戴志輝, 葛紅波, 陳冰研, 焦彥軍, 王增平

(河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室(華北電力大學), 河北省保定市 071003)

柔性中壓直流配電網(wǎng)線路保護方案

戴志輝, 葛紅波, 陳冰研, 焦彥軍, 王增平

(河北省分布式儲能與微網(wǎng)重點實驗室(華北電力大學), 河北省保定市 071003)

針對“手拉手”多端柔性直流配電系統(tǒng)的中壓直流線路,設計了基于通信系統(tǒng)和直流斷路器的繼電保護方案。首先,介紹了柔性直流配電系統(tǒng)的配置和中壓直流系統(tǒng)的故障特性;其次,針對系統(tǒng)危害較大的極間短路故障和小電阻接地故障,依靠電流量信息,根據(jù)每一保護安裝處的線路電流狀態(tài)矩陣,設計了能夠識別故障類型和故障區(qū)間、在5 ms內(nèi)隔離故障的速動保護;針對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的大電阻接地故障情況,設計了以電壓不平衡量作為啟動判據(jù),根據(jù)同一保護安裝處的正負極不平衡電流狀態(tài)矩陣,實現(xiàn)故障定位和故障隔離的后備保護;并針對可能出現(xiàn)的保護拒動或通信裝置失靈現(xiàn)象設計了第一級遠后備保護和第二級遠后備保護;還考慮了保護系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的配合以保證非故障區(qū)域的正常供電。最后,通過PSCAD/EMTDC仿真驗證了所提保護方案的有效性。

直流配電系統(tǒng); 直流斷路器; 保護策略; 故障隔離; 故障識別

0 引言

隨著新能源并網(wǎng)、電力電子技術的發(fā)展以及直流負荷的快速增長,基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的柔性直流配電網(wǎng)由于其具有線路損耗小、供電效率高[1-2],便于分布式電源和儲能設備的接入[3],快速的潮流控制能力[4],便于現(xiàn)有配電網(wǎng)升級改造[5],以及有利于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設[6-7]的特點而成為當前國內(nèi)外研究的熱點。當前,中國在深圳地區(qū)已建立了柔性直流配電系統(tǒng)示范工程,并初步對其電壓等級、技術架構、控制策略、故障和保護方案等進行了研究[8-11]。

作為柔性直流配電網(wǎng)的關鍵技術之一,目前直流配電網(wǎng)的繼電保護技術仍不成熟[12]。柔性直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構、工作模式、故障特性等均不同于交流配電網(wǎng),交流系統(tǒng)的保護技術也不能照搬到直流配電網(wǎng)。另一方面,直流配電網(wǎng)含有的電力電子設備承受過流的能力非常有限,要求發(fā)生直流故障時保護系統(tǒng)能高速實現(xiàn)故障的識別和隔離。由于經(jīng)濟實用的中壓直流斷路器尚未大規(guī)模商業(yè)化應用,直流配電網(wǎng)保護技術的發(fā)展也受到了限制,當前尚無通過實踐驗證并被廣泛接受的系統(tǒng)保護方案,還有待直流配電系統(tǒng)結構的完善、保護標準的制定以及相應保護理論的實踐反饋。

文獻[13-14]研究了過電流保護在直流配電網(wǎng)中的應用,但基于電流的保護在比較復雜的配電網(wǎng)中由于相鄰區(qū)域的保護定值難以整定,且難以實現(xiàn)時間上的配合而應用受限[15];另一方面,許多研究在涉及保護策略時沒有考慮到換流器拓撲結構和接地方式對系統(tǒng)故障特性的影響。文獻[16]以電壓變化率來判定故障區(qū)間,但相鄰保護區(qū)間定值整定困難。文獻[17-18]研究了距離保護在直流配電網(wǎng)的應用,其核心思想是根據(jù)故障等效電路和基爾霍夫電壓定律，通過解方程組得到故障點到保護安裝處的距離x的值,并與保護定值比較來判斷區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。但是,距離保護做主保護時無法保護線路全長,且由于配電網(wǎng)線路長度短,微小的測量、計算誤差和過渡電阻的不確定性都會對計算結果產(chǎn)生較大影響。

