直流微电网故障定位研究综述

陈皓，田新和，高传薪，郑思琦，闫重熙

(四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

在化石能源逐渐枯竭和世界环境危机的大背景下，采用可再生能源无疑是解决当前问题的有效方式。但可再生能源本身具有波动性和间歇性，且并入交流电网时需经多级变换，使得并网成本高、损耗大。于是可再生能源直接并入直流电网成为了更好的选择，且大量的研究证实了其可行性[1-3]。直流电网与传统交流电网相比具有许多优势，如供电容量大、抗干扰性好、可靠性高和电能损耗低等，已被视为分布式电源与直流负荷更有效的接入形式[4-10]。

现有基于电压源换流器(voltage source converter，VSC)的直流微电网釆用脉冲宽度调制技术，与模块化多电平换流器相比，具有结构简单、成本低、控制易实现等优点；但当其直流线路发生故障时，直流大电容迅速放电，再加上线路本身阻抗低，故障电流在几毫秒内就会达到峰值，对系统中的电力电子器件造成了极大威胁。因此，为了避免系统设备损坏，并快速恢复系统正常运行，在故障发生后应尽快切除故障并准确定位出故障点。快速准确的故障定位很有必要，其有助于系统快速修复、快速恢复供电和减少停电时间等；因此，快速准确的故障定位对直流微电网恢复正常运行具有重要意义。

但目前直流微电网系统并没有成熟的保护标准，在保护方面还面临着许多挑战，如保护设备待开发、保护方法不健全和故障定位困难等[11-12]。就故障定位而言，采用了电力电子器件的直流系统在一定程度上抑制了故障期间的电流，使故障定位变得更加困难。

鉴于目前直流微电网故障定位研究的重要性和迫切性，本文分析了直流微电网故障定位的基础和研究现状，指出了各类定位算法的优缺点，提出了直流微电网故障定位面临的关键问题，最后对未来直流微电网故障定位研究作出了几点展望。

1 直流微电网故障定位基础

1.1 基本概念

1.1.1 直流微电网的概念

微电网是交流和直流电力系统中的常用概念，是由负荷和分布式电源组成的小规模的低压或中压电网，既能并网运行也能离网独立运行[13]。若负荷和分布式电源连接到公共直流母线上，则形成了直流微电网，直流微电网不仅在运行效率和供电灵活性等方面优于交流微电网，还比交流微电网更易接纳可再生能源。直流微电网典型架构如图1所示，其整合了光伏发电、风电、燃料电池和蓄电池等分布式电源，可通过换流器与交流大电网相连，可对直流负载以及交流负载供电[14-16]。

图1 直流微电网典型架构Fig.1 Typical architecture of DC microgrid

1.1.2 故障定位的含义

故障定位对象主要为故障线路，其有两重含义：一是粗略故障定位，在系统发生故障后，确定出故障所处的大致位置或是故障所在区段；二是精确故障定位，故障发生后准确地确定出故障点所在位置，即确定测量端到故障点的距离，又称为故障测距。本文主要研究第二种故障定位。

1.2 系统接地方式

无论是交流系统还是直流系统，接地方式的选取都十分重要。接地方式的不同将导致接地故障特征的不同，不仅会影响保护的选择与整定，还会影响故障定位策略的制订[17]。

文献[18]将直流微电网的接地方式分为4种：不对称单极系统、对称单极系统、双极系统和单极加装电压平衡器系统。4种接地方式的特点以及优缺点比较见表1。

表1 4种接地方式比较Tab.1 Comparison of four grounding modes

目前文献主要采用对称单极系统，在高压直流输电中该系统被称作伪双极系统以区别于双极系统。由于双极系统并不适用于中低压直流微电网，没有伪双极系统与双极系统的区分，在直流微电网中也直接将伪双极系统称作双极系统。单极加装电压平衡器系统是对称单极系统的改进，主要是为了解决正负极电压因负荷不对称而不平衡的问题，但会增加设备损耗和复杂性，还处于研究阶段。

