基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法

贾 科，施志明，张 旸，张恬昕，毕天姝

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）,北京市 102206；2.新能源与储能运行控制国家重点实验室（中国电力科学研究院）,北京市 100192）

0 引言

柔性直流配电网可以实现新能源电源与直流负荷的分布式接入,具有电能质量好、传输效率高与控制灵活等优点,已成为国内外配电系统的研究热点之一［1-2］。其中,保护作为保障配电系统安全可靠运行的第一道防线,备受关注。由于全控电力电子器件的耐过流能力有限,一旦发生极间短路故障,全网换流器将在极短时间内快速闭锁,导致系统长时间失电,极大地降低了系统的可靠性［3-4］。为此,如何破解直流极间短路故障带来的系统停运问题成为柔性直流配电网保护亟须攻克的难题。

现有的直流线路保护研究大多针对直流极间短路故障,利用有限的故障信息进行基于短窗高频量的保护方案设计［5-6］,以期望通过保护高速出口与直流断路器的选择性跳开,来避免换流器因过流闭锁。考虑到直流断路器的动作时间一般为5 ms,而换流器在故障后1 ms 内闭锁［7］,这仍然无法解决系统因换流器闭锁而停运的问题。为此,本文针对电缆早期短路故障,开展故障识别与区段定位研究,通过及时隔离早期故障支路,避免其发展成极间短路而导致系统停运。由于早期故障处于电缆的短时击穿期［8］,其故障阻值高,时频故障特征微弱,且易与量测噪声和系统小扰动等特征发生混叠,隐蔽性极强,这给针对早期故障的直流线路保护研究带来挑战。

目前,对早期故障的识别与定位方法的研究在交流场景下较多,主要利用电流的谐波含量［9］、电压的畸变指数［10］与输入阻抗谱［11］等故障特征来识别早期故障。由于所涉及的故障特征与早期故障在工频电压或电流激励下产生的响应有关,难以在直流场景下应用。考虑到早期故障特征微弱,故障识别判据阈值确定困难,有学者将早期故障信息与神经网络算法［12］、自动编码器算法［13］及其改进算法［14］相结合,实现准确的故障识别与定位。然而,生成分类器需要大量的历史数据作为训练样本,且在不同场景下的适用性和可靠性难以评估。

直流场景下早期故障识别的研究尚在理论探索阶段。文献［15］沿用交流保护方法,将故障频域信息与支持向量机算法相结合来识别早期故障。为获取额外的故障特征,文献［16］借助外加并联电容实现早期故障的识别与定位,虽然可靠性高,但需要装设额外设备。为此,文献［17］利用网侧换流器主动注入电压小扰动,放大早期故障与正常运行的特征差异,为早期故障处理提供新的思路。然而,考虑到在多区段柔性直流配电系统中,仅通过网侧换流器注入电压扰动信号,远端直流母线电压受线路阻抗影响,波动较小,难以显化早期故障特征,导致该方法难以适用于多端柔性直流配电系统。

为实现早期故障的准确识别与可靠区段定位,解决直流短路故障导致的系统停运问题,本文提出了一种基于主动注入的柔性直流配电系统早期故障区段定位方法。利用本地DC/DC 换流器中的调制特性与系统自身的控制策略约束,主动注入电流扰动来显化早期故障特征,解决早期故障特征弱、难以识别的问题。利用差动电流计算出的波动电阻,形成扰动注入启动判据,可避免无条件注入扰动对系统电能质量及稳定性的影响。该方法能够实现准确的早期故障区段定位并及时隔离故障支路,且具有一定的耐受噪声能力。

1 柔性直流配电系统早期故障模型

1.1 柔性直流配电系统拓扑

参考中国江苏同里、贵州等地的辐射状多端柔性直流配电工程［18］,本文研究的系统拓扑如图1 所示。分布式光伏场站经DC/DC 换流器就地升压后,接入±10 kV 直流配电网,再经直流电缆送至DC/AC 换流器,逆变后并入交流主网。

图1 多端辐射状柔性直流配电系统拓扑结构Fig.1 Topology of a multi-terminal radial flexible DC distribution system

其中,由于复杂多分支的系统结构,在各支路上安装直流断路器较不经济,同时电力电子装置的耐过流能力有限,要求全网换流器均具有故障电流自清除能力。故选用全半桥混联的模块化多电平换流器（MMC）与单向全桥隔离型直流变压器（DCT）。网侧MMC 采用定直流电压控制,光伏场站采用最大功率点跟踪（MPPT）控制。量测点设置在各支路首末端,并在各母线的进出线配有可切断负荷电流的开关,用以隔离早期故障线路。为便于叙述,在图1 中定义线路区段1 至3。

