戴志辉(1980),男,博士,副教授,研究方向为电力系统保护与控制, daihuadian@163.com;
0 引言
随着分布式电源大量接入和直流负荷的快速增加,以及近年来电力电子技术的迅速发展,直流配电网以在分布式电源接入、线路损耗、传输容量、供电可靠性、电能质量、潮流控制等多方面所具备的优势,引起了国内外的广泛关 注[1-3],被认为是未来配电技术的重要组成部 分[2]。其中,由于多端柔性直流配电系统在供电可靠性方面所具备的明显优势,被视为未来直流配网发展的趋势[4]。
柔性直流系统的直流故障保护作为直流系统可靠稳定运行的关键技术,其发展的不成熟成为制约直流配电技术快速发展和广泛应用的瓶颈。由于直流系统惯性小,直流线路一旦故障,故障过程发展非常迅速,而直流配网中多个换流站出力的叠加加剧了线路过流等故障危害,同时直流配网含有较多不能承受较大电流的电力电子设备,因此故障线路的快速隔离和可靠快速识别是直流配网保护技术的两大重点和难点[2,5-6]。目前,故障线路快速隔离的有效方式包括利用直流断路器和具有直流故障自清除能力的换流器,虽然两者尚未商业化应用,但理论研究日趋完善和成 熟[7-8]。而故障线路的可靠快速识别虽已有文献做了相关研究,但仍存在着理论不完备、缺乏普遍适用的整定原则、整定依赖于仿真结果等问题[5]。
根据是否基于通信,现有的柔性直流配电网保护分为单端量保护和双端量保护[9]。基于单端量的保护不需通信、能实现快速动作。如文献[4]基于电抗器对电流高频分量具有吸收、阻滞作用的特点提出了基于直流线路两端装设的直流电抗器的直流线路保护原理及方案,利用保护安装处电流高频暂态能量的大小来区分区、内外故障;通过小波变换提取区内外故障暂态特征差异,并利用直流电抗器压降判据实现保护的方向性,降低定值整定难度;文献[10]利用限流电抗器上的电压变化率大小和极性确定故障区间,利用检测到的零模故障分量的多少确定故障极,但上述两篇文献中阈值均通过仿真确定。文献[11]针对基于两电平电压源换流器(voltage source converter,VSC)的多端直流系统,利用故障后线路电流一次和二次电流变化率的初始值构造保护判据,能够快速识别故障线路。
基于双端量的保护一定程度上避免了单端量保护的阈值整定问题,并提高了保护灵敏度。但其依赖于通讯,降低了保护的快速性。文献[12]在线路两端附加电感以构造区分线路保护区内远端和区外近端的边界,同时利用母线处电流变化率的最值判断故障位置并将判断信息传递给相邻母线,以确定故障线路和母线。文献[13]针对多端柔性直流配电系统设计了完备的保护方案,其中速动保护依靠线路电流的大小和方向判断故障类型和故障区间,后备保护依据正负极不平衡电流识别高阻故障。此外,不同于上述基于故障电流、电压等电气量的保护,文献[14-15]提出了识别系统参数值以区分区内、外故障的保护思路,但均基于两端直流系统,且柔性直流配网与直流输电网相比拓扑结构复杂、节点多,基于参数识别的保护原理在柔性直流配电网中的应用有待研究。已有文献多是针对基于两电平电压源换流器或模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流配网制定保护方案,且多为两端型直流配网线路的保护方案。考虑经济、技术等因素,柔性直流配电工程可采用MMC与VSC共存的混合式多端换流器的环状拓扑结构[16],因此有必要研究适用的保护方案。
针对MMC、VSC混合式环状多端柔性直流配网中压直流线路的保护问题,本文首先分析了直流线路故障的故障特性,并在中压直流线路两端装有附加电感的前提下,构造了基于故障后附加电感电压初始值的故障识别判据。分析了故障时系统的零模、一模和复合模量图,提出了故障后附加电感电压初始值的计算方法及保护阈值整定依据和计算方法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建环状多端柔性直流配电系统模型,通过仿真测试,验证了本文所提故障后附加电感电压初始值计算方法的正确性和所设计的线路保护方法的有效性。
1 系统配置
1.1 拓扑结构及控制策略
本文所研究的环状多端柔性直流配网的拓扑结构如
