直流配电线路故障定位行波法适用性分析

孙永健 陈羽 韩玘桓

摘 要：随着电力电子技术的不断发展，分布式电源的大量涌入，直流配电线路供电时比交流配电线路效率高，因此直流配电网的发展得到了重视。直流配电网发生线路故障时，可靠、精确的故障测距方法对于保障配电系统的稳定运行具有重要意义。本文基于两电平VSC多端直流系统分析基础之上，描述了故障行波的传播过程，分析了行波法在直流配电线路的适用性。

关键词：直流配电网；直流线路；故障定位；故障初始行波

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.128

0 引言

随着科学技术的不断进步，电力电子技术的不断发展，以太阳能、风能为主的新能源的普及利用，直流负荷的涌现，信息技术的不断创新，直流配电线路给直流负荷供电时比交流配电线路效率高，直流配电网已成为国内外研究发展的热点课题。直流配电网较交流配电网相比有以下优点：（1）供电容量大、线路损耗小；（2）供电效率高、供电稳定性好、电能质量好；（3）便于直流电源及直流负载的接入。环状直流配电网供电可靠性更高，发展前景广阔[1-3]。

行波法故障定位受故障距离、过渡电阻及系统运行方式小，测距精确，是直流输电系统最主要的故障测距方法。文献[4]基于直流电缆故障暂态特征提出单极接地故障定位方法。文献[5]提出了通过分析单端电流频谱获其固有频率的故障测距方法。

1 基于两电平VSC的多端直流系统

直流配电网典型拓扑结构主要分为以下三类：环状、两端状和放射状[6]。环状直流配电系统具有更高的供电可靠性。如图1所示，当系统中某线路发生故障时，保护装置可将其切除，剩余非故障线路按两端型结构继续供电，较小停电面积，提高了电力系统稳定性，是直流配电网的发展趋势。

直流配电系统与直流输电系统不同，输电线路结构相对简单，潮流单一，配电系统拓扑结构复杂，两电平VSC应用广泛。目前直流配电系统依靠交流断路器或直流断路器实现故障隔离，采用交流断路器实现故障隔离停电区域大，供电可靠性低，不利于电力系统的稳定运行，因此直流配电线路的故障精確定位具有十分重要的意义。

2 故障行波的传播过程

直流配电线路上发生故障后，会在故障点产生故障初始行波，故障初始行波会沿线路向两端换流站传播，因为直流线路、直流母线的阻抗不相同，当故障初始行波到达直流母线时，部分故障初始行波透射直流母线传播到其它直流线路，另一部分故障初始行波沿原路线反射回来。

图2中的入射行波ui从波阻抗Z1的介质行进到波阻抗Z2的介质会产生反射行波uf和透射行波ut。

行波的反射程度可用发生反射的阻抗不匹配点的反射电压（电流）与入射电压（电流）之比来表示，这比值称为反射系数。电压行波的反射系数为：

行波的透射系数可用透射电压（电流）波与入射电压（电流）波的比值表示，电压行波与电流行波的透射系数相同。透射系数为：

3 行波法适用性分析

直流配电网发生线路故障时，故障电流上升迅速，幅值高，若不及时找出故障点并切除故障线路，将对相关直流设备造成较大损害，快速、准确的故障定位方法有利于提高电力系统供电可靠性。

目前阻抗法和行波法是交流配电系统的主要故障测距方法。直流配电线路发生故障后，故障暂态特征变化迅速，VSC内部IGBT可以在故障发生后极短时间内关断，所以依据工频向量信号的阻抗法无法完成故障点的快速定位和隔离。现阶段直流系统的故障定位方法主要是行波法，但多用于直流输电线路。由故障初始行波的传播过程可知，当直流配电线路发生故障后，故障初始行波能够穿过换流站母线传递到邻近直流线路，可通过故障初始行波到达相应行波监测点时间确定故障位置，为行波法在直流配电线路的应用奠定了理论基础。

4 结论

（1）随着电力电子技术的不断发展，直流负荷及电源的普及，直流配电网的发展得到了重视。

（2）直流配电网拓扑结构主要分为环状、两端状和放射状三类，其中环状结构供电可靠性较高，是直流配电网发展趋势。

（3）直流配电线路上发生故障后，故障点处会产生故障初始行

波，故障初始行波透过两侧换流站向邻近线路传播，可通过到达换流站时间确定故障位置，为行波法在直流配网的应用奠定了理论基础，提供了电力系统供电可靠性。

参考文献：

[1]宋强，赵彪，刘文华等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33（25）：9-19.

[2]Baran M E，Mahajan N R.DC distribution for industrial systems ：opportunities and challenges[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39（06）：1596-1601.

[3]Flourentzou N，Agelidis V G，Demetriades G D.VSC-based HVDC power transmission systems：An overview[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（03）：592-602.

[4]Yang Jin，Fletcher J E.OReilly J，et al.Short-circuit and ground fault analyses and location in VSC-Based dc network cables[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（10）：3827-3837.

[5]蔡新雷，宋国兵，高淑萍等.利用电流固有频率的VSC-HVDC直流输电线路故障定位[J].中国电机工程学报，2011，31（28）：112-119.

[6]江道灼，郑欢.直流配电网研究现状与展[J].电力系统自动化，2012，36（08）：98-104.

作者简介：孙永健（1992-），男，山东东营人，硕士研究生，主要研究方向：电力系统及其自动化。