基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案_刘翼肇.pdf

第39卷 第6期2023年6月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.39No.6Jun.2023智能电网Smart Grid基金项目：山西省科技重大专项资助项目（20181102028）；国网山西省电力公司科技项目（520530200014）。Project Supported by Shanxi Province Science and Technology KeyProjectsSupportingProgram（20181102028）；theScienceandTechnology Program of the State Grid Shanxi Electric Power Company（520530200014）.ABSTRACT：When a pole-to-pole short-circuit fault occursto the DC distribution system，the short-circuit current is highinstantly，which threatens the safe and stable operation of thesystem.Meanwhile，giventhetoleranceabilityofpowerelectronic devices，the converter will be locked，which leads toreduction of the fault information.The protection schemebecomes an important factor restricting the development of DCdistributionnetwork.Tosolvethisproblem，firstly，thecharacteristics of the fault current curve of the flexible directline after the pole-to-pole short-circuit fault are analyzed，andthen the integral difference of the fault current curve inside andoutside the fault time zone is revealed.Finally，a scheme ofpole-to-pole short-circuit line selection based on the integralratio of line fault current is proposed.The simulation model ofthe DC distribution system based on modular multilevel converter（MMC）is built on the real time digital simulator（RTDS）toverify the effectiveness of the scheme.KEY WORDS：DC distribution system；pole-to-pole short-circuit fault；integral ratio；RTDS摘要：柔性直流配电系统发生极间短路故障后，系统短路电流大，对系统安全稳定运行产生威胁，同时考虑到电力电子器件的耐受能力，换流器将会闭锁，导致故障信息量减少，对保护方案的速动性和可靠性提出了很高的要求。针对此问题，文章首先分析了直流线路极间短路故障电流特性，然后揭示了故障时区内外故障电流曲线的积分差异，最后提出基于线路故障电流积分比的极间短路选线方案。在实时数字仿真器（real time digital simulator，RTDS）上搭建基于模块化多电平换流器的直流配电网仿真模型，验证了所述方案的有效性与适用性，具有较好的耐受过渡电阻和抗噪能力。关键词：直流配电网；极间短路故障；积分比；实时数字仿真器柔性直流配电系统转换效率高、供电容量大，能够支撑源荷高效接入，已成为未来配电网的发展模式1-5。然而，柔直系统双极短路后故障电流上升速度快、峰值高，可能导致电网大面积停运6，对直流线路保护技术提出了较高的要求7。目前，直流配电线路保护方案大多从交流网沿用而来，包括传统过电流保护、低电压保护、差动保护以及行波保护等。