系统采用基于主从控制的单点定电压控制,MMC2采用定直流电压控制,MMC1采用定功率控制,其余4个换流站连接中压直流母线和低压直流母线或交流母线,交直流负荷和分布式电源连接在低压配电网中。T3和T6端口为直流变压器(direct current transformer,DCT),采用双有源桥式直流变
图1
环状多端柔性直流配电网
Fig. 1
Ring multi-terminal flexible DC distribution network
压器,控制方式为单移相控制,通过控制移相比来控制低压侧电压分别稳定在±750V和±400V。其中,T3端口所连低压母线含直流负荷及光伏电源,故T3端口潮流能双向流动;T6端口所连低压直流母线仅有直、交流负荷,潮流从中压直流母线向低压直流母线单向流动;T4和T5为三相两电平电压源换流器站(VSC),采用基于PI调节器的定交流侧电压控制将±10kV直流电转换为10kV的交流电,其中交流负荷接入T4端口所连交流母线,交流负荷和风机接入T5所连交流母线。
直流配网采用环状拓扑,当中压直流线路故障时,由故障线路两端断路器隔离故障后,系统转换为两端和链式供电,供电可靠性高。
1.2 保护配置
中压直流侧保护装置的配置如
1.3 接地方式
接地点有直流侧电容接地点(对于MMC直流侧正负极经大电阻接地)和换流变压器接地点[17]。
1.3.1 直流侧接地点配置
为降低线路对绝缘水平的要求,本文采用直流正负极对称运行,为确保正常运行时正负极电压对称和平衡,MMC直流侧经大电阻接地,T3-T6端口直流侧电容采用分裂电容中点直接接地。
1.3.2 换流变压器接地配置
为限制单极接地故障后交流侧流向直流侧的故障电流和MMC桥臂子模块电容的放电,本文T1、T2、T4、T5端口的换流变压器均采用换流器侧角接、另一侧星型直接接地(YNd-11)。
2 故障特性
中压直流线路任一点故障,由于电缆线路阻抗小,故障发展迅速;同时由于各端口出力叠加,线路过流严重。因此,本文在各条线路两端附加电抗器以限制故障电流上升速度,同时将两侧电抗器作为线路保护区的边界,并利用故障后附加电感两端电压初始值识别区内外故障和判断故障极。
2.1 线路故障后换流器的等效模型
现有较多文献对MMC或VSC单极接地故障或双极短路故障进行了研究,由于故障回路具有非线性特性,常对故障过程进行分阶段分析。例如文献[11,18]指出,VSC直流侧极间短路时,故障过程可划分为电容放电和二极管续流两阶段;单极接地故障时,故障过程包括故障极电容放电非故障极充电阶段和故障稳定阶段,为避免VSC各桥臂上反并联二极管过流,保护应在电容放电结束前动作。与VSC类似,故障初期,DCT直流侧并联电容向故障点放电。基于钳位双子模块的MMC故障过程包括闭锁前电容放电过程和闭锁后交流系统向直流系统馈流过程,文献[19]研究了MMC在故障后电容放电的等值回路,将MMC等效为电容和电感的串联电路。为了保护换流器内部的电力电子器件,保护应该在VSC电容放电结束前尽快动 作[11,18-19]。因此,短路初始阶段主要是由于MMC桥臂子模块电容放电和VSC直流侧并联电容放电造成过流,且保护应在放电结束前动作。在研究该阶段故障特性时,可将MMC等效为电容和电感的串联回路,如
图2
换流器等效模型
Fig. 2
Equivalent circuit of converter after fault
2.2 系统的模分量网络
当中压直流线路发生双极短路时,MMC1和MMC2桥臂电容和T3-T6端口直流侧并联电容分别向故障点放电,正负极电气量对称。当线路发生单极故障时,T3-T6端口直流侧正极电容向故障点放电,由于MMC侧换流变阀侧采用角接,T1-T2端口MMC桥臂电容不能与故障点构成放电回路,但会通过故障点向T3-T6端口负极电容充电,以维持直流电压稳定。此时,正负极电流不对称,正极线路上的电流不仅包括T3-T6端口正极电容向故障点的放电电流还包括T1-T2端口MMC通过故障点向其他四端负极电容的充电电流。
由上述分析知,单极接地故障时正负极电气量不对称,文献[15,20]构造了一种适用于直流线路的相模解耦矩阵,如式(1)所示。利用此解耦矩阵可将故障后不对称的正、负极电气量分别分解为对称的一模和零模分量。在分别计算一模和零模电气量后,可利用此矩阵的逆矩阵合成待求的极电气量。