隨著配電網(wǎng)智能化的發(fā)展,配電網(wǎng)中通信設備也越來越多,基于通信設施的保護方案具有快速識別故障區(qū)間、不需復雜運算的優(yōu)點。文獻[19-20]將差動保護應用于直流配電系統(tǒng),具有受故障電流大小、電流變化率、分布式電源及過渡電阻影響較小的優(yōu)點,但需同步比較兩端的電流值。由于直流故障的電流變化率很大,微小的時間差異會造成很大計算誤差。文獻[21]則通過比較各個保護安裝處的電流幅值和電流方向識別故障區(qū)間,但未考慮經(jīng)較大過渡電阻接地故障時保護可能存在拒動的情況。

本文首先簡要分析了柔性直流配電網(wǎng)中壓直流系統(tǒng)極間短路故障和單極接地故障的故障特性,然后提出了一種依靠通信裝置,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,并通過直流斷路器來隔離故障的主保護和兩級后備保護。其中,主保護僅依靠電流量信息,能反映極間短路故障和過渡電阻較小的單極接地故障;后備保護針對可能出現(xiàn)的主保護拒動及通信裝置故障情況,以電壓不平衡量構造啟動判據(jù),僅需對比同一保護安裝處的正負極電流即可實現(xiàn)故障定位。相較于差動保護,本文設計的保護只需比較相鄰保護處的線路電流狀態(tài)信號和不平衡電流狀態(tài)信號,降低了對通信系統(tǒng)的要求。還考慮了保護與控制系統(tǒng)的配合,以保證非故障區(qū)域的正常運行。最后,通過PSCAD/EMTDC仿真驗證了所提保護方案的有效性。

1 系統(tǒng)配置

本文所研究的柔性直流配電網(wǎng)的拓撲結構及各端口編號如圖1所示。其中T1和T2端口分別代表與交流主網(wǎng)相連的VSC1換流站和VSC2換流站;T3至T6端口與負荷相連,其中T3和T6與直流負荷相連接,T3負荷側(cè)含有分布式電源光伏電池,T6負荷側(cè)不含分布式電源，T4和T5與交流負荷相連接,其中T5端口含有分布式電源風力發(fā)電,T4端口則沒有。

圖1 “手拉手”多端柔性直流配電網(wǎng)Fig.1 “Hand-in-hand” multi-terminal flexible DC distribution network

1.1 關鍵設備及控制策略

本文中交流與直流之間的變換均采用三相兩電平VSC,圖1中T1,T2,T4,T5端口均采用這種換流器;直流與直流之間的變換采用雙主動橋(dual active bridge,DAB)[22]結構,圖1中的T3和T6采用該種換流器。

針對圖1所示的多端柔性直流配電系統(tǒng),本文采用基于主從控制的單點電壓控制方式,T2端口采用定直流電壓控制,作為整個系統(tǒng)的平衡節(jié)點;T1端口采用定功率控制,作為整個系統(tǒng)的功率節(jié)點;T3至T6端口與負荷側(cè)相連,為維持負荷側(cè)電壓穩(wěn)定,T3至T6端口均采用定負荷側(cè)電壓控制。

1.2 接地方案

系統(tǒng)的接地點有直流側(cè)電容接地點和聯(lián)接變壓器接地點。

1)直流電容接地配置

為降低線路絕緣要求,本文采用直流正負極對稱運行,對直流側(cè)電容采用分裂電容中點直接接地,以確保正常運行時正負極電壓的對稱和平衡。

2)聯(lián)接變壓器接地配置

直流系統(tǒng)發(fā)生的單極接地故障被隔離后,若要消除不平衡電壓、恢復系統(tǒng)的對稱運行,則至少有一個端口的聯(lián)接變壓器的閥側(cè)需接地[23];同時,為限制單極接地故障后交流側(cè)饋入直流側(cè)的故障電流,可使變壓器閥側(cè)經(jīng)電阻接地,接地電阻越大,單極故障后交流側(cè)的故障電流越小,但在故障清除后直流側(cè)不平衡電壓的恢復速度越慢。綜合考慮以上因素,本文對T1和T2端口的聯(lián)接變壓器換流器側(cè)采用經(jīng)電阻接地,交流網(wǎng)側(cè)三角形連接的方案,對T4和T5端口聯(lián)接變壓器的換流器側(cè)采用三角形連接,負荷側(cè)星形接點的方案。