其中，过流保护8抗过渡电阻能力较差；微分欠压保护9-10易受雷击、噪声等波动影响，阈值难以整定；差动保护11-12对通信要求较高，需要数据严格同步，存在长距离线路灵敏性不足的问题；行波保护13-14一般应用在高压输电领域，配电网中行波到达保护装置的间隔较短，难以区分。除了上述保护方案之外，国内外相关领域的研究人员还提出了一些基于数学、人工智能等的一系列新文章编号：1674-3814（2023）06-0008-09中图分类号：TM771文献标志码：A基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案刘翼肇1，王金浩1，左鹏飞2，秦文萍3，常潇1，李胜文1，雷达1（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原030001；2.国网山西省电力公司长治供电公司，山西 长治046011；3.太原理工大学电力系统运行与控制山西省重点实验室，山西 太原030024）A Method of Pole-to-Pole Fault Selection for DC Distribution NetworksBased on the Ratio of Fault Current IntegralLIU Yizhao1，WANG Jinhao1，ZUO Pengfei2，QIN Wenping3，CHANG Xiao1，LI Shengwen1，LEI Da1（1.Electric Power Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，Shanxi，China；2.State Grid Changzhi Electric Power Supply Company，Changzhi 046011，Shanxi，China；3.Shanxi Key Laboratory of Power System Operation and Control，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid型保护方案，如文献15提出对直流变压器的调制波进行控制，依据控制产生特殊频率的谐波来判别故障区域，然而在没有直流变换器的场景中该思路并不适用。文献16在 MMC 的控制策略中增加了一个电压前馈环节，以实现故障限流的目的，却并未满足保护对快速性的要求。文献17通过小波变换的数学方法提取故障电流特征，最后与系统生成的人工神经网络相配合来实现故障的快速定位，但依然存在故障特征提取复杂的问题。文献18针对多端柔直电网，分析了反行波中蕴含的故障信息，提出了基于深度学习的波形特征保护方案，虽有效避免了保护方案设计过程中门槛值的复杂计算与整定，但训练过程十分繁杂，在实际工程中应用性不强。新型保护方案虽然提供了一种全新的直流保护思路，但仍存在故障特征提取复杂、训练量大、速动性不足等问题。为了克服以上问题，本文以直流配电系统线路极间短路故障电流特征为基础，利用故障线路电流波形曲线积分性质差异来识别区内外故障，提出了基于故障电流积分比的直流配电网极间短路故障选线方案。最后，在 RTDS 平台上搭建仿真模型，验证了所提选线方案的有效性，克服了传统保护方案耐受过渡电阻能力差的问题，且具有良好的速动性，能够满足直流配电网对保护的要求。1极间短路故障特性分析直流配电系统结构如图 1 所示，采用伪双极接线方式。本文采用典型的主从控制策略，MMC1 维持直流系统电压稳定，MMC2 控制功率传输19，光伏采用 MPPT 控制20。图1直流配电系统结构Fig.1Dc power distribution system structure1.1故障电流曲线凹凸特性分析一般来说，发生双极短路故障时，过渡电阻较小，故障回路为 RLC 欠阻尼振荡电路21。以线路 L2极间短路故障为例，规定电流正方向为母线流向线路，具体分析过程如图 2 所示。图2双极短路第一阶段等效电路图Fig.2Equivalent circuit diagram of the first stage ofbipolar short circuit图 2 中，Req、Leq为故障回路等效电阻和等效电感；Ceq为换流器出口等效电容。