直流配电网保护配置研究

宋作伦

山东省郓城县洪达化工有限公司 274700

摘要：所谓的前加速保护就在线路发生故障的时候，离电源比较近的保护先无选择性动作，并通过重合闸来纠正该错误。为了满足直流配电网对于速动性的要求，本文引入了交流电网中前加速保护的概念，以到达直流配电网对于速动性的要求。主要通过两次判据，来判别线路是否需要进行前加速保护，前加速保护动作后，再经过一定延时后可以利用通信去纠正断路器的一些错误动作，并判断该故障是瞬时性故障还是永久性故障，最终到达一个完整的前加速保护方案。

关键词：直流；配电网；前加速保护；故障

0 引言

随着现在生活水平在不断提升，相应的在能源方面的需求在不断增大，目前暴露了一个很严重的问题，那就是能源资源的短缺，随着化石能源在不断被消耗，开发新能源的任务得到了国内外的广泛关注，新能源的合理开发及有效使用决定了人们未来的生活和发展。因此我们的国家从保障能源安全的角度出发，推动新能源技术研发，大力倡导新能源和可再生资源的利用，通过能源结构调整促进经济高质量发展，从而保障经济社会的稳定和可持续发展。目前太阳能和风能是我国正在大规模开发使用的主要新能源。太阳能发电发出来的都是直流电，如果要把这部分直流电并到交流电网中去要经过多次电能的转换，在这个过程中会造成很大一部分的电能损失。而且随着现代社会用电负荷的不断增加，传统交流电网线路损耗大、供电能力不足、输电距离受限、稳定性较差等各方面的问题越来越明显。未来电网中分布式电源将会和传统能源一样重要，电网将不再是简单的能量传输工具，而是一个综合能量管理系统。通过直流配电网的引入可以解决分布式电源接入给电网带来的问题。

1 直流配电系统的拓扑结构分析

不同于传统交流配电系统，直流配电系统由于不存在电磁环网等问题，可以根据需要灵活地设计网络拓扑结构。国内外学者提出的直流配电系统结构主要有放射状、两端供电和环状^[1]，分别如图1至图2所示。

(1)放射状直流配电系统

放射状系统结构只有一个交流系统，每个负荷只通过一条母线对其供电，是直流配电系统中最典型的拓扑结构。放射状结构的主要优点有：1)结构简单；2)易于实现保护配置；3)运行方式方便且投资少。但是放射状结构可靠性不高，这是它最大的缺点，这种结构适用于居民用电。

图1 放射状直流配电系统拓扑结构

(2)两端供电直流配电系统

两端供电系统结构有两个交流系统，正常运行时电流流向是从交流系统出发流经换流站，然后利用直流母线单向对负荷供电，是介于放射状与环状之间的一种结构。它的供电可靠性比放射状高，但保护配置与控制方式则更加复杂。

图2 两端供电直流配电系统拓扑结构

(3)环状直流配电系统

与放射状结构和两端供电结构相比，环状结构的供电可靠性最高，这是它最显著的优点。同时环状结构含有多种不同电压等级的直流母线和供电线路，便于分布式电源及其储能装置接入，是配电系统日益成熟发展的主要可选选项，适用于对可靠性要求极高的军用场合。但是环状结构较为复杂，系统的整体控制和故障识别等方面难度较大^[2-3]，且投资成本高。

图3 环状直流配电系统拓扑结构

2 直流配电网前加速两次启动判据

将前加速保护引入直流配电网中有两个基本要求：首先引入前加速保护方案后不能使系统原有的稳定性降低；第二点就是前加速保护要对直流配电网产生有利的影响，最差的效果也是维持原状。将加速思想引入直流配电网需在线路源侧加设前加速保护装置。

先给线路定义一个正方向，规定正极线路的正方向是从母线流到线路侧，而负极线路的正方向是从线路侧流到母线，选择10kHz作为采用频率，因为前加速的第一次判断是没有选择性的，所以不会启动判据就尤为重要，因此本课题将两次判据作为前加速保护的启动判据。

