多端柔性直流配用電系統(tǒng)具有友好接納分布式新能源、適應(yīng)多樣化電力負(fù)荷、供電可靠性高等特點，將成為未來電網(wǎng)的一個重要組成部分。直流配電系統(tǒng)運(yùn)行控制方式多變、各類電力電子裝置交互影響，故障后故障電流上升快，而電力電子設(shè)備過電流能力很弱，如何實現(xiàn)故障快速隔離，成為系統(tǒng)實現(xiàn)安全可靠運(yùn)行的難題，亟需深入研究。

多端柔性直流配電網(wǎng)故障類型復(fù)雜多樣，短路電流大、破壞性強(qiáng)、涉及范圍廣，受電力電子設(shè)備閉鎖影響，故障電流存在時間短、故障定位和快速檢測困難，采用傳統(tǒng)分段保護(hù)通過微秒、毫秒、秒級保護(hù)之間的協(xié)調(diào)配合難以實現(xiàn)。目前，廣泛采用限流方式降低故障電流的上升速度，使故障量的存在時間延長至數(shù)百毫秒級。

本文在此基礎(chǔ)上提出一種基于面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）通信的直流配電網(wǎng)分布式區(qū)域保護(hù)。該技術(shù)能夠解決多端直流配電網(wǎng)系統(tǒng)多電源、多結(jié)構(gòu)、多種運(yùn)行方式（合環(huán)、開環(huán)、并網(wǎng)、孤島等）、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r下的故障精確定位及隔離，方法簡單，定位快速（幾十毫秒內(nèi)即可完成）準(zhǔn)確，易于工程實現(xiàn)。

1 基于GOOSE通信技術(shù)的分布式區(qū)域保護(hù)方法

1.1 保護(hù)原理

直流配電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障電流總是從非故障區(qū)流向故障區(qū)。將復(fù)雜的直流配電網(wǎng)通過直流饋線終端分解成若干個獨(dú)立區(qū)域單元，每個區(qū)域單元就是一個獨(dú)立的故障預(yù)判區(qū)。在一個區(qū)域單元內(nèi)，各直流配電終端采用對等GOOSE通信方式實現(xiàn)終端間的信息交互，快速實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)故障定位、隔離。

分布式故障定位技術(shù)，以節(jié)點為中心進(jìn)行故障區(qū)域定位，節(jié)點只需與區(qū)域內(nèi)其他相鄰節(jié)點進(jìn)行信息共享，計算量小、交互信息量小、判別邏輯簡單清晰，對處理器要求不高，適合集成于配電終端設(shè)備。本節(jié)點只負(fù)責(zé)邏輯判斷自己是否處于故障區(qū)域，而不負(fù)責(zé)其他節(jié)點的邏輯判斷，實現(xiàn)真正意義上的故障定位隔離功能。

1.2 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)區(qū)域單元劃分

首先對直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域單元劃分。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每一個節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點組成一個區(qū)域單元，此節(jié)點稱為區(qū)域單元的中心節(jié)點，與其相鄰的節(jié)點為邊界節(jié)點，區(qū)域單元作為獨(dú)立的故障預(yù)判區(qū)。

直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分為（1）～（16）共16個區(qū)域單元。

圖1 直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

• 區(qū)域單元（1）：節(jié)點1為中心節(jié)點，節(jié)點2、16為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（2）：節(jié)點2為中心節(jié)點，節(jié)點1、4、16為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（3）：節(jié)點3為中心節(jié)點，節(jié)點4、5為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（4）：節(jié)點4為中心節(jié)點，節(jié)點2、3、5為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（5）：節(jié)點5為中心節(jié)點，節(jié)點3、4、6、7為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（6）：節(jié)點6為中心節(jié)點，節(jié)點5、7為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（7）：節(jié)點7為中心節(jié)點，節(jié)點5、6、8為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（8）：節(jié)點8為中心節(jié)點，節(jié)點7、9、10為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（9）：節(jié)點9為中心節(jié)點，節(jié)點8、10為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（10）：節(jié)點10為中心節(jié)點，節(jié)點8、9、12為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（11）：節(jié)點11為中心節(jié)點，節(jié)點12、13為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（12）：節(jié)點12為中心節(jié)點，節(jié)點10、11、13為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（13）：節(jié)點13為中心節(jié)點，節(jié)點11、12、14、15為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（14）：節(jié)點14為中心節(jié)點，節(jié)點13、15為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（15）：節(jié)點15為中心節(jié)點，節(jié)點13、14、16為邊界節(jié)點。
• 區(qū)域單元（16）：節(jié)點16為中心節(jié)點，節(jié)點1、2、15為邊界節(jié)點。

