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

多端柔性直流配電網故障類型復雜多樣，短路電流大、破壞性強、涉及范圍廣，受電力電子設備閉鎖影響，故障電流存在時間短、故障定位和快速檢測困難，采用傳統分段保護通過微秒、毫秒、秒級保護之間的協調配合難以實現。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百毫秒級。

本文在此基礎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）通信的直流配電網分布式區域保護。該技術能夠解決多端直流配電網系統多電源、多結構、多種運行方式（合環、開環、并網、孤島等）、網絡拓撲變化情況下的故障精確定位及隔離，方法簡單，定位快速（幾十毫秒內即可完成）準確，易于工程實現。

1 基于GOOSE通信技術的分布式區域保護方法

1.1 保護原理

直流配電網發生故障時，故障電流總是從非故障區流向故障區。將復雜的直流配電網通過直流饋線終端分解成若干個獨立區域單元，每個區域單元就是一個獨立的故障預判區。在一個區域單元內，各直流配電終端采用對等GOOSE通信方式實現終端間的信息交互，快速實現直流配電系統故障定位、隔離。

分布式故障定位技術，以節點為中心進行故障區域定位，節點只需與區域內其他相鄰節點進行信息共享，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備。本節點只負責邏輯判斷自己是否處于故障區域，而不負責其他節點的邏輯判斷，實現真正意義上的故障定位隔離功能。

1.2 直流配電網拓撲結構區域單元劃分

首先對直流配電網拓撲結構進行區域單元劃分。拓撲結構中每一個節點和與其相鄰的節點組成一個區域單元，此節點稱為區域單元的中心節點，與其相鄰的節點為邊界節點，區域單元作為獨立的故障預判區。

直流配電網網架結構如圖1所示，可分為（1）～（16）共16個區域單元。

圖1 直流配電網網架結構

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

每個區域單元作為獨立的故障預判區，需確立組成此區域單元的節點故障電流的參考方向。由于中心節點本身位于區域內，不考慮電流方向；對于邊界節點，在中心節點里，統一規定邊界節點電流流入區域單元內的方向為正方向，流出為反方向。

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

1.3 故障定位

以中心節點與邊界節點組成的區域單元，按照1.2節中定義的邊界節點參考方向，在中心節點實現對邊界節點類型的劃分。

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

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

依據故障電流流向總是從非故障區流向故障區域的原則可知，只要某一區域單元存在流出邊界節點，那么此區域單元內的中心節點就是非故障節點。

以多端柔性直流配電網系統中的每個區域單元作為一個故障預判區域，由中心節點來判斷中心節點是否處在故障區域。中心節點判斷邏輯如下：

1）區域單元存在流出邊界節點，中心節點為非故障節點。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

依次類推，可知作為其他區域單元中心節點的節點都為非故障節點。

1.4 故障隔離

當確立了區域單元的中心節點為故障節點后，中心節點處的直流終端只負責切除中心節點，實現本節點對故障區的隔離。

在1.3節中，以節點5、6、7為中心節點的區域單元（5）、（6）、（7）為故障區域，實現對故障的準確定位，即節點5、6、7在故障區域內，此時節點5、6、7根據自身的故障判斷，完成各自出口跳閘，實現對故障點的完全隔離。

由于區域單元的劃分是基于實際直流配電網網架結構，當直流配電網結構確定后，相應的節點關系也就唯一確定，運行方式改變（開環、閉環、孤島、并網等）帶來的網絡拓撲變化不會影響此節點關系；直流配電網新增分支節點時，也只影響與之相鄰的節點，可通過修改相鄰節點的GOOSE配置文件來適應。

由于GOOSE通信的實時性，故障定位可在幾十毫秒內完成，極大地提高了保護的快速性。此故障定位判據簡單可靠、無需復雜的矩陣乘法運算、計算量小、定位快速準確、適應性強、不受運行方式及網絡拓撲變化的制約，所受約束條件少，易于實現。

2 分布式區域保護的實現

直流配電網發生短路故障時，在換流器的橋臂和換流閥中會產生很大的過電流。為了保護直流設備，換流閥閉鎖時間整定得越短越好。但是，換流閥閉鎖后保護故障定位所需的電壓、電流等電氣量會迅速下降，可能導致故障定位未能及時完成。因此，想要完成線路故障的準確定位，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，又不損壞直流設備。

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

以圖1中區域單元（5）為例，來說明分布式區域保護在節點5直流配電終端的實現方案。

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

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

圖2 判斷邏輯

3 仿真試驗

3.1 試驗模型

本文依托蘇州中低壓直流配用電系統示范工程，利用實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統建立低壓直流供電系統仿真模型，在不同區域單元內模擬不同的故障。模型網架結構如圖3所示，模型參數見表1。

圖3 模型網架結構

表1 模型參數

3.2 仿真分析

1）運行方式1

分別模擬K1、K2、K3、K5、K6、K7短路故障，分布式區域保護動作情況見表2。

表2運行方式1分布式區域保護動作情況

K1、K6發生故障時，其供電負荷側無電壓無電流，分布式區域保護不會啟動，故障隔離由首開關CB1、CB2配置的電流閉鎖失電壓保護完成。

2）運行方式2

分別模擬K1、K2、K3、K5、K7短路故障，分布式區域保護動作情況見表3。

表3運行方式2分布式區域保護動作情況

K1發生故障時，其供電負荷側無電壓無電流，分布式區域保護不會啟動，故障隔離由首開關CB1配置的電流閉鎖失電壓保護完成。

3）運行方式3

分別模擬K2、K3、K5、K6、K7短路故障，分布式區域保護動作情況見表4。

表4運行方式3分布式區域保護動作情況

K6發生故障時，其供電負荷側無電壓無電流，分布式區域保護不會啟動，故障隔離由首開關CB2配置的電流閉鎖失電壓保護完成。

4）運行方式4

分別模擬K2、K3、K4、K5、K7短路故障，分布式區域保護動作情況見表5。K4發生故障時，其供電負荷側無電壓無電流，分布式區域保護不會啟動，故障隔離由首開關CB4、CB5配置的電流閉鎖失電壓保護完成。

表5 運行方式4分布式區域保護動作情況

仿真結果表明，對于復雜直流配電系統各個區域故障點的模擬，本方案既能可靠實現保護動作，實現故障區域完全隔離，又能有效防止擴大非故障區停電范圍。

4 結論

本文針對復雜直流配電系統，提出基于GOOSE通信技術的直流配電網分布式區域保護方法。該方法具有以下優點：

1）一旦網架結構確立，不受開環、閉環等運行方式改變的影響。

2）故障定位快，可靠性高，對配電網的沖擊較小，可縮短電容充電過程，加快供電恢復速度。

3）區域單元內交互信息少且對等通信，保證了信息傳送速度。

4）每個節點作為單元中心節點獨立邏輯判斷本身是否為故障節點，獨立出口隔離，互不影響。

5）能夠實現故障區域完全隔離，實現最小停電范圍，適用于分散能源介入的多端柔性直流系統。

本文所提方法不僅能夠有效實現復雜直流配電系統的故障定位，而且能夠達到完全故障隔離，對于直流配電網系統的安全運行具有重要意義。

本文編自2022年第4期《電氣技術》，論文標題為“基于GOOSE通信技術的直流配電網分布式區域保護方法”，作者為李輝、吳海 等。