$\mathbf{S}=\frac{1}{2}\left[ \begin{matrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \\\end{matrix} \right]$ (1)
$\left[ \begin{matrix}{{x}_{1}} \\ {{x}_{0}} \\\end{matrix} \right]=\mathbf{S}\left[ \begin{matrix} {{x}_{\text{p}}} \\ {{x}_{\text{n}}} \\\end{matrix} \right]$ (2)
式中：
零模电气量仅保留正负极电气量中同方向性质的成分,对应于零模电流,即在正负极的流通方向相同,不能在两极线路中形成环流,只能流入大地;因此零模网络的结构与变压器接地方式和直流侧电容接地方式有关。一模电气量仅保留正负极电气量中相反方向的成分,对应于一模电流,即在正负极的流通方向相反,在两条极线中形成环流,不会流经大地[20]。
本文对故障后电路的理论分析中的变量命名规则如下,
以在f1处发生单极经电阻接地故障为例,其可等效为系统在$\text{{f}'1}$处正极直接接地,如
由2.1节可知,VSC等效为两个
图3
f1点单极经过渡电阻接地故障
Fig. 3
Pole-to-ground fault by fault resistance at f1
由上述分析知,系统的一模网络如
图4
f1点故障后系统的一模网络
Fig. 4
1-model network of system after fault at f1
图中,
图5
f1点故障后
由系统的接地方案可知,系统的零模网络如
图6
f1点故障后
在$\text{{f}'1}$点处,由边界条件知正极电压为0,负极对地电流为零并结合式(1),得：
$\left\{ \begin{align} {{u}_{\text{f1}}}+{{u}_{\text{f}0}}=0 \\ {{i}_{\text{f}1}}-{{i}_{\text{f}0}}=0 \\\end{align} \right.$ (3)
式中：
图7
f1点故障后
图中
若线路发生负极接地故障,分析过程与正极接地故障类似,且由于直流配电系统双极对称运行,发生正极接地故障时的正(负)极线路上的附加电感电压初始值与同一断面处发生负极接地故障时的负(正)极线路上的附加电感电压初始值数值相同。
若线路发生双极故障,正负极线路的电气量具有对称性,系统零模电气量为0,一模网络即复合模量网络图,可求得电感电压初始值,不再赘述。
当线路2和线路6发生故障时,系统的复合模量网络分别如
图8
f2点故障后
图9
f6点故障后
由上述分析可知,当任一中压直流线路上故障时,故障时刻从故障线路两端最近的VSC向非故障方向看进去的电网可等效为理想电压源,从该VSC外侧的正常线路向故障线路看过去的电网也可等效为理想电压源。故障后的网络可根据故障点和VSC的位置分为两个区域,从故障点向左右两侧延伸至第一个VSC处为区域A;其余线路和端口为区域B,两区域以距离故障点最近的VSC为边界。求解区域A内的线路电感电压时,由上述分析可知,区域B可由理想电压源代替,因此,区域A内的线路电感电压不受区域B的影响。同理,求解区域B内的线路电感电压时,也不受区域A的影响,即区域A和区域B内的电感电压初始值可独立计算。对于区域B,VSC及其以外的电路可等效为电压为
因此,故障后线路电感电压初始值不为0的区域为从故障点向左右两侧延伸至第一个VSC处,且该区域与VSC背侧区域在计算电感电压初始值时可独立计算,即VSC起到了故障计算过程中“等效隔断”的作用,有利于降低复杂系统的计算复杂度。此外,由于故障前过渡电阻上没有电流流过,过渡电阻在
2.3 故障特征分析
2.3.1 故障后附加电感电压初始值求解
f1处发生故障后,系统模量网络如
式中：
由式(4)知,
式中
同理可得
当线路1发生双极短路故障时,可按照上述所提原则和方法计算线路1两端附加电感电压初始值,如式(8)所示：
