基于多重综合判据的单端MMC直流配电网单极接地保护方法

张伟，方永丽，孙硕，姜华，曹亚非，沈兴来

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210008；2.中国矿业大学 电气工程学院，江苏 徐州221116；3.国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，江苏 徐州 221000)

与交流配电网相比，直流配电网在线路损耗、电能质量、功率密度、相位、频率等方面都具有较大的优势，且便于新能源和充电桩等直流负荷的接入，具有良好的应用前景[1-4]。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的直流配电网，因控制灵活、可向无源网络供电、具备故障自清除能力等优势，成为直流配电网方面的研究热点[5-7]。为了提高供电可靠性，直流配电网一般采取直流侧经钳位电阻接地方式。该接地方式与交流配电网的小电流接地方式类似，当直流馈线发生单极接地故障时，配电网能够带故障持续运行一段时间[6-12]。但是在钳位电阻接地方式下，单极接地故障时故障电流很小，故障特征不明显，难以准确可靠地判别出故障馈线。

国内外学者开展了相关研究[13-20]，提出基于故障特征的被动检测法和基于注入信号的主动检测法2类故障线路判断方法。文献[13]提出一种基于馈线正负极暂态电流突变方向的故障馈线判断方法，但是由于故障暂态电流持续时间短、频率大且不固定，该方法易受暂态电流的振荡衰减等因素的影响而降低准确性。文献[14]提出一种基于放电电流极性的图论故障选线方法，但只适用于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)直流配电网，对于MMC直流配电网则存在适应性问题。文献[15]在VSC直流侧电容中性点增加接地开关，并在故障后投入，向配电网注入脉冲以实现故障判别，但是该方案并不适用于直流侧无集中并联电容的MMC直流配电网。文献[16]提出当发生单极接地故障后，通过改变MMC的控制策略，使MMC产生需要的探测信号，并分析主动探测信号大小、频率的选择依据，但是该方法对控制策略的要求较高，不利于推广。

综上所述，现有针对直流配电网单极接地故障的2类保护方法均有不足，因此继续开展相关研究，有效解决直流配电网单极接地保护准确性和可靠性的问题具有重要意义。本文以结构简单、控制方便、应用较广的MMC单端直流配电网为研究对象，综合利用故障馈线与非故障馈线各自正负极电流故障特性、故障馈线与非故障馈线故障极电流的故障特性、故障馈线与非故障馈线正负极电流之和的故障特性，分别计算这3种故障判据，并构建基于上述3种故障判据的多重综合判据单极接地保护方法。最后，利用实时数字仿真系统(real time digital simulation system，RTDS)软件搭建MMC单端直流配电网的单极接地故障仿真模型，对所提方法进行验证。

1 单端直流配电网结构与MMC的拓扑结构

目前直流配电网的网架结构主要有单端、双端和环状3类。其中单端放射状直流配电网结构简单，控制简单，保护配合方便，投资成本低，是己建设工程实践中最常见的拓扑结构[21-27]，如图1所示。

图1 单端放射状网络拓扑结构Fig.1 Single-ended radial network topology

由半桥子模块级联构成的三相MMC拓扑结构如图2所示，其中：ua、ub、uc为三相交流电压源；ia、ib、ic为三相电流；uaP、ubP、ucP为上桥臂电压；iaP、ibP、icP为上桥臂电流；uaN、ubN、ucN为下桥臂电压；iaN、ibN、icN为下桥臂电流；Udc为直流电压；ism为子模块电流；usm为子模块电压；uc为子模块电容电压；R0为桥臂电阻；L0为桥臂电抗；C为子模块电容；SM1—SMn为n个子模块；T1、T2为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)；D1、D2为二极管。

图2 三相MMC及其子模块拓扑结构Fig.2 Topology of three-phase MMC and its submodules

三相MMC中包含3个相单元和6个桥臂，每桥臂由n个子模块和1个电抗器串联构成，传统VSC中的电抗器接在换流器与交流系统之间，而MMC中的电抗器直接串联在桥臂中。MMC中的电抗器能够抑制3个相单元瞬时电压不同时引起的相间环流，还能抑制直流线路故障时短路电流的瞬时冲击。桥臂等效电阻R0主要由桥臂中半导体器件的导通损耗和开关损耗等效而得。上下桥臂的连接处与三相交流系统相连，通过对MMC中IGBT施加不同的触发脉冲，可实现对子模块运行状态的任意切换，以实现电压、电流控制与换流的目的。

2 单极接地故障特性分析

为便于分析，将单端放射性直流配电网简化成如图3所示结构，其中L1—L4为馈线。

图3 单端MMC直流配电网简化结构Fig.3 Simplified structure of single-ended MMC DC distribution network

