刘 源，樊艳芳，马 健，张鑫宇，许名扬

(新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047)

近年来，中国光伏发电规模发展迅速，截至2019年底，光伏装机总容量达到20 468万kW[1-2]。为减少光伏电站在常规交流并网过程中的损耗，以及低频振荡等问题[3]，光伏直流升压汇集接入系统的并网方式应运而生。由于直流系统具有强非线性[4]，且在直流送出线上发生故障后，电气故障特征消失快，给准确识别区内外故障带来了很大挑战。而在交流系统中的故障特征与直流系统中有着明显差异，各种工频量保护在直流线路保护中不能直接应用。有效快速地识别直流送出线区内外故障，可以保障光伏发电并网的安全性和可靠性。

针对如何快速识别直流线路故障的问题，中外众多学者也纷纷展开了研究。目前，按照采集电气信号的方式，将直流送出线的区内外辨识方法主要归为3类：信号注入式保护、单端电气量保护和双端电气量保护。在直流线路上，由于短路故障使得两端电力电子换流器快速闭锁，提取故障信息难度较大，有学者就此问题提出信号注入式保护方式并将其应用于直流线路[5]。文献[6]提出了直流线路故障时利用健全侧模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)注入矩形波信号，通过检测矩形波上升沿第一个反行波来检测故障类型，但矩形波信号选型比较困难。文献[7]提出在直流电网故障时向各个换流器注入频率100 Hz、幅值为0.1倍额定电压的正弦信号，通过引入斯皮尔曼相关性构造电容模型相关性判据，以此来判断区内外故障，但注入信号可能会影响非故障直流线路的运行特性。基于单端电气量保护主要是利用线路故障时首端或末端的电压、电流等电气量突变构造保护，只需要单端采样，在本地进行判断后作用于断路器。文献[8]利用线路终端电气量通过小波变换模极大值法构造保护判据。文献[9]指出直流线路正负极间存在耦合关系，利用故障后单端两极的电压电流构造样本标准差作为保护算法的依据。基于单端的电气量保护虽然在信息传递上比较可靠且也满足速动性要求，但单端电气量的采样频率普遍高于直流工程实际采用的10 kHz，目前正处于探索阶段。采用行波或暂态量构造的双端电气量纵联保护在直流线路上具有较高的可靠性，且在目前的工程采样频率下可以实现。文献[10]使用故障后的时变暂态信号构造相关性检验的算法，但该算法使用较多的电气量进行统一描述，存在误动的风险。文献[11]指出在长距离直流线路中线路会因色散丢失故障信息，利用双端行波来进行故障定位，可以达到区分故障类型的目的。目前行波保护多应用于故障定位，但在短线路传输中不适用。

基于上述分析，针对短距离光伏直流输送线路的快速保护方案亟待研究。现以1 MW/±10 kV集中型光伏直流升压外送系统为背景展开研究，提出一种适用于其直流送出线的，且基于故障后电流极性变化的相角分布保护方案。该方案只利用短时窗的暂态电流极性变化构造判据，使用数据量少，能够可靠快速地辨别区内外故障，保证光伏直流并网系统的安全稳定运行。

1 直流送出线电流极性变化分析

以集中型光伏直流升压外送系统为研究背景，如图1所示，光伏阵列通过DC/DC变换器升压后经双极直流线路送出，在终端通过MMC逆变升压后接入高压交流系统[12]。由于直流线路发生单极故障表现为高阻抗接地，不会引起严重过流，且系统可以带故障运行一段时间，故主要针对严重的双极故障展开研究。

图1中，DC/DC升压变换器的单模块采用有源箝位Boost全桥升压变换器(boost full bridge isolated converter, BFBIC)，其中S0～S4为IGBT开关管。MMC换流器采用半桥子模块构成，A、B分别为首端、末端母线，M、N分别为光伏直流送出线采样处，D1～D4为二极管，将图中的送出线路分为F1、F2、F33个区域，规定电流正方向为母线流向线路，令首端M和末端N的参考电流分别为IM、IN。考虑线路发生不同故障时，在暂态过程中，以正极线路为例，直流送出线在不同运行工况时的电流流向示意图如图2所示，其中Ire、Ire1、Ire2、Ire2’、Ire3分别为不同故障时实际电流流向。

图1 光伏直流升压外送系统

图2 直流送出线电流流向示意图

根据电流参考方向与实际方向的关系可得：

(1)正常运行时，M端极性为正，N端极性为负。

(2)F1区故障时，两端极性突变，M端极性由正变为负，N端极性由负变为正。

(3)F2区故障时，单端极性突变，M端极性仍为正，N端极性由负变为正。

(4)F3区故障时，两端极性不变，M端极性为正，N端极性为负。

分析可知，当正极线路正常运行和发生区外故障时，线路上电流为穿越电流，则M、N两端为相反极性电流；当正极性线路发生区内故障时，M、N两端为相同极性电流。负极性线路分析方法相同，因此正极与负极线路的电流极性特征如表1所示。