$\left\{ \begin{align} {{u}_{\text{L}1.6\text{p }\!\!\_\!\!\text{ ipn}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{L}1.6\text{n }\!\!\_\!\!\text{ ipn}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{c}}}({{0}^{+}}){{L}_{1.6}}/{{L}_{6\text{f}}} \\ {{u}_{\text{L}1.1\text{p }\!\!\_\!\!\text{ ipn}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{L}1.1\text{n }\!\!\_\!\!\text{ ipn}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{c}}}({{0}^{+}}){{L}_{1.1}}/{{L}_{\text{3f }\!\!\_\!\!\text{ 1}}} \\ \end{align} \right.$ (8)
式中
2.3.2 区内外附加电感电压初始值的大小关系
当故障发生在线路1上时,对于线路1两端的保护为区内故障,根据故障点又可以分为本极单极故障、对极单极故障和双极故障,以f1处发生正极接地故障为例分析。由式(6)—(8)可知,对于线路1正极两端保护安装处附加电感电压初始值,当线路1发生双极短路故障时大于等于正极单极接地故障、大于负极单极接地故障;并且无论哪种故障类型,随着
${{u}_{\text{L}1.6\text{p}\_\text{ipmin}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{c}}}({{0}^{+}})\frac{{{L}_{1.6}}}{{{L}_{1.6}}+{{L}_{\text{c}1}}}$ (9)
\(\begin{align} {{u}_{\text{L}1.6\text{p }\!\!\_\!\!\text{ inmax}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{L}1.6\text{n }\!\!\_\!\!\text{ ipmax}}}({{0}^{+}}\text{)}= \\ \text{ }{{u}_{\text{c}}}({{0}^{+}})({{L}_{\text{eq1}}}-{{L}_{\text{eq2}}})/({{L}_{\text{eq1}}}+{{L}_{\text{eq2}}}) \\ \end{align}\) (10)
可知,
当故障发生在除线路1外其他线路上时,对于线路1两端的保护为区外故障,根据故障点与断路器的位置关系,又可分为正向区外故障和反向区外故障。由2.2节可知,VSC具有“等效隔断”的作用。因此,只有当故障发生在线路2时,线路1两端附加电感电压初始值不为0,而其他线路(线路 3—线路6)发生故障时线路1两端附加电感电压初始值都为0。当线路2发生故障时,对于保护P1.6p为正向区外故障,对于保护P1.1p为反向区外故障,发生正极接地故障时,线路1两端附加电感电压初始值如式(11)所示。式中,
\(\left\{ \begin{align} {{L}_{\text{eq5}}}={{L}_{\text{3f2}}}\parallel {{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 1}}}=({{L}_{2.3}}+{{L}_{\text{c2}}}-{{L}_{\text{f2}}})\parallel \\ \text{ }\!\![\!\!\text{ }{{L}_{\text{s1}}}\parallel ({{L}_{\text{eq}}}/2)+{{L}_{2.1}}+{{L}_{\text{f2}}}] \\ {{L}_{\text{eq6}}}={{L}_{\text{3f2}}}\parallel {{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 0}}}=({{L}_{2.3}}+{{L}_{\text{c2}}}-{{L}_{\text{f2}}})\parallel \\ \text{ (}{{L}_{\text{s1}}}+{{L}_{2.1}}+{{L}_{\text{f2}}}\text{) } \\ \end{align} \right.\) (12)
