基于多重綜合判據的單端MMC直流配電網單極接地保護方法

張偉，方永麗，孫碩，姜華，曹亞非，沈興來

(1.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210008；2.中國礦業大學 電氣工程學院，江蘇 徐州221116；3.國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000)

與交流配電網相比，直流配電網在線路損耗、電能質量、功率密度、相位、頻率等方面都具有較大的優勢，且便于新能源和充電樁等直流負荷的接入，具有良好的應用前景[1-4]?；谀K化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的直流配電網，因控制靈活、可向無源網絡供電、具備故障自清除能力等優勢，成為直流配電網方面的研究熱點[5-7]。為了提高供電可靠性，直流配電網一般采取直流側經鉗位電阻接地方式。該接地方式與交流配電網的小電流接地方式類似，當直流饋線發生單極接地故障時，配電網能夠帶故障持續運行一段時間[6-12]。但是在鉗位電阻接地方式下，單極接地故障時故障電流很小，故障特征不明顯，難以準確可靠地判別出故障饋線。

國內外學者開展了相關研究[13-20]，提出基于故障特征的被動檢測法和基于注入信號的主動檢測法2類故障線路判斷方法。文獻[13]提出一種基于饋線正負極暫態電流突變方向的故障饋線判斷方法，但是由于故障暫態電流持續時間短、頻率大且不固定，該方法易受暫態電流的振蕩衰減等因素的影響而降低準確性。文獻[14]提出一種基于放電電流極性的圖論故障選線方法，但只適用于電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)直流配電網，對于MMC直流配電網則存在適應性問題。文獻[15]在VSC直流側電容中性點增加接地開關，并在故障后投入，向配電網注入脈沖以實現故障判別，但是該方案并不適用于直流側無集中并聯電容的MMC直流配電網。文獻[16]提出當發生單極接地故障后，通過改變MMC的控制策略，使MMC產生需要的探測信號，并分析主動探測信號大小、頻率的選擇依據，但是該方法對控制策略的要求較高，不利于推廣。

綜上所述，現有針對直流配電網單極接地故障的2類保護方法均有不足，因此繼續開展相關研究，有效解決直流配電網單極接地保護準確性和可靠性的問題具有重要意義。本文以結構簡單、控制方便、應用較廣的MMC單端直流配電網為研究對象，綜合利用故障饋線與非故障饋線各自正負極電流故障特性、故障饋線與非故障饋線故障極電流的故障特性、故障饋線與非故障饋線正負極電流之和的故障特性，分別計算這3種故障判據，并構建基于上述3種故障判據的多重綜合判據單極接地保護方法。最后，利用實時數字仿真系統(real time digital simulation system，RTDS)軟件搭建MMC單端直流配電網的單極接地故障仿真模型，對所提方法進行驗證。

1 單端直流配電網結構與MMC的拓撲結構

目前直流配電網的網架結構主要有單端、雙端和環狀3類。其中單端放射狀直流配電網結構簡單，控制簡單，保護配合方便，投資成本低，是己建設工程實踐中最常見的拓撲結構[21-27]，如圖1所示。

圖1 單端放射狀網絡拓撲結構Fig.1 Single-ended radial network topology

由半橋子模塊級聯構成的三相MMC拓撲結構如圖2所示，其中：ua、ub、uc為三相交流電壓源；ia、ib、ic為三相電流；uaP、ubP、ucP為上橋臂電壓；iaP、ibP、icP為上橋臂電流；uaN、ubN、ucN為下橋臂電壓；iaN、ibN、icN為下橋臂電流；Udc為直流電壓；ism為子模塊電流；usm為子模塊電壓；uc為子模塊電容電壓；R0為橋臂電阻；L0為橋臂電抗；C為子模塊電容；SM1—SMn為n個子模塊；T1、T2為絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)；D1、D2為二極管。

圖2 三相MMC及其子模塊拓撲結構Fig.2 Topology of three-phase MMC and its submodules

三相MMC中包含3個相單元和6個橋臂，每橋臂由n個子模塊和1個電抗器串聯構成，傳統VSC中的電抗器接在換流器與交流系統之間，而MMC中的電抗器直接串聯在橋臂中。MMC中的電抗器能夠抑制3個相單元瞬時電壓不同時引起的相間環流，還能抑制直流線路故障時短路電流的瞬時沖擊。橋臂等效電阻R0主要由橋臂中半導體器件的導通損耗和開關損耗等效而得。上下橋臂的連接處與三相交流系統相連，通過對MMC中IGBT施加不同的觸發脈沖，可實現對子模塊運行狀態的任意切換，以實現電壓、電流控制與換流的目的。

2 單極接地故障特性分析

為便于分析，將單端放射性直流配電網簡化成如圖3所示結構，其中L1—L4為饋線。

圖3 單端MMC直流配電網簡化結構Fig.3 Simplified structure of single-ended MMC DC distribution network

