探讨直流配电网保护技术

探讨直流配电网保护技术

黄嘉豪吴柏涛许环英

（广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000）

摘要：虽然目前交流配电系统依旧是配电网中的主流，但实际上直流配电网也逐渐成为了电网发展中的一个重要研究课题。与交流配电网相比，直流配电网的故障特征有着很大的差异，交流配电系统相关的保护技术在直流配电网中很难发挥效用，研究直流配电网的保护技术成为了关键所在。本文主要探讨的是探讨直流配电网保护技术。

关键词：直流配电网；保护技术；故障检测；故障定位；故障恢复

随着射虎经济的不断发展，人们对电能的需求量越来越大，对配电网的要求也越来越高，交流配电系统已经很难满足人们在生产生活中的用电需求了，直流配电网逐渐成为了配电系统的主力军。但就目前的实际情况来看，直流配电网依旧存在着很多的故障，但是交流配电网的保护技术并不能对直流配电网进行有的保护，因此直流配电网的保护技术成为了电力企业重点关注的课题。

1、直流配电网拓扑结构概述

图1所示的±10kV直流配电网拓扑结构是本文研究直流配电网保护技术的实例。在图中可以看出，网络拓扑属于双端型供电，不存在环流问题并且具有较高的可靠性。直流配电网本身电压等级低、容量小的特点也使得成本低、控制简单、可靠性高的两电平VSC成为了换流器拓扑的首选，接线方式则是结构简单、经济性好、应用广泛的对称单极方式。同时，在运用直流配电网拓扑结构的过程中，为了保证不会因单机接地故障引起严重过流，还会采用直流电容器中性点高阻接地方式，兼顾系统的经济性和可靠性。

2、保护关键问题与技术难点

换流站保护、直流网的保护及负荷分支保护是直流配电网保护的三种主要方式，在这其中换流站保护技术与已有直流系统区别不大，负荷分支保护主要在直流配电网的末端。

根据图1所示不难看出，当直流配电网出线1的区段2发生双极短路故障时，可以通过出线1两端的直流断路器处的相关保护设备对故障进行检测，快速反应并切断故障电流，防止故障危害的进一步扩大。直流线路双极故障的特征比较复杂，首先直流侧的电容器导致的故障会呈现出电流伤身速度快，暂态分量丰的状态；其次，交流侧换流电抗器中的电感元件发生故障会呈现出暂态过程持续时间较长的状态；其三，配电网中存在稳态故障电流时，线路电感很难对其产生影响，会呈现出稳态故障电流幅值较大的情况。

在完成故障检测和故障电流断开的过程中，准确判断故障点发生在哪个区段是十分重要的。只有确定了区段才能在两侧断路器开启后打开正确的负荷开关，实现故障隔离，闭合并且回顾非故障区域的供电，以保证配电网供电的稳定性。

而确定故障定位的难点主要表现在以下三个方面：首先是可利用的数据比较少，在发生故障时，直流电保护和直流断路器的运行速度都很快，故障数据收集不能够及时反应，从而留给故障定位的信息就比较少。其次是负荷分支的干扰，负荷分支中含有分布式电源会持续给故障点提供故障电流，导致故障点很难被发现并且准确定位。最后是直流线路各区段长度较短，和交流配电网相比，直流配电网中的各区段间隔比较短，一般只有数千米，这使得区段间的故障特征太过于接近，故障区段隐藏其中，很难被发现。

3、故障检测方法评述

3.1电气量幅值保护

在直流配电网中发生故障时，正常态与故障态电气量幅值差异会比较明显，故障电流上升速度会明显加快，稳度幅值相对来说也比较大，这就是电气量幅值保护在直流配电网保护中能够发挥作用的关键所在。与其它保护方法相比，电气量幅值保护的特点是原理简单、易于实现，具有较好的经济性。

