基于电流方向信息的直流配电网故障隔离方法.pdf

自动化技术与应用2 0 1 6 年第3 5 卷第1 1 期 电气传动 E l e c t r i c a lD r i v e 基于电流方向信息的直流配电网故障隔离方法 熊乐1 ”，张祥1 f 2 ( 1 华南理工大学，广东广州5 1 0 6 4 1 ；2 南方电网科学研究院，广东广州5 1 0 6 2 3 ) 摘要：文章首先分析了基于模块化多电平换流器( m o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ，M M C ) 的多端直流配电系统线路短路故障的过 程机理，研究了闭锁后换流器电容、网侧交流电源对故障点馈入的放电电流数学模型。提出了一种基于电流方向信息隔离 直流线路短路故障的方法；该方法提出先闭锁后隔离故障的顺序，闭锁后送端换流站和受端换流站停止功率传输；此时系 统直流线路只存在流向故障点的放电电流，因此非故障线路两端的电流方向一致，而故障线路的电流方向不一致；利用此 特征可以在闭锁后极短时间内判定故障线路，结合保护判据识别故障类型，应用固态直流断路器快速隔离故障区域；在 R T D S R S C A D 中搭建四端放射形直流配电网模型，仿真结果显示在不同故障类型下，相关直流断路器能在极短时间内 动作，系统内其他直流断路器不会误动；换流器电容电压下降较少，可缩短下一步电容充电时间，快速恢复系统运行。 关键词：直流配电网，故障分析；故障定位；故障隔离；直流断路器 中图分类号：T M 5 8 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 6 ) 1 1 - 0 0 7 8 - 0 6 C u r r e n tD i r e c t i o nB a s e dM e t h o do fF a u l tI s o l a t i o no f F o u r - T e r m i n a ID CD i s t r i b u t i o nN e t w o r k X I O N GL e “Z H A N GX i a n 9 1 一 ( 1 S o u t hC h i n a U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , G u a n g z h o u5 1 0 6 4 1C h i n a ； 2 C h i n aS o u t h e r nP o w e rG r i dC o ，L t d G u a n g z h o u510 6 2 3C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ep a p e ra n a l y s e sp r o c e s sm e c h a n i c so fs h o r tc i r c u i tf a u l t si nam o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r sb a s e dm u l t i t e r m i n a ld e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；T h e ni th a sar e s e a r c ho nt h em a t h e m a t i c a lm o d e la b o u ti n v e r t e rc a p a c i t o r sa n dn e t w o r ks i d ea c p o w e rt of e e d - i nd i s c h a r g i n gc u r r e n t sa tf a u l tp o i n t sa f t e rb e i n gl o c k e d ；I nf i n a l ，t h ep a p e rp r o p o s e sa ni s o l a t i o nm e t h o d o fd cl i n ef a u l t i nt e r m so fc u r r e n td k e c t i o n s T h em e t h o dp r e s e n t sa no r d e ro ff a u l t si s o l a t i o na f t e rb e i n gl o c k e d ，a n d t h es e n d i n gc o n v e r t e rs t a t i o na n dt h er e c e i v i n ge n ds t o pt h e i rp o w e rt r a n s f e r ；A tt h em o m e n t ，t h ed cl i n eo fs y s t e mo n l y e x i s t sd i s c h a r g i n gc u r r e n t sf l o w i n gt of a u l tp o i n t ，r e s u l t i n gi nt h es a m ec u r r e n td i r e c t i o na tb o t he n d so ft h eu n f a u l tl i n e ， w h e r e a sf a u l tl i n e sh a v ed i f f e r e n tc u r r e n td i r e c t i o n s ；U s i n gt h i sf e a t u r eC a nd e t e r m i n ef a u l tl i n e sa f t e ra t r e s i aw i t h i nav e r y s h o r tt i m e ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o