直流配电网故障分析和继电保护综述

刘玲

摘要：直流配电网是未来城市配电网的重要组成部分，文章对目前国内外学者关于直流配电网方面的研究工作进行了综述。首先分析了基于两电平VSC换流器和基于模块化多电平换流器的直流系统的故障特征，将故障过程划分为多个阶段，通过理论分析得到了各阶段的故障电流解析表达式。其次介绍了各种适用于直流配电网的故障检测和定位原理，主要包括电压/电流保护、边界保护、纵联保护、分区保护、“握手法”等。然后，通过对比采用交流断路器、利用换流器自清除能力和采用直流断路器的3种故障隔离方案，对直流配电网的故障隔离策略进行了分析。最后从接地方式、保护与控制一体化、故障电流限制等方面，对配电网故障分析与处理的研究提出了建议。

关键词：直流配电网；故障分析；继电保护综述

引言

配电网中的故障恢复问题，是指配电网故障发生以后，经过故障定位和隔离，将故障排除，然后采用一系列的故障恢复策略，对配电网的联络开关及分段开关进行操作，将失电负荷转移到其他馈线或其他供电区域进行供电，快速有效的寻找到非故障区断的最佳恢复供电路径，完成配电网故障恢复的任务。配电网故障恢复是一个多目标、多维数、多约束、多时段非线性的组态优化问题，是配电网故障自愈中的重要一环。传统的交流配电网故障恢复问题是在系统允许的操作条件及电气约束下，利用网络重构将停电区域的失电负荷转供到正常供电线路上，恢复非故障区段的供电。实际上，配电网调度员不仅需要快速有效的恢复供电，而且需要考虑开关操作寿命及有限的人力资源，要求开关操作次数尽量少。

目前国内外对故障恢复策略的研究主要针对交流配电网以及含有分布式电源的交流配电网，对含有直流配电线路的故障恢复研究还很少。因此，本文提出含有直流配电线路的配电网故障恢复方法。

1概述

柔性直流输电技术凭借其在传输容量、线损、可靠性以及有功和无功的独立灵活控制等方面的巨大优势，已经广泛应用于远距离大容量输电领域［1］。而在电压等级较低的中低压配电网领域，直流配电技术虽然也具有可靠性高、线损小、便于光伏等分布式新能源接入等优点，但应用才刚刚起步，目前还仅应用于一些大规模工业园区、船舶供电、轨道交通等领域。随着电力电子技术、储能技术、分布式电源的发展，未来直流配电技术有望广泛应用于城市供电系统，直流配电网是未来城市配电网的重要发展趋势。虽然柔性直流配电技术相较于传统的交流配电技术拥有众多优势，但其目前还处在发展阶段，依然面临着许多问题。柔性直流配电技术目前的发展瓶颈主要包括以下3点：①直流潮流控制技术；②直流变压技术；③直流故障检测、识别和隔离技术。其中直流故障快速检测、可靠隔离对保证柔性直流配电网的安全可靠运行具有重要意义，也是本文关注的重点。目前国内外学者关于直流系统故障检测识别和隔离技术的研究主要可以分为以下3个方面：1）直流配电网故障特性分析。直流配电网故障暂态特性分析是故障检测、定位和隔离的基础，也是直流配电网故障检测、识别、隔离技术的研究难点。直流配电网故障暂态特性受到较多因素的影响，主要包括换流器类型、系统结构以及系统控制策略。故障暂态过程往往是多种因素共同作用下的一个复杂的暂态非线性过程，传统的基于工频电气量的故障特性分析方法显然不再适用于直流配电网。目前，关于直流配电网故障特性分析方面的研究多采用理论研究与仿真实验相结合的方法，将故障暂态过程分为不同的发展阶段，通过简化等效故障放电回路，求解不同阶段所对应故障电流的解析表达式来对故障暂态过程进行描述。2）直流配电网故障检测与定位。直流配电网故障检测与定位是直流配电网继电保护的核心。直流配电系统不同于交流配电系统，其具有“低阻尼”特性，直流故障发生后，故障电流非常大，故障发展过程极快，通常在几个毫秒内就能危及整个直流配电网的安全，因此，要求直流配电网的故障检测与定位策略能够在几毫秒内快速定位故障线路。传统的交流配电网的故障保护方法显然不适用于直流配电网的保护。如何处理好快速性与可靠性之间的矛盾是直流配电网故障检测与定位需要解决的问题。目前，该领域的研究主要集中于动作速度快的保护新原理的开发。3）直流配电网故障隔离方法。直流配电网故障隔离技术是直流配电网继电保护的重要组成部分。未来直流配电网的发展趋势是“直流成网”，因此如何快速、准确地将故障隔离在尽可能小的范围内是故障隔离技术需要解决的问题。