由图3以及MMC控制和工作特征可知，系统正常运行时，由于采用的是单极对称接线方式，当以地为参考点时，正极对地电压UP与负极对地电压UN的绝对值相等，方向相反，即UP=-UN。直流配电网MMC的交流侧一般采用中性点经小电流接地方式，单极接地时不存在子模块电容放电，且子模块电容电压不变；因此当发生单极接地故障时，直流线路正负极之间的极间电压总是维持正常运行时的极间电压不变。

当发生正极接地故障时，正极线路电压降为0，负极线路电压降低为负的额定电压值；同理，负极接地故障时，负极线路电压升高为0，正极线路电压升高为额定电压值。因此，单极接地仅改变零电位点，使得直流配电系统中的接地故障线路电压为0，而非故障线路电压为故障前电压的2倍。直流配电网多采用电缆线路，电缆线路具有随频率变化的分布参数特性，线路电压会经过一个衰减震荡过程后才进入稳态。线路电压在震荡过程中不断变化，导致线路对地的分布电容对接地点产生不断变化的衰减震荡电流。

在MATLAB中搭建基于图3结构的仿真模型，其中，交流变压器为110 kV/10 kV，MMC换流站额定容量35 MVA，子模块电容9 000 μF，桥臂电抗12 mH，单桥臂子模块数20，直流配电网MMC工作在双闭环控制方式下。仿真中采样频率为24 kHz，馈线L1—L4的长度分别为5 km、8 km、3 km、6 km，电流互感器变比分别为200/5、200/5、200/5、100/5。在0.5 s时模拟馈线L1的正极单极接地故障，其母线电压和各馈线首端测量电流如图4所示。

图4 馈线L1上发生正极接地故障时的故障波形Fig.4 Fault waveforms in case of positive grounding fault on feeder L1

由图4(a)可知：在0.5 s发生故障时，正极电压由正常运行时的10 kV迅速下降为0；负极电压由-10 kV迅速下降至-20 kV，负极电压幅值瞬间增大到原来幅值的2倍；极间直流电压在故障后仍维持正常运行时的20 kV。由于线路电压突变，直流线路对地电容存在短时放电，使得直流线路正负极电压在故障后出现短暂衰减震荡后才趋于稳态。

由图4(b)—(e)可知：在发生单极接地故障前，正极线路电流正常运行在稳定状态；在0.5 s发生单极接地故障后，由于正负极电压短暂波动，线路对地电容通过接地点发生短时放电现象，正负极电流经过暂态过渡过程重新进入稳态，没有严重过流情况。

由图4可知：故障馈线正负极电流之间不仅大小差别较大，且其方向具有反向性；非故障馈线正负极电流大小与其线路长度成正比，且方向具有同向性。故障馈线的故障极暂态电流与所有非故障馈线的故障极暂态电流之间具有明显的反向性，而所有非故障馈线的故障极暂态电流之间具有明显的同向性。因此，可以根据这些差异判断出故障馈线。

3 基于多重综合判据单极接地保护方法

由上述故障特征的分析和仿真可知，当发生单极接地故障时，虽然没有大的短路电流产生且极间电压维持不变，但是正负极对地电压严重不对称，会对电网和用电设备造成一定的影响，因此需要尽快切除故障进行维护，以免发生更严重的极间短路故障。

MMC直流配电网发生单极接地故障时，其各馈线电压和首端电流之间具有明显的差异，可以根据这些差异来判断出故障馈线。直流电压的变化不会随故障位置的改变而改变，因此无法单独采用电压判据来实现故障馈线的判断，但是利用电压判据可以容易地判断出是否发生单极接地故障以及故障极是正极还是负极。故障馈线与非故障馈线的首端电流信号之间存在一定差异，可利用该暂态电流信号来判断出故障馈线。由于单极接地故障时的暂态电流信号相对较小，衰减较快，易受故障点过渡电阻等因素影响，采用单一的故障判据容易造成误判。为提高判断的准确性，本文基于各馈线本身正负极暂态电流之间的差异性、所有馈线故障极电流之间的差异性、所有馈线正负极对应电流和之间的差异性3种故障判据，构建基于多重综合判据的单极接地保护方法。实现流程如下：

a)确定各馈线正负极电流互感器安装方向的正确性，以及各互感器的变比，以便于分析与计算判据。

b)不断地采样获取直流配电网的正负极对地电压、极间电压和各馈线首端的正负极电流。

c)判断是否发生单极接地故障。单极接地故障时故障极电压变为0，非故障极电压变为极间电压，而极间电压维持不变。因此，当正负极电压当满足式(1)时，判断为发生了单极接地故障，则进行后续各馈线各种故障判据的计算和故障馈线的判断；否则，继续检测直流配电网电压和各馈线首端的正负极电流。

