基于共模功率的交直流混合配电网单极接地故障识别方法
时间：2023-06-27 22:05:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
罗旭恒，蔡志文，曾光辉，萧星华，高滢，曾杰
(1.南方电网广东东莞供电局，广东 东莞 523000；
2.南方电网电力科技股份有限公司，广东 广州 510800)
为实现“双碳”目标，加快推进能源转型、构建以新能源为主体的新型电力系统势在必行[1]。电力电子变压器(power electronic transformer，PET)作为交直流配电网中的换流站，其多端口特性便于实现不同等级交直流配电网的互联，能够实现直流配电网与其他网络之间功率的双向传输，从而灵活控制配电网中的潮流分布[2-3]。PET可方便地与光伏、风力等可再生能源设备相连，实现可再生能源并网发电，并满足智能电网兼容性的要求[4]，同时输出直流电和交流电，有助于解决电力系统面临的诸多问题[5-7]。但交直流配电系统中直流母线短路故障易损坏PET，进而导致直流电压崩溃，影响系统的供电可靠性，因此有必要研究有效的直流短路保护策略。
直流短路故障主要包括极间短路故障和单极接地故障。其中极间短路故障的过渡电阻较小，故障特征较为明显，通过传统交直流混联系统的保护方案就能够满足保护要求[8-10]。相比之下，单极接地故障的过渡电阻变化范围较大，影响对故障特征的识别。当发生单极接地故障时，如保护不能正确动作，长时间带故障运行将会危害换流站中电力电子器件的安全[11-12]。在交直流混合配电网单极接地故障识别与保护方面，已有一些文献开展了相关研究：文献[13-14]通过在直流线路两侧加装电抗器来构造边界条件，利用故障线路正负极直流电抗器电压大小的差异进行故障类型和故障极的判别，但无法实现未加装电抗器的线路保护；
文献[15]提出了一种智能直流配电系统毫秒级故障检测的高速电流差动方法，根据差动电流原理构成直流线路保护，但其准确性依赖于两侧信号的同步，同时直流配电网中的信号干扰同样会影响保护的正确动作；
文献[16]利用线路两端电流的突变判断故障方向，从而能有效地识别出区内、区外故障，但是该方案的抗过渡电阻能力不强。
为研究交直流系统保护策略，针对单极接地故障难以识别特点，本研究提出一种基于共模功率的单极接地故障识别方法，并基于RTLAB仿真平台开展保护试验，以验证其有效性。
某交直流混合配电网拓扑结构如图1所示，主要包括PET、风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、光热发电，以及热利用系统和负载等设备，通过多端口多功能PET实现多种分布式可再生能源的高比例接入、交直流配用电的多级混连，其中PET拓扑由H桥和串联型双主动桥(dual active bridge，DAB)组成。
所研究的交直流混合配电网由4台PET供配电，每台PET各端口运行模式多样，功率可双向流动。PET1、PET2对应端口互联，交流端口并联于10 kV AC母线1，另外3个端口并联引出10 kV DC、380 V AC、±375 V DC三级母线。三级母线分别接入系统内的各类分布式电源及负荷，支撑系统的正常运行。PET1、PET2可集群运行组成1个小集群，即：各端口功率可以实现灵活调剂，以及稳态功率寻优；
同时，当其中1台故障时，可以实现负载转移，保障PET1、PET2运行时的高可靠性。PET3、PET4类似，也可组成小集群。
2.1 直流配电网结构及单极接地故障特性
2.1.1 直流系统保护策略
