直流配電網的故障定位方法

陳達1，吳羚敏1,凌飛鴻，章江海

(1.福州大學 電氣工程與自動化學院， 福建 福州 350116；2.國網安慶供電公司，安徽 安慶 246000)

1 引言

隨著需求側和電源側的直流化，直流配電網的研究熱度逐漸上升，目前對直流配電網的電壓等級序列、功率傳輸效率、電能質量、接地方式、分布式電源接入技術等內容已有了一定量的研究[1-5]，但鮮有對直流配電網故障定位的研究。

針對直流配電網單極接地故障的定位方法，文獻[6]提出一種利用故障暫態量定區間穩態量測距的方法，但僅針對小電流系統的單極接地故障。文獻[7]提出一種基于Prony算法的故障測距方法,通過在故障區間投入小型電容，利用Prony算法研究故障參數實現故障測距，但由于該法要求在各區間斷路器下游增加定位模塊，提高了故障定位算法實現的成本。若直流配電網系統交流側聯結變壓器為△/Yn接法，直流側電容中性點直接接地則系統在正常運行時能保證正負極電壓相同，故障后換流器母線正負極電壓下降，且仍然保持平衡[8]。本文針對這樣的直流配電系統提出一種基于故障分量的故障定位方法，利用區間故障分量電流方向判斷故障區間，并針對故障附加電路，列寫節點電壓方程，求解出故障點的位置。

2 直流配電網的故障分量法

如圖1(a)故障后故障區間的等效電路，故障區間兩側等效電動勢為Em，En，等值阻抗分別為Zm，Zn，故障區間阻抗為f點發生短路故障后，線路m，n端的電流分別im和im，If是故障等效電流源，其值為故障接地電流。故障后，直流側系統的電壓以及分布式電源的并網電壓不再保持與故障前相等，因此可將故障電路可視作三個等效電路的疊加：

(1)非故障電路：一般情況下認為是指正常運行狀態，如圖1(b)，其中Em0，En0為正常運行時故障區間兩側等效電動勢。該部分線路的電氣量可由正常運行時的潮流信息獲得。

(2) 附加電動勢等效電路：如圖1(c)，該部分電路指故障后直流側母線電壓變化部分引起的線路響應，該部分變化電壓引起的潮流分布可根據電源值的變化與線路的電導矩陣求出。

(3) 故障附加電路：如圖1(d)，僅由故障點等效電源引起的線路響應。故障附加電路下的節點電壓或支路電流可通過其余等效電路求出，即：

ΔSi=Si-S′i-S″i

(1)

直流配電網的復雜拓撲與換流器的控制策略，令故障后暫態時的電氣量難以估計，故障分量需在換流器處電容與線路分布電充放電結束，系統進入新的穩態時獲得。由于電容充放電暫態過程很短，且存在限流設備的情況下，故障過電流得到限制，無需立即隔離故障[9]，故可在穩態收集故障分量信息。

3 基于故障分量的故障定位方法

3.1 直流配電網故障判據

直流配電網發生單極接地故障后，直流側母線故障極對地電壓迅速降至零附近，非故障極電壓也迅速下降，正負極對地電壓呈現不平衡的特點，可以以此作為單極接地故障的判據，根據這個特征有：

(2)

其中p、n分別表示正負極電壓，Uset1、tset1為單極接地故障判據的門檻值，可取Uset1為0.2pu。

直流配電網發生極間短路故障后，直流側電容迅速向故障點放電，直流側母線電壓迅速下降，線路電流激增，呈現低電壓過電流的特點。根據該特點，極間故障的判據可為：

(3)

其中Uset2、Iset、tset2為極間接地故障判據的門檻值，可取Uset2為0.5pu，Iset為2pu。

3.2 故障定位

3.2.1 區間定位

與交流配電網不同，直流配電網中電流的方向可以直接由其測量值獲得。在故障附加電路中只存在故障等效電流源供電，因此故障區間兩端支路電流方向相反，非故障區間兩端支路電流方向相同，即：

(4)

3.2.2 故障測距

圖2 故障區間等效圖

配電網線路故障可以看作是網絡拓撲發生變化，如圖2所示，其中r表示故障點到區間端點距離與區間總長之比，Rab為區間電阻，故障發生后，相當于將故障點作為一個虛擬節點f，根據互電阻的定義，僅節點a有單位注入電流時，滿足：

Raf=Raa-m(Raa-Rab)

(5)

其中Raf、Rab為節點a與節點b、虛擬節點f間的互電阻，Raa為節點a的自電阻。同理可求出節點b與虛擬節點f間的互電阻。又根據節點電壓方程，圖2中的電氣量有如下關系：

(6)

節點電阻矩陣中僅虛擬節點與故障區間端點間的互電阻Raf與Rbf為新增值，其余值與系統節點電阻矩陣保持一致。故障附加電路中僅故障點有注入電流則有：

(7)

結合式(5)與式(7)，有

(8)

根據式(8)即可解得表示故障距離的r值，可以發現故障測距結果與過渡電阻無關，且由于直流配電系統中電壓與電流僅有幅值，令方程易于求解。

4 仿真分析

本文基于ieee14節點的拓撲形式搭建出簡單的直流配電網的模型，使用雙極為負荷供電，其形式如圖3所示。采用兩電平VSC換流器，直流額定電壓為10kV。線路參數為：R=0.153Ω/kmL=1.04mH/km,C=14.5nF/km，線路分布等效至各節點處。采樣頻率為20kHz，當故障發生50ms后進行采樣，采樣時間為5ms，提取各電氣量的直流分量。

圖3 仿真線路圖

表1給出了不同過渡電阻，不同故障類型時所求得的故障點位置，故障測距的結果。

表1 故障測距結果

可以看出該方法不受過渡電阻與故障類型的影響，且定位的精度滿足要求。

5 結論

本文提出的直流配電網故障定位方法利用故障分量法提取出故障分量信息，在由故障后系統的拓撲變化，列出故障附加電路的節點電壓方程組，求解方程組結果實現故障測距。該法不受過渡電阻與故障類型影響，求解的精度滿足誤差要求。本法需要在系統中配置較多的測量設備，提高了系統造價成本，后續研究重點可放在減少測量數據有效配置測量設備。