2直流配电网故障隔离方法

直流配电网故障隔离技术是直流配电网继电保护的重要组成部分。不同于交流配电网，直流配电网故障电流没有过零点，不能沿用交流系统故障隔离的方法，目前国内外已有的关于直流配电网故障隔离方面的研究主要分为3个思路：思路1，利用交流断路器清除故障电流，再由直流隔离开关隔离故障；思路2，通过改变换流器拓扑结构，实现故障电流的自清除，再由直流隔离开关切除故障线路；思路3，直接利用具有直流开断能力的直流断路器切除故障。

2.1交流断路器加直流隔离开关隔离故障

利用交流断路器加直流隔离开关隔离故障是目前工程实际中最常用的直流故障隔离方法。该方法的动作原理如下：当直流系统发生故障时，保护装置向所有的交流断路器发出跳闸信号，阻止交流系统向直流系统供电，失去供电的直流系统故障电流会逐渐衰减到零，等到直流故障电流衰减到零之后，再由直流隔离开关切除故障线路。该方法虽然简单经济，但动作时间长，且会导致全系统断电，无法达到未来直流配电网对故障隔离速度和可靠性的要求。因此该方法只是在直流配电网故障隔离早期研究阶段提出的权宜之计，现阶段的研究中鲜有涉及。通过闭锁换流站，断开所有交流侧断路器清除直流故障电流，再跳开预跳闸开关，切除故障线路，紧接着解闭锁换流站，根据线路带电信息重合误跳闸的直流开关，最后进行交流侧断路器重合闸，恢复整个系统的供电。

2.2换流器自清除加直流隔离开关隔离故障

具有故障自清除能力的换流器拓扑结构的研究是近年来的直流配电网领域的一大研究热点。其中最具代表性的拓扑结构包括：全桥子模块多电平换流器、箝位双子模块换流器、串联双子模块换流器、二极管箝位子模块等。

2.3直流断路器隔离故障

基于直流断路器的故障隔离方案是最能够适应未来直流配电网发展趋势的故障隔离方案，它能够有选择性地将故障隔离在最小范围内，保证非故障区域的正常供电，可以大大提高直流配电网的供电可靠性，是最理想的故障隔离方案。但受制于直流断路器的制造技术和昂贵的造价，目前基于直流断路器的故障隔离方案还处在理论研究阶段，尚未投入大规模的工程应用。目前直流断路器可以分为3种类型：基于机械开关的常规机械式直流断路器、基于电力电子器件的固态断路器、基于电力电子器件和机械开关结合的混合式直流断路器。机械式断路器虽然损耗低，但其动作速度慢，不能满足直流配电网的要求；固态断路器恰恰相反，动作速度快，但其通态损耗大且造价昂贵；混合式直流断路器结合了二者的优点，是目前被广泛接受的直流断路器类型。

结语

直流配电技术作为未来电网形态的重要组成部分，已经得到了国内外相关行业的广泛关注。如何充分发挥直流配电系统在效率、效益、兼容性、可控性方面的优势，提升配电系统的运行水平也是目前学术界关注和研究的热点。直流配电系统网络化之后，对故障隔离的快速性和选择性均提出了新的更高的要求，一方面，有选择地切除故障线路对于缩小停电范围、提升供电可靠性至关重要；另一方面，快速地切除故障对于设备安全及配电网健全线路的恢复供电意义重大，因此，高性能的继电保护是直流系统安全运行的重要保障。

参考文献：

［1］汤广福，罗湘，魏晓光．多端直流输电与直流电网技术［J］．中国电机工程学报，2013，33（10）：8-17．