1.2 早期故障模型

绝缘材料老化或受损是直流电缆故障的主要原因。同时,电缆绝缘能力与电树枝发展阶段有关,一般将整个电树枝发展过程划分为潜伏期、生长期、滞长期和击穿期［19］。从基于漏电流监测技术的绝缘老化试验结果来看［20］,在击穿期前,持续时间较长,泄漏电流较小。一旦进入短时击穿期,电树枝快速生长并贯穿绝缘材料,形成燃弧,持续数十秒可发展成低阻短路故障,上述短时击穿期被认为处于早期故障阶段。

基于上述分析,本文以表征直流电缆击穿期的模型作为早期故障模型［21］,如图2 所示。图中:If为泄漏电流,Uf为故障极间电压,Rf为早期故障电阻,由电弧电阻与电缆外护套电阻构成。考虑到电缆发生早期故障时,泄漏电流很小,可认为直流电弧处于小电流阶段,故本文选用Paukert 电弧模型来进行早期故障特性研究［22］,其模型表达式为:

图2 早期故障模型Fig.2 Incipient fault model

式中:Varc为电弧电压；Iarc为电弧电流；Rarc为电弧电阻；L为电极间距。该模型适用于研究电弧电流在0.3～25 A、极间距L在1～3 mm 范围内的电弧故障［23］。

结合式（1）、式（2）可知,在电极间距一定的前提下,电弧电阻是关于电弧电压或电流的非整反幂函数,即表现为非线性电阻随着电压或电流的增大而减小。同时,考虑到早期故障电阻中外护套电阻较大,可达数千欧姆,导致故障特征很不明显,故可通过注入电压或电流扰动,造成早期故障电阻波动,从而显化故障特征,实现可靠的早期故障识别。

2 基于主动控制的扰动信号注入方法

2.1 传统主动注入方法的适应性分析

由全控电力电子元件组成的换流器,因具有较好的可控性被广泛应用于主动式保护的注入源。文献［17］通过对网侧MMC 的主动控制,注入电压扰动,实现早期故障识别。

以区段1 发生早期故障f1为例,等效故障回路如图3 所示。图中:Upq、Ipq分别表示测点p、q处的极间电压与线路电流（p=1,2,3,4；q=1,2,3）；Zm1、Zm2分别表示区段m的正负极线路阻抗；IPVm、ZPVm分别表示区段m处的光伏等效电流与等效输出阻抗（m=1,2,3）；Uj表示网侧MMC 注入的电压扰动。

图3 等效故障回路Fig.3 Equivalent fault circuit

不同于文献［17］中的光伏直流升压汇集系统拓扑,在多端柔性直流配电系统中,当网侧MMC 注入电压扰动时,由于线路阻抗的分压,各区段的直流母线电压波动不一致；甚至当区段较多、线路较长时,远端母线电压（U32）波动微弱。故当发生远端早期故障f3时,文献［17］中的波动电阻特征故障前后差异可能较小,难以实现准确的早期故障识别。

为此,本文通过对各区段本地DCT 的主动控制,进行扰动信号的注入。

2.2 基于直流变压器的扰动电流注入机理

本文选用的DCT 主要由Boost 电路、全桥电路与高频隔离变压器构成,拓扑结构如图4 所示。图中:C0、C1分别为DCT 低压侧与高压侧电容,起稳压与滤波作用；L0为Boost 电路电感；T0至T4为由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的全控开关,D1至D4为二极管；nT为高频变压器升压比；IPV、UPV分别为光伏发电单元的输出电流与电压；I1、U1分别为低压侧出口电流和电压；I2、U2分别为高压侧出口电流和电压。

正常运行下,当L0处于充电或放电状态时,结合图4,分别可得回路方程:

图4 DCT 拓扑结构Fig.4 Topology of DCT

式中:iL为通过L0的电流。

因为电感充放电守恒,即电感电压在1 个周期内积分为0,故结合式（3）、式（4）可得:

式:D为占空比。

由式（5）可知,通过调节占空比D,实现光伏场站的MPPT 控制,使场站动态运行在最大功率点所对应的电压处。D的改变可利用脉宽调制（PWM）技术。

考虑到常用的MPPT 算法有扰动观察法与恒压估计法［24］,其控制对象一般为光伏阵列实际运行电压与电压指令值的差值,当提高运行电压指令值时,PWM 控制过程波形如附录A 图A1 所示。从图A1 可以看出,当提高光伏运行电压指令值时,占空比D显著降低,即T0基本处于关闭状态。此时,L0处于放电状态,其回路约束满足式（4）。同时,受光伏输出特性约束,当提高运行电压指令值时,运行电压UPV将增大,输出电流IPV及功率将降低。结合式（4）可知,运行电压UPV增大与IPV突降,将导致U1变大,经高频变压器升压后,DCT 出口电压U2也随之增大。

进一步分析出口电压U2的增大对早期故障回路的影响,以图1 中故障f1为例进行说明,等效故障回路如附录A 图A2 所示。图A2 中:Z1至Z4为早期故障支路两侧的线路电阻；红色虚线为故障电流路径。