由圖3以及MMC控制和工作特征可知，系統正常運行時，由于采用的是單極對稱接線方式，當以地為參考點時，正極對地電壓UP與負極對地電壓UN的絕對值相等，方向相反，即UP=-UN。直流配電網MMC的交流側一般采用中性點經小電流接地方式，單極接地時不存在子模塊電容放電，且子模塊電容電壓不變；因此當發生單極接地故障時，直流線路正負極之間的極間電壓總是維持正常運行時的極間電壓不變。

當發生正極接地故障時，正極線路電壓降為0，負極線路電壓降低為負的額定電壓值；同理，負極接地故障時，負極線路電壓升高為0，正極線路電壓升高為額定電壓值。因此，單極接地僅改變零電位點，使得直流配電系統中的接地故障線路電壓為0，而非故障線路電壓為故障前電壓的2倍。直流配電網多采用電纜線路，電纜線路具有隨頻率變化的分布參數特性，線路電壓會經過一個衰減震蕩過程后才進入穩態。線路電壓在震蕩過程中不斷變化，導致線路對地的分布電容對接地點產生不斷變化的衰減震蕩電流。

在MATLAB中搭建基于圖3結構的仿真模型，其中，交流變壓器為110 kV/10 kV，MMC換流站額定容量35 MVA，子模塊電容9 000 μF，橋臂電抗12 mH，單橋臂子模塊數20，直流配電網MMC工作在雙閉環控制方式下。仿真中采樣頻率為24 kHz，饋線L1—L4的長度分別為5 km、8 km、3 km、6 km，電流互感器變比分別為200/5、200/5、200/5、100/5。在0.5 s時模擬饋線L1的正極單極接地故障，其母線電壓和各饋線首端測量電流如圖4所示。

圖4 饋線L1上發生正極接地故障時的故障波形Fig.4 Fault waveforms in case of positive grounding fault on feeder L1

由圖4(a)可知：在0.5 s發生故障時，正極電壓由正常運行時的10 kV迅速下降為0；負極電壓由-10 kV迅速下降至-20 kV，負極電壓幅值瞬間增大到原來幅值的2倍；極間直流電壓在故障后仍維持正常運行時的20 kV。由于線路電壓突變，直流線路對地電容存在短時放電，使得直流線路正負極電壓在故障后出現短暫衰減震蕩后才趨于穩態。

由圖4(b)—(e)可知：在發生單極接地故障前，正極線路電流正常運行在穩定狀態；在0.5 s發生單極接地故障后，由于正負極電壓短暫波動，線路對地電容通過接地點發生短時放電現象，正負極電流經過暫態過渡過程重新進入穩態，沒有嚴重過流情況。

由圖4可知：故障饋線正負極電流之間不僅大小差別較大，且其方向具有反向性；非故障饋線正負極電流大小與其線路長度成正比，且方向具有同向性。故障饋線的故障極暫態電流與所有非故障饋線的故障極暫態電流之間具有明顯的反向性，而所有非故障饋線的故障極暫態電流之間具有明顯的同向性。因此，可以根據這些差異判斷出故障饋線。

3 基于多重綜合判據單極接地保護方法

由上述故障特征的分析和仿真可知，當發生單極接地故障時，雖然沒有大的短路電流產生且極間電壓維持不變，但是正負極對地電壓嚴重不對稱，會對電網和用電設備造成一定的影響，因此需要盡快切除故障進行維護，以免發生更嚴重的極間短路故障。

MMC直流配電網發生單極接地故障時，其各饋線電壓和首端電流之間具有明顯的差異，可以根據這些差異來判斷出故障饋線。直流電壓的變化不會隨故障位置的改變而改變，因此無法單獨采用電壓判據來實現故障饋線的判斷，但是利用電壓判據可以容易地判斷出是否發生單極接地故障以及故障極是正極還是負極。故障饋線與非故障饋線的首端電流信號之間存在一定差異，可利用該暫態電流信號來判斷出故障饋線。由于單極接地故障時的暫態電流信號相對較小，衰減較快，易受故障點過渡電阻等因素影響，采用單一的故障判據容易造成誤判。為提高判斷的準確性，本文基于各饋線本身正負極暫態電流之間的差異性、所有饋線故障極電流之間的差異性、所有饋線正負極對應電流和之間的差異性3種故障判據，構建基于多重綜合判據的單極接地保護方法。實現流程如下：

a)確定各饋線正負極電流互感器安裝方向的正確性，以及各互感器的變比，以便于分析與計算判據。

b)不斷地采樣獲取直流配電網的正負極對地電壓、極間電壓和各饋線首端的正負極電流。

c)判斷是否發生單極接地故障。單極接地故障時故障極電壓變為0，非故障極電壓變為極間電壓，而極間電壓維持不變。因此，當正負極電壓當滿足式(1)時，判斷為發生了單極接地故障，則進行后續各饋線各種故障判據的計算和故障饋線的判斷；否則，繼續檢測直流配電網電壓和各饋線首端的正負極電流。