2.1第一次启动判据

直流配电网正常运行状态下，认为电压和电流的波动范围在 或 之间。结合故障特性，并为了躲避稳态情况，认为电流升高超出10%，电压降低高于10%时，即认为满足第一次启动判据。故障发生时，最明显的特征是直流线路故障电流急剧增大，故障电流远远大于负载电流，利用故障电流大于最大负载电流这一特性作为启动保护的判据。为了避免直流配电系统的非故障干扰，引入了可靠性系数 。一方面，选择较大的 值，保证保护可靠运行，另一方面，为了正确识别高阻故障，应选择相对较小的 值。所以本文选取的 值为1.1。为了防止故障线路对非故障线路的耦合，从而使得非故障线路电流提升的误动，引入电压衰减这一特征，故障线路电压也会迅速衰减，引入了可靠性系数 。一方面，选择较大的 值，保证系统发生故障可以快速启动前加速保护，另一方面，为了避免系统正常运行的波动，应选择相对较小的 值。所以本文选取的 值为0.9,第一次启动判据如公式(1)所示，一次判据只要采集的一点的电压电流同时满足判据要求，此时第--级判据启动，进入第二级判据。

（1）

2.2第二次启动判据

第一次判据成功启动后，此时说明系统发生故障或者不正常运行，此时需要进入第二次判据，进一步筛选非故障情况，比如雷击现象有可能满足第一级启动判据，但是雷击往往经过0.lms的时间会自动消除，如果此时启动前加速保护使断路器发生了动作，会造成系统的运行不稳定，此时前加速保护方案对系统产生负面影响。不同类型的故障造成电流和电压变化程度也不同，极间故障造成的后果最为严重，为了确保第二次启动判据可以准确识别单极高阻接地故障，本文选择100Ω过渡电阻的单级故障特征量作为基准值参考值。第二次启动判据主要利用电压电流平均值，考虑到故障后伴随着谐波，噪声等，单一点的判据可靠性不足。但是故障特征的趋势不变，因此选择一段时间的电气量平均值作为启动判据。满足一级启动判据故障后，连续采集10个点，N取10,此时计算采集到的线路电流和电压的平均值。此时选择的是系统线路单极故障高阻接地对应的故障电流以及相应的电压值为基准值，引入了可靠性系数 和 。本文选取的_为0.9， 的值选取为1.1，第二次启动判据如公式（2）所示，此时可以有效排除一部分非正常情况，也就意味着可靠的启动判据可以为前加速增加一定的选择性。

（2）

本文在送端AR计算是否启动判据，如果两次启动判据也满足，则AR预判发生故障，同时AR将预判结果传递受端AR，如无特殊说明, 假设通信延时为0.1 ms，送端AR在延迟0.1 ms后给DCCB跳闸指令，受端在接收到跳闸直流即刻给对应的DCCB指令。经过仿真分析计算发现，考虑到不同过渡电阻及不同故障位置的单极和极间故障，知在故障后0.4ms内第一次启动判据满足。第二次启动判据需要0.5ms的时间窗,因此可以认为本文提出的加速保护启动会在故障后1ms动作。在仿真发现故障1ms后，换流器中的电力电子器件可以耐受故障电流，因此加速保护下换流器不用闭锁。

3 永久性瞬时性故障判别

重合闸重启原则，先启动送端一侧DCCB，经过5ms延迟启动受端一侧DCCB，可以有效降低产生的电压应力^[4]。由于仅仅启动一侧DCCB，无论故障是否消除，此时电流都无法传输到对侧，无法利用电流信息识别，因此本文从电压的角度出发。两侧DCCB合闸有间隔，考虑如果是永久性故障，有故障类型、故障区域的算法计算需求以及进一步有选择性跳闸的延迟需要，因此本文选择时间窗为3ms，留有2ms的时间裕度。瞬时性故障在DCCB合闸之前已经消失，因此永久性和瞬时性故障在送端DCCB合闸期间有不同的电压特性。合闸后，送端AR采集到的电压迅速上升，电压抬升至母线电压，此时认为是瞬时性故障，否则是永久性故障。如果识别是瞬时性故障，此时另一侧DCCB可以成功合闸；如果识别是永久性故障，则此时需要进行推迟另一侧DCCB合闸，进一步判断故障类型和故障区域，进行二次动作。