每個區(qū)域單元作為獨(dú)立的故障預(yù)判區(qū)，需確立組成此區(qū)域單元的節(jié)點故障電流的參考方向。由于中心節(jié)點本身位于區(qū)域內(nèi)，不考慮電流方向；對于邊界節(jié)點，在中心節(jié)點里，統(tǒng)一規(guī)定邊界節(jié)點電流流入?yún)^(qū)域單元內(nèi)的方向為正方向，流出為反方向。

以圖1為例，對于區(qū)域單元（5），中心節(jié)點5不考慮電流方向，邊界節(jié)點3、4、6、7電流參考方向如圖中箭頭所示；對于區(qū)域單元（6），中心節(jié)點6不考慮電流方向，邊界節(jié)點5、7電流參考方向如圖中箭頭所示；對于區(qū)域單元（7），中心節(jié)點7不考慮電流方向，邊界節(jié)點5、6、8電流參考方向如圖中箭頭所示。

1.3 故障定位

以中心節(jié)點與邊界節(jié)點組成的區(qū)域單元，按照1.2節(jié)中定義的邊界節(jié)點參考方向，在中心節(jié)點實現(xiàn)對邊界節(jié)點類型的劃分。

若邊界節(jié)點實際故障電流方向與參考方向相同，則此邊界節(jié)點為中心節(jié)點的流入邊界節(jié)點；若邊界節(jié)點實際故障電流方向與參考方向相反，則此邊界節(jié)點為中心節(jié)點的流出邊界節(jié)點；若邊界節(jié)點無故障電流流過，則此邊界節(jié)點為中心節(jié)點的無流邊界節(jié)點。

邊界節(jié)點的劃分是在故障發(fā)生時，即中心節(jié)點過電流或收到邊界節(jié)點過電流信號，此時中心節(jié)點的分布式區(qū)域保護(hù)啟動，依據(jù)此故障情況下各邊界節(jié)點的實際故障電流方向與參考方向的比較，實時動態(tài)劃分邊界節(jié)點類型，從而實現(xiàn)中心節(jié)點對此故障的邏輯判斷。

依據(jù)故障電流流向總是從非故障區(qū)流向故障區(qū)域的原則可知，只要某一區(qū)域單元存在流出邊界節(jié)點，那么此區(qū)域單元內(nèi)的中心節(jié)點就是非故障節(jié)點。

以多端柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中的每個區(qū)域單元作為一個故障預(yù)判區(qū)域，由中心節(jié)點來判斷中心節(jié)點是否處在故障區(qū)域。中心節(jié)點判斷邏輯如下：

1）區(qū)域單元存在流出邊界節(jié)點，中心節(jié)點為非故障節(jié)點。

2）區(qū)域單元不存在流出邊界節(jié)點，如果中心節(jié)點過電流或存在流入邊界節(jié)點，則可判斷中心節(jié)點為故障節(jié)點，否則中心節(jié)點為非故障節(jié)點。

3）區(qū)域單元內(nèi)中心節(jié)點與某邊界節(jié)點通信異常，且無法通過區(qū)域內(nèi)其他通信正常的邊界節(jié)點準(zhǔn)確判定時，只要中心節(jié)點過電流，就直接把中心節(jié)點定位為故障節(jié)點。

以圖1為例說明分布式區(qū)域保護(hù)故障定位實現(xiàn)原理。若故障點發(fā)生在節(jié)點5、6、7之間，此時直流配電網(wǎng)中能檢測到故障電流的節(jié)點都會啟動各自區(qū)域單元的分布式區(qū)域保護(hù)（以此節(jié)點作為中心節(jié)點的區(qū)域單元或以此節(jié)點作為邊界節(jié)點的區(qū)域單元）。

區(qū)域單元（5）：中心節(jié)點5過電流，邊界節(jié)點3、4、6、7實際故障電流方向與參考方向相同，都是中心節(jié)點5的流入邊界節(jié)點，此區(qū)域單元為故障區(qū)，中心節(jié)點5為故障節(jié)點。

區(qū)域單元（6）：中心節(jié)點6過電流，邊界節(jié)點5、7實際故障電流方向與參考方向相同，都是中心節(jié)點6的流入邊界節(jié)點，此區(qū)域單元為故障區(qū)，中心節(jié)點6為故障節(jié)點。

區(qū)域單元（7）：中心節(jié)點7過電流，邊界節(jié)點5、6、8實際故障電流方向與參考方向相同，都是中心節(jié)點7的流入邊界節(jié)點，此區(qū)域單元為故障區(qū)，中心節(jié)點7為故障節(jié)點。

區(qū)域單元（3）：中心節(jié)點3過電流，邊界節(jié)點4是中心節(jié)點3的流入邊界節(jié)點，邊界節(jié)點5是中心節(jié)點3的流出邊界節(jié)點，此區(qū)域單元為非故障區(qū)，中心節(jié)點3為非故障節(jié)點。