电压保护、电流保护和谐波保护是电气量幅值保护的三个组成部分，也是相关学者看展研究的重点部分。但就目前的实际情况来说，在研究开展的过程中依旧存在着很大的问题，有部分研究中给出了相应的直流配电网电压反时限保护，却并未提出电压定值的准确计算方法；有部分研究在进行电流保护相关实验时没考虑到多级线路配合的选择性问题；有部分文件，利用谐波电流量的幅值，构成了柔性直流输电线路保护原理，但忽略了多级线路保护定值配合的问题。

就目前的实际情况来看，在运用电气量幅值保护的过程中比较常见的问题有以下三种：第一，单纯依靠电气量幅值进行保护，对有可能造成保护线路受干扰的相邻线路故障缺乏一定的防范；第二，缺乏必要的电气量故障计算方法，在直流配电网拓扑随续流二极管通断呈现时变特性时无法确定电气量幅值保护定值；第三，对分布式电源的保护考虑不到位，在线路较短的情况下，可能会出现出线保护与负荷分支保护定值配合难题。

3.2电气量微分保护

电气量微分保护主要是为了识别直流配电网故障畸变的。在故障行波传递到保护安装处的时候，相应的保护安装装置就能够检测到其中的电气量微分变化，从而快速分析故障并且开展保护运作。

电压微分保护和电流微分保护是电气量微分保护的两种方式，在目前的研究成果中不难发现，电气量微分保护技术一直在不断的创新和进步。可以实现快速故障识别的专用于直流电线路的电压微分保护技术已经研究成功；通过定制配合实现对故障线路有选择隔离的，用于海上风电直流电网的电流微分保护技术也进入了人们的实现；同时，利用限流电抗器上的压降还可以避免差分替代微分造成的误差，但是在实际应用的过程中，定值获取仍依赖于仿真计算；此外，利用小波变换方法提取故障行波特征也处于研究阶段，但是这种技术会增加保护算法的复杂性，并且目前还不能有效的解决解决定值整定依赖于仿真计算的问题。

就目前的实际情况来看，在运用电气量微分保护的过程中比较常见的问题有以下三种：第一，电气量微分只能适用于故障起始阶段，这与其本身针对行波波头到达特性的技术特点有着很大的关系；第二，电气量微分保护缺乏统一的定值整定方法，主要依赖于仿真计算，在实际应用过程中很容易产生误差；第三，在架空线中运用电气量微分保护容易受到雷电等噪声干扰，保护能力有所下降。

3.3测距式保护

测距式保护主要通过直流配电网的故障特征来确定和计算保护安装处到故障点的距离从而确定故障点位置的，这种保护是不依赖于仿真计算，其定制整定比较容易实现，

测距式保护和电气量微分保护最大的共同点在于行波测距保护也容易受噪声干扰，耐受过渡电阻的能力有限。就目前的研究情况来看，在测距式保护定值整定计算过程中，Ｒ-L模型算法已经得到了一定的优化，存在的计算误差和算法数值稳定性问题有了一定的改善，但这种优化是建立在增加电压互感器的基础上的，一定程度上增加了搭建直流配电网的成本。

就目前的实际情况来看，在运用测距式保护的过程中比较常见的问题有以下两种：第一，直流配电网的线路比较短，留给行波反射的时间相当短，这给捕捉波头造成了较大的困难，对保护硬件提出了很高额要求；第二，负荷分支产生的外吸或者助增电流对线路识别参数会造成一定的干扰，导致保护运行缺乏准确的数据参考，最终影响保护结果。

结束语

综上所述，直流配电网虽然能够解决目前城市配电用电难题，但是在实际应用过程中依旧存在着很大的问题需要解决。直流配电网保护技术是降低直流配电网故障，保证配电准确和稳定的关键所在，各种保护技术各有优劣，需要相关学者不断优化创新，为直流配电网的发展保驾护航。

参考文献：

[1]薛士敏，陈超超，金毅，等．直流配电系统保护技术研究综述[J]．中国电机工程学报，2014，34（19）：3114－3122．

[2］李猛，贾科，毕天姝，等．适用于直流配电网的测距式保护[J]．电网技术，2016，40（3）：719－724．

基金项目：

佛山供电局职工技术创新项目（030600KK52190015）