根据基尔霍夫电压定律（KVL）分析可得双极短路故障电流方程为imP(t)=Udc(0)dLe-tsin(dt)-imP(0)0de-tsin(dt-)（1）式中：imP（0）与 Udc（0）分别表示故障前直流系统的电流和电压初始值；其他因子的具体含义如下：|=Req/2Leq0=1/(LeqCeq)d=20-2=arctan(d/)（2）对式（1）进行求导可以得出其微分表达式为dimP(t)dt=-Udc(0)0dLeqe-tsin(dt-)+imP(0)20de-tsin(dt-2)（3）根据公式（3）可得电容放电阶段的故障电流曲线为凸函数22，则在故障发生起始时刻电流微分值最大为dimP(t)dt|t=0+=Udc(0)Leq-imP(0)ReqLeq（4）考虑到直流配电网中电压与电流通常会相差两个数量级，且故障回路等效电阻 Req很小19，因此：dimP(t)dt|t=0+=Udc(0)-imP(0)ReqLeq0（5）即双极短路故障时，电容放电阶段故障电流 imP曲线为凸曲线且呈现上升趋势。同理可得，电容放09智能电网Smart Grid电阶段 inP电流曲线也是凸曲线，同时双极短路电流方程满足 imP=-imN，inP=-inN，可得电容放电阶段负极电流曲线均为凹曲线。1.2故障电流变化趋势分析直流配电网发生双极短路故障后，其故障暂态电流的大小、方向与正常运行工况相比会发生变化。若故障暂态电流方向与正常运行工况相同，其故障暂态电流同向增大；若故障暂态电流方向与正常运行工况相反，其故障暂态电流与正常运行工况相比减小甚至反向增大，该变化规律如表 1 所示。表1双极短路故障暂态电流变化规律Table 1The change law of the bipolar short-circuit faulttransient current故障类别区内故障区外故障线路极性P极N极P极N极m侧正负正负负正n侧负正正负负正正负结合 1.1 节理论分析可得，当 L1 发生区内金属性双极短路故障时，正极电流 imP波形曲线为凸曲线且呈同向增大趋势，inP波形曲线为凸曲线呈反向过零增大趋势；负极电流 imN波形曲线为凹曲线且呈同向下降趋势，inN波形曲线为凹曲线呈反向过零下降趋势。当故障位于 L1 线路保护区外时，非故障线路L1 的正极与负极电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势相反的特性。图 3 仿真结果显示故障电流波形曲线的变化趋势与前述理论分析的结果较为吻合（仿真参数见第 4 节）。同时由文献20可知柔性直流配电网发生非金属性短路时，故障电流的上升速度及电流峰值与金属性短路相比均有所下降，其变化幅度虽会减小，但其变化趋势不会改变，也同样符合理论分析的结果。2极间短路电流曲线积分特性及积分比例系数的确定2.1电流曲线积分特性分析由第 1 节分析可知，当发生区内双极短路故障时，故障线路两侧电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势均相同的特性，而非故障线路两侧电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势均相反的特性。据此，可进行双极短路区内外故障识别。本文定义故障电流曲线对时间坐标轴的积分为 S，以 S 表征区内外故障的差异。具体的积分表达式为Sj=t1t2idt（6）式中：t1、t2分别表示积分起始时间与积分结束时间；i 表示故障电流瞬时值；j 表示电流编号。Sj=k=1Xi（k）（7）式（7）为离散化表达式，X 表示保护启动后积分图3区内外故障时线路L1电流变化示意图Fig.3Schematic diagram of L1 current change during faults inside and outside the zone刘翼肇，等：基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案Vol.39No.610第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid时间窗内对应的故障电流采样点个数；i（k）表示第 k个采样点的电流值；j 表示电流编号。由式（7）结合图 3 分析，故障电流曲线对于时间坐标轴的积分 S 可得如下结论：1）当发生区内故障时，在相同时间内 imP电流曲线对于时间轴的积分值大于 inP电流曲线对于时间轴的积分值。同理，在相同时间内 imN对于时间轴的积分值大于 inN对于时间轴的积分值。2）当发生区外故障时，在相同时间内 imP电流曲线对于时间轴的积分值与 inP电流曲线对于时间轴的积分值大小相同，符号相反。同理，在相同时间内 imN对于时间轴的积分值与 inN对于时间轴的积分值大小相同，符号相反。2.2电流曲线积分比例系数确定为了更方便地表示故障电流曲线积分之间的差异，令kP=|SmP|SnP=|1XimP(k)|1XinP(k)（8）kN=|SmN|SnN=|1XimN(k)|1XinN(k)（9）式中，kP和 kN分别代表线路正、负极积分比例系数。