当线路2发生负极单极接地故障时,由2.2节分析可得：
\(\left\{ \begin{align} {{u}_{\text{L}1.6\text{p }\!\!\_\!\!\text{ on}}}={{u}_{\text{L1}\text{.6n }\!\!\_\!\!\text{ op}}} \\ {{u}_{\text{L}1.6\text{n }\!\!\_\!\!\text{ on}}}={{u}_{\text{L1}\text{.6p }\!\!\_\!\!\text{ op}}} \\ {{u}_{\text{L1}\text{.1p }\!\!\_\!\!\text{ on}}}=-{{u}_{\text{L1}\text{.6p }\!\!\_\!\!\text{ on}}} \\ {{u}_{\text{L1}\text{.1n }\!\!\_\!\!\text{ on}}}=-{{u}_{\text{L1}\text{.6n }\!\!\_\!\!\text{ on}}} \\ \end{align} \right.\) (13)
式中
当线路2发生双极短路故障时,线路1两端附加电感电压初始值如式(14)所示：
\(\left\{ \begin{align} {{u}_{\text{L}1.6\text{p }\!\!\_\!\!\text{ opn}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{L}1.6\text{n }\!\!\_\!\!\text{ opn}}}({{0}^{+}})= \\ \text{ }{{u}_{\text{c}}}({{0}^{+}}){{L}_{1.6}}[{{L}_{s1}}\parallel ({{L}_{\text{eq}}}/2)]/({{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 1}}}{{L}_{s1}}) \\ {{u}_{\text{L}1.1\text{p }\!\!\_\!\!\text{ opn}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{L}11.\text{n }\!\!\_\!\!\text{ opn}}}({{0}^{+}})=-{{u}_{\text{L}1.6\text{p }\!\!\_\!\!\text{ opn}}}({{0}^{+}}) \\ \end{align} \right.\) (14)
可知,发生正向区外双极故障时附加电感电压初始值为正数,发生反向区外双极故障时附加电感电压初始值为负数。
因此,当发生正向区外双极故障、正向区外本极单极故障和反向区外对极单极故障时,保护安装出附加电感电压初始值为正值,即区外故障时保护处附加电感电压初始值只可能在上述3种故障情况下取得最大值。
由式(11)—(14)可知,对于线路1两端保护安装处附加电感电压初始值,正向区外本极单极故障和反向区外对极单极故障大于区外双极故障。同时,无论发生上述哪种故障类型,线路1两端附加电感电压初始值随着
\(\begin{align} {{u}_{\text{L}1.6\text{p }\!\!\_\!\!\text{ omax}}}({{0}^{+}})= \\ \text{ }\frac{{{L}_{1.6}}\{({{L}_{\text{s2}}}/{{L}_{\text{s1}}}+2)[{{L}_{\text{s1}}}\parallel ({{L}_{\text{eq}}}\text{/}2)]+{{L}_{\text{s2}}}\}}{{{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 0}}}[{{L}_{\text{s2}}}+{{L}_{\text{s1}}}\parallel ({{L}_{\text{eq}}}\text{/}2)]+{{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 1}}}({{L}_{\text{s2}}}+{{L}_{\text{s1}}})} \\ \end{align}\) (15)