(1)

式中：UPN为极间电压；UPN,e为极间电压额定值；为了避免发生误判，设置相关的可靠系数0.4、0.8；0.5UPN,e为单极对地的额定电压。

d)判断出故障极。当满足|UN|>|UP|，判断为正极发生单极接地故障；否则，判断为负极发生单极接地故障。

e)根据所有馈线本身正负极间电流相似性系数判据初步判断出故障馈线。根据式(2)分别计算出所有馈线本身正负极相似性系数判据p′i；由故障特性理论和仿真分析可知，理论上故障馈线的判据p′i必然小于0，而非故障馈线的判据p′i大于0。因此，可以根据p′i初步判断出故障馈线，即p′i值最小且p′i<0的馈线为故障馈线。

(2)

式中：ii+(k)、ii-(k)分别为第i条馈线正极电流、负极电流的第k个采样值；N为采样计算数据量。

然后，利用各馈线故障极电流采样值，根据式(3)计算所有馈线故障极电流之间的相似性系数判据p″i。故障馈线的判据p″i必然小于0，而非故障馈线的判据p″i大于0。因此，可以根据p″i初步判断出故障馈线，即p″i值最小且p″i<0的馈线为故障馈线。

(3)

式中：p″i,s为第i条馈线与第s条馈线故障极电流之间的相关性系数；ii,g(k)为第i条馈线故障极电流的第k个采样值；ni为第i条馈线的电流互感器变比；M为该配电网的馈线总数。

f)根据所有馈线正负极电流和之间的相似性系数判断故障线路。利用各馈线正负极电流采样值，根据式(4)计算所有馈线正负极电流和之间的相似性系数判据p′′′i。故障馈线的判据p′′′i必然小于0，而非故障馈线的判据p′′′i大于0。因此，可以根据p′′′i初步判断出故障馈线，即p′′′i值最小且p′′′i<0的馈线为故障馈线。

(4)

式中：p′′′i,s为第i条馈线与第s条馈线的正负极电流和之间的相关性系数；ii,P(k)为第i条馈线正极电流的第k个采样值；ii,N(k)为第i条馈线负极电流的第k个采样值。

从理论分析上看，上述3种判据都可准确判断出故障馈线，但是单极接地故障时，该暂态分量较小，干扰因素多，频率不确定，互感器多且变比不一致，如果只采用单一的判据容易产生误判。因此，综合上述3种故障判据以提高判断的准确性。

单独利用上述3种判据判断出的故障馈线相同时，则该馈线即为故障馈线；当单独利用上述3种判据选择出的故障馈线不同或某个判据无法判断出故障馈线时，利用式(5)的综合计算方法计算各馈线的综合判据pi，则pi值最大的馈线即为故障馈线。

(5)

4 仿真验证

仿真参数同上，分别在馈线L1上距首端不同距离处模拟单极接地故障，各馈线的故障判据及判断结果见表1，其中l1为馈线L1的长度，lF为故障点至馈线L1首端的距离。对各馈线的电流信号附加随机干扰信号(不超过各馈线电流互感器额定电流的5%)和40 dB的高斯白噪声信号后的故障判据及结论见表2。

由表1、2可见，本文方法可以准确判断出故障馈线，且具有较强的抗干扰能力。在有干扰情况下，随着故障点过渡电阻的增大，利用单一故障判据的方法有可能产生误判；当过渡点电阻增大到一定程度，故障信号中的暂态分量很小时，综合判据法也可能产生误判，但其准确率较单一判据高。因此，需要继续研究高阻接地故障的判断方法。

表1 在馈线L1上距首端不同距离处单极接地故障的故障判据和结论Tab.1 Fault criteria and conclusions of single pole grounding fault at different distances on feeder L1 from the head end

表2 附加干扰信号后的各馈线故障判据和结论Tab.2 Fault criteria and conclusions of each feeder after adding interference signal

5 结束语

本文提出基于多重综合判据的单端MMC直流配电网单极接地保护方法，利用MMC直流配电网单极接地故障时各馈线本身正负极电流之间的相似性、各馈线故障极电流之间的相似性、各馈线正负极电流和之间的相似性作为综合故障判据，实现单

极接地保护。经仿真验证，本文方法具有抗干扰能力强、判断准确性高等优点，可有效解决单端MMC直流配电网单极保护地问题，但其针对高阻接地故障的判断准确性还有待进一步研究。