2 故障的電流特性

1)極間短路

故障發(fā)生后,各端口的電容都會與故障點形成放電回路,電容放電電流會在數(shù)毫秒內(nèi)(時間長短與限流電抗器的取值有關)遠遠超出線路的額定電流;同時,隨著電容電壓的下降,交流電網(wǎng)亦會通過二極管向故障點饋入電流,使得故障點所在線路持續(xù)過流。若不能及時切除故障,則會對電力電子器件造成損壞。

2)單極接地故障

以T1端口為例,故障時等效電路如圖2所示。T1端口與故障點形成2個故障電流回路,分別是正極電容放電回路1(藍色虛線所示)、故障點與聯(lián)接變壓器接地點形成的放電回路2(紅色虛線所示),回路1的放電電流在故障達到穩(wěn)態(tài)后變?yōu)榱恪?/p>

圖2 正極接地故障等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of positive pole-to-ground fault

圖2中,Vp和Vn分別表示正極對地電壓和負極對地電壓,Rf為故障點過渡電阻,RS和LS為換流器交流側(cè)等效電阻和電感。根據(jù)附錄A的推導,可得如下結論。

正常運行時,同一位置的正、負極電流大小相等。單極接地故障后,若過渡電阻較小,回路1的放電電流使正極電流快速增大,正負極不平衡電流(正極電流和負極電流的差值)也快速增大;當過渡電阻較大,故障達到穩(wěn)態(tài)時,故障點電流If與聯(lián)接變壓器閥側(cè)接地電阻RT、過渡電阻Rf的關系為:

(1)

式中:VdcN為直流系統(tǒng)的額定電壓。

根據(jù)附錄A,只有當聯(lián)接變壓器閥側(cè)接地時,交流側(cè)才能與故障點形成放電回路,因此只有T1和T2端口交流系統(tǒng)能夠與故障點形成放電回路。當過渡電阻較大時,可認為T1和T2端口交流側(cè)向故障點饋入的故障電流相等,即

(2)

式中:If1和If2分別為交流側(cè)經(jīng)T1和T2端口向故障點饋入的電流,其值的大小等于正極電流與負極電流的差值。

單極接地故障發(fā)生后有|Vp|≠|(zhì)Vn|,定義直流系統(tǒng)正負極不平衡電壓Edif為:

Edif=|Vp|-|Vn|

(3)

當過渡電阻較大時,可計算出其值為:

(4)

3 保護系統(tǒng)設計

對于圖1所示的柔性直流配電網(wǎng),其保護區(qū)域可以劃分為交流側(cè)保護、換流站保護、中壓直流線路保護和負荷側(cè)保護,本文主要研究中壓直流線路保護。為滿足直流系統(tǒng)對保護動作速度的要求,采用直流斷路器隔離故障。由于直流系統(tǒng)無論發(fā)生極間短路故障還是單極接地故障,都會造成有關線路出現(xiàn)過流現(xiàn)象,本文基于該特性提出了一種新的繼電保護方案。

3.1 保護配置

如圖1所示,0至11為中壓直流線路上的12處保護。其中1至10每處安裝一組直流斷路器,直流斷路器編號與保護編號一致,直流斷路器采用ABB公司提出的混合直流斷路器模型[24],每一保護安裝處的正負極直流斷路器同時動作;編號為0和11的兩處保護分別位于VSC1和VSC2換流站,該處保護動作時,令換流站閉鎖并跳開其交流側(cè)斷路器。兩相鄰保護可以保護它們之間的區(qū)域,如保護3和4保護其間的電纜線路2,保護4和5保護母線②和該母線上連接的負荷。每個保護安裝處都安裝電流測量裝置和通信裝置,T1和T2端口處還裝設了電壓測量裝置。

