电力系统保护与控制 第 49 卷 第 23 期 2021 年 12 月 1 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.23 Dec. 1, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.202115 基于暂态功率方向的柔性直流配电网线路单极接地保护方法 李卫丰 1，王 超 2，薛永端 1，李 娟 3，徐丙垠 2 (1.中国石油大学(华东)新能源学院，山东 青岛 266580；2.山东科汇电力自动化股份有限公司，山东 济南 250101； 3.国网江苏省电力科学研究院，江苏 南京 211100) 摘要：单极接地故障是柔性直流配电网最为常见的故障。采用小电流接地方式的 MMC 型柔性直流配电网发生单 极接地故障时，短路电流小(主要是分布电容电流)，故障识别困难，柔性直流配电网接地故障检测亟待解决。利 用相模变换建立了基于 MMC 的多端环状柔性直流配电网单极接地故障的零模网络电路，分析了零模网络换流器 和直流线路的阻抗特性。在所关注的特征频段内将零模网络简化等效，分析得到故障线路两端的零模电压导数与 零模电流的极性均相反，非故障线路两端至少有一端的零模电压导数与零模电流极性相同。利用该故障线路与非 故障线路差异特征，设计了一种利用暂态功率的方向纵联保护方法。其中故障线路两端暂态功率方向均为负，非 故障线路两端功率方向至少有一端为正。最后在 PSCAD/EMTDC 平台搭建仿真验证。结果表明，所提保护方法能 可靠识别区内区外故障，不依赖线路边界元件，无需数据同步，具有较好的耐受过渡电阻能力。 关键词：柔性直流配电网；模块化多电平换流器；单极接地故障；暂态；方向纵联保护 A flexible DC distribution network line unipolar grounding protection method based on transient power direction LI Weifeng1, WANG Chao2, XUE Yongduan1, LI Juan3, XU Bingyin2 (1. College of New Energy, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 2. Kehui Electric Co., Ltd., Jinan 250101, China; 3. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211100, China) Abstract: Unipolar grounding faults are the most common faults in flexible DC distribution networks. When a single-pole grounding fault occurs in MMC-type flexible DC distribution networks using small current grounding methods, the short-circuit current is small (mainly distributed capacitance current) and fault identification is difficult. The ground fault detection of flexible DC distribution network is an urgent matter. Phase-to-mode conversion is used to establish a multi-terminal ring-shaped flexible DC distribution network with a single-pole ground fault zero-mode network circuit based on MMC, and the impedance characteristics of the zero-mode network converter and the DC line are analyzed. In the characteristic frequency band of interest, the zero-mode network is simplified and made equivalent, and the relationship between the transient zero-mode current and the zero-mode voltage of each line is obtained. Based on the distribution characteristics of the transient zero-mode current and zero-mode voltage of each line, a directional longitudinal protection method using transient power is designed. The transient power directions at both ends of the fault line are all negative. At least one end of the power direction at both ends of the non-faulty line is positive. Finally, a simulation verification is built on the PSCAD/EMTDC platform. The results show that the protection method is simple and can be implemented reliably. It also has a good ability to withstand transition resistance. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 52077221). Key words: flexible DC grid; MMC; single pole ground fault; transient state; directional pilot protection 0 引言 随着电力电子技术的进步，柔性直流配电网得 基金项目：国家自然科学基金项目资助(52077221) 到长足发展，相比交流配电网，柔性直流配电网具 有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无 功补偿以及适于各类电源和负载接入等优点[1-5]，尤 其是多端柔性直流配电系统，在供电可靠性方面具有 明显优势[6]。模块化多电平换流器(Modular Multilevel -2- 电力系统保护与控制 Converter, MMC)由于其输出特性好、易于扩展和结 构模块化等优势，基于 MMC 的多端柔性直流配电 网逐渐成为国内外学者研究的热点[7-11]。 为了实现直流配电网的安全运行，保护技术是 直流配电网研究的重点内容之一，线路单极接地短 路故障是直流系统最为常见的故障，单极接地故障 特征与接地方式密切相关，基于 MMC 的柔性直流 配电网多采用小电流接地方式 [12-13](直流侧大电阻 钳位接地、交流侧不接地或经大电阻接地)，发生单 极接地故障时故障电流小[14]，正、负极极间电压保 持不变，功率正常传输，在绝缘满足要求的情况下， 允许系统工作一段时间[15]。然而，由于健全极电压 升高为原来的 2 倍，正负极电压不对称运行，同时 交流侧电压将出现直流偏置，会严重威胁系统的绝 缘。因此，有必要对多端柔直配电网的单极接地故 障保护进行深入研究。 采用小电流接地的 MMC 型柔性直流电网发生 单极接地故障后因故障特征不明显，故障识别难度 大。文献[12-13]利用线路两端差流的短时能量和小波 时间熵进行单极接地故障检测，可以正确检测直流 线路的单极接地故障，但该方法对硬件要求较高。 文献[15]研究了基于直流线路两端的直流电抗器的 保护方案，利用线路边界对电流高频分量的阻滞作 用，通过小波变换提取区内、外故障的高频暂态能 量差异区分线路故障，能兼顾可靠性和速动性。文 献[16]利用线路正负极暂态电压 Pearson 相关系数 在区内外故障时的差异进行故障识别，其本质为利 用线路两端的直流电抗器对电流的抑制作用，该方 法不受过渡电阻影响，能可靠识别单极接地故障。 文献[17]提出利用附加直流电抗器初始电压的单端 量故障识别方案，该方案无需通信，但其关于保护 的整定值依赖于附加电感值，且需要较高的采样频 率。文献[15-17]均依赖于线路两端的直流电抗器充 当边界元件，然而，并非所有的直流配网都支持在 直流出口侧配备电抗器[18]，且直流电抗器参数以及 边界整定值仍未有一套比较完善系统的计算方法[19]。 文献[20]针对交流侧大电阻接地方式下发生单极接 地故障时电流差动保护拒动这一问题，通过在交流 侧中性点短时投切小电阻，增大故障电流，使得电 流差动保护动作，该方法需要投入额外的设备，并 且在投入小电阻过程中存在过流的风险。文献[21] 基于零模网络建立了区内、区外故障的数学模型， 通过零模差动电流测量值分别与通过区内、区外数 学模型预先计算值的相似度比较来识别故障线路， 保护定值整定简单，但其仍然受过渡电阻和故障位 置影响。文献[22]利用线路两端正负极电流故障分 量的极性关系识别故障区段，不受线路分布电容影 响，但其保护整定依赖于仿真数据。文献[23]分析 了直流侧经钳位电阻接地、交流侧直接接地和交流 侧经电阻接地三种接地方式下单极接地故障的特 性，针对直流侧经钳位电阻接地和交流侧大电阻接 地方式，仅分析了故障后的稳态结果，且其忽略了 线路对地电容电流，对于暂态过程未予以分析。 随着未来直流配电系统的发展，从电压等级、 输出功率和供电半径需求的逐步提高，线路的长度 会变长[24]，线路的分布式电容已然不能忽视。采用 小电流接地方式的直流电网发生单极故障时故障线 路和非故障线路的差异体现在暂态电流上[13]，目前 未有文献对该暂态过程进行详细分析，且关于柔直 系统单极接地故障的保护研究相对尚少。针对上述 问题，本文以基于 MMC 的多端环状