區(qū)域單元（4）：中心節(jié)點4過電流，邊界節(jié)點2、3是中心節(jié)點3的流入邊界節(jié)點，邊界節(jié)點5是中心節(jié)點4的流出邊界節(jié)點，此區(qū)域單元為非故障區(qū)，中心節(jié)點4為非故障節(jié)點。

區(qū)域單元（8）：中心節(jié)點8過電流，邊界節(jié)點7是中心節(jié)點8的流出邊界節(jié)點，邊界節(jié)點9、10是中心節(jié)點8的流入邊界節(jié)點，此區(qū)域單元為非故障區(qū)，中心節(jié)點8為非故障節(jié)點。

依次類推，可知作為其他區(qū)域單元中心節(jié)點的節(jié)點都為非故障節(jié)點。

1.4 故障隔離

當(dāng)確立了區(qū)域單元的中心節(jié)點為故障節(jié)點后，中心節(jié)點處的直流終端只負(fù)責(zé)切除中心節(jié)點，實現(xiàn)本節(jié)點對故障區(qū)的隔離。

在1.3節(jié)中，以節(jié)點5、6、7為中心節(jié)點的區(qū)域單元（5）、（6）、（7）為故障區(qū)域，實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確定位，即節(jié)點5、6、7在故障區(qū)域內(nèi)，此時節(jié)點5、6、7根據(jù)自身的故障判斷，完成各自出口跳閘，實現(xiàn)對故障點的完全隔離。

由于區(qū)域單元的劃分是基于實際直流配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)確定后，相應(yīng)的節(jié)點關(guān)系也就唯一確定，運(yùn)行方式改變（開環(huán)、閉環(huán)、孤島、并網(wǎng)等）帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓粫绊懘斯?jié)點關(guān)系；直流配電網(wǎng)新增分支節(jié)點時，也只影響與之相鄰的節(jié)點，可通過修改相鄰節(jié)點的GOOSE配置文件來適應(yīng)。

由于GOOSE通信的實時性，故障定位可在幾十毫秒內(nèi)完成，極大地提高了保護(hù)的快速性。此故障定位判據(jù)簡單可靠、無需復(fù)雜的矩陣乘法運(yùn)算、計算量小、定位快速準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)、不受運(yùn)行方式及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闹萍s，所受約束條件少，易于實現(xiàn)。

2 分布式區(qū)域保護(hù)的實現(xiàn)

直流配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，在換流器的橋臂和換流閥中會產(chǎn)生很大的過電流。為了保護(hù)直流設(shè)備，換流閥閉鎖時間整定得越短越好。但是，換流閥閉鎖后保護(hù)故障定位所需的電壓、電流等電氣量會迅速下降，可能導(dǎo)致故障定位未能及時完成。因此，想要完成線路故障的準(zhǔn)確定位，需要考慮上述兩方面因素來配置換流閥的閉鎖時間，使之既能滿足故障定位所需時間，又不損壞直流設(shè)備。

目前在直流配電系統(tǒng)示范工程中多采用增加限流設(shè)備的方式以維持故障存在時間達(dá)到幾十毫秒，同時把故障電流維持在2倍的額定電流以下，來配合直流保護(hù)的故障識別定位及切除。基于GOOSE等通信方式的直流配電網(wǎng)分布式區(qū)域保護(hù)方法是基于含限流設(shè)備的多端柔性直流配電系統(tǒng)。

以圖1中區(qū)域單元（5）為例，來說明分布式區(qū)域保護(hù)在節(jié)點5直流配電終端的實現(xiàn)方案。

3）節(jié)點5通過GOOSE對等通信方式，實時接收其邊界節(jié)點3、4、6、7的方向過電流信號和開關(guān)狀態(tài)。

4）節(jié)點5根據(jù)GOOSE通信實時傳輸來的各個邊界節(jié)點處開關(guān)是否處于合位狀態(tài)來確定區(qū)域單元邊界，區(qū)域單元一旦確定，無論有無某邊界節(jié)點通信異常狀態(tài)，只要存在通信正常的流出邊界節(jié)點，就可判斷出本節(jié)點（區(qū)域單元的中心節(jié)點，在此指節(jié)點5）處于非故障區(qū)，具體判斷邏輯如圖2所示。若判斷出節(jié)點5為故障節(jié)點，則本節(jié)點只負(fù)責(zé)跳開節(jié)點5處安裝的開關(guān)，其邊界節(jié)點的故障判斷由其本身作為中心節(jié)點的分布式區(qū)域保護(hù)來實現(xiàn)。

圖2 判斷邏輯

3 仿真試驗

3.1 試驗?zāi)Ｐ?/strong>