3.2 主保護設計

本文以任何相鄰的3組直流斷路器為研究對象,并以圖1中與母線②和線路3相連的3組直流斷路器為例進行分析。其斷路器編號和電流正方向規(guī)定如圖3所示,正極電流正方向為從母線指向線路,負極電流正方向規(guī)定為從線路指向母線。

圖3 故障示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault

設定主保護m的正、負值電流定值Ihm和Ilm,其與該線路正常運行時允許流過的最大電流IN，max的關系為:

(5)

式中:Krel1為主保護可靠系數(shù),該保護同時利用了相鄰保護安裝處電流的大小和方向信息,因此Krel1的取值只需略大于1即可保證保護的可靠性;另一方面,由于主保護用于保護極間短路故障和小過渡電阻的單極接地故障,這兩類故障產(chǎn)生的故障電流會在約2 ms內(nèi)上升至遠大于IN,max的水平,Krel1取2以下對保護的靈敏度影響不大,本文設置其值為1.2～1.5。

將每個保護安裝處的電流值與上述主保護電流定值進行比較,得到線路電流狀態(tài)信號Smt如下:

(6)

式中:m為直流斷路器的編號,m=1,2,…,10;t表示直流斷路器的正、負極,t取p(正極)或n(負極);Imt為保護m處t極線路測得的電流值。

每個直流斷路器處的保護向相鄰的兩個斷路器處的保護傳遞線路電流狀態(tài)信號,如CB5P處的保護將其電流狀態(tài)信號S5p傳遞給CB4P和CB6P處的保護;同理,CB4P和CB6P處的保護也會將它們的線路電流狀態(tài)信號S4p和S6p傳遞給CB5P處的保護。

當k1點發(fā)生正極接地故障時,斷路器CB5P和CB6P處測得的電流正向過流,而CB4P處測得的電流反向過流,因此有S5p=S6p=1,S4p=-1,負極線路上由于只有線路電容形成的泄露電流,不會造成線路過流,因此S4n=S5n=S6n=0。同理,當k3點發(fā)生極間短路時,保護5和6處的4個直流斷路器處流過的電流均為正向過流,即S5p=S5n=S6p=S6n=1,而CB4P和CB4N處的電流反向過流,因此有S4p=S4n=-1。類似的,可得故障點k1至k6對應的各直流斷路器處保護的電流狀態(tài)矩陣的元素值如表1所示。

表1 電流狀態(tài)矩陣的元素值Table 1 Element values of current state matrix

將相鄰兩個保護處的線路電流狀態(tài)信號相乘可得3種結果:

(7)

令Sm(m+1)t=SmtS(m+1)t,對于中壓直流線路任意一處故障,以m和(m+1)處保護為例,有如下關系式:

(8)

則當Sm(m+1)t=1時,表示t極線路保護m和(m+1)之間發(fā)生了故障,例如若Sm(m+1)p=1,Sm(m+1)n=0,則表示斷路器m和(m+1)之間發(fā)生了正極接地故障;若Sm(m+1)p=Sm(m+1)n=1,則表示m和(m+1)之間發(fā)生了極間短路故障;若Sm(m+1)p和Sm(m+1)n都等于-1,則表示在m和(m+1)之外發(fā)生了極間短路故障,若Sm(m+1)p和Sm(m+1)n之中只有一個等于-1、另外一個為0,則取值為-1的那一極線路在m和(m+1)區(qū)間外發(fā)生了單極接地故障。

綜上,進一步定義故障區(qū)間判別函數(shù):

Sm(m+1)=

(9)

若Sm(m+1)=1,則判定保護m和(m+1)之間的區(qū)域發(fā)生了故障;若Sm(m+1)=0,則判定保護m和(m+1)之間的區(qū)域處于正常運行狀態(tài)。當故障被切除后,保護m和(m+1)處的電流變?yōu)榱?Sm(m+1)重新置0。

為提高保護的可靠性,定義主保護動作區(qū)間判別函數(shù):

(10)