表1 故障前后送出线路电流极性特征

理想情况下，当送出线路正常运行或发生区外故障时，两端电流采样值极性相异；当送出线发生区内故障时，两端电流采样值极性相同。可以通过比较两端采样值极性的差异区分区内外故障，并以此构造直流送出线保护判据。

2 构造保护方案

由第1节分析可知，理想情况下，直接比对两端单个电流采样点极性异同即可区分区内外故障。但考虑到实际运行过程中出现通信延时，故障初期单个采样点极性对比会使保护误动。令最大通信延时为Δt，当发生区外故障(F1区)时存在极性突变，若考虑通信延时的影响，可得到其故障电流波形如图3所示。在发生区外故障初期Δt时间内，区外故障两端电流极性相同，存在误动作风险。为此，引入相角分布对故障电流极性变化进行描述，以求保护判据能够可靠判别故障类型。

图3 F1区外故障两端最大延时结果

2.1 相角分布引入

在系统运行中，故障发生具有不确定性且过程短暂，引入相角对故障前后采样值的变化进行统一描述，并以此进行区内外故障判别，其统一描述模型为

(1)

式(1)中：IM(t)、IN(t)分别为直流送出线的首端、末端电流采样值；k(t)为两端电流采样值的比值，利用反正切对两端电流变化的比值进行描述，即可得到θ(t)的取值范围在(-π/2,π/2)。在直流送出线正常运行和发生区外故障时，两端电流极性相反，即k(t)<0，故相角分布在(-π/2,0)；当发生区内故障时，两端电流极性相同，即k(t)>0，故相角分布在(0,π/2)，如图4所示。

图4 区内外故障相角分布取值范围

在进行相位的转换时，需要对其边界问题进行分析，以防止保护拒动或误动。分析如下。

(1)若θ(t)=±π/2，则式(1)中存在k(t)→∞，但在实际双极故障时，两端电流幅值呈现突增或骤降趋势，且为有限值，故θ(t)≠±π/2。

(2)若θ(t)=0，则式(1)中存在k(t)=0，但在实际工程中10 kHz采样频率下，最小采样时间为0.1 ms，电流过零数据为几十微秒，电流互感器很难采集到过零数据，可视为不存在IM(t)=0；故障后两端电流为有限值，不存在IN(t)=∞，故θ(t)≠0。

综上分析可知，该相角分布不存在动作边界问题，且区外、区内故障后电流采样值的相角都分别分布在(-π/2,0)或(0,π/2)。

2.2 构造保护判据

由于电力电子器件耐压性能较弱，在检测到发生故障后会快速闭锁。对此，文献[13]指出直流线路故障要在6 ms内清除且保护动作时间不能大于3 ms，这时仍处于故障暂态初始阶段。为保证快速判断出故障类型，取1 ms数据窗，且采用滑窗计算保护判断值。

令采样频率为工程实际的10 kHz，则1 ms内对应10个采样数据。光伏直流送出线发生区内故障时与系统正常运行和区外故障下的相角分布不同，利用Sinner表示区内故障的相角分布点在一个数据窗中所占比例，表达式为

(2)

式(2)中：Nt为一个数据窗中相角分布点在(0,π/2)区间的个数；NT为一个数据窗中计算相角分布点总个数。理想情况发生区内故障存在关系Sinner>0(Sset)，由于故障初期出现数据不同步可能会使得保护误动，需要设置合理整定值Sset。在直流送出线上，普遍采用光纤通信，由于传输距离较短，因而数据传输过程中通信延时会比较短，通常20 km内线路的延时不到0.3 ms[14]，取Δt=0.3 ms，在区外故障时则可能存在3个误判为区内的相角分布点。为防止保护判据误动作同时兼顾其速动性，取Sset=0.4。在考虑CT测量误差不超过10%的技术标准和外界干扰等因素下，引入可靠系数Ks，取Ks=1.25,则可得Sset=0.4×1.25=0.5。因此，整体保护方案为：以di/dt或du/dt的突增为启动判据，当判据启动后，若存在Sinner>0.5，则判定为区内故障，否则为区外故障，其保护方案流程如图5所示。

图5 保护方案流程图

3 仿真验证

为验证所提判据的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建图1所示的 1 MW/±30 kV集中型光伏直流升压外送系统，其中光伏阵列中电池串联数目为900，并联数目为700。整个系统的主要仿真参数如表2所示。设置双极故障发生时间为0.3 s，采样频率为10 kHz，数据窗长为1 ms。对送出线区内和区外故障分别进行仿真验证。

