直流配电系统故障分析与保护原理研究

分布式电源的大规模推广促进直流技术的发展，直流配电系统适合分布式电源的多点接入，是21 世纪智能配电系统发展趋势，而继电保护技术是直流配网发展的关键技术之一。 本项目通过建立直流网络中电源和负荷电磁暂态模型，开展了直流配电系统故障特征和机理的研究；研究了不接地直流配电系统接地故障检测、定位原理；进而提出适用于直流系统的两段式电流保护，针对电流保护在复杂的网络拓扑结构和运行方式下难以满足选择性、灵敏性的要求，项目又提出了适用于直流配网的基于R-L模型的距离保护与电流差动保护相配合的综合保护方案。 鉴于配网中电子器件诸如IGBT、二极管耐受过电流能力弱的特点，本项目对电阻型超导限流器接入配电系统的故障特征开展了严密分析，在此基础上提出了基于电流峰值与到达峰值所用时间比值的暂态过电流保护，以及暂态电流启动的限时低电压保护，并在考虑大过渡电阻的情景下，进一步提出基于通信的电流突变量保护。本项目对直流配网的保护进行了全方位的研究并提出多种保护新原理和保护方案，为直流配网的发展和应用提供了理论支撑。 2100433B

直流配电系统具有高电能质量、高传输容量和低停电成本的特点，能适应分布式电源多点接入，可促进直流家电和直流生态住宅的发展，是配电领域新的发展方向，符合21世纪智能配电系统发展趋势。继电保护技术是直流配电系统发展的关键技术之一。本项目面向新型直流配电系统，针对控制系统复杂、故障数量多和分布式电源接入导致网络拓扑结构多变的特性，重点研究直流配电系统故障分析和继电保护中的关键科学与技术问题。本项目在研究直流配电系统电源和负荷电磁暂态模型基础上，研究直流配电系统故障机理，提出适用于直流配电系统的故障分析方法；研究不接地直流配电系统接地故障检测、定位新原理；研究直流配电系统新的保护原理和保护、控制集成策略，提出适应分布式电源接入的基于点、线、面相结合的直流配电系统保护方案。本项目的研究成果为直流配电系统的发展提供理论基础和技术支撑。

直流配电系统的保护系统包含测量装置、继电器、出口断路器、隔离设备等。保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求。柔性直流输电保护系统针对各主要设备和故障类型，将系统划分为交流侧保护、换流器保护、直流侧保护(直流输电线路保护))3个区域。但与柔性直流输电系统不同的是，直流配电系统直流线路T接负载及分布式电源支路，故障类型要复杂得多。以中压直流配电系统为例，保护区域大体可以分为交流电源侧保护、变换器保护、直流网络保护、负载保护4部分，各区域可能发生的故障类型或不正常运行方式主要包括 ：

1)交流电源侧保护。交流电源侧可能发生各种类型的线路短路或者断线故障，同时也需要考虑交流变压器的保护。另外还包括由于操作或甩负荷引起的过电压、低电压、电压骤降及三相系统不平衡等不正常运行方式。直流配电系统保护设计需要考虑交流电源侧故障对直流网络运行及保护的影响。

2)变换器保护。直流配电系统中的变换器包括AC/DC换流器、DC/AC换流器及DC/DC变换器。变换器是直流配电系统的核心，也是保护设计关注的重要部分。变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、变换器交流侧或直流侧出口短路、脉冲触发系统故障、冷却系统故障等。变换器的保护由装置自身保护和系统提供的后备保护实现，在直流配电系统保护设计中需要考虑变换器自身保护动作对系统保护的影响和与系统保护的配合。

3)直流网络保护。直流网络保护主要指直流母线和直流馈线的保护，是直流配电系统保护的核心。根据实际需要不同，直流系统接线可以采用单极接地或中性点接地，线路可以采用架空线或直流电缆。直流线路故障包括接地故障、极间故障及断线故障，另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。电缆线路故障一般为永久性故障，对架空线路来说还会发生雷击、污闪等引起的暂时性故障。