其中連續(xù)3次采樣所用的時間即為主保護的故障確認時間,以tc表示。當Tm(m+1)=1時,表示故障區(qū)間已確定為保護m和(m+1)之間,即令保護m和(m+1)處的直流斷路器動作,將故障隔離。當故障被隔離,且直流斷路器m和(m+1)合閘成功后Tm(m+1)被重置為0。

設從故障發(fā)生到故障完全隔離用時為ttotal1,則ttotal1包括故障檢測時間tdet1和故障隔離時間tiso;tdet1包括故障電流達到定值的時間tri1、故障確認時間tc和通信延時tdelay;直流電容放電電流上升速度很快,一般有tri1≤1.5 ms,考慮1 ms的通信延時和2.5 ms的直流斷路器動作時間,故障可在5 ms內(nèi)被隔離。

3.3 后備保護設計

主保護能快速隔離極間短路故障和小電阻接地故障,但當接地故障的過渡電阻較大時,可能因為故障極過流不明顯甚至不過流導致主保護不能識別故障的現(xiàn)象。為提高保護可靠性,本文設計了對應的后備保護。

1)保護啟動判據(jù)

單極故障發(fā)生后,由于交流側(cè)與故障點的故障回路受變壓器接地電阻限流,使VSC仍能控制直流電壓在正常水平[25],但故障極電壓會降低,非故障極電壓升高。盡管極間電壓保持穩(wěn)定,但正負極電壓出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象。本文根據(jù)單極接地故障的電壓不平衡特性設計后備保護的啟動判據(jù)如下:

(11)

若要求后備保護要能夠識別最大過渡電阻值為Rf,max的單極接地故障,將Rf,max代入式(4)可求得Edif的最小值Edif,min,則Vset=Edif,min/Krel2。其中,可靠系數(shù)Krel2需大于1,具體取值以躲開系統(tǒng)正常運行時可能出現(xiàn)的最大不平衡電壓為準。tset1為不平衡電壓大于閾值所持續(xù)的時間,按躲開主保護的故障檢測時間取值。

2)定位和隔離策略

系統(tǒng)正常運行和極間短路故障時保護安裝處的正極電流和負極電流之差,即電流不平衡量Ifm為零;單極接地故障后,正極電流和負極電流不再平衡,Ifm等于故障回路流過的電流[26]。對任一保護安裝處m,有

Ifm=Imp-Imn

(12)

式中:Imp和Imn分別為該處測得的正極電流和負極電流。

各個保護安裝處測得的不平衡電流即為T1端口或T2端口提供的故障電流。根據(jù)式(2),故障達到穩(wěn)態(tài)后,T1端口和T2端口向故障點饋入的最小故障電流為:

(13)

m處后備保護的正值電流定值Ihm′和負值電流定值Ilm′可按下式取值:

(14)

其中,Krel3的取值略大于1,以使定值小于要求能識別的最大過渡電阻下的不平衡電流。由于過渡電阻較大時,故障點位置對故障電流的影響很小,故本文將不同保護安裝處的定值電流Ihm′設置為同一值,Ilm′設置為同一值。將每個保護安裝處的不平衡電流值與后備保護設定的電流定值進行比較,可得不平衡電流狀態(tài)信號Cm為:

(15)

對于圖3所示的系統(tǒng),當故障點在k1,k2,k4,k5處時,可得附錄B表B1所示的不平衡電流狀態(tài)矩陣。由矩陣可知,若接地故障發(fā)生在保護安裝處m和(m+1)之間,則有CmCm+1=1,令

Cm(m+1)=CmCm+1

(16)

為與主保護配合,只有在主保護識別不出故障時(Tm(m+1)=0),后備保護才進行故障區(qū)間判斷。故定義后備保護的故障區(qū)間判定函數(shù)為:

(17)

可根據(jù)Sm(m+1)′的取值判別故障區(qū)間,即若Sm(m+1)′=1,則故障發(fā)生在保護m與(m+1)之間;反之則該區(qū)間無故障。當故障被切除,保護m和(m+1)處的不平衡電流變?yōu)榱?Sm(m+1)′重新置零。

