認為滿足啟動判據(jù)，進而開始故障篩選判據(jù)。

式中：Imax，load和Ubus分別為穩(wěn)態(tài)運行的最大負荷電流和母線電壓；I 和U 分別為故障下對應(yīng)的故障電流和故障電壓；ISET和USET分別為初始啟動判據(jù)電流和電壓整定值；kINormal和kUNormal分別為初始啟動判據(jù)電流和電壓的可靠系數(shù)，本文取kINormal=1.1，kUNormal=0.9。

2.1.2 故障篩選判據(jù)

啟動判據(jù)滿足后，說明系統(tǒng)處于非正常運行狀態(tài)，主要包括故障和不正常運行，此時需要進一步篩選，通過引入故障篩選判據(jù)，消除一些非故障情況，比如斷線、功率反轉(zhuǎn)等。

基準值選擇：考慮到非故障的不正常情況，往往會嚴重影響電壓或者電流一類電氣量，而對另一類影響程度不大。因此故障篩選判據(jù)選擇同時使用電壓和電流2 個電氣量的特點。不同類型故障造成電流和電壓變化程度也不同，極間故障造成后果最為嚴重，為確保故障篩選判據(jù)可以準確識別單極高阻接地故障，本文選擇過渡電阻為100 Ω 的單極故障特征量作為基準值參考值。故障篩選判據(jù)主要利用電壓電流平均值，考慮到故障后伴隨著諧波，噪聲等，依靠單一點判據(jù)可靠性不足。但是故障特征的趨勢不變，因此選擇一段時間的電氣量平均值作為判據(jù)。同時要滿足速動性的要求，本文綜合考慮選擇了0.5 ms 的數(shù)據(jù)窗。

本文在送端AR 計算是否滿足啟動方案，如啟動方案滿足，則AR 預(yù)判發(fā)生故障，同時AR 將預(yù)判結(jié)果傳遞受端AR，如無特殊說明，假設(shè)通信延時為Δt1，送端AR 在延時Δt1后給DCCB 跳閘指令，受端AR 在接收到送端AR 預(yù)判的故障結(jié)果后即刻給對應(yīng)的DCCB 跳閘指令。

電力系統(tǒng)中工程通信時延往往是指電磁波傳輸時延（由距離決定）和光電信號轉(zhuǎn)換時延［22］之和。已有技術(shù)可以控制光電信號轉(zhuǎn)換設(shè)備的時延在400～500 ns 之間，相比毫秒級的保護動作時間可以忽略不計。

假設(shè)通信通道采用的專用光纖通道（復(fù)用通道的通信延時遠大于專用光纖通道），忽略光電信號轉(zhuǎn)換時延，僅僅考慮電磁波傳輸時延，通信時延只受制于線路長度約束。換流器之間的線路長度是100 km，在考慮光纖通信的最大傳輸速率如果是光速，近似為300 km/ms，此時對應(yīng)的延時是0.34 ms，考慮一定的裕度，線路延時Δt1選擇0.4 ms，動作速度則會受到一定的影響。

經(jīng)過仿真分析計算發(fā)現(xiàn)，考慮到不同過渡電阻及不同故障位置的單極和極間故障，可知在故障后0.4 ms 內(nèi)啟動判據(jù)滿足。故障篩選判據(jù)需要0.5 ms的時間窗，因此可以認為本文提出的加速保護啟動會在故障后1.3 ms 動作。仿真發(fā)現(xiàn)故障后1～2 ms內(nèi)，換流器中的電力電子器件可以耐受故障電流，因此加速保護下?lián)Q流器不用閉鎖。

經(jīng)由加速保護啟動方案，可以有選擇地確定故障線路（比如L14）。但是，對于該線路內(nèi)具體哪條中間支路（比如L141、L142、L143、L144）發(fā)生故障，則還無法判斷。特別是若出現(xiàn)永久性故障，還需要進一步有選擇性地判別。

2.2 直流斷路器動作特性

如附錄A 圖A4 和圖A5 所示，Y 表示采集裝置采集的數(shù)據(jù)為正方向，對應(yīng)的DCCB 可以工作，N 表示電量信息為負方向，對應(yīng)的DCCB 拒絕工作。從圖A4 中可以看出，在系統(tǒng)運行正常、功率反轉(zhuǎn)、區(qū)外故障的情況下，線路電流總是從一側(cè)流向另一側(cè)，兩側(cè)采集到的電流方向為正、負。從圖A5 可以看出，當直流線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，線路兩端采集到的電流方向為正方向，此時2 個DCCB 均被激活，可以工作。DCCB 在被激活以后，同時接收到對應(yīng)的AR 跳閘指令才會動作。