${{u}_{\text{L}1\text{1p }\!\!\_\!\!\text{ omax}}}({{0}^{+}})={{u}_{\text{L}1\text{6p }\!\!\_\!\!\text{ omax}}}({{0}^{+}})$ (16)
$\left\{ \begin{align} {{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 0}}}={{L}_{\text{s1}}}+{{L}_{21}} \\ {{L}_{\text{6f2 }\!\!\_\!\!\text{ 1}}}={{L}_{\text{s1}}}\parallel ({{L}_{\text{eq}}}/2)+{{L}_{21}} \\ \end{align} \right.$ (17)
可证明在线路两端附加电感的前提下,
对于其它位置的保护可采用同样的思路分析,不再赘述。上述分析均不是针对固定值的附加电感,因此本保护对附加电感的大小没有要求。附加电感的取值应与系统耐故障冲击电流的水平和系统稳定性等要求相匹配。
3 直流线路保护方案
3.1 区内外故障识别依据
根据中压直流线路两端所连换流器的类型,中压直流线路可以分为两种：一种为MMC-VSC(M-V)之间的线路,以下简称“I型线路”;另一种为VSC-VSC(V-V)间线路,以下简称“II型线路”。
对于I型线路的保护,根据第2节分析可知,在安装附加电感的前提下,区内本极故障时线路本极两端附加电感电压初始值的最小值大于区外故障时线路两端本极附加电感电压初始值的最大值。
对于II型线路的保护,当发生区外故障时,由2.2节分析可知,故障后
由上述分析知,任一线路发生区内本极故障时测得的电感电压初始值均大于区外故障时测得的电感电压初始值,因此线路附加电感电压初始值可作为判断故障发生位置的特征量。
3.2 故障识别判据及阈值整定
由3.1节分析,本文设计如式(18)所述的基于附加电感电压初始值的故障位置识别判据：
\({{S}_{m.n\text{pt}}}=({{u}_{Lm.n\text{p}}}>{{U}_{m.n\text{pset}}})({{u}_{Lm.n\text{n}}}>{{U}_{m.n\text{n}}}_{\text{set}})\) (18)
式中,
如上所述,利用故障后线路上附加电感电压初始值的大小,并设置合适的故障识别阈值,能可靠识别区内、外故障。其中,故障识别阈值的整定原则：躲过区外故障时保护安装处附加电感可能出现的最大初始电压,如式(19)所示。并用区内本极故障时保护安装处附加电感可能出现的最小值除以整定值来检验保护的灵敏性,如式(20)所示。
\({{U}_{k}}_{\text{set}}={{K}_{\text{rel}}}{{u}_{k\text{ }\!\!\_\!\!\text{ omax}}}\) (19)
\({{K}_{k\text{sen}}}={{u}_{k\text{ }\!\!\_\!\!\text{ ikmin}}}/{{U}_{k}}_{\text{set}}\) (20)
式中：
因此,故障识别阈值可按以下步骤整定：
1）由2.3节所述原理和方法分别计算区外故障时保护安装处电感电压初始值的最大值
2）按上述整定原则即式(19)整定保护阈值,并按式(20)校验保护的灵敏性。
3.3 故障选极依据
对于I型线路,根据第2节分析可知,区内本极故障时线路两端附加电感电压初始值的最小值大于区内对极单极故障时线路两端附加电感电压初始值的最大值。
对于II型线路的保护,当发生区内对极单极故障时,由于VSC等效模型中无电感且存在接地点,本极线路两端附加电感电压初始值为零。因此,区内本极故障时线路本极两端附加电感电压初始值的最小值大于区内对极单极故障时线路两端附加电感电压初始值的最大值。
由上述分析知,任一线路发生区内本极故障时测得的本极电感电压初始值均大于区内对极故障时测得的本极电感电压初始值。因此,线路附加电感电压初始值可作为判断故障极的特征量。
3.4 选极判据及阈值整定
由上节分析,本文设计如式(21)所述的基于附加电感电压初始值的故障选极判据：