在直流配电网的基本结构中，除变换器自身保护外，对整个系统±375 V DC和10 kV DC都配置了直流保护，主要包括母线差动保护、直流过压/低压保护、不平衡保护和支路过流保护等。
2.1.2 单极接地故障特性分析
以第i个PET为例，其直流端口的基本结构如图2(a)所示，其直流出口均配置直流电抗器，其电感值均为Li/2(用下标i表示第i个PET的电气参数，下同)，用来滤除高频纹波同时限制短路电流。PET的中压直流端口通常由正负2极的2n个DAB子模块串联构成，每个子模块出口均设置独立电容器(电容值均为Ci)，2n个子模块的中间点经小电阻Rg接地。为方便分析，将图2(a)虚线框中电容等效得到图2(b)所示电路。图2中：Upij、Unij分别为保护安装处测得的第i和第j个PET间正、负极电压瞬时值；
Ipij、Inij分别为保护安装处测得的正、负极电流瞬时值，由于保护安装位置均靠近母线，规定电流参考方向均由母线指向线路(或PET)；
i，j∈{1，2，3，4}，表示不同PET，用下标ij表示第i和第j个PET之间线路(线路ij)的电气参数，下标ii表示第i个PET出口的电气参数，用下标ji表示线路ij对侧线路的电气参数，下同。
图2 PET直流端口的等效电路
在系统正常运行时，正极和负极对称运行。而当发生单极接地故障瞬间，可认为在故障点叠加了1个暂态故障电源，两极间将出现不平衡的电压(共模电压)及电流(共模电流)。本节以PET出口正极接地故障为例，给出共模电压及共模电流的近似表达式，作为保护原理的理论依据。其准确表达式为
(1)
式中：Ucmi(t)、Upi(t)、Uni(t)分别为共模电压、正极电压、负极电压；
Icmi(t)、Ipi(t)、Ini(t)分别为共模电流、正极电流、负极电流；
t为时间。
在PET出口发生单极接地故障后，故障极电容通过引出线、过渡电阻以及接地电阻共同构成了RLC谐振回路，同时由于接地电阻Rg的存在，单极接地故障始终为过阻尼的情况。根据电路原理，当第i个PET出口发生正极接地故障时，考虑负荷电流的正极电容两端电压Ucpi(t)与正极电流Ipi(t)分别为：
(2)
(3)
假设发生正极故障时负极网络不受影响，同时忽略故障后较短时间内正极负荷电流的衰减，则此时出口的共模电流近似为
(4)
共模电流方向由PET出口电容指向故障点。根据基尔霍夫定律可知，此时通过故障点流经接地电阻的电流即为共模电流，因此接地电阻上的电压
Ug(t)=-RgIcmi(t).
(5)
对于PET出口电抗器外侧的共模电压，无法给出准确表达式，但其数值近似等于出口电容两侧的共模电压。结合式(2)及式(5)，可以将电容两侧的共模电压表示为
Uccmi(t)=Ucpi(t)-Ucni(t)+2Ug(t)≈
(6)
式中Ucni(t)为负极电容两端电压。
根据上述推导可知，正极接地故障后出现的共模电压为负值。对于负极接地故障，通过类似的分析过程可以推导出PET出口将出现幅值为正的共模电压，而此时共模电流由故障点流向PET出口电容。
2.2 基于共模功率的单极接地故障识别方法
当中压直流配电网采用电容中间点经电阻接地方式时，其单极接地故障具有过渡电阻变化范围大、单极接地故障特征不明显的特点，难以准确识别故障位置。为此，本文提出一种基于共模功率的单极接地故障识别方法，通过基于共模功率的单侧故障信号和共模电压的极性，识别出直流线路区内外的单极接地故障。
2.2.1 共模功率定义
当直流系统发生单极接地故障时，通过系统中各保护安装处测得的共模电压与共模电流，即可实现单极接地故障的识别及定位。结合共模电压、电流的特征，在此给出各保护安装处共模功率Pcmij的定义为
Pcmij=-UcmijIcmij=-(Upij+Unij)(Ipij+Inij).