4)负荷侧保护。直流配电系统同时存在直流负荷和通过逆变器接入的交流负荷，光伏、小型燃气轮机等分布式电源及储能也囊括在负载保护区域。负载保护区可能发生的故障有短路、过载等。储能电池通过双向换流设备接入直流网，在保护设计时需考虑其能量流动的双向性。

如前所述，直流网络保护是直流配电系统保护的核心，而直流线路的故障特性又与换流器结构类型密切相关。为保证系统电压和功率的可控性，提高电能质量，直流配电系统中的换流装置为电压源型换流器(voltage source converter VSC)，包括三相两电平、三电平或模块化多电平等结构，目前文献中所研究的低压配电一般为三相两电平结构，故以下讨论也以三相两电平结构为主。传统交流系统根据几十年的运行经验，已经形成了一套比较完善的保护运行标准和规范，但直流配电系统与交流系统有很大不同，故障有其自身的特点，主要体现在以下几个方面:

1)故障电流上升迅速。当直流线路发生接地故障时，VSC直流侧并联的滤波电容首先在极短的时间内对故障点放电，造成线路电流迅速上升，这对保护监测和隔离装置的速度提出了很高的要求。并且直流线路发生短路故障后，VSC在自身保护的作用下锁定绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但与IGBT反并联的续流二极管仍连接在电路中，交流电源通过二极管持续向故障点释放不控整流电流，使短路电流不能自然衰减。

2)影响范围广。直流配电系统中的大部分并网单元都通过换流器接入，当直流线路上任何一点发生接地故障时，与之相连的换流器出口电容都会向故障点放电，造成直流电压的迅速下降，影响相关设备的使用。特别是交流电源、电动机等单元还会通过续流二极管持续向故障点提供短路电流。另外，故障发生在交流电源侧或负荷侧时，会引起出口直流电压的变化，对非故障区域造成影响。

3)故障定位困难。高压直流输电电缆线路频变参数明显，目前主要采用行波法进行故障定位，另外学者们还提出了利用电流固有频率、基于参数识别原理等故障定位方法。与高压直流输电不同的是，直流配电系统线路T接负荷和分布式电源，需要精确故障定位，但直流配电系统电缆线路长度短，精确的故障定位比较困难，特别是系统高阻接地时，故障检测更加困难。

4)缺乏直流断路设备。与交流相比，直流电流没有自然过零点，灭弧困难得多，消弧需要更大的空间，控制也更加复杂。目前可商业应用的直流断路器容量有限且价格昂贵。没有低成本可商业应用的大容量直流断路器和缺乏工程实际运行经验是直流配电系统保护设计面临的挑战。

5)多种电力电子装置影响。近年来，随着电力电子技术的发展，直流断路器技术不断取得新的突破，也有不少学者提出了利用换流器来限制和切断故障电流，另外还出现了多种具有故障限流能力的换流器和故障电流限流装置(FCL) 。

直流配电系统的保护策略、保护效果与主电路参数和控制策略密切相关，在保护系统设计时，应充分考虑与控制系统的配合，以使系统动态性能达到最优。控制系统根据系统参数和运行方式确定保护装置整定值，发送给保护系统;而保护系统将检测到的故障或异常信息及开关设备动作情况反馈给控制系统，控制系统实时调整运行方式，并确定新的保护整定值发送给保护系统。利用换流器的快速调节能力，将控制系统与保护系统相结合，可以形成自适应的保护系统，以提高直流配电系统故障情况下的不间断运行能力 。

直流配电系统保护技术保护配置

针对不同的故障类型与故障位置，应配备不同的保护。国内外文献对直流配电系统保护配置尚无系统阐述，结合交流系统和直流输电系统保护系统设计，在直流线路安装直流断路器的情况下，直流配电系统保护配置可以考虑以下方面:

1)交流电源侧保护。交流电源侧保护比较复杂，包括换流器直流侧及交流侧的区内和区外故障。

2)变换器保护。由于变换器的冗余设计，当一个或多个IGBT故障时变换器仍可工作，保护装置只发出告警信号;但当损坏的IGBT超过一定数量时，需要闭锁变换器并跳闸。另外，由于换流站运行环境良好，内部母线、触发脉冲等发生故障概率较小，但故障一旦发生，往往比较严重，通常视为永久性故障，要求保护系统立即闭锁换流站并跳闸，以便检查故障原因，直到清除故障后再重新启动运行。