\({{S}_{m.n\text{c}}}={{S}_{m.n\text{pt}}}({{u}_{Lm.nk}}>{{U}_{m.n\text{cset}}})\) (21)
式中：
当
故障选极阈值整定原则：躲过区内对极故障时本极保护测量值的最大值。本文采用区内对极故障时电感电压的最大值与区内本极故障时电感电压的最小值的均值作为故障选极阈值,如式(22)所示：
${{U}_{m.n\text{cset}}}=({{u}_{k\text{ }\!\!\_\!\!\text{ i}k\min }}+{{u}_{k\text{ }\!\!\_\!\!\text{ i}\overline{k}\text{max}}})/2$ (22)
式中：
3.5 采样频率
考虑到采样频率越高,故障发生后,保护测得的电感电压值越接近于
4 仿真验证
本文在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建如
以线路1两端正极的保护P1.1p和P1.6p为例,根据第3节所提计算方法及整定原则,可整定故障识别和选极阈值如
表1
保护P1.6故障识别及选极阈值整定
Tab. 1
Fault identification and pole-selection threshold setting of P1.6
L5的长度均为5km,L3、L6的长度为10km;单位长度线路电阻为0.083Ω/km,单位长度线路电感为0.78mH/km。
根据第3节整定原则,当
4.1 区内故障
4.1.1 两极短路故障
该算例假设在线路Line 1中点发生两极短路故障,故障时刻为
图10
线路1双极故障时故障特性
Fig. 10
Fault characteristics after a bipolar fault on Line 1
如
4.1.2 单极接地故障
该算例假设在线路 Line 1 中点发生正极经 5Ω过渡电阻接地故障,其它设定同4.1.1节,仿真结果如
图11
线路1单极故障时故障特性
Fig. 11
Fault characteristics after ground fault on Line 1
4.2 区外故障
该算例分别假设在f2、f6处发生区外单极接地故障,其它设定与 4.1 节中相同,验证保护方案的选择性,相应的仿真结果如
如
如
小于其保护阈值,因此P1.6和P1.1处保护均判断故障发生在区外,不动作。
图12
f2处故障时故障特性
Fig. 12
Fault characteristics after fault at f2
图13
f6处故障时故障特性
Fig. 13
Fault characteristics after fault at f6
4.3 过渡电阻的影响
为验证不同故障点、故障类型及不同过渡电阻下保护的动作情况,设置以下故障场景,仿真结果如
随着故障过渡电阻的增大,即使存在20Ω的过渡电阻,本文所设计的保护判据依然能够可靠动作,具有较强的耐受过渡电阻能力。
表2
不同区内故障场景下保护动作情况
Tab. 2
Protection actions under different internal faults
5 结论
本文针对MMC、 VSC混合型的环状多端柔性直流配网设计了基于单端量的线路保护方法：在
中压直流线路两端安装附加电感的前提下,利用区内本极、区内对极及区外故障时线路附加电感电压初始值的差异,构造了选极和保护的判据,并提出
了相应的定值整定方法,实现了中压直流线路的单端量保护。本文所提保护方法具有以下优点：
1）基于单端量即可实现保护功能,不需要两端通信,可有效减小由通讯系统带来的时延及其对保护可靠性的影响。
2）保护和选极的阈值整定具有理论依据,不依赖于仿真计算,具有较高的可靠性。
3）保护判据简单,易于实现,且对计算速度的要求低,故障时别速度快。
4）具有较强的抗过渡电阻能力。
本保护中,采样频率越高,越利于采集故障初始时刻的实际值,保护和选极判据效果越好,耐受过渡电阻的能力越强。同时,当VSC直流侧采用分裂电容经电阻接地时,由于会加快附加电感电压的下降速度,为降低保护采样频率要求,可进一步在复杂多阶系统中求解附加电感电压的暂态变化规律。
参考文献
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