柔性直流配電網直流線路故障定位綜述

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116)

1 引言

在百年前的交流電與直流電之爭中，交流電以其長距離傳輸、運行成本低廉的優勢打敗了直流電，成為全世界通用的供電系統。近年來，隨著社會經濟的快速發展，全世界的用電負荷量不斷攀升，傳統交流電的優勢已逐漸弱化，面臨著一系列新的挑戰，與此同時直流電又重新回到人們的視野中。

隨著我國城市化建設進一步推進，地下電力電纜建設成本不斷下降，促使電纜在城區配電網中，尤其在人口稠密、交通擁擠、大型工廠等地區得到了廣泛的應用。配電網的敷設方式由傳統的裸線架空線路逐漸轉變為占地面積小的地下電纜暗敷設。由機械損傷、絕緣受潮、絕緣老化變質、過電壓、設計和制作工藝不良等原因引起的電力電纜故障隨著運行時間的增加發生次數越來越頻繁。然而電力電纜通常深埋地下或者敷設在電纜溝內，不同于架空線路裸露在外，故障時一般無法直接發現故障點，需要花費數小時逐一排查，耗費大量的人力、物力，長時間停電將嚴重威脅系統的安全運行。因此，為了保證直流配電網能夠安全可靠的運行，需要快速準確地識別故障發生區域以及定位故障發生位置。

2 柔性直流配電網建設的必要性

2.1 外因驅動

20世紀末半導體器件不斷發展推動了電力電子技術的革新，大量電力電子設備的廣泛應用促使終端用電形式發生了改變。如今變頻技術已普遍應用于家用、辦公電器中，例如冰箱、空調、洗衣機等等。變頻技術是一種通過AD-DC轉換實現不同頻率交流電變化的技術，傳統交流電網必須通過DC-AD轉換才能實現變頻技術，但如果采用直流電網，則可以省去這一環節，相較于交流電網減少了電能損耗[3]。除了含直流環節的電器日益增多，近年來諸如電動汽車、LED燈等直流負荷大量出現在我們的生活中。這類負荷在交流電網中都需要配置換流器，經過一級變換才能使用。如果改用直流電網，這些設備可以直接使用，不用再額外配置換流器，節約了成本，另一方面減少了變換環節，降低了損耗。

無論是在發電側還是在終端用戶側，對直流配電網的需求都日益顯現。另一方面，城市的不斷建設發展對供電系統的規劃、建設提出了越來越多的要求。隨著人口增加，對負荷的需求量與日俱增的同時城市土地資源逐漸減少，供電走廊擴建的難度隨之上升，嚴重影響電網建設的經濟性。終端用戶對供電質量以及可靠性的要求不斷提高，傳統的交流配電網結構無法適應負荷的發展需求，智能電網對傳統交流電網可控性提出很大的挑戰。在諸多因素的共同驅動下，直流電網的發展得到了國內外學者的關注，在高壓直流輸電、地鐵牽引、船舶系統等領域已經取得了很好的應用。

2.2 內因驅動

近年來電力電子器件和控制技術的快速發展，推動了傳統直流電網技術革新，產生了通過電壓源型換流站(Voltage Source Converter，VSC)進行輸配電的柔性直流輸電技術。柔性直流配電網相較于交流電網，具有以下幾點優勢：

(1)供電容量大

交流線路為三相四線制或三相五線制，而直流線路為兩極兩線制或者兩極三線制。假設交流線路所能傳輸的額定功率為PAC，直流線路所能傳輸的額定功率為PDC，則有

實驗選取浙江臨安一座以倒置A2/O工藝為主體、處理工業和生活污水為主的小型城鎮污水處理廠為研究對象，處理規模為4×104m3·d-1，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級A標準，具體工藝流程見圖1，具體進出水質見表1。

(1)

式(1)中，UDC、IDC分別為額定直流電壓、電流，UAC、IAC分別為額定交流電壓、電流，cosφ為交流電網的額定功率。當cosφ=0.9時，在具有相同的導線截面和絕緣水平的條件下，可得θ=1.05。考慮到交流線路至少需要3條線路，而直流線路最少只需要2條線路，在線路建設成本和供電走廊寬度一致的情況下，直流線路的供電容量是交流線路的1.5倍。

(2)便于分布式電源以及多樣化負荷接入

風力發電、光伏發電等可再生分布式能源需要經過逆變器接入交流電網[4]，會造成如并網逆變與電網阻抗的串聯諧振等諸多問題。如果接入直流配電網，這些問題不僅可以得到解決，還能降低系統損耗和減小建設成本。此外，柔性直流配電網能便于向包含直流環節的負荷、直流負荷、弱電系統、無源系統等多樣化負荷供電，提高了供電效率。