在直流斷路器動作后,非故障區(qū)域的不平衡電流會出現(xiàn)振蕩,可能導致在某次采樣時非故障區(qū)域的保護誤判。因此,為保證后備保護的可靠性,定義后備保護動作區(qū)間判別函數(shù)為:

(18)

后備保護的故障確認時間與主保護相同。當Tm(m+1)′=1時,表示故障區(qū)間已確定在斷路器m和(m+1)之間,即令保護m和(m+1)處的直流斷路器動作,將故障隔離。故障隔離后,只有當直流斷路器m和(m+1)重新閉合后Tm(m+1)′被重新置零。

設后備保護從故障發(fā)生到故障完全被隔離用時為ttotal2,則ttotal2包括故障檢測時間tdet2和故障隔離時間tiso;tdet2包括不平衡電壓達到定值的時間、故障電流達到定值的時間tri2、故障確認時間tc和通信延時tdelay,由于后備保護啟動后,其不平衡電流一般已達到定值,故tri2可忽略。考慮1 ms通信延時和2.5 ms的直流斷路器動作時間,該后備保護能在其啟動后3.5 ms內(nèi)將故障隔離。

3.4 遠后備保護設計

若故障后,前述的主保護和后備保護檢測到故障,但直流斷路器發(fā)生拒動或通信系統(tǒng)故障導致故障無法隔離,則啟動遠后備保護。

3.4.1 第一級遠后備保護

首先,定義第一級遠后備保護線路過流信號Sm和不平衡電流過流信號Sm′分別如式(19)和式(20)所示。

(19)

(20)

若Sm=1,則表示m處的保護測得的線路電流過流,反之則不過流。Sm′=0表示m處保護測得的不平衡電流未超過定值,反之則超過定值。

對于直流線路上的任意區(qū)間m到(m+1),其中1≤m≤9,當系統(tǒng)檢測到Tm(m+1)=1(Tm(m+1)′=1),且持續(xù)時間超過tset2,其中tset2>tiso,則表明主保護(后備保護)已判定故障區(qū)間在保護m和(m+1)之間,正常情況下m和(m+1)處的直流斷路器已經(jīng)將故障隔離,應有Sm=Sm+1=0(Sm′=Sm+1′=0)。若Sm(Sm′)和Sm+1(Sm+1′)中任一個不為零,則表示該處直流斷路器拒動,此時令與之相鄰的保護動作。具體動作策略為:若Sm=1(Sm′=1)時,令(m-1)處保護動作;當Sm+1=1(Sm+1′=1)時,則令(m+2)處保護動作。

3.4.2 第二級遠后備保護

前述的主保護、后備保護和第一級遠后備保護都需要通信系統(tǒng)參與來進行故障識別和隔離,若通信系統(tǒng)故障或相關直流斷路器失效,則上述保護失效,此時由第二級遠后備保護完成故障識別和隔離。

第二級遠后備保護通過閉鎖換流站、跳開交流側(cè)的交流斷路器實現(xiàn)。對主換流站VSC1和VSC2引入過流保護和電壓不平衡保護。

過流保護的原理為:當主換流站VSC1和VSC2檢測到系統(tǒng)過流,且持續(xù)時間大于tset3時,閉鎖相應的換流站,并令換流站的交流斷路器跳閘,其中tset3>tset2+tiso。

電壓不平衡保護的原理為:當VSC1和VSC2換流站檢測到電壓不平衡值超過定值Vset(與后備保護定值相同),且持續(xù)時間超過tset3,閉鎖相應換流站并跳開交流側(cè)斷路器。

圖4為保護方案的原理框圖。

3.5 保護與控制策略的配合

保護與控制策略有兩個方面的配合,一是第二級遠后備保護中涉及與控制策略的配合。二是當故障被直流斷路器隔離后,換流站控制策略的切換:故障隔離后,圖1所示的系統(tǒng)從兩端同時供電運行模式變成了兩端隔離運行方式。此時故障區(qū)域的右側(cè)由T2端口供電,由于T2端口采用的是定直流電壓控制方式,因此該區(qū)域仍然能夠維持正常運行;故障的左側(cè)區(qū)域則由T1端口供電,而T1端口在正常運行時采用的是定功率控制,因此故障后該區(qū)域的電壓可能無法維持在正常水平,若該區(qū)域的負荷小于T1傳送的功率值,則該區(qū)域電壓升高,反之電壓降低。要維持該非故障區(qū)域的正常運行需將T1端口的控制策略從定功率控制切換為定直流電壓控制。

