直流配电网保护技术评述

Ｃｈｉｎａ（９７３ Ｐｒｏｇｒａｍ）（２０１２ＣＢ２１５２０６）；ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｆｏｕｎｄａｆｉｏｎ
ｏｆＣｈｉｎａ（ＮＳＦＣ）（５１４０７０６７，５１２２２７０３）；ｔｈｅ“１１１”Ｐｒｏ—
ｊｅｃｔ ｏｆＣｈｉｎａ（１３０８０１３）．
万方数据
南方电网技术
第１０卷
２保护关键问题与技术难点
７高压交未、
输电网／
＼、一一／
图１
Ｆｉｇ．１
直流配电网拓扑结构示意图
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＤＣ ｄｉｓｔｎｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ
万方数据
第３期
毕天姝，等：直流配电网保护技术评述
５５
实现故障隔离（打开区段２两端负荷开关）后的 恢复非故障区域供电的过程，主要体现为双端ＡＣ／ ＤＣ换流器恢复正常控制的过程，这与其启动过程 类似，本文不再赘述。因此，本文将针对故障检测 和故障定位两个关键问题依次进行评述。
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ＤＣ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＢＩ Ｔｉａｎｓｈｕ，ＬＩ Ｍｅｎｇ，ＪＩＡ Ｋｅ，ＹＡＮＧ
Ｑｉｘｕｎ
（Ｓｔａｔｅ
Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｌｔｅｒｎａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅｓ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
用于海上风电直流电网的电流微分保护，通过定值 配合实现了故障线路有选择性的隔离。上述电气量 微分计算方法均是利用差分值近似替代微分值，需 要较高的采样率。文献［１３］利用限流电抗器上的压 降计算电流微分值，避免了差分替代微分造成的误 差，不过定值获取仍依赖于仿真计算。文献［１４］利 用小波变换方法提取故障行波特征，但这并没有解 决定值整定依赖于仿真计算的问题，而且增加了保 护算法的复杂性。 电气量微分保护用于直流配电网存在如下不足： （１）电气量微分针对行波波头到达特性，因此只适用 于故障起始阶段。（２）电气量微分保护的定值整定依 赖于仿真计算，缺乏普适的定值整定方法。（３）直流 配电网若采用架空线，电气量微分保护易受雷电等 噪声干扰，耐受过渡电阻的能力有限。
文献标志码：Ａ
直流配电网保护技术评述
毕天姝，李猛，贾科，杨奇逊
（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京１０２２０６）
摘要：直流配电网因其控制灵活、电能质量好、便于分布式电源接入等优点，成为国内外技术发展的一个重要方向和 研究的热点。然而。直流配电网故障特征与交流系统相比存在本质差异，已有交流系统保护技术难以直接应用于直流 配电网。同时，由于直流换流设备耐受过流能力弱及故障恢复控制措施相对复杂，对实现快速准确故障检测、故障定 位及有选择隔离故障区域提出了更高的要求。因此保护技术已成为直流配电网亟需突破的关键技术之一。论文在给出 直流配电网拓扑的基础上。通过分析直流配电网故障发生、故障检测、故障定位与故障隔离的过程，明确了直流配电 网保护中故障检测与故障定位是两个关键问题，并探讨了这个问题的技术难点，重点评述了直流配电网故障检测和故 障定位方法，剖析了已有研究存在的主要问题，展望了未来发展方向，以期为后续研究奠定基础。 关键词：直流配电网；保护技术；故障检测；故障定位；故障恢复
Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇａｉｎｅｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄ ｃａｐａ— ｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ａｎｄ ＤＣ ｌＯａｄＳ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＤＣ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ＡＣ
３．３测距式保护
３故障检测方法评述
直流配电网一般通过直流断路器处配置的保护 实现故障检测，发出跳闸命令。按照实现原理，可 实现故障检测的保护可分为３类，即电气量幅值保
３．１
护、电气量微分保护以及测距式保护。 电气量幅值保护 如前所述，直流配电网故障电流上升速度快，
稳态幅值大，即正常态与故障态电气量幅值差异明 显，这为电气量幅值保护应用于直流配电网提供了
配置直流断路器，其他分段开关配置负荷开关，以
便于同时兼顾系统的经济性和可靠性。 本文采用图１所示的直流配电网作为研究对 象，展开直流配电网保护技术评述。
源，会向故障点供应故障电流，这可能对准确故障 定位造成干扰。３）直流线路各区段长度较短。直流配 电网中，各区段长度相对较短，一般为数千米，这导 致各区段故障特征差异小，准确识别故障区段难。
１
直流配电网拓扑结构概述
图１给出了一种具有应用前景的±ｌＯ ｋＶ直流
配电网拓扑结构。其中，网络拓扑为双端型供电， 这主要由于直流配电网潮流可控，双端型网络不存 在环流问题，并可有效提高供电可靠性。由于直流 配电网电压等级低、容量小，故采用成本低、控制 简单、可靠性高的两电平ＶＳＣ作为换流器拓扑， 并选取结构简单、经济性好、应用广泛的对称单极 方式作为主接线方式。此外，为防止单极接地故障 引起严重过流，威胁设备安全，采用直流电容器中 性点高阻接地方式。直流配电网在每条馈线出线端
２）负荷分支的干扰。负荷分支中可能含有分布式电
率可独立控制，且直流侧不存在频率偏移和三相不 对称问题，所以电能质量问题更易于解决Ｈ Ｊ。 然而，直流配电网的故障特征与交流系统存在本 质差异”ｏ，已有的交流系统保护技术难以直接应用于 直流配电网。同时，由于直流换流设备耐受过流的能 力弱及故障恢复控制措施相对复杂，对实现快速准确 故障检测、故障定位及有选择地隔离故障区域提出了 更高的要求。因此保护技术已成为直流配电网亟需突 破的关键技术之一，也成为国内外研究的热点旧Ｊ。 本文将首先给出一个具有应用前景的直流配电 网拓扑，以此为研究对象，分析直流配电网保护面 临的关键问题与技术难点，评述直流配电网故障检 测和故障定位方法，剖析已有研究存在的主要问题。