重合闸判据：如式（3）所示，其中k_Reclose值取为0.85，N_Re值是3ms数据窗的数据点，为60。

对重合闸启动后3ms内电压值进行求和，如果满足判据此时发生了永久性故障。其中U_bus是正常运行母线电压，U_P和U_N分别是正极和负极送端采集的电压。

目前，大多数变电站选择微机备自投装置来进行备用电源的切换，该类型装置可以用于线路进线备自投和母联备自投中，保证变电站的稳定运行。在实际运行当中对于主变备自投的保护装置较少，在运维时应需特别注意如下一些事项。

（1）断路器合闸时间的整定。备自投在进行运行方式的切换时，由于过程较为复杂，受外部的影响较大，对于断路器合闸时间等参数，应根据断路器的一些特性来进行确定，在根据现场实时的相角、频率、幅值等变化规律计算母线残压及电源电压第一次相位重合时的时间，合闸回路总的时间应应等到和该时间比较接近的时候发出重合闸命令，进而保障运行的可靠与稳定性。

（2）主变备自投的使用范围。一般来说，可以用微机备自投来给主变的安全运行提供保障，但在实际使用中，主变备自投与主变之间是存在一定的差异的，从而不能充分发挥备自投的作用。基于此，主变备自投一般只适合用于两圈变压器中，且其只有在主变高压侧闭合的时候才会发挥作用。

（3）备自投实际运维时应考虑运行成本问题。从本质的角度来看，主变备自投的低压侧开关其实可以看做是进线备自投，而主变的台数可以看做低压侧母线的进线回路数。运维人员在进行备自投的切换时根据操作流程首先会闭合主变高压侧的开关，以保证变电站的备用主变处在热备用状态，但经过此操作将会使备用主变处于空载运行状态，从而增加系统中的损耗，会较大地增加系统的运行成本，故这个问题在备自投运维时应考虑进去。

4结语

随着经济的飞速发展，现代社会用电负荷不断增加，传统交流电网线路损耗大、输电距离受限、供电能力不足、稳定性较差等问题越来越明显。但直流电网没有上述问题，其没有频率偏移和三相不对称的现象出现，因而被广泛关注。

相比与交流配电网，直流配电网对于速动性的要求更高，主要是为了保证能够在故障发生时可以尽可能少的损坏电力电子设备。所谓的前加速保护就在线路发生故障的时候，离电源比较近的保护先无选择性动作，并通过重合闸来纠正该错误。为了满足直流配电网对于速动性的要求，本文引入了交流电网中前加速保护的概念，以到达直流配电网对于速动性的要求。主要通过两次判据，来判别线路是否需要进行前加速保护，前加速保护动作后，再经过一定延时后可以利用通信去纠正断路器的一些错误动作，并判断该故障是瞬时性故障还是永久性故障，最终到达一个完整的前加速保护方案。

参考文献

[1]周钰,张浩,陈锐,鲁丽娟,施世鸿.直流微电网控制保护策略研究[J].南方能源建设,2020,7(04):61-66.

[2]张章,胡源,罗涛,吕家乐,王璐瑶,吴在军.中压直流配电系统保护技术研究综述[J].电测与仪表,2020,57(23):109-118.

[3]秦文康. 柔性直流配网接地保护的研究[D].浙江大学,2020.

[4]戴志辉,黄敏,苏怀波,焦彦军.环状柔直配网线路的单端量保护原理[J].中国电机工程学报,2018,38(23):6825-6836+7117.

[5]肖业湘,杨丽茹,赵金洋.含分布式电源直流配网保护研究[J].电子世界,2017(10):116-119.

[6]谢志远. 交直流混合微网保护方案研究[D].东北大学,2017.

[7]薛士敏,齐金龙,刘冲.直流微网保护综述[J].中国电机工程学报,2016,36(13):3404-3412+3359.

2