摘要：近年来，我国的用电量不断增加，直流配电系统有了很大进展。本文分析了采用单极接地方式的双端直流配电系统中直流侧单极接地故障特征，将故障过程分为直流电容放电、自然换向至稳态两个阶段，并基于ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ搭建双端直流配电系统模型进行了仿真分析．通过理论分析故障回路特性并结合仿真结果，总结出线路越长、滤波电抗器越大、电源内阻越大，越容易引起交流侧保护误动的规律．在交直流配电网交流侧进行保护整定时，为避免保护误动，可靠系数选取应尽量大一些．
关键词：双端背靠背系统；单极接地故障；直流配电系统；继电保护
引言
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。
1直流配电网故障特性分析
1.1两电平VSC换流器型直流系统故障特性
结合理论分析和仿真验证对两电平VSC换流器直流系统单极接地故障的故障暂态特性进行了细致的研究，通过对不同接地方式下直流系统单极接地故障的等效放电回路的分析和仿真，得出了两电平VSC换流器直流系统单极接地故障特性与接地方式相关的结论。通过对两电平VSC换流器直流系统交流侧不对称故障过程中的等效放电回路的分析，发现换流器交流出口处不对称故障产生的零序分量会通过直流侧储能电容的接地支路形成通路，从而耦合进直流系统，导致正负极储能电容电压出现共模波动现象。
1.2模块化多电平换流器（MMC）型直流系统故障特性
模块化多电平换流器相较于两电平VSC换流器拥有波形质量高、控制灵活、运行损耗小等优势，越来越多的被用于柔性直流输配电领域。其拓扑结构与两电平VSC换流器存在较大差异，尤其是直流侧不含直接并联的储能电容，使得基于模块化多电平换流器的直流系统与基于两电平VSC换流器的直流系统的故障特征存在较大差异。
2直流配电网故障检测与定位原理
2.1电压/电流保护
电压/电流保护是电力系统最基础的保护原理，它一般利用电流幅值的增大、电压幅值的减小或者电压、电流变化率的变化来判断故障区间。
2.2边界保护
边界保护是直流电网保护所特有的保护原理，该保护原理主要利用线路边界元件两侧故障暂态特征的差异判别故障区间。目前关于边界保护的研究多在柔性高压直流输电领域展开，但其保护原理在柔性直流配电领域仍然具有适用性。因此下面关于边界保护的综述中并不局限于直流配电网领域。
2.3纵联保护
纵联保护是基于双端电气量的保护原理，它一般利用线路两端的差动电流、差动电流的能量或者线路两端电流的方向的特征识别故障线路，主要包括纵联电流差动保护、纵联电流方向保护。
2.4其他保护
除了电压/电流保护、边界保护、纵联保护等常见的直流配电网保护原理外，国内外学者针对直流配电网还提出了分区保护、横联保护、测距式保护、握手法、基于智能算法的保护等保护原理。
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3直流配电网故障隔离方法
3.1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。
3.2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。
3.3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。
4直流配电网故障分析与继电保护需进一步解决的问题
当前直流配电网故障分析和继电保护方面的研究虽已取得一些成果，但还远未达到工程实际应用的要求，仍然存在许多亟需解决的问题。出于经济性的考虑，中低压直流配电网可能采用“对称单极”的方式运行，直流侧的接地方式会对故障的隔离与恢复产生很大的影响，在进行故障特征分析与隔离方案的选择时，接地方式是必须考虑的因素。同时，对直流配电网接地方式应该进行充分的研究，并根据不同的应用场景，给出相应的接地建议。直流配电网保护与控制研究不能割裂开来。直流配电网中含有大量的受控型电力电子器件，其故障特征已经从传统电网的由物理特性所主导的过程转变为了由控制特性所主导的过程。在研究直流配电网保护的同时，需要充分结合控制方式的特点，控制保护的“一体化”是未来直流配电网发展的一大特点。直流配电网故障检测与定位原理研究方面，需要摆脱传统交流电网继电保护观念的束缚，充分考虑直流配电网结构和控制的特征，探索符合直流配电网特征的新型的继电保护原理，形成适用于直流配电网的继电保护体系是未来直流配电网保护策略研究领域的重要任务。直流配电网故障隔离方面，尤其是基于直流断路器的故障隔离方案，可以考虑结合故障限流技术，降低对直流断路器开断时间和开断短路电流的要求，大幅降低直流断路器的制造难度和制造成本。
结语
快速性、选择性、灵敏性和可靠性是电力系统对继电保护的基本要求，多端直流系统的故障识别原理与隔离方案的研究也必须遵循这一基本原则。在继电保护的原理方面，目前多端直流系统的故障识别问题已有多种解决方案，并在双端直流输电系统中广泛应用。在故障隔离方面，进一步加大直流断路器产品化、实用化研究的基础上，充分考虑换流器的阻断能力，着重研究并提出具备快速重启特性的阻断型换流器是解决多端直流电网故障清除选择性和故障恢复快速性的一个渠道。重视测量环节可靠性与精度对故障识别与故障隔离的影响。
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．
［2］江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望［J］．电力系统自动化，2012，36（8）：98-104．
［3］郑欢，江道灼，杜翼．交流配电网与直流配电网的经济性比较［J］．电网技术，2013，37（12）：3368-3374．
论文作者:李志文
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/14
标签：故障论文; 断路器论文; 配电网论文; 电平论文; 系统论文; 电流论文; 原理论文; 《电力设备》2018年第17期论文;