(3)電能質量高

現有的配電網中存在大量多樣化負荷，一些為沖擊性負荷，在接入電網時會產生嚴重的電壓波動；另一些為直流負荷或者包含直流環節的負荷，這些負荷中包含著大量的電力電子器件，不可避免地會向電網中注入大量諧波，大大降低了系統的電能質量。

柔性直流配電網便于多樣性負荷的接入，能夠有效解決電壓波動、閃絡沖擊等問題，從而提高直流配電網的電能質量，此外柔性直流配電所采用的換流器不僅能夠靈活地控制有功、無功功率，還能夠起到靜止無功補償器的作用，即能夠動態補償交流母線和用戶負載的無功功率[5]。

除此之外柔性直流配電網還具有高效可靠、線路成本低、綠色環保、傳輸距離遠、能有獨立解耦運行等優勢，大大提高了整個電網的經濟性、可靠性以及效率。但是柔性直流配電網在實際應用過程中受到了電力電子器件開發和建設成本的限制，許多關鍵技術還處于理論探索階段，在今后與交流配電網的交互發展中將不斷完善和優化自身。柔性直流配電網是未來配電網的重要組成部分，交、直流配電網將呈現此消彼長的趨勢[6]。

3 國內外研究現狀

當前我國在直流電系統主要應用在高壓直流輸電、地鐵牽引、船舶系統、通信系統中，關于直流配電技術方面的研究尚處于起步階段。直流配電網的研究內容主要集中在拓撲結構、換流器模型及其控制策略等領域，對于接地故障定位技術的研究極少，因此可以參考直流輸電系統。直流配電網電纜接地故障定位技術根據原理不同可以分為兩大類：行波法和故障分析法；根據信息來源不同也可以分為兩類：單端法和雙端法。行波法和故障分析法都可以通過單端法或者雙端法實現故障定位。

3.1 行波法

行波定位法通過檢測故障行波波頭和波速用以計算故障距離實現故障定位，理論上不受線路類型、過渡阻抗、故障類型的影響，具有很高的測量精度。無論是雙端還是單端行波定位法，其定位的準確性與行波波頭的識別度密切相關。傳統的行波法有A、B、C、D、E、F六種，其中A、D、E型在工程得到了很好的發展和應用。在此基礎上學者們引進不同的數學方法，如小波變換、數學形態學、Hilbert-Huang變換、獨立分量法等，發展出各種各樣的數字故障信號處理方法，從而提高了行波波頭識別和行波波速確定的準確性。

3.1.1 小波變換

小波變換具有多頻分析的特點，可以反應不同尺度下的故障信號特征，能夠有效地鑒別奇異、突變信號，廣泛應用于電力系統故障信號分析中。文獻[7]中Ha H X等學者利用小波變換分析故障零模電流，隨后根據發生故障時無法滿足線路兩末端反向行波是平衡的這一特性，利用線模分量的反向行波進行故障定位。該方法只需要很小的信號能量就能夠準確定位故障，但易受到雷電的干擾。文獻[8]利用小波變換對故障電流信號進行奇異性檢測，通過測距公式求解故障發生的時間和地點，從而實現輸電線路的精確故障定位。該方法不受過渡電阻、線路分布電容的影響。文獻[9]利用小波變換對線模電壓進行分解，通過得高頻系數求出小波能量和，從而實現故障測距。文獻[10]利用小波變換對零模信號的行波波頭進行分析，迭代提取零模檢測波速，通過模量傳輸時間差實現配電網雙端故障定位。文獻[11]針對MMC高壓直流輸電架空線路提出一種通過比較不同條件下電流信號的小波時間熵變換特征實現故障測距方法，能夠有效消除噪聲信號和雷電的干擾。文獻[12-14]提出了基于小波變換的HVDC故障定位原理。小波變換不具有自適應性，使得其應用范圍受到限制，無法分析所有類型的故障。