T1端口控制策略的切換方式如下:各直流斷路器將其開關狀態(tài)信號Trm傳遞給T1端口,Trm是直流斷路器m所處的狀態(tài),當處于閉合狀態(tài)時Trm=1,反之Trm=0。定義Control為Tr1,Tr2,…,Tr10的“與”運算,即

圖4 保護方案原理Fig.4 Principle of protection scheme

Control=Tr1(AND)Tr2…(AND)Tr10

(21)

當Control=1時,VSC1采用定功率控制;當Control=0時,VSC1采用定直流電壓控制。這樣在直流側(cè)無故障運行時,T1端口運行在定功率控制模式,當直流側(cè)發(fā)生故障后,Control被置為零,T1端口切換到定直流電壓運行模式,從而實現(xiàn)了非故障區(qū)域的正常運行。

4 算例分析

4.1 保護系統(tǒng)相關參數(shù)

在PSCAD/EMTDC中搭建如圖1所示的兩端供電的“手拉手”柔性直流配電系統(tǒng)。直流電纜線路1至5的長度分別為2,15,10,15,2 km,聯(lián)接變壓器接地電阻RT=20 Ω,各換流站的電壓和容量如附錄B表B2所示,電壓和電流的采樣頻率為10 kHz。

正常運行時各端口的負荷和分布式電源出力如附錄B表B3所示。其中,實部表示有功功率(單位為MW),虛部表示無功功率(單位為Mvar),PV表示T3端口連接的光伏電源,Wind表示T5端口連接的風力發(fā)電,T1端口設定的有功出力為3.5 MW。

設計的后備保護能夠保護的最大過渡電阻為100 Ω,根據(jù)式(4)求得Edif,min=1.8 kV,根據(jù)式(13)得If1,min=If2,min=45.5 A。各保護安裝處在正常情況下的最大運行電流如附錄B表B4所示。

以保護4,5,6為例,取Krel1=1.4,Krel2=1.5,Krel3=1.5,根據(jù)式(5)和式(14)可得保護4,5,6處主保護和后備保護電流定值如附錄B表B5所示。設定各級保護的其他主要相關參數(shù)如附錄B表B6所示。

4.2 極間短路故障保護分析

在1 s時刻,對保護5和6之間線路的中點施加極間短路故障,附錄B圖B1(a)給出了保護5處測得的電流值的變化,并對比了不安裝保護情況下的電流值,由圖B1(a)可知保護系統(tǒng)能在故障電流上升到最大值之前將其切除。由附錄B圖B1(b)可知,故障后保護4處也測到了過電流,附錄B圖B1(c)為主保護和后備保護的故障區(qū)間識別函數(shù),該故障由主保護識別,并準確判定故障發(fā)生在保護5和6之間。仿真數(shù)據(jù)顯示,保護5和6在故障后0.3 ms檢測到電流過流,由于采樣頻率為10 kHz,因此故障確認時間tc=0.3 ms,考慮到通信延時時間tdelay為1 ms,直流斷路器5和6在故障后1.6 ms收到跳閘指令,并最終在故障后4.0 ms切斷故障電流,對其他處施加極間短路故障可同理分析。附錄B圖B1(d)表明主保護的高速動作特性使得故障對正常區(qū)域的運行影響很小。