此时，根据 2.1 节的分析，故障电流曲线对于时间坐标轴的积分满足：1）区内故障时，在相同时间内 imP电流曲线对于时间轴的积分与 imN电流曲线对于时间轴的积分比例系数大于 1，即 kP1。同理，在相同时间内 imN对于时间轴的积分与 inN对于时间轴的积分比例系数也大于 1，即 kN1。2）区外故障时，在相同时间内 imP电流曲线对于时间轴的积分与 inP电流曲线对于时间轴的积分比例系数等于 1，即 kP=1。同理，在相同时间内 imN对于时间轴的积分与 inN对于时间轴的积分比例系数也等于 1，即 kN=1。3基于暂态电流曲线积分比的极间短路选线方案由第 2 节分析可知，直流配电网发生双极短路故障时，故障电流积分比例系数大于 1，非故障线路则等于 1。本文利用积分比例系数差异，后，故障线路两端电流积分比例系数大于 1，而非故障线路两端电流积分比例系数等于 1。在此基础上，本文提出一种基于暂态电流曲线积分比的极间短路故障选线方案。3.1故障启动判据利用故障线路电压迅速下降的特性可以构成快速灵敏的低电压启动判据，为了避免扰动的影响，在连续 3 个采样点均满足启动判据时保护启动并按照保护工作流程进行故障识别2。因此，故障启动判据可以设置为|VP|0.8UN|VN|ksetkNksetkPksetkNkset（11）式中，kset为设定的积分比例系数阈值。通过式（8）、式（9）计算求得积分比例系数值，若大于阈值，则Rt=1，判定发生区内故障；若小于阈值，则 Rt=0，判定发生区外故障。对于故障选线判据而言，其阈值选择十分重要。阈值设置过大将需要延长保护积分采样时间，不利于保护快速动作；其值过小将使得积分采样时间内获取的故障信息量减少，可能会引起保护装置误动作。为了确保系统在换流器闭锁之前完成故障切除，避免停电范围扩大；并且能够获取足够的故障暂态信息，以使得保护可靠动作，综合考虑积分计算时间、保护动作时间，本文选取保护启动后 1 ms（即20 个采样点）内的故障电流进行积分，设置 kset为1.5。仿真结果（见 4.1 节）表明将积分比例系数阈值设定为 1.5，不仅保证了保护装置具有良好的选择性，而且也满足了保护对可靠性和灵敏性的要求。3.3选线方案流程图基于电流曲线积分比的双极短路故障选线方案流程如图 4 所示。1）首先，读取线路两侧电压、电流数据，当电压满足故障启动判据后判定故障发生，保护启动。2）然后，通过式（8）、式（9）计算各线路两侧电11智能电网Smart Grid流的积分比值 kP、kN，与阈值进行比较。接着，依靠Rt值实现故障区域识别，若 Rt=1，则判定线路发生区内故障，若 Rt=0，则判定线路发生区外故障。3）最后，故障区域确定后，向故障线路两侧直流断路器发送跳闸命令切除短路故障，非故障线路保护复归，至此保护方案流程结束。图4双极短路故障保护方案流程图Fig.4The flow chart of the bipolar short-circuit faultprotection method4仿真验证在 RTDS 中搭建如图 1 所示的直流配电系统模型，其系统参数见表 2，仿真采样频率为 20 kHz。表2系统仿真参数Table 2System simulation parameters系统参数中压侧电压/kV低压侧电压/V网侧交流电压/kV定直流功率/MW子模块电容/F线路电感/(mHkm-1)线路电阻/(km-1)线路电容/(Fkm-1)L1/kmL2/kmL3/kmL4/kmL5/kmL6/km数值103751044 8000.720.1250.618101010101584.1选线方案验证在系统稳态运行 0.02 s 时，设 L1 线路发生双极短路故障，过渡电阻值为 5。对于故障线路 L1 而言，在故障发生后约 2 个采样点（0.1 ms）满足故障启动判据，线路两侧保护装置启动，算法计算积分比例系数的时间约为 0.15 ms，保护在 0.45 ms 后判定为区内故障，断路器在故障发生后约 2.6 ms 切除故障。仿真波形如图 5 所示。由图 5（a）（c）可以看出，0.02 s 发生故障后，正极电压由+10 kV 下降，负极电压由-10 kV 上升，直流线路故障电流迅速上升。同时可以看出由于过渡电阻的作用，其两极电压并没有达到 0 kV，线路上电流过流倍数相对金属性短路有所下降，在保护动作之后线路电压、电流趋于稳定。由图 5（g）可以看出，当 L1 发生双极短路故障时，线路 L1 积分比例系数值为 3.840 0，大于保护设定阈值，Rt=1，满足区内故障选线判据，可以准确判定线路 L1 发生区内双极短路故障，保护正确动作，而其他线路积分比例系数值均小于保护设定阈值，Rt=0，满足区外故障选线判据，判定线路发生区外故障，保护复归。