种新的解决方案。这主要体现在以下几个方面： １）大量分布式电源与直流负荷需要经过换流 环节接入交流配电网，降低了能源利用效率；而接 入直流配电网可以减少换流环节，降低设备成本， 提高能源效率…。２）负荷快速增长使得短路容量 越限问题在交流配电网中日益凸显；而柔性直流配 电网受交流侧故障影响小，不增加交流侧短路容 量旧Ｊ。３）输电走廊紧缺制约了城市中架空线路的 使用，同时电容充电效应又限制了电缆在交流配网 中的供电半径；而在直流配电网中，无需传输无功 功率，无电容效应与集肤效应，故供电半径及容量
ａｒｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎ ｎａｔｕｒｅ
ａｓ
ｐｏｗｅｒ
ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ
ａｎ
ＡＣ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｈａｒｄ ｔｏ ｂｅ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｔｈｅ ｏｖｅｒ．ｃｕｒｒｅｎｔ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｉＳ ｗｅａｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉＳ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．ｗｈｉｃｈ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｆａｓｔ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｌｏｃａｔｉｏｎ ｃｏｍｅｓ
大、效率高¨。。４）交流配网电能质量问题日益突
出；而柔性直流配电网巾由于交流侧有功、无功功
直流配电网保护可分为换流站保护、直流网的 保护及负荷分支保护。其中，换流站保护技术与已 有直流系统区别不大；负荷分支作为直流配电网的 末端，其保护技术相对简单。论文重点分析直流网 的保护技术。 当直流配电网出线１的区段２发生双极短路故 障（如图１所示）时，出线Ｉ两端直流断路器处配置 的保护应快速准确检测故障，跳开断路器，切断故 障电流。然而，直流线路双极故障的故障特征复 杂：直流侧含有电容器，导致故障电流上升速度 快，暂态分量丰富；交流侧的换流电抗器含有比较 大的电感元件，导致故障暂态过程持续时间较长； 由于稳态故障电流以直流量为主，线路电感对故障 电流影响小，导致稳态故障电流幅值较大。在这种 情况下，如何实现快速、可靠、有选择的故障检测 方法是需要解决的问题。 在实现故障检测与故障电流开断的同时，还需 要准确定位故障点发生在哪个区段（例如区段２）， 以便于在出线Ｉ两侧断路器跳开后能通过打开相应 的负荷开关（区段２两侧负荷开关）实现故障隔离， 进一步闭合出线ｉ两端断路器恢复非故障区域的供 电，达到提高供电可靠性的目的。因此，故障定位 成为继故障检测之后的又一个关键问题。 实现准确故障定位的难点主要在于３个方面。 １）可利用数据少。如前文所述，直流电网保护和直 流断路器动作速度都比较快，因此可用于故障定位 的故障数据长度短，准确可靠定位故障的难度大。
第１０卷第３期 ２０１６年３月
南方电网技术
ＳＯＵＴＨＥＲＮ
Ｖ０１．１０，Ｎｏ．３ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ＰＯＷＥＲ ＳＹＳＴＥＭ
Ｍａｒ．２０１６
文章编号：１６７４－０６２９（２０１６）０３－００５３－０５ ＤＯＩ：１０．１３６４８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ６７４－０６２９．２０１６．０３．００９
中图分类号：ＴＭ７７：ＴＭ７２１．１
ｏｎｅ
ａｎｄ
ｉｓｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｅ—
ｏｆ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｄｉｓ—
ａｓ
ｃｕｓｓｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ．ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．１０ｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌＯＣａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ
ｔｉｖｅ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
ｗｅｌｌ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｆａｕｌｔ
ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔ ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ
０引言
随着社会进步和经济发展，交流配电系统正面 临一系列难题，而直流配电网为城市配电提供了一
可能性。电气量幅值保护仅利用单一电气量，原理
简单、易于实现，具有较好的经济性。 电气量幅值保护包括电压保护、电流保护和谐 波保护。文献［７］给出了用于直流配电网的电压反 时限保护，通过保护的反时间特性实现上下级的配 合，但文中并未给出电压定值的计算方法。文献
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（９７３项目）（２０１２ＣＢ２１５２０６）； 国家自然科学基金项目（５１４０７０６７，５１２２２７０３）；高等学校学科创新引智计 划资助（Ｂ０８０１３）。
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ
ｉｔｅｍ：Ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ
ａｒｅ
ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｏｆ
ｔｈｅ
ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ａｎａｌｙｚｅｄ．ｎｌｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ
ａｓ
ａｒｔ
ｏｆ ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＤＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｅｒｓｐｅｃ—