直流配电网的故障定位方法

陈达1，吴羚敏1,凌飞鸿，章江海

(1.福州大学 电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116；2.国网安庆供电公司，安徽 安庆 246000)

1 引言

随着需求侧和电源侧的直流化，直流配电网的研究热度逐渐上升，目前对直流配电网的电压等级序列、功率传输效率、电能质量、接地方式、分布式电源接入技术等内容已有了一定量的研究[1-5]，但鲜有对直流配电网故障定位的研究。

针对直流配电网单极接地故障的定位方法，文献[6]提出一种利用故障暂态量定区间稳态量测距的方法，但仅针对小电流系统的单极接地故障。文献[7]提出一种基于Prony算法的故障测距方法,通过在故障区间投入小型电容，利用Prony算法研究故障参数实现故障测距，但由于该法要求在各区间断路器下游增加定位模块，提高了故障定位算法实现的成本。若直流配电网系统交流侧联结变压器为△/Yn接法，直流侧电容中性点直接接地则系统在正常运行时能保证正负极电压相同，故障后换流器母线正负极电压下降，且仍然保持平衡[8]。本文针对这样的直流配电系统提出一种基于故障分量的故障定位方法，利用区间故障分量电流方向判断故障区间，并针对故障附加电路，列写节点电压方程，求解出故障点的位置。

2 直流配电网的故障分量法

如图1(a)故障后故障区间的等效电路，故障区间两侧等效电动势为Em，En，等值阻抗分别为Zm，Zn，故障区间阻抗为f点发生短路故障后，线路m，n端的电流分别im和im，If是故障等效电流源，其值为故障接地电流。故障后，直流侧系统的电压以及分布式电源的并网电压不再保持与故障前相等，因此可将故障电路可视作三个等效电路的叠加：

(1)非故障电路：一般情况下认为是指正常运行状态，如图1(b)，其中Em0，En0为正常运行时故障区间两侧等效电动势。该部分线路的电气量可由正常运行时的潮流信息获得。

(2) 附加电动势等效电路：如图1(c)，该部分电路指故障后直流侧母线电压变化部分引起的线路响应，该部分变化电压引起的潮流分布可根据电源值的变化与线路的电导矩阵求出。

(3) 故障附加电路：如图1(d)，仅由故障点等效电源引起的线路响应。故障附加电路下的节点电压或支路电流可通过其余等效电路求出，即：

ΔSi=Si-S′i-S″i

(1)

直流配电网的复杂拓扑与换流器的控制策略，令故障后暂态时的电气量难以估计，故障分量需在换流器处电容与线路分布电充放电结束，系统进入新的稳态时获得。由于电容充放电暂态过程很短，且存在限流设备的情况下，故障过电流得到限制，无需立即隔离故障[9]，故可在稳态收集故障分量信息。

3 基于故障分量的故障定位方法

3.1 直流配电网故障判据

直流配电网发生单极接地故障后，直流侧母线故障极对地电压迅速降至零附近，非故障极电压也迅速下降，正负极对地电压呈现不平衡的特点，可以以此作为单极接地故障的判据，根据这个特征有：

(2)

其中p、n分别表示正负极电压，Uset1、tset1为单极接地故障判据的门槛值，可取Uset1为0.2pu。

直流配电网发生极间短路故障后，直流侧电容迅速向故障点放电，直流侧母线电压迅速下降，线路电流激增，呈现低电压过电流的特点。根据该特点，极间故障的判据可为：

(3)

其中Uset2、Iset、tset2为极间接地故障判据的门槛值，可取Uset2为0.5pu，Iset为2pu。

3.2 故障定位

3.2.1 区间定位

与交流配电网不同，直流配电网中电流的方向可以直接由其测量值获得。在故障附加电路中只存在故障等效电流源供电，因此故障区间两端支路电流方向相反，非故障区间两端支路电流方向相同，即：

(4)

3.2.2 故障测距

图2 故障区间等效图

配电网线路故障可以看作是网络拓扑发生变化，如图2所示，其中r表示故障点到区间端点距离与区间总长之比，Rab为区间电阻，故障发生后，相当于将故障点作为一个虚拟节点f，根据互电阻的定义，仅节点a有单位注入电流时，满足：

Raf=Raa-m(Raa-Rab)

(5)

其中Raf、Rab为节点a与节点b、虚拟节点f间的互电阻，Raa为节点a的自电阻。同理可求出节点b与虚拟节点f间的互电阻。又根据节点电压方程，图2中的电气量有如下关系：

(6)

节点电阻矩阵中仅虚拟节点与故障区间端点间的互电阻Raf与Rbf为新增值，其余值与系统节点电阻矩阵保持一致。故障附加电路中仅故障点有注入电流则有：

(7)

结合式(5)与式(7)，有

(8)

根据式(8)即可解得表示故障距离的r值，可以发现故障测距结果与过渡电阻无关，且由于直流配电系统中电压与电流仅有幅值，令方程易于求解。

4 仿真分析

本文基于ieee14节点的拓扑形式搭建出简单的直流配电网的模型，使用双极为负荷供电，其形式如图3所示。采用两电平VSC换流器，直流额定电压为10kV。线路参数为：R=0.153Ω/kmL=1.04mH/km,C=14.5nF/km，线路分布等效至各节点处。采样频率为20kHz，当故障发生50ms后进行采样，采样时间为5ms，提取各电气量的直流分量。

图3 仿真线路图

表1给出了不同过渡电阻，不同故障类型时所求得的故障点位置，故障测距的结果。

表1 故障测距结果

可以看出该方法不受过渡电阻与故障类型的影响，且定位的精度满足要求。

5 结论

本文提出的直流配电网故障定位方法利用故障分量法提取出故障分量信息，在由故障后系统的拓扑变化，列出故障附加电路的节点电压方程组，求解方程组结果实现故障测距。该法不受过渡电阻与故障类型影响，求解的精度满足误差要求。本法需要在系统中配置较多的测量设备，提高了系统造价成本，后续研究重点可放在减少测量数据有效配置测量设备。