4.2选线方案灵敏度分析为了验证保护方案的灵敏度，设置经过渡电阻故障等典型情况进行分析。情况 1：经过渡电阻接地；情况 2：采样噪声影响；情况 3：直流侧母线发生故障；情况 4：通信存在传输延时；情况 5：交流侧线路发生故障。1）表 3 为情况 1 对保护方案的影响情况。以L3 线路发生双极短路故障为例（双极短路选取过渡电阻最大值为 20 22）。具体仿真结果如表 3所示。从表 3 可以看出，本文提出的保护方案在不同过渡电阻情况下均可以有效识别。故障线路 L3正、负极电流曲线积分比例系数值均大于所设定的阈值故障识别结果为区内故障；同时，区外非故障线路保护选线判据 Rt=0，保护均可靠不动作。另外，虽然故障线路正、负极电流曲线积分比例系数值随着过渡电阻的增大而减小，但仍满足选线判据，保护能够正确动作，本文所提保护方案具有较强的抗过渡电阻能力。刘翼肇，等：基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案Vol.39No.612第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid2）表 4 为情况 2 对保护方案的影响情况。考虑到采样信号受噪声干扰，本文通过在采样信号中叠加 30 dB 和 50 dB 信号噪声来验证本文所提保护方案的抗噪能力。以 L3 线路经 10 过渡电阻发生双极短路故障为例。具体仿真结果如表 4所示。表4不同信号噪声情况下线路电流曲线积分比Table 4Integration ratio of the line current curve underdifferent signal noise conditions线路编号L1L2L3L4L5L6比例系数kPkNkPkNkPkNkPkNkPkNkPkN不同信号噪声下线路电流曲线积分比30 dB1.000 21.000 20.999 80.999 87.321 57.321 51.000 21.000 21.000 01.000 01.000 01.000 050 dB1.000 21.000 21.000 01.000 02.660 22.599 81.000 21.000 21.000 21.000 21.000 01.000 0Rt001000故障识别区外故障区外故障区内故障区外故障区外故障区外故障由表 4 可以看出，采样信号叠加不同程度噪声后，故障电流曲线积分比例系数值大于保护阈值，故障选线判据 Rt=1，保护能正确动作，而非故障线路保护选线判据 Rt=0，保护均可靠不动作。这是因为信号噪声为一组正负波动的信号，虽然会影响故障电流的幅值，但其积分期望值为 0，在很大程度上可以有效地降低信号噪声的影响，该双极短路故障图5各线路电压、电流变化及断路器动作情况Fig.5Voltage，current changes and circuit breaker action of each line表3不同过渡电阻值情况下线路电流曲线积分比Table 3Integration ratio of the line current curve fordifferent transition resistance values线路编号L1L2L3L4L5L6kPkNkPkNkPkNkPkNkPkNkPkN不同过渡电阻下电流曲线积分比5 1.000 01.000 00.999 90.999 95.057 85.057 81.000 01.000 01.002 11.002 11.000 01.000 01.000 21.000 20.999 80.999 82.908 52.908 51.000 21.000 21.000 01.000 01.000 01.000 010 1.000 31.000 30.999 50.999 51.689 41.689 41.000 21.000 21.002 01.002 01.000 01.000 020 Rt001000故障识别区外故障区外故障区内故障区外故障区外故障区外故障13智能电网Smart Grid保护方案具有较强的抗噪能力。3）表 5 为情况 3 对保护方案的影响。以中压侧直流母线经 20 双极短路故障和低压侧直流母线经 10 双极短路故障为例。具体仿真结果如表5 所示。