(7)
式中：Ucmij、Icmij分别为线路ij的共模电压、共模电流。
2.2.2 PET出口接地故障的识别
同样以正极接地故障为例，区外故障发生后，PET出口的等效故障网络如图3所示，其中Uk为故障点处叠加的故障电源。
图3(a)反映了第i个PET出口发生单极接地故障的等效故障网络，此时故障位于第i个PET出口保护的正方向。在出口发生正极接地故障情况下，保护处测得共模电压为负，而共模电流为正；
在出口发生负极接地故障时，共模电压为正，而共模电流为负。根据共模功率定义可知，共模功率始终为正。
如图3(b)所示，当单极接地故障发生于第i个PET出口保护范围外时，故障发生于保护反方向。在直流线路发生正极接地故障情况下，保护处测得共模电压为负，共模电流也为负；
而在直流线路发生负极接地故障情况下，保护处测得共模电压为正，共模电流也为正。即区外故障情况下，PET出口保护处测得共模功率始终为负值。
图3 正极接地故障时PET出口的等效故障网络
综上，共模功率在接地故障中能够体现方向性：当PET出口保护安装处测得共模功率为正时，单极接地故障位于保护正方向(即出口范围内故障)，此时由PET出口断路器将PET从系统中切除；
而当测得共模功率为负时，单极接地故障位于保护反方向，PET出口保护不动作。
2.2.3 直流线路区内单极接地故障的识别
图4所示为正极接地故障时情况下直流线路的等效故障网络。如图4(a)所示，当直流线路区内发生单极接地故障时，故障网络中叠加的短路电流由线路两侧流入故障点。由于故障点位于直流线路两侧保护的正方向，保护处测得共模功率均为正值。
图4 正极接地故障时直流线路的等效故障网络
直流线路区外发生单极接地故障的等效故障网络如图4(b)所示。由于故障点位于左侧保护的正方向，故测得共模功率为正；
而对于右侧保护，故障点位于其反方向，故测得共模功率为负。
2.2.4 与极间短路故障的区分
当直流系统中发生极间短路故障时，正负极故障网络始终保持对称，换流站两极电容同时对故障点放电。交直流混合配电网电压等级不高，线缆长度较短，因此电缆的对地电容可以忽略不计。根据基尔霍夫定律，流经任一保护安装处的正极和负极电流幅值相同而方向相反。由共模功率定义可知，此时保护安装处测得的共模功率为0；
因此，基于共模功率的单极接地故障保护能够正确区分单极接地故障和极间短路故障，且极间短路故障的特征较为明显。
2.3 基于共模功率的单极接地故障保护策略
2.3.1 基于共模功率的保护判据
根据上述分析，测得直流配电网中保护点处共模功率即可实现单极接地故障的故障判断及故障定位。在正常运行工况下，直流网络正负极对称运行，共模功率理想值为0。但由于各PET出口电容经小电阻接地，实际运行时两极间可能出现一定的不平衡电压(要求直流电压波动不超过15%)，同时需要考虑可能存在的两极电流互感器电流测量误差(测量误差取5%)，为了确保保护方案的可靠性，共模功率的整定值应当躲开正常运行时可能出现的最大稳态值，因此将共模功率的整定值Pcm,set设为
Pcm,set=Kset×(0.15UN)×(0.05IN)，
(8)
式中Kset为可靠系数，设为1.2。对于第i个PET出口保护，保护动作判据为：
(9)
式中：Tii为实测共模功率达到整定值的持续时间；
Tset为保护动作设定时间。
而对于直流线路保护，区内故障的判定条件为线路两侧保护处测得共模功率均达到整定值，因此保护判据为：
(10)
保护安装处测得的共模功率均为单侧电气量，由于线路保护涉及线路两侧PET之间的通信，为简化区内故障的判定，可以定义单侧故障信号
(11)
单侧故障信号Rij=1表示保护正方向发生单极接地故障，而Rij=-1表示保护反方向发生单极接地故障。此时线路区内故障的保护判据可以简化为
Rij+Rji=2，
(12)
第i个PET出口故障的判据则为
Rii=1.