3.1.2 數學形態學

數學形態學是一種基于積分幾何學和集合論的非線性分析方法，處理故障信號不需要轉換到頻域，直接在時域中就可以完成，因此故障信號的幅值以及相位特征不會發生改變，具有很強的抗干擾性。文獻[15]提出了一種基于數學形態學的電纜-架空線混合線路的故障行波雙端測距方法，利用微分電流傳感器測量通過線路末端浪涌電容器中的電流，從而得到行波到達時間，能夠避免噪聲等干擾，但僅適用于短距離電纜線路。文獻[16]通過數學形態學梯度算法提取輸電線路兩端的故障信息，加以分析，推導出接地故障判據，從而實現輸電線單端故障測距，適用于長距離電纜線路測距，不受電纜自身色散現象的影響。文獻[17]中Nanayakkara等學者利用數學形態學提取電壓行波信號中的突變點，提出了一種通過分離正、反行波浪涌識別行波浪涌波頭實現行波單端故障測距的方法。[18-19]敘述了基于數學形態學的高壓直流輸電線故障定位技術。結構元素在數學形態學起到至關重要的作用，直接影響信號的處理效果，如何選取較為精確的結構元素是數學形態學的技術難點。

3.1.3 Hilbert-Huang變換

Hilbert-Huang變換法是一種具有完全自適應性、適用于非線性非平穩信號的分析方法，應用于暫態信號時將根據信號的特點分解出一系列的固有模態函數，經過Hilbert變換后得到Hilbert譜。文獻[20]通過HHT分析故障行波波形，結合瞬時高頻判據和電壓變化率判據，從而實現輸電線路故障精確定位。文獻[21]利用HHT處理線模分量的信號后識別行波波頭和確定行波波速，提出了一種不受波速影響的測距方法。文獻[22]通過改進的HHT變換確定行波達到時刻、該時刻的瞬時頻率以及波速度，進而形成一種實用的HVDC測距算法，具有很高精確性。

3.1.4 獨立分量法

獨立分量法是一種近年來新興的信號處理方法，能夠從復雜的環境中分離出混合信號中的獨立成分，具有很好的去噪性能。文獻[23]通過獨立分量算法分析故障后電流行波的特征信號，判斷初始行波波頭和第二個行波波頭之間的極性關系進行故障測距。文獻[24]利用獨立分量法處理故障信號，結合局部線性嵌入算法和支持向量機建立故障診斷模型以實現故障的準確識別，該方法能有效濾除干擾信號，準確提取重要的故障特征。獨立分量法并不能完全恢復信號的具體特征，并且要求多個信號源之間相互獨立，在實際應用中存在一定的限制。

3.1.5 固有頻率法

固有頻率法與其他行波測距方法不同，不需要識別行波波頭，是一種利用故障行波的固有頻率進行測算故障距離的方法，從原理上克服了行波波頭難以識別以及行波波速難以確定的難題。文獻[25]采用Prony算法提取故障后電流行波的固有頻率，結合模糊聚類算法實現精確的直流輸電線故障測距。文獻[26]利用高壓直流輸電線路的高頻阻帶特性和固有頻率的物理特性，建立了直流輸電線路單端故障測距的神經網絡模型，該方法所需樣本數量小、抗干擾性強。文獻[27]通過MUSIC方法提取單端故障電壓行波的固有頻率，利用固有頻率主成分與故障距離及終端反射角之間的數學關系實現故障定位。文獻[28-29]將固有頻率法與其他方法相結合，實現單端行波故障測距，能有精確識別行波波頭，提高了線路定位精度。

在實際工程應用中，電力電纜線路自身的依頻特性會導致行波波頭難以識別。在柔性直流配電網中存在大量容性設備，并且配電網線路一般長度較短，不利于故障行波的暫態量的提取，導致波速度準確度降低，從而影響行波法定位精度。此外行波法雖然能夠精確定位，但對采樣頻率要求很高，易受到外界干擾影響。

3.2 故障分析法

故障分析法是通過測量點采集到的電壓、電流信息進行分析計算，求出與故障距離間的函數關系，從而找到故障發生位置。該方法對采樣頻率要求不高，原理簡單實用，可靠性高。根據采用的電路模型不同，故障識別分析法又可以進一步細分為集中參數法和分布參數法。隨著近年來人工智能算法在電力系統應用的不斷發展，越來越多學者運用智能算法來分析和處理故障信息，如人工神經網絡、遺傳算法模擬退火算法等等。