t e c t i o nc r i t e r i o nt oi d e n t i f yt h ef a u l tt y p e ，a n db yt h ea p p l i c a t i o no fs o l i ds t a t ed ec i r c u i t b r e a k e rq u i c k l yi s o l a t ef a u l tz o n e I nR S C A D R T D S ，t h ep a p e rb u i l d sf o u rt e r m i n a lr a d i a t ed cp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k m o d e l ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rd i f f e r e n tf a u l tt y p e s ，c o r r e s p o n d i n gd cc i r c u i tb r e a k e r sc a l la c ti nav e r y s h o r tt i m e ，w i t h o u to t h e rd cc i r c u i tb r e a k e r sm a l - o p e r a t i o n L e s si n v e r t e rc a p a c i t o rv o l t a g ed r o p ，s h o r t e n i n gt h ec a p a c i t o r c h a r g i n gt i m e ，t h es y s t e mC a nf a s tr e c o v e r y K e y w o r d s ：D Cd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；f a u l ta n a l y s i s ；f a u l tl o c a t i o n ；f a u l ti s o l a t i o n ；d cc i r c u i tb r e a k e r 1 引言 基金项目：多端轻型直流系统网络拓扑及控制、保护技术的研究( 编号S E P R I K 13 10 0 3 ) 收稿日期：2 0 1 5 1 2 3 0 随着城市化进程的加快，城市配电网的用电负荷增 长迅猛，城市配电网出现供电能力不足、过负荷、电压低、 可靠性差等问题。多端柔性直流配电网以模块化多电平 换流器( m o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ，M M C ) 连接交 流电网与直流线路，可以实现有功和无功的独立解耦控 万方数据 电气传动 E l e 嘶ID r i v e 自动化技术与应用) ) 2 0 1 6 年第3 5 卷第1 l 期 制、易于构成多端直流互联系统、向无源负荷供电、向 系统提供有功功率和无功功率的紧急支援，在提高系统 的稳定性和电压质量方面具有优势。基于模块化多电平 换流器( m o d u l a rm u l t i l e v e lc o n v e r t e rm u l t i - t e r m i n a l d i r e c t c u r r e n t ，M M C ) 的多端柔性直流配电系统不仅可 以解决目前城市配电网存在的问题，也是未来配电网的 发展优势u 2 1 。 直流线路短路故障是柔性直流配电系统的典型故 障，短路故障主要包括单级接地故障和双极短路故障口1 。 分析故障下M MC 闭锁I G B T 后的故障过程机理具有工 程意义，此外，故障快速清除也是多端柔性直流配电网 需研究的重点问题。目前投入运行的两端柔性直流输 电工程普遍采用换流站交流侧的交流断路器隔离直流故 障，其跳闸时间往往不理想。多端直流配电系统相较两 端输电系统而言结构更为复杂，电压等级较低，适用直 流断路器隔离网络故障。由于直流相较于交流其电弧没 有过零点，传统的交流断路器无法应用于直流线路切除 直流故障电流。直流断路器采取制造人工过零点的方法 开断直流电流。现阶段中低压直流断路器的研究较为成 熟，全固态直流断路器和带机械隔离开关混合断路器的 开断时间在2 m s 内，可以满足多端柔性直流配电系统的 速动性要求。其中，全固态断路器是一种新型的直流断 路器，使用软开关和谐振强迫换流思想，可实现开关的 软开通和快关断，具有开断时间短、无弧、无光、无声 响等优点，并且随着半导体技术的不断发展，其通态损 耗、造价都逐渐降低，越来越适用于直流系统。 故障清除包括定位、隔离两个过程。隔离的前提是 故障定位，如何从系统所有直流线路中识别故障线路也 是直流配电网故障定位的难点所在巧1 。文献嘲中仅利用 一端电气量进行故障定位，使得信息收集环节时间大大 缩减。但文献为考虑经济性等因素，利用交流断路器与 快速隔离开关配合进行隔离，长达l O O m s 的交流断路器 跳闸时间无法保证系统中设备安全性。本文在此基础上 提出先闭锁后隔离的顺序，闭锁后送端换流站和受端换 流站停止功率传输，此时系统直流线路放电电流方向信 息有利于保护装置进行故障线路判定。在闭锁后的2 m s 内切除故障，使电容电压尽量保持不变，可缩短电容充 电过程，加快供电恢复速度。 2 故障过程分析 故障状态下，M MC 在闭锁前的暂态过程具有强非 线性，与控制系统的调节有强关联性，无法用解析方法 求解整个暂态过程。闭锁后，M MC 将主要经历三个阶 段，分别为电容放电阶段、不控整流阶段、不控整流稳 定阶段引。 ( 1 ) 电容放电阶段 此阶段主要为投入的子模块电容器放电。放电电 路由放电电容、线路电感以及电阻组成，可以简化为 R L C 二阶电路。设故障瞬间直流线路电压为U 。，则 R L C 回路有： 厶c 华+ B c 车+ ：0 ( 1 ) 6 ta t