目前中國張北工程配置的DCCB 最大運行電流是3.3 kA，最大開斷電流為25 kA，開斷時間在3 ms 以內(nèi)。從技術(shù)角度，DCCB 完全可以滿足加速保護需求。

DCCB 動作后，經(jīng)過一定延時的電弧去游離后重新重合，本文選擇延時時長為300 ms。如果是瞬時性故障，此時故障已經(jīng)消失，系統(tǒng)恢復(fù)正常。如果是永久性故障，則需要進一步判斷故障類型和故障區(qū)域。

2.3 重合閘后瞬時性故障判別

重合閘重啟原則，先啟動送端一側(cè)DCCB，經(jīng)過5 ms 時延后啟動受端一側(cè)DCCB，避免兩側(cè)重合閘同時啟動產(chǎn)生的高電壓應(yīng)力破壞設(shè)備［23］。

由于僅僅啟動一側(cè)DCCB，無論故障是否消除，電流都無法傳輸?shù)綄?cè)，無法利用電流信息識別，因此本文從電壓的角度出發(fā)判別。兩側(cè)DCCB 合閘有間隔，考慮如果是永久性故障，故障類型、故障區(qū)域的計算需求以及進一步有選擇性跳閘的時延需要，因此本文選擇瞬時性故障判別時間窗為3 ms，留有2 ms 的時間裕度。瞬時性故障在DCCB 合閘之前已經(jīng)消失，永久性和瞬時性故障在送端DCCB合閘期間有不同電壓特性。合閘后，送端AR 采集到的電壓迅速上升，電壓抬升至母線電壓，此時認為是瞬時性故障，否則是永久性故障。如果識別是瞬時性故障，此時另一側(cè)DCCB 可以成功合閘；如果識別是永久性故障，則此時需要進行推遲另一側(cè)DCCB 合閘，進一步判斷故障類型和故障區(qū)域，進行二次動作。

重合閘判據(jù)如式（5）所示，其中kreclose為故障重合的電壓可靠系數(shù)，其取值為0.85［23］，Nre為3 ms 數(shù)據(jù)窗的數(shù)據(jù)點，取值為60。

式中：UP，n和UN，n分別為正極和負極送端采集的電壓。對重合閘啟動后3 ms 內(nèi)電壓值進行求和，如果滿足判據(jù)，此時認為線路發(fā)生瞬時性故障，重合閘重合成功，系統(tǒng)恢復(fù)正常，否則認為是永久性故障。如果是永久性故障，則需要進一步區(qū)分故障類型和故障區(qū)域，以有選擇地跳閘。

2.4 永久性故障類型識別

利用重合閘后電壓變化趨勢，選取3 ms 數(shù)據(jù)窗，根據(jù)故障后正負極電壓的關(guān)系判斷故障類型。計算得到重啟時電壓正、負極平均值大小USEP和USEN，如式（6）所示，根據(jù)不同故障類型下正負極電壓的特點，再考慮單極故障極間電壓不變的特性，本文定義故障類型識別系數(shù)KPN如式（7）所示，為了防止分母近似為零，對KPN等式上下分別添加一個1%Ubus的增量，NCB為3 ms 數(shù)據(jù)窗的數(shù)據(jù)點。

利用2.3 節(jié)重合閘啟動判據(jù)，如果是正極故障，此時正極電壓平均值USEP遠小于0.85Ubus，而極間電壓保持不變USEP+USEN=2Ubus。故障過渡電阻的不同，導(dǎo)致USEP靠近零電位的距離也不同，此時負極電壓平均值USEP滿足2Ubus＞USEN＞1.15Ubus，且USEN隨著USEP的減小而增大，計算得到0＜KPN≤0.75。如果是負極故障，此時USEN遠小于0.85Ubus，同理可得2Ubus＞USEP＞1.15Ubus，且USEP隨著USEN的減小而增大，計算得到1.35≤KPN＜∞。如果是極間故障，此時USEP=USEN遠小于0.85Ubus，計算得到0.75＜KPN＜1.35。根據(jù)故障類型識別系數(shù)KPN值的不同判別永久性故障的類型。

2.5 永久性故障區(qū)域識別

為了提升速動性，DCCB 在故障后1～2 ms 內(nèi)進行跳閘操作，有效可用故障數(shù)據(jù)量較少。送端DCCB 重合后，電流會經(jīng)過DCCB 合閘支路向故障點送入功率。為了提升可靠性，本文利用送端DCCB 重合后3 ms 數(shù)據(jù)窗內(nèi)的數(shù)據(jù)構(gòu)造保護判據(jù)。利用故障后數(shù)據(jù)作為輔助保護，主要作為保護失靈后的備用保護，從而提升故障區(qū)域識別的可靠性。

為把握故障后電流變化趨勢，本文從電流波形的整體波形角度入手構(gòu)建保護判據(jù)，以L141線路為例分析，正常運行或者區(qū)外故障下，線路兩側(cè)電流i141和i414幅值相等，方向相反，關(guān)于時間軸完全對稱，如圖2（a）所示。而區(qū)內(nèi)故障下，故障后DCCB 未動作時，送端側(cè)電流i141迅速增加，受端側(cè)電流i414先減小到零再繼續(xù)增加，兩側(cè)電流關(guān)于時間軸對稱程度發(fā)生偏移；DCCB 合閘動作時，送端電流i141迅速增加，而受端電流i414保持為零，兩側(cè)電流關(guān)于時間軸嚴重不對稱，根據(jù)此特性可識別是否是區(qū)內(nèi)故障，如圖2（b）所示。

設(shè)故障電流ia，其中a 取值是1 和2，分別代表兩側(cè)的測量裝置。定義兩側(cè)電流橫軸對稱系數(shù)Δi 如式（8）所示，系數(shù)越小對應(yīng)于兩側(cè)電流對稱越好。對兩側(cè)電流橫軸對稱系數(shù)Δi 進行求和，如式（9）所示，可以消除一些噪聲或者離群點的影響。

如果是區(qū)外故障，區(qū)域內(nèi)電側(cè)電流幅值反向增加，兩側(cè)電流關(guān)于橫軸的對稱程度不會受到影響，個別點會受到擾動產(chǎn)生波動，但是求和后得到的CTb對應(yīng)值很小。如果是區(qū)內(nèi)故障，此時區(qū)域內(nèi)兩側(cè)電流同向增加，兩側(cè)電流關(guān)于橫軸的對稱程度會受到嚴重影響，而系數(shù)CTb數(shù)值不斷增大。

圖2 區(qū)內(nèi)區(qū)外故障電流差異示意圖Fig.2 Schematic diagram of current difference in internal and external fault

故障區(qū)域識別判據(jù)如式（10）所示，其中krel為故障區(qū)域識別的可靠系數(shù)，取值為0.8；ΔImin，Tb為不同故障情況下仿真得到最小對稱程度系數(shù)；Cset，b為故障區(qū)域識別判據(jù)整定值。

根據(jù)前文所述直流配電網(wǎng)線路保護加速原理，設(shè)計出保護動作流程如附錄A 圖A6 所示。

僅考慮電磁波傳輸時延，多段線路之間每段線路長度是25 km，光纖通信的最大傳輸速率如果是光速，近似為300 km/ms，此時對應(yīng)的延時是0.085 ms，考慮一定的裕度，線路延時Δt2選擇0.1 ms。

3 仿真測試與結(jié)果分析

本文在PSCAD 中構(gòu)建如圖1 所示的環(huán)形直流配電網(wǎng)，其中MMC1、MMC2、MMC3 變流器采用恒功率控制，MMC4 變流器采用恒壓控制，并采用DCCB 隔離故障運行，線路選用頻域相關(guān)相域模型，系統(tǒng)具體參數(shù)如附錄A 表A2 和A3 所示，極間故障用P-P 表示，單極接地故障用P-G 表示。

3.1 啟動方案

以線路L14中點正極100 Ω 接地為例，進行不同位置的仿真，得到仿真故障篩選判據(jù)的整定值如附錄A 表A4 所示。以L14中點正極100 Ω 故障為例，驗證啟動方案，圖3（a）所示是啟動判據(jù)判別情況，從圖中可以看出，在故障后第4 個點電壓已經(jīng)滿足要求，故障后的第6 個點電流也滿足要求，因此在0.3 ms 進入故障篩選判據(jù)。

圖3（b）所示是故障篩選判據(jù)判別情況，從圖中可看出，啟動判據(jù)滿足后，連續(xù)累加10 點，電壓和電流大于附錄A 表A4 的整定值，此時認定L14可能發(fā)生故障，啟動加速保護，斷開L14對應(yīng)的DCCB。同時分析非故障線路L15、L16以及L17在L14故障后的特征，發(fā)現(xiàn)L15和L16啟動判據(jù)滿足，但是故障篩選判據(jù)不滿足，如附錄A 圖A5 和圖A6 所示，因此可以證明本文提出的啟動方案使得加速保護動作具有一定選擇性，同時也說明啟動保護判據(jù)可以在故障1～2 ms 內(nèi)啟動源側(cè)DCCB 隔離直流線路故障。

3.2 重合閘后永久性瞬時性故障判別

以線路L14中點正極100 Ω 單極接地為例，DCCB 動作后，故障去游離結(jié)束后，重合閘啟動，DCCB 合閘，此時如果是瞬時性故障，電壓會迅速上升到0.85Ubus，同時穩(wěn)定到Ubus，而如果是永久性故障，電壓受到故障點的牽制不會上升很高，電壓值和過渡電阻呈正相關(guān)。

設(shè)置的單個點整定值是0.85，本節(jié)選擇的時間窗為3 ms，對應(yīng)的數(shù)據(jù)點是60 個，因此整定值選取為51。圖3（c）表示的是線路L14正極100 Ω 發(fā)生永久性和瞬時性接地故障，可以正確識別。

3.3 永久性故障類型識別

以線路L14中點正極100 Ω 接地故障和極間故障為例。經(jīng)過上一節(jié)識別出故障是永久性故障，此時計算故障類型識別系數(shù)KPN。圖3（d）是在3 ms 數(shù)據(jù)窗內(nèi)每個點計算得到的KPN，可以認為在3 ms 時間窗內(nèi)，對故障類型的判別結(jié)果十分穩(wěn)定，都可以正確識別故障類型。

3.4 永久性故障區(qū)域識別

以線路L142正極接地故障和極間故障為例，進行不同位置的仿真，得到故障區(qū)域識別的兩側(cè)電流橫軸對稱系數(shù)整定值如附錄A 表A5 所示。圖3（e）和圖3（f）分別以L143發(fā)生10 km 正極100 Ω 故障和極間故障為例，從圖中可以看到，無論是T1和T2，保護判據(jù)都可以精準識別出區(qū)內(nèi)區(qū)外故障?？紤]到T1時間點較少，會受噪聲和通信不同步的負面影響，因此主要以T2時間窗的數(shù)據(jù)進行故障區(qū)域識別，以T1時間窗的數(shù)據(jù)作輔助判據(jù)。

3.5 各種不同條件下直流線路加速保護的測試

圖3 線路縱聯(lián)保護驗證結(jié)果Fig.3 Verification results of line pilot protection

針對不同故障類型、不同故障位置、不同過渡電阻以及瞬時性故障情況對保護方案進行測試，測試結(jié)果如附錄A 表A6 至表A11 所示。以上大量PSCAD 仿真測試結(jié)果顯示，當故障發(fā)生位置不同、過渡電阻不同以及故障類型不同時，加速保護都可以快速識別且切除，同時如果是瞬時故障，在去游離之后可以迅速恢復(fù)供電，減少故障時間。如果是永久性故障，可以通過故障類型識別和故障區(qū)域識別判斷故障位置，進一步在受端DCCB 未合閘之前斷開故障線路對應(yīng)的DCCB。

3.6 噪聲的影響

對啟動方案分別做了信噪比為10、20、30、40、50 dB 和無窮大（即無噪聲）的效果分析，噪聲采用高斯白噪聲。從圖4（a）和圖4（b）分析發(fā)現(xiàn)，在信噪比為10、20、30、40、50 dB 和無窮大的情況下發(fā)生故障，啟動判據(jù)都可以正確滿足，而對于故障篩選判據(jù)，噪聲在20 dB 時已有少部分故障類型和整定值近似相等，在10 dB 時已有多種故障類型無法檢測，因此可以認為該啟動方案在20 dB 及以上信噪比都可以正確啟動。