3)直流网络保护。直流配电系统一般采用电缆线路，直流网络故障多为永久性故障，主要包括接地故障和极间故障。直流线路发生极间故障时，保护应立即动作，隔离故障。接地故障的保护与直流线路接地方式有关。一般来讲，直流配电系统可以单极接地或中性点接地。目前已投运的基于两电平或三电平USC的柔性直流输电系统大多数采用直流侧电容中性点接地。而基于模块化多电平的柔性直流输电工程则在直流侧或交流侧构造人为中性点接地。无论哪种中性点接地方式，发生直流线路接地故障时直流断路器都必须立即跳闸。但不同的接地方式下，故障特征不同。

若直流配电系统为单极接地系统，则非接地极线路发生接地故障时即为极间故障。接地极发生另一点接地时，对直流线路没有影响，系统仍可正常运行，但会对周围设备产生影响，保护装置应发出告警信息，提醒运行人员排除故障。

4)负荷侧保护。当无源负荷发生故障时，保护系统立即跳闸，并发出告警信号。而当分布式电源或储能设备出口发生短路故障时，应根据线路过流情况，发出告警信号或直接跳闸。

此外，保护系统应配置故障录波和事件记录仪器，在直流配电系统出现故障或异常运行方式时自动启动，以便于分析故障的原因和查找故障设备。

直流配电系统保护技术故障检测方法

直流配电系统交流电源侧的故障可以由传统交流配网的保护方法进行检测，此处只侧重于直流线路故障的检测方法。

对于直流线路上发生的过电压、过电流、低电压、过载等故障，可以通过检测直流线路电流和电压量来判断。当直流线路发生短路故障时，直流线路电流迅速上升，若电流增量超过整定值，同时直流电压低于整定值并超过一定时间时，则可以判定该线路发生故障。交流侧发生短路故障时，直流线路也会检测到一定的过电流和低电压。为区分交、直流侧短路故障，除设定不同的保护整定值外，还需要同时检测直流线路故障电流上升率。有文献还针对单电源多负荷直流配电系统提出了一种基于阻抗特征的故障检测方法。该方法在电源与负载接口处注入小信号正弦扰动电流，在复平面内画出电源输出阻抗与负载输入阻抗比值随频率变化的区域，由此判断系统的稳定裕度和确定故障模块。

直流配电系统保护技术其他故障隔离方案

如前所述，直流配电系统故障电流发展迅速，要求保护器件在极短的时间内(某些情况下可能小于2 ms)检测出并隔离故障。鉴于尚无成熟、经济的直流断路器，不少学者在如何利用现有保护装置保护直流配电系统方面进行了探索。

有文献以简单多端直流配电系统为例，提出了基于过电流的分区保护方法。模型系统利用具有限制和切断电流能力的换流器、CDCCB及保险丝将整个系统隔离为整流器交流区、直流区、交流负载区和直流负载区。分区保护的方法不需要保护装置间的通信，故障就地检测和隔离，实现装置快速动作，并且省去了直流断路器，远端装置也可以形成后备保护。由于电压等级和故障限流能力的限制，分区保护目前主要应用在舰船系统。

也有文献针对多端直流系统提出了一种利用交流断路器和快速隔离开关隔离故障及恢复系统的方法一“握手”方法。当直流线路发生故障时，所有换流站锁定IGBT，选出潜在故障线路后断开交流断路器。当电弧熄灭后，打开潜在故障线路的快速隔离开关隔离故障。重合交流断路器，通过“握手”的方法恢复线路。此方法的优点是可以不使用直流断路器，使网架建设成本达到最小，但断电时间长、影响范围广。

具有故障限流能力的换流器和限流装置的发展给直流配电系统的保护设计提供了新思路，研发低成本、大容量的直流断路器或将限流装置与小容量断路器相配合是未来直流配电系统保护技术研究发展的两个方向。