表5母线故障时线路电流曲线积分比Table 5Integration ratio of the line current curve in caseof a bus fault线路编号L1L2L3L4L5L6比例系数kPkNkPkNkPkNkPkNkPkNkPkN不同故障类型下电流曲线积分比中压直流母线（20）1.000 31.000 30.999 50.999 51.000 11.000 11.000 21.000 21.001 81.001 81.000 01.000 0低压直流母线（10）1.000 31.000 31.001 31.001 31.000 01.000 01.000 21.000 21.000 01.000 01.000 01.000 0Rt000000故障识别区外故障区外故障区外故障区外故障区外故障区外故障由表 5 可以看出，中、低压侧直流母线故障时，各线路电流积分比例系数值均小于保护阈值，故障选线判据 Rt=0，保护均可靠不动作。因此，中低压直流母线故障不会导致线路保护装置误动作。4）表 6 为情况 4 对保护方案的影响情况。以L3 经 10 发生双极短路故障为例（本文针对双极短路故障最大通信延时考虑为 0.3 ms）。具体仿真结果如表 6 所示。表6不同传输延时情况下线路电流曲线积分比Table 6Integration ratio of the line current curve fordifferent transmission delays比例系数kPkN不同传输延时下电流曲线积分比0.05 ms6.468 86.468 80.1 ms5.759 05.759 00.2 ms4.754 64.754 60.3 ms3.914 23.914 2Rt1故障识别区内故障由表 6 可得：在线路通信存在延时的情况下，其积分比例系数值均大于保护阈值，且故障选线判据 Rt=1，保护能够正确识别故障线路，证明该方案不需要严格通信同步。5）图 6、图 7 为情况 5 对保护方案的影响。以常见的交流侧接地故障为例，可以看出中低压直流母线电压均不满足双极短路保护启动判据所设定的电压阈值，直流双极短路保护不会启动，不会造成保护误动，因而交流侧接地故障对保护方案无影响。图6交流侧单相接地Fig.6Impact of single-phase grounding on AC side图7交流侧两相接地Fig.7Impact of two-phase fault on AC side5结论为确保直流配电网安全、可靠地运行，满足系统对保护快速性、可靠性的要求，本文提出了一种刘翼肇，等：基于故障电流积分比的直流配电网极间短路选线方案Vol.39No.614第39卷第6期电网与清洁能源智能电网Smart Grid基于故障电流积分比的极间短路故障选线方案。根据线路两侧故障电流曲线积分比值，可以准确地识别区内与区外故障，并通过仿真验证了不同影响因素对保护方案有效性的影响。具体研究结论如下：1）当发生区内双极短路故障时，故障线路两侧电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势均相同的特性，而非故障线路两侧电流波形曲线总是满足曲线凹凸性、电流增长趋势均相反的特性。本文利用区内外两侧故障电流曲线积分比例系数值来构造故障识别判据进行故障识别，可以很好地表征区内、区外故障之间的差异。2）本文所提的保护原理不受过渡电阻、传输延时、信号噪声的影响，且直流母线故障及交流侧接地故障对保护动作性能也不会产生影响，保护不会误动作。所提保护方案不仅可以准确地识别故障线路，具有良好的选择性，而且满足直流配电网对保护灵敏性与可靠性的要求。3）本文所提的保护原理能够在换流器关断前切除故障，避免停电范围扩大，满足直流配电网对保护快速性的要求。参考文献1吴育芝，邹晓松，袁旭峰.柔性互联交直流电网无功优化综述J.节能技术，2019，37（4）:364-370，380.WU Yuzhi，ZOU Xiaosong，YUAN Xufeng.A summary ofreactive power optimization for flexible interconnected ofAC/DCdistributionnetworksJ.EnergyConservationTechnology，2019，37（4）:364-370，380.2翟少磊，张学志，段怡，等.基于交直流微电网的智慧能源站拓扑结构研究J.智慧电力，2021，49（5）:28-34.ZHAI Shaolei，ZHANG Xuezhi，DUAN Yi，et al.Topology structure of smart energy station based on AC/DCmicrogrid J.Smart 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