上述接地方式的分类不仅考虑了系统接线方式，还考虑了中性点接地方式。本文所提的接地方式是指伪双极系统中直流电容中性点的接地方式，分为4种类型：不接地、直接接地、经小电阻接地和经高阻接地。在直流微电网中不接地方式一般不予考虑[18]，现有文献的故障定位算法主要在其余3种接地方式的基础上展开讨论。直流微电网的1种典型接地方式如图2所示，其中：AC和T分别表示交流侧电源和隔离变压器；C为直流侧大电容；R为接地电阻，取值范围为零到无穷大，不同的取值均可对应上述4种不同的接地方式。

显然，与直接接地方式相比，经小电阻或高阻接地对接地故障的故障电流具有一定限制作用：首先，延长了故障电流达到峰值的时间，为故障切除

图2 直流微电网的典型接地方式Fig.2 Typical grounding mode of DC microgrid

争取了时间；其次，削弱了故障电流峰值，降低了故障电流对电力电子器件的危害。但如果接地电阻较大，导致削弱作用太强、故障电流较小，将给故障检测带来困难；因此，选择合适的接地电阻十分重要。其选择并不是绝对的，应考虑各方面因素，如系统电压等级、故障检测与切除时间和电力电子器件耐流能力等。

下面仅以实际仿真为例，说明接地电阻如何选取。以电压等级较低的±500 V直流微电网为例，在PSCAD中搭建图2所示的直流微电网简易模型，考虑接地电阻分别为0 Ω、1 Ω或10 Ω时，对直流线路发生金属性正极接地故障的情况进行仿真，观察故障电流变化情况，仿真结果如图3所示。

图3 不同接地电阻下的故障电流Fig.3 Fault current under different grounding resistances

由图3可见，接地电阻为0 Ω时，由于线路阻抗很小，故障回路呈欠阻尼，故障电流迅速上升，其峰值为正常运行电流的数十倍。显然故障电流已经超过了电力电子器件的耐流能力，此时只能快速切除故障；但由于故障电流上升极快，在其达到峰值前切除故障的可能几乎为零。接地电阻为10 Ω时，故障回路阻抗显著上升，故障回路呈过阻尼，导致故障电流上升缓慢甚至接近于正常运行时的电流，这虽然对故障切除时间要求很低，但为故障检测造成了困难。接地电阻为1 Ω时，故障电流峰值为正常运行电流的几倍，并不会对电力电子器件造成太大威胁，也不会影响故障检测。与接地电阻为0 Ω或10 Ω的情况相比，接地电阻取1 Ω最优。综上可见，接地电阻的选取需要考虑的因素很多，若要给出理论上的选取依据十分困难，因此实际工程中主要根据仿真经验选取。

此外，除了上述4种基本的接地方式，还有一些改进的接地方式，如经二极管或三极管接地[8]，本文不予赘述。

1.3 故障特征

故障特征分析不仅是保护方案选取的基础，也是故障定位算法的基础，只有明确了故障特征，才能制订出合适的故障定位算法。基于VSC双极直流系统中的简单故障有2种类型：极间短路故障和单极接地故障。当正负极线路间形成通路时，为极间短路故障；当正极或负极线路与大地间形成通路时，为单极接地故障。单极接地故障发生的几率最高，极间短路故障的危害最大。2种故障如图4所示，f1为单极接地故障，f2为极间短路故障。

图4 直流微电网的2种简单故障Fig.4 Two simple faults of DC microgrid

文献[19-25]对直流微电网中常见的2种故障进行了详细分析。极间短路故障划分为3个阶段：电容放电阶段、二极管续流阶段和交流侧馈电阶段；单极接地故障划分为2个阶段：电容放电阶段和交流侧馈电阶段。

文献[20]还对2种故障的各阶段进行了公式推导，用解析式表示了各阶段的故障特征。由于篇幅限制，不再列出各阶段公式及相关曲线，下面仅对各阶段故障特征作出说明。①电容放电阶段：故障发生后，电容和故障线路形成二阶放电电路，故障电流最快在几毫秒内即可上升至峰值，直流电压随故障电流增大而下降。②二极管续流阶段：发生在直流电压降为零后，故障线路与二极管形成一阶放电电路，故障电流从峰值附近开始降低，直流电压保持为零。③交流侧馈电阶段：也称不可控整流阶段，交流侧电源通过二极管整流使直流侧达到新的稳态，直流电压电流均达到某一稳态值。发生单极短路故障时的故障特征与上述类似，只是不含二极管续流阶段，直流电压也没有降为零的过程。

对2种故障类型的电容放电阶段，根据故障电阻大小不同，可分为过阻尼放电和欠阻尼放电，相应的放电过程解析式也会有所不同。极间短路故障通常为金属性故障，阻抗较小；单极接地故障既可以为金属性故障，也可以为非金属性故障(即经过渡电阻的故障)[11]，这里过渡电阻特指发生非金属性故障时的故障电阻。因此，极间短路故障的电容放电阶段一般呈欠阻尼特性；单极接地故障的电容放电阶段呈欠阻尼或过阻尼特性。

上述故障特征分析表明：对于极间短路故障，为避免系统设备损坏，需尽量避免二极管续流阶段出现，避免故障大电流流过二极管，应在电容放电阶段结束前切除故障线路。对于单极接地故障，接地电阻不变时，故障电流大小及故障切除时限主要受故障电阻影响。故障电阻越小，故障电流上升越快且峰值越大，对切除故障时限要求也高；故障电阻越大，故障电流上升越缓且峰值越小，对切除故障时限要求也就越低。

2 直流微电网故障定位研究现状

基于以上分析，国内外专家对故障定位算法展开了大量研究。本文借鉴直流输电线路中故障定位的划分方法[26]，将现有直流微电网故障定位算法为2种类型：注入信号法和故障分析法。广泛应用于直流输电线路中的行波法[27-29]虽可在短时间内准确定位故障，但直流微电网线路比直流输电线路短得多，需要极高采样率，因此在直流微电网中一般不采用行波法。文献[30-31]利用小波变换定位故障区域，同样也要求高采样率。

2.1 注入信号法故障定位

注入信号法的故障定位原理如图5所示，其中U代表定位模块，iU为定位模块产生的放电电流，l和d分别为线路总长和故障距离。注入信号法的基本原理为：在故障发生后，定位模块U向故障线路注入额外信号iU，根据该信号在故障线路中的响应(一般为测量点处的电压和电流)，计算出故障线路参数(电感或电阻)，从而得出故障距离d，最终实现故障定位。按注入信号前是否切除故障线路来区分，注入信号法可分为离线法和在线法：离线法待切除故障线路后，再向故障线路注入信号；在线法不切除故障线路，直接向故障线路注入信号。文献[12，32-34]属于离线法，文献[35]则属于在线法。

图5 注入信号法故障定位原理Fig.5 Fault location principle of injection signal method

文献[12]待故障线路隔离后，利用功率探针单元(power probe unit，PPU)向故障区段放电，通过控制PPU内部电路参数，使得放电过程呈欠阻尼特性，再提取出该过程的阻尼频率和衰减常数，计算出故障线路电感值，从而实现故障定位。文献[32]对文献[12]作了改进与补充，通过改进计算方法，使衰减系数更接近实际值，提高了定位准确性；还考虑了PPU近距故障的情况，使定位方案更加完整。但上述定位方法必须保证放电过程为欠阻尼，降低了其耐过渡电阻的能力。由于故障发生时故障电阻具有不确定性，故障电阻较大将造成故障回路总电阻增大，使得放电过程变为过阻尼或弱欠阻尼，从而使故障定位算法失效，定位准确性急剧下降。

文献[33]提出了1种用于故障定位的拓扑结构，与PPU相比同样是向故障线路放电，但两者内部结构不同。前者定位模块主要由蓄电池和电力电子开关组成的H桥构成，属于有源放电过程；后者定位模块主要由电感和带电电容构成，属于无源放电过程。文献[33]通过对测量点电压电流进行离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)后，计算出故障回路总阻抗，进而实现故障定位。该方法不受限于放电过程欠阻尼状态，应用范围更广；通过控制开关频率，可消除故障线路对地电容的影响，使定位结果更准确。

以上利用故障定位模块(PPU或H桥定位拓扑)的方法主要针对单极接地故障，对极间短路故障定位时需改变定位模块的连接方式：发生单极接地故障时，定位模块连接在正极或负极线路与大地间；发生极间短路故障时，定位模块连接在正负极线路间。由于事先并不确定会发生何种故障，因此转换连接方式在实际中并不可行。

文献[35]在线路发生故障后，通过嵌入于换流器中的定位模块向故障线路中注入小扰动信号，将电压电流正交化处理后，提取出扰动信号对应的幅值和相位，分别计算出线路电感和电阻，从而实现故障定位。该算法同时利用线路电感和电阻参数进行故障定位，与文献[12，32-33]只利用线路电感值相比，定位结果更准确，但过渡电阻同样也对其定位准确性有影响。此外，由于该方法属于在线注入信号法，故障定位时会延时故障线路的切除，与保护速动性之间存在矛盾。

综上，目前注入信号法存在的问题有：①无法同时对单极接地故障和极间短路故障进行定位；②定位准确性受过渡电阻影响大；③为满足保护速动性要求，只允许进行离线定位。

2.2 故障分析法故障定位

故障分析法的基本原理为：根据故障暂态过程的特征(如电容放电阶段解析式)，计算出故障线路参数(电感或电阻)，求出故障距离，从而实现故障定位。由于故障分析法基于故障暂态过程，一般为在线法。大部分故障分析法基于电容放电阶段，如文献[20，36-41]；部分基于交流侧馈电阶段，如文献[42]。

文献[20]基于电容放电阶段的解析式，利用参考电压比估计出故障线路参数，进而计算出故障距离。由于电容放电阶段为二阶放电过程，直接求解线路参数十分困难，只能用数值法，导致计算量大；并且在不进行迭代计算时定位准确性差。该方法求解二阶电路时还需确定电路阻尼性，但由于故障电阻不确定，使求解难度大大增加。此外，利用参考电压比需要额外增设电压传感器，加大了投资成本。

文献[36]同样基于电容放电阶段，但没有求解其解析式，而是利用电压电流组成的矩阵方程，采用自适应伪逆法直接解出故障线路电阻参数，从而实现故障定位。该方法与文献[20]相比，不考虑放电过程的阻尼性，减小了计算量，改善了定位准确性。文献[37]与文献[38]相比，将矩阵方程中的二阶微分方程降阶，采用一阶微分方程描述电容放电过程，减少了一次差分近似微分的过程，在理论上降低了定位误差。

文献[38-39]中对电流变化率的获取方法进行了改进，即不再利用差分近似微分。文献[38]根据电感的电压电流关系，利用VSC出口处限流电抗器上的压降计算电流变化率，提高了定位准确性。但该方法测量限流电抗器的压降时需额外增设电压传感器，且仅适用于装设了限流电抗器的线路，对于未装设限流电抗器的故障线路，无法据此计算出电流变化率。文献[39]采用插值法对差分法进行了改进，提高了中长线路的定位准确性，但对于短线路的定位误差较大。

文献[42]与文献[33]线路阻抗计算原理类似，同样采用DFT算法，但定位结果更准确。文献[42]通过分析极间短路故障下交流侧馈电阶段特征，认为该阶段的电压电流中含有衰减直流分量和衰减周期分量。由于衰减分量会影响DFT的精度，且现有文献只针对衰减直流分量提出了改进算法，因此文献[42]提出了1种改进DFT算法，可同时消除2种衰减分量的影响，保证了DFT的精度，从而提高定位准确性。但其适用于交流侧馈电阶段，会影响故障线路切除，同样与保护速动性矛盾。

文献[36]基于双端测量，而文献[20，37-42]基于单端测量，其中文献[20，38]为单端多点测量(需额外增设测量装置)。单端测量虽在投资成本上优于双端测量，但其定位准确性受过渡电阻影响大，这是单端测量的固有缺陷；单端多点测量的投资成本介于两者之间，但也同单端测量一样受过渡电阻影响。因此，应根据具体应用场合选择合适的测量方式及定位方法。

综上，故障分析法利用故障暂态阶段信息，可实现在线故障定位。目前故障分析法存在的问题有：①无法同时对单极接地故障和极间短路故障进行定位；②定位准确性受过渡电阻影响大；③算法基于故障暂态过程，可获取的故障信息少。

3 直流微电网故障定位面临的关键问题

纵观直流微电网故障定位的研究现状，目前直流微电网故障定位正处于探索阶段，亟需解决以下问题。

a)过渡电阻的存在。过渡电阻是定位算法面临的普遍性问题，过渡电阻的存在会造成定位准确性大大降低，过渡电阻越大，准确性越差；因此，定位算法耐过渡电阻的能力是衡量定位准确性的一大指标。在开发新的故障定位算法时，必须考虑发生经过渡电阻故障的情况，应尽量从算法原理上消除或削弱过渡电阻的影响。

b)故障定位的准确性。定位准确性除受过渡电阻影响外，还受定位原理和采样率的影响。对算法本身而言，应尽量避免在定位原理上存在误差，如文献[36-39]中计算电流变化率的问题，从两次近似到一次近似，再到直接测量，就是逐步从原理上降低定位误差的过程。对一般算法而言，采样率与定位准确性成正比，采样率越高，准确性越好，但高采样率会增大投资成本；因此，在开发新的定位算法时，应尽量削弱采样率对算法的影响，或采用可接受的采样率(如5 kHz)实现准确定位。

c)故障定位的快速性。从算法原理来看，与离线法相比，在线法的快速性更好，因此对快速性要求高的场合应尽可能选用在线定位法。此外，定位算法一般会涉及到数学计算，可采用计算量小的算法来提高故障定位的快速性。

d)定位算法对不同类型故障的适用性。现有定位算法的适用性较弱，还无法同时对单极接地故障和极间短路故障进行定位。开发适用性强的定位算法，可省去故障类型判别的过程，有助于提高定位的快速性。

4 直流微电网故障定位研究展望

对未来直流微电网故障定位的发展方向展望如下。

a)选用基于双端测量的定位算法，或者研究估算故障电阻的方法，消除或削弱过渡电阻的影响，提高定位准确性。

b)通过优化直流微电网接地方式或优化直流微电网架构，限制故障电流变化率和峰值，以利于故障定位算法的制订和实施。

c)根据现有算法，开发复合定位算法，增强算法的适用性，以同时对单极接地故障和极间短路故障甚至对其他类型故障进行定位。

d)采用定位、控制保护、通信为一体的集成化方案，将定位模块集成在换流器中，减少分散的定位装置，降低投资成本；利用通信系统，共享故障定位信息，促进控制保护系统及时作出响应。

5 结束语

本文全面综述了直流微电网故障定位原理。首先，简要介绍了直流微电网故障定位的基本概念，分析了直流微电网接地方式和故障特征以及它们对故障定位的影响；然后，对直流微电网故障定位原理进行了归类研究，将现有故障定位原理分为注入信号法和故障分析法，指出现有定位算法受过渡电阻影响大、无法同时对单极接地故障和极间短路故障进行定位、制约定位准确性的因素多等问题；最后，分析了直流微电网故障定位面临的关键问题，对未来直流微电网故障定位研究进行了展望。