對故障區(qū)域識別做了信噪比為10 dB 的魯棒性分析，噪聲采用高斯白噪聲。經(jīng)過多次仿真發(fā)現(xiàn)大部分故障類型和不高于100 Ω 過渡電阻情況下，T1和T2時間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)都可以利用兩側(cè)電流橫軸對稱系數(shù)正確識別區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，但是在L14首段極間故障時，T1時間窗內(nèi)計算的正極兩側(cè)電流橫軸對稱系數(shù)滿足判據(jù)，但是負極兩側(cè)電流橫軸對稱系數(shù)不滿足判據(jù)，因此T1識別故障失敗，而T2時間窗可以正確識別故障位置，T2時間窗更具有抗噪聲的能力，如圖4（c）和4（d）所示。

本文提出的加速保護方案的啟動方案最多可以抵抗20 dB 的噪聲不誤動。如果是永久性故障，采用T2時間窗內(nèi)進行故障區(qū)域識別可以抵抗10 dB 的噪聲準確識別區(qū)內(nèi)故障。因此，加速保護有良好的抗噪性。

3.7 功率翻轉(zhuǎn)的影響

當MMC1 定功率從-60 MW 轉(zhuǎn)變?yōu)?0 MW，此時系統(tǒng)的功率受端變?yōu)楣β仕投?，整個系統(tǒng)的功率將重新轉(zhuǎn)移形成新的系統(tǒng)潮流。柔性直流在功率反轉(zhuǎn)的過程中母線電壓近似保持不變，仿真發(fā)現(xiàn)其余線路因為功率的轉(zhuǎn)移滿足啟動判據(jù)，隨后在計算故障篩選判據(jù)的過程中，出現(xiàn)過滿足電流判據(jù)或者電流電壓判據(jù)都不滿足，最后故障篩選判據(jù)都不成功，因此對應(yīng)線路的加速保護也不會啟動，等待功率轉(zhuǎn)移完成后，系統(tǒng)又繼續(xù)穩(wěn)態(tài)運行，L15負極故障篩選判據(jù)驗證示意圖如附錄A 圖A7 所示。

3.8 線路斷開的影響

圖4 噪聲對加速保護的影響Fig.4 Influence of noise on acceleration protection

線路斷開會產(chǎn)生功率缺額，整個系統(tǒng)的功率將重新轉(zhuǎn)移形成新的系統(tǒng)潮流。這個過程中，L15、L16以及L17上都有功率的波動，仿真發(fā)現(xiàn)這3 條線路都滿足啟動判據(jù)，但是進入故障篩選判據(jù)后都不滿足，從而不會誤動加速保護。L15正極故障篩選判據(jù)驗證示意圖如附錄A 圖A8 所示，以此為例可以看到，無論是電壓還是電流都不滿足啟動方案。斷線會促使其余線路流過的功率增加，對應(yīng)的電流也會增加，但是系統(tǒng)電壓依然穩(wěn)定，不會過多衰減。

附錄A 圖A9 和圖A10 分別說明了L14、L15、L16和L17發(fā)生極間故障后4 ms 內(nèi)線路兩端電流變化趨勢，隨著時間的推移，故障電流增長速度非常快，故障2 ms 后故障電流最高是穩(wěn)態(tài)電流是20 倍。因為本文提出的加速保護可以保障DCCB 在故障1～2 ms 內(nèi)開始動作，對維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定性有積極影響。

4 結(jié)語

針對含多段架空線路的多端柔性直流配電網(wǎng)瞬時性故障，本文從速動性角度出發(fā)，提出一種基于雙端量的直流線路加速保護整體方案。所提加速保護方案可以保證在故障后1～2 ms 內(nèi)給線路的源側(cè)直流斷路器下發(fā)跳閘指令，能正確區(qū)分故障和斷線、功率翻轉(zhuǎn)情況，具有較強的抗過渡電阻能力。為配合保護的速動性，設(shè)計了線路源側(cè)直流斷路器動作方式，在功率送端AR 中預(yù)判直流線路是否發(fā)生故障，并通過通信將判別結(jié)果送出，對數(shù)據(jù)沒有同步要求。

利用故障后正負極電壓關(guān)系辨別瞬時性、永久性的故障類型，定值的整定具有理論依據(jù)，故障類型判別可靠。另外，對于永久性故障的區(qū)域判別，提出利用線路兩側(cè)電流波形的橫軸對稱差異構(gòu)造判據(jù)，整套加速保護方案經(jīng)大量的PSCAD 仿真測試證明是有效的。

本文在纂寫過程中得到強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學）開放課題基金(AEET2018KF001)資助，特此感謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。