(1)

式中：UPN為極間電壓；UPN,e為極間電壓額定值；為了避免發生誤判，設置相關的可靠系數0.4、0.8；0.5UPN,e為單極對地的額定電壓。

d)判斷出故障極。當滿足|UN|>|UP|，判斷為正極發生單極接地故障；否則，判斷為負極發生單極接地故障。

e)根據所有饋線本身正負極間電流相似性系數判據初步判斷出故障饋線。根據式(2)分別計算出所有饋線本身正負極相似性系數判據p′i；由故障特性理論和仿真分析可知，理論上故障饋線的判據p′i必然小于0，而非故障饋線的判據p′i大于0。因此，可以根據p′i初步判斷出故障饋線，即p′i值最小且p′i<0的饋線為故障饋線。

(2)

式中：ii+(k)、ii-(k)分別為第i條饋線正極電流、負極電流的第k個采樣值；N為采樣計算數據量。

然后，利用各饋線故障極電流采樣值，根據式(3)計算所有饋線故障極電流之間的相似性系數判據p″i。故障饋線的判據p″i必然小于0，而非故障饋線的判據p″i大于0。因此，可以根據p″i初步判斷出故障饋線，即p″i值最小且p″i<0的饋線為故障饋線。

(3)

式中：p″i,s為第i條饋線與第s條饋線故障極電流之間的相關性系數；ii,g(k)為第i條饋線故障極電流的第k個采樣值；ni為第i條饋線的電流互感器變比；M為該配電網的饋線總數。

f)根據所有饋線正負極電流和之間的相似性系數判斷故障線路。利用各饋線正負極電流采樣值，根據式(4)計算所有饋線正負極電流和之間的相似性系數判據p′′′i。故障饋線的判據p′′′i必然小于0，而非故障饋線的判據p′′′i大于0。因此，可以根據p′′′i初步判斷出故障饋線，即p′′′i值最小且p′′′i<0的饋線為故障饋線。

(4)

式中：p′′′i,s為第i條饋線與第s條饋線的正負極電流和之間的相關性系數；ii,P(k)為第i條饋線正極電流的第k個采樣值；ii,N(k)為第i條饋線負極電流的第k個采樣值。

從理論分析上看，上述3種判據都可準確判斷出故障饋線，但是單極接地故障時，該暫態分量較小，干擾因素多，頻率不確定，互感器多且變比不一致，如果只采用單一的判據容易產生誤判。因此，綜合上述3種故障判據以提高判斷的準確性。

單獨利用上述3種判據判斷出的故障饋線相同時，則該饋線即為故障饋線；當單獨利用上述3種判據選擇出的故障饋線不同或某個判據無法判斷出故障饋線時，利用式(5)的綜合計算方法計算各饋線的綜合判據pi，則pi值最大的饋線即為故障饋線。

(5)

4 仿真驗證

仿真參數同上，分別在饋線L1上距首端不同距離處模擬單極接地故障，各饋線的故障判據及判斷結果見表1，其中l1為饋線L1的長度，lF為故障點至饋線L1首端的距離。對各饋線的電流信號附加隨機干擾信號(不超過各饋線電流互感器額定電流的5%)和40 dB的高斯白噪聲信號后的故障判據及結論見表2。

由表1、2可見，本文方法可以準確判斷出故障饋線，且具有較強的抗干擾能力。在有干擾情況下，隨著故障點過渡電阻的增大，利用單一故障判據的方法有可能產生誤判；當過渡點電阻增大到一定程度，故障信號中的暫態分量很小時，綜合判據法也可能產生誤判，但其準確率較單一判據高。因此，需要繼續研究高阻接地故障的判斷方法。

表1 在饋線L1上距首端不同距離處單極接地故障的故障判據和結論Tab.1 Fault criteria and conclusions of single pole grounding fault at different distances on feeder L1 from the head end

表2 附加干擾信號后的各饋線故障判據和結論Tab.2 Fault criteria and conclusions of each feeder after adding interference signal

5 結束語

本文提出基于多重綜合判據的單端MMC直流配電網單極接地保護方法，利用MMC直流配電網單極接地故障時各饋線本身正負極電流之間的相似性、各饋線故障極電流之間的相似性、各饋線正負極電流和之間的相似性作為綜合故障判據，實現單

極接地保護。經仿真驗證，本文方法具有抗干擾能力強、判斷準確性高等優點，可有效解決單端MMC直流配電網單極保護地問題，但其針對高阻接地故障的判斷準確性還有待進一步研究。