(13)
由于判据式(10)与判据式(13)为等效判据，为避免重复，保护方案中采用判据式(13)作为各PET出口故障的判定条件。
为了完善保护方案，需要进一步区分单极接地故障的故障极性。经上述分析可知，单极接地故障发生时，两极间的共模电压与故障极的电压极性相反，通过判断共模电压的极性即可区分故障极性，因此可以设置故障选极判据：
(14)
2.3.2 基于共模功率的保护判据
保护方案实现流程如图5所示。以断路器CBij处安装的保护为例，当保护安装处测得共模功率的绝对值到达保护的整定值，并同时满足延时要求，意味着系统中发生单极接地故障，此时根据式(7)测得的共模功率可以计算出本侧故障信号Rij。对于线路保护，应判断故障是否位于保护的正方向。若位于正方向，则接收线路对侧保护发出的故障信号Rji，并判断是否满足区内故障条件式(12)，满足条件则线路ij两侧断路器CBij与CBji保护动作。而对于PET出口保护，根据式(7)同样可以测得故障后的共模功率，并直接判断故障信号Rii是否满足第i个PET出口故障条件式(13)，若满足条件则由第i个PET出口断路器CBii动作切除故障PET。根据保护安装处测得共模电压的极性，即可实现故障选极，有利于及时排除故障。
图5 保护的流程
3.1 HIL仿真平台结构
硬件在环(hardware in the loop，HIL)是实时仿真技术的一种新型工程应用方式，它允许访问被测系统中的一些物理对象，可以方便地进行控制器的验证，缩短开发周期，降低开发成本，在工程开发中具有较好优势[17-21]。为了验证基于共模功率的中压直流配电系统的单极接地保护方案，仿真系统拓扑如图1所示。在2组2台PET分裂运行的运行方式中，2组PET均采用独立的主从控制模式，其中将PET1及PET3分别设定为系统主控制机。
基于RTLAB平台搭建了HIL仿真测试平台，通过接口I/O板卡、网线接口以及相应的连接线，实现了仿真器与PET控制器、系统多能协调控制装置以及直流保护装置的闭环连接，如图6所示。
图6 HIL仿真结构示意图
3.2 仿真分析
3.2.1 直流线路单极接地故障特性
图7所示为线路12中间点发生金属性负极接地故障情况下的故障特性，故障发生时间为t=1 s。图7(a)中，当直流系统中发生线路故障时，故障点位于各PET出口保护的反方向，因此PET保护安装处测得共模功率均为负值，保护可靠不动作。而图7(b)反映了故障线路12两侧保护处测得的共模功率，两侧共模功率均为正值且远大于整定值0.018 MW，满足判据式(13)，因此能够判断线路12区内发生单极接地故障。另外根据仿真数据可知，系统各处共模电压均为正值，因此可以进一步判断故障类型为负极接地故障。而其他线路处测得共模功率如图7(c)、(d)所示，对于非故障线路两侧保护测得共模功率方向相反，因此判断故障位于非故障线路区外。
图7 发生金属性负极接地故障时的共模功率
3.2.2 过渡电阻对保护动作特性的影响
对于单极接地故障保护，抗过渡电阻能力是评价保护性能的重要指标。图8反映了故障位置发生单极接地故障时测得的共模功率与过渡电阻的关系。随着过渡电阻的增大，故障后线路两侧测得的共模功率幅值随之减小。单极接地故障的过渡电阻变化范围较大，即使在过渡电阻为50 Ω的情况下，线路两侧基于共模功率的保护仍然满足区内故障的判断条件，因此保护方案具有较强的抗过渡电阻能力。
图8 过渡电阻对共模功率的影响
3.2.3 基于RTLAB的母线侧正极接地故障试验
初始状态下：PET1及PET2侧±375 V DC母线带500 kW负荷、-100 kW储能(负号表示发出功率)、-300 kW光伏，其中PET2的10 kV AC端口有功功率设定为400 kW(吸收)，各端口电压稳定。
635 s时，手动触发375 V DC母线侧正极接地故障系统，其部分参数的响应如图9、10(截屏)所示。
图9 PET1端口参数录波
由系统响应可知：
a)375 V DC母线侧正极接地故障后，母线正极电压变为0，母线负极电压变为-750 V，保护检测到故障发生，母线电压过压保护III段及直流母线不平衡II段出口动作，保护动作时间109 ms，±375 V DC断路器D1、D2、D3、D4及故障电流控制器C1的正极和负极均分闸成功，故障发生及保护动作过程中，各PET各端口无闭锁情况。
图10 PET2端口参数录波
b)PET1及PET2侧的375 V DC正负母线电压发生电压零点偏移，极间电压差基本保持在750 V左右；
±375 V DC母线故障瞬间存在电流冲击，PET1侧冲击电流为413 A，PET2侧冲击电流为573.2 A(两端均存在基础的稳态带载电流)。在保护动作断开断路器后，PET1侧为定电圧模式，375 V DC的端口正负极电压恢复到故障前状态，但从控制机的PET2侧发生端口电压偏移(322 V，-416 V)。
为了保证交直流混合配电网的安全稳定运行，对其保护策略进行了研究，提出了一种基于共模功率的单极接地故障识别方法。
该方法基于共模功率的单侧故障信号和共模电压的极性特点，可有效识别出直流线路区内外的单极接地故障。
离线仿真验证了该方法可以准确区分直流线路区内外的故障，且有较强的抗过渡电阻能力。基于RTLAB平台搭建了交直流混合配电网HIL测试平台，对系统保护策略进行了验证，验证了保护策略的有效性。
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