3.2.1 集中參數法

文獻[30]中 Fletcher J E等學者詳細分析了基于VSC直流配電網中的電纜接地故障的暫態過程，提出了一種電壓基準比較法來計算故障距離，并通過迭代法提高了計算接地電阻和故障距離的精度。文獻[31]中 Park J D等學者提出在隔離故障后向回路中投入一個帶電電容模塊，通過電容放電電流的特征頻率及其衰減系數，計算出過渡電阻以及故障距離。該方法實質上是通過計算故障線路的總電感來實現故障定位，在實際應用中，電纜線路電感分布不均會影響定位結果，此外電纜的集膚效應會改變線路電感的大小，也將影響定位的精度。文獻[32]中Tang L提出了一種"手拉手"方法用于定位和隔離多端直流輸電網直流側故障，通過故障發生后的電流和電壓測量識別故障線路，通過3種方式實現不同情況下的故障選線。文獻[33]中學者Pan Y利用了開關電源產生的噪聲信號進行高阻接地直流配電系統故障定位，通過多分辨率小波和分形維數識別和處理故障特征信號，能有效克服傳統故障定位方法的局限性和缺陷。文獻[34]在文獻[31]的基礎上改進了投入的定位模塊，該模塊由帶初始電壓的電容和電感組成。為了消除高頻振蕩對定位精度造成的影響，利用已知線路參數和定位模塊參數之間的關系式設計定位模塊參數，在故障回路滿足二階放電電路欠阻尼的前提下保證其放電電流的振蕩頻率維持在200Hz以下。通過雙端測量的參數計算故障距離，雙端測量能夠有效消除線路電感分布不均的影響，但由于雙端的定位模塊不能同時投入需要額外增加通信回路，使得該方法應用成較高。文獻[35]進一步改進了故障測距模塊，并結合FFT及數值擬合算法提取故障回路的放電電流信號，能有效消除線路中的噪聲干擾，實現精確的配電網雙端定位。文獻[36]通過分析直流配電網單極接地故障的暫穩態特征量，提出了一種通過暫態電容電流特征頻段的總能量定區間、穩態殘余電壓的直流分量測距的定位方法，該方法需要在線路多處安裝多個傳感器，實際應用成本較高。文獻[37]提出了一種基于π等效模型和視在偽阻抗辨識的單端定位方法，與繼電保護聯動可以實現在線故障定位。該方法能夠消除分布電容的影響，不僅適用于架空線路，也能用于電力電纜中，僅需要單端測量降低了應用成本。

文獻[30-37]都是基于集中參數模型的定位方法，可以解決行波法中的困難，具有很高的定位精度，然而集中參數模型無法反應實際工程中線路的復雜情況，實用性較差。

3.2.2 分布參數法

文獻[38]提出了基于分布參數模型的直流配電網單極接地雙端定位方法，利用HHT變換的正弦表示方法處理線路兩端的故障特征量，計算沿線模量電壓、電流的瞬時相位，從而實現故障定位，該方法所需采樣數據窗短，定位準確，且不受過渡電阻的影響。文獻[39]學者Zheng X利用線路兩端的電壓、電流測量計算線路暫態能量分布，通過暫態能量增量定位故障位置，該方法原理簡單、使用、可靠性高。文獻[40]利用過渡電阻值的方差在故障點處最小的原理，提出了一種非行波原理的直流輸電線單端故障測距方法。文獻[41]借鑒交流輸電線路的距離保護原理，結合直流輸電線路的邊界特征，通過沿線電壓、電流分布的微分方程實現故障測距。

基于分布參數模型的故障定位法所需采樣頻率低，線路模型精準，具有一定的實用價值，但需要提供精準的線路參數，否則會影響定位精度。

4 直流配電網故障定位技術面臨的關鍵問題

目前柔性直流配電網故障定位存在以下幾個難點：(1)有效的故障信息較少。一方面發生故障時直流端斷路器將快速動作隔離故障，另一方面直流配電網中線路頻變參數不明顯，使得有效的故障數據長度過短，不利于精確的故障定位。(2)線路長度較短。城市配電線路一般長度僅為數千米，線路長度較短將縮小不同線路故障特征量之間的差異，增加了故障線路識別和定位的難度。(3)分布式電源造成的干擾。直流配電網中存在大量分布式電源，配電系統不再是單端或者雙端電源系統，而轉換為多端電源系統，存在分布式電源的支路在故障時會產生流入故障點的故障電流，從而影響定位的準確度。

5 結語

隨著電力電子器件的發展，柔性直流配電網憑借著自身優勢成為今后配電網發展的新趨勢，目前直流配電網技術處于起步階段，針對直流線路的故障定位技術還有很大的研究空間。本文參考了柔性直流輸電網以及船舶、地鐵等實際工程，總結了國內外現有的直流配電網直流線路故障定位方法及其優缺點，最后指出了直流配電網故障定位技術有待研究解決的技術難點。