4.3 單極接地故障保護分析

對保護5和6之間的線路3施加正極接地故障,故障時刻為1 s。當故障點過渡電阻為0.01,1,10,100 Ω時,其故障特性分別如附錄B圖B2、圖B3、圖B4和圖B5所示。由圖可見,隨著故障電阻的增大,故障后不平衡電流減小。保護動作參數(shù)如附錄B表B7所示,當過渡電阻較小時,主保護能夠迅速將故障隔離;當過渡電阻較大時,主保護存在不能識別故障的可能,故障將由后備保護識別并隔離,過渡電阻越大,不平衡電壓的上升速度越小,后備保護識別故障的速度也越慢。但此時故障電流很小甚至不過流,例如過渡電阻為10 Ω和100 Ω時,保護5測得的最大線路電流分別為451.6 A和61.7 A,對系統(tǒng)的安全運行影響較小,對保護動作的速動性要求較低,設計的保護能夠滿足系統(tǒng)要求。

4.4 控制系統(tǒng)與保護的配合

根據(jù)附錄B表B3中的數(shù)據(jù),從中壓直流側(cè)來看,T3至T6的等效負荷分別為0.8,3.1,1.98,0.66 MW。若在1 s時刻k3點發(fā)生極間短路故障,保護5和6將故障隔離,此時VSC1換流站向T3和T4端口供電,VSC2換流站向T5和T6端口供電。若不改變控制策略,由于T1端口傳輸?shù)墓β手敌∮赥3和T4端口負荷的需求,因此故障后中壓直流電壓會降低,使電壓偏離正常運行范圍,若采用3.5節(jié)中保護與控制的配合策略,則故障切除后,T3和T4端口仍然能夠維持在額定值附近運行,附錄B圖B6為這兩種情況下VSC1直流側(cè)電壓變化情況。

5 結語

針對“手拉手”多端柔性直流配電網(wǎng),在分析了直流側(cè)故障特性的基礎上設計了一種基于通信系統(tǒng)和直流斷路器的保護方案。主保護采用雙端量識別故障區(qū)間,降低了定值整定的要求,能迅速隔離對系統(tǒng)危害較大的故障;后備保護識別并隔離過渡電阻較大的單極故障,提高了保護原理耐受過渡電阻的能力。主保護和后備保護的通信系統(tǒng)只傳輸電流狀態(tài)值,降低了對通信系統(tǒng)的要求。針對可能出現(xiàn)的保護拒動或通信故障,設計了兩級遠后備保護,并通過保護與控制系統(tǒng)的相互配合,保證了系統(tǒng)運行的可靠性。

本文設計的保護方案在環(huán)狀和網(wǎng)狀結構直流配電網(wǎng)中的應用仍有待進一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Line Protection Schemes for Flexible Medium Voltage DC Distribution Networks

DAIZhihui,GEHongbo,CHENBingyan,JIAOYanjun,WANGZengping

(Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid (North China Electric Power University), Baoding 071003, China)

A new protection scheme for the medium voltage DC line in the “hand-in-hand” multi-terminal flexible DC distribution network is designed based on the communication system and DC circuit breakers. Firstly, the configuration of the flexible DC distribution system and the fault characteristics of the medium voltage DC system are described. Then, a quick-acting main protection scheme is designed for pole-to-pole faults and pole-to-ground faults with low fault resistance. The current information and current state matrix of each relay is used to identify the fault type and fault area to isolate the fault area within 5 ms. Subsequently, a backup protection scheme is designed for possible pole-to-ground faults with high fault resistance. In such cases, the unbalanced voltage is taken as the startup criterion, with the fault area isolated according to the state of the unbalanced current of each relay. Besides, a first-step and a second-step remote backup protection each are designed in case of failures of DC circuit breakers and communication devices. Additionally, the cooperation between the protection system and the control system is taken into consideration to make sure the healthy area is supplied normally. Finally, simulation results in PSCAD/EMTDC verify the effectiveness of the proposed protection scheme.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900203), National Natural Science Foundation of China (No. 51307059), and Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 2017MS096).

DC distribution system; DC circuit breaker; protection scheme; fault isolation; fault identification

2016-10-11;

2017-04-10。

上網(wǎng)日期: 2017-06-20。

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0900203);國家自然科學基金資助項目(51307059);中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2017MS096)。

戴志輝(1980—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)保護與安全控制。E-mail：daihuadian@163.com

葛紅波(1992—),男,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)保護與安全控制。

陳冰研(1993—),男,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)保護與安全控制。

(編輯 蔡靜雯)