表2 系统主要仿真参数

3.1 区内故障

针对直流送出线MN段，分别设置距M侧0、5、10 km双极故障来验证保护原理。其中0和10 km是为了验证两端出口边界处保护原理的适应性。以正极线输电线路为例，送出线路距M侧5 km处的双极短路两端波形分析和原理实现过程如图6所示，其余情况以表格展示。

图6(a)中，在故障发生后，电流幅值呈现突变状态；图6(b)中，在0.300 6 s时已满足判据Sinner>0.5，辨别为区内故障。

图6 MN线路5 km处区内双极故障电流和保护实现结果

表3为距M侧0和10 km处故障仿真结果。由在于仿真模型正负极性线路参数一致，且双极发生同一故障点位置相同，故能得到相同的判别参数，因此只给出正极线线路仿真计算结果。仿真结果表明，保护判据在两端区内出口处也能准确判别区内故障。故表明该保护方案能快速准确判别出区内故障。

表3 0和10 km处双极故障判别参数

在上述分析中，在送出线距M侧0、5、10 km处设置故障得到了相同的判别参数。在不考虑其他因素影响，分析其原因为采样系统每次采集的数据时刻相同，所以保护判据在判断Sinner的时刻也相同。如图7所示，在不考虑其他因素情况下，改变故障点位置，只能改变电流幅值，不会改变极性，因此对保护原理不会产生影响。

图7 不同故障点对应的电流波形

3.2 区外故障

在图1中F1区和F3区A、B母线处分别设置区外双极故障，以正极性线路为例，仿真结果如图8所示。故障后，电流幅值突变，由于光伏直流送出线两端测点M、N在发生区外故障时处于同一线路上，因此线路两端故障电流幅值相等，方向相反，进而得到F1区和F3区母线处故障保护实现结果一致。由图8(c)可知，线路故障后一直存在Sinner=0，不满足动作条件，故保护判据能够准确识别区外故障。

图8 M、N侧区外故障仿真结果

3.3 通信延时对判据的影响

考虑采样数据传输受通信延时的影响，令最大通信延时为0.3 ms，对判据的可靠性进行仿真验证。区外取F1区和F3区A、B母线处故障为例，区内取正极线路距M侧0、5、10 km处故障为例，验证结果如表4所示。

由表4可看出，通信最大延时造成两端数据不同步时，判据也能正确识别区内外故障，故保护判据在一定程度上不受通信延时的影响。

表4 延时0.3 ms保护算法实现结果

3.4 外界干扰对判据的影响

考虑到外界噪声和互感器采集信号时的随机误差会使得电流波形产生畸变，采用高斯白噪声来模拟干扰进行仿真验证，其信噪比为30 dB[7]。以正极线路为例，同3.3节，设定不同位置的区内外故障进行仿真验证，验证结果如表5所示。

表5 外界干扰下保护算法实现结果

由表5可以看出，保护判据在信噪比为30 dB的干扰下能可靠动作，具有较好的抗外界干扰能力。

3.5 过渡电阻对判据的影响

为验证保护判据耐受过渡电阻的能力，分别设置双极故障过渡电阻为20、50、100 Ω进行仿真验证。以正极线路为例，由于区内故障不同故障点在相同采样时刻不会发生极性变化，故选取故障位置为F1区母线处、F2区距M侧5 km和F3区母线处为例，其结果如表6所示。

表6 保护判据在不同过渡电阻下的仿真结果

由表6可看出，保护判据在过渡电阻20、50、100 Ω的影响下，保护也能快速正确动作，具有较好的抗过渡电阻能力。

4 结论

以光伏直流升压外送系统为研究背景，通过分析光伏直流送出线发生区内外故障时的电流特征，提出一种采用相角分布以突出送出线两端电流极性变化特征的保护判据的新方案，并利用MATLAB/Simulink搭建电压等级为±30 kV的光伏直流外送系统仿真模型，得到以下结论。

(1)线路正常运行和发生区外故障时，两端电流采样点极性互异；发生区内故障时，两端电流采样点极性相同，该保护方案利用反正切函数对两端电流进行统一描述，算法简单，且保护动作区域不存在边界问题。

(2)该保护方案只需要1 ms的数据窗，且只利用两端电流极性进行判断，对电流幅值精度要求低，计算量小，有很好的速动性。

(3)通过仿真验证，该保护方案能够快速判别出区内外故障，具有较好的抗干扰和抗过渡电阻能力，且在一定程度上，不受通信延时的影响，可靠性高，对后续光伏直流并网线路继电保护有一定参考价值。