受网侧MMC 定直流电压控制策略约束,MMC出口电压U12近似不变,且正常运行时潮流方向为光伏场站侧流向网侧,则当DCT 出口电压U21增大时,线路电流I21将增大,早期故障支路电流If也随之增大。即当提高MPPT 算法中的运行电压指令值时,相当于往系统及故障支路注入电流扰动。

2.3 直流变压器的主动控制方法

为实现扰动电流的注入,DCT 主动控制的具体实现框图如图5 所示。

图5 扰动注入控制框图Fig.5 Control block diagram of disturbance injection

图5 中的扰动注入控制过程说明如下:正常运行时,即在电流扰动注入前,由MPPT 算法产生的运行电压指令值UPV,ref1与采样值UPV,pu做差形成比例-积分（PI）控制器的输入,PI 控制器的输出则作为PWM 的调制信号,最终生成开关T0的控制脉冲。当需要向系统注入电流扰动时,受触发信号inj 控制,将运行电压指令值由UPV,ref1变为给定的UPV,ref2,其值高于正常运行时的值,接着经过与正常运行相同的控制环节,实现扰动电流注入。

此外,光伏运行电压指令值UPV,ref2的选取方法说明如下:由图5 可知,当触发扰动注入信号时,控制系统的时域控制函数可写成:

式中:m（t）为PI 控制器的输出信号,即为PWM 的调制信号；Kp、Ti分别为PI 控制器的比例和积分系数。

根据扰动电流注入原理可知,当注入电流时,L0应处于放电状态,即占空比D较小,结合PWM 的调制特性（附录A 图A1）,调制信号m（t）幅值应设为较低值,本文取0.1 p.u.。又为了降低对系统电能质量的影响,DCT 出口额定电压U2波动应小于5%的额定电压U2N,可通过高频变压器变比换算为光伏运行电压UPV,pu的波动范围,结合式（6）,可求得光伏运行电压的指令值UPV,ref2,以U2波动等于5%U2N为例,有

为降低扰动注入对系统稳定性的影响,本文将单次的扰动注入持续时间设定为5 ms。

3 早期故障区段定位方案

3.1 扰动注入启动判据

运用主动注入法来处理早期故障时,无启动条件的频繁注入很可能使系统振荡发散,最终导致系统失稳。为此,本文将根据早期故障对线路电流通路的影响,设置扰动注入启动判据。

仍然以故障f1为例,进行扰动注入启动判据与故障识别判据的推导。从附录A 图A2 可以看出,早期故障发生后,故障支路电流被分流,线路电流通路发生变化。当向系统注入电流扰动时,早期故障支路电流If增大。结合1.2 节中电弧电阻的定义式（2）,可知电弧电阻会随着电流的增大而变小,这将使得早期故障电阻也随之变小。因此,根据图A2可定义波动电阻Rwav来体现早期故障前后与扰动注入前后的回路结构变化特征。

式中:K为任一给定值,代表由正常不平衡电流导致的高波动阻抗；Iunb,max为正常运行下的最大不平衡电流,其值受互感器噪声、线路分布电容电流影响,本文参考文献［25］中的直流差动保护中的正常不平衡电流定义,取3%的线路额定电流I1N。考虑到早期故障在数十秒内发展成短路故障,为减轻数据计算压力,数据窗长取0.1 s,并用平均值来表示该时窗内的差动电流与波动电阻值。

正常运行时,线路首末端电流近似相等,使得差动电流|I1+I2|小于Iunb,max,此时波动电阻Rwav等于K。当发生早期故障f1时,结合附录A 图A2 可知,差动电流|I1+I2|等价于早期故障支路电流If,其值大于Iunb,max,又由于线路阻抗远小于早期故障电阻,线路阻抗压降可忽略不计。此时根据式（8）,波动电阻Rwav近似等于早期故障电阻Rf。即早期故障前后,波动电阻阻值存在差异,故可形成如下扰动注入启动判据S。

根据式（9）,当发生早期故障时,差动电流大于所设不平衡电流阈值,使得波动电阻不等于K,启动判据不等于0,则可启动扰动电流注入。

3.2 早期故障识别判据

当系统处于较为恶劣的运行工况下,直流电子式量测装置受到较大的干扰时,使得差流的量测值偏大,可能会导致扰动注入启动判据误判。此时向系统注入电流扰动时,差动电流小于Iunb,max,使得波动电阻Rwav等于K,即其值大于注入前；若系统发生早期故障,波动电阻Rwav将因早期故障电阻的变小而变小。故扰动电流注入前后,正常运行与早期故障状态下,波动电阻阻值的变化存在差异,以此形成如下早期故障识别判据R:

式中:Rwavj为扰动注入前的波动电阻；Rwavjn为第n次注入后的波动电阻,n=1,2。

为提高早期故障识别的可靠性,本文要求连续注入2 次,且均满足判据R大于0 后才判定发生早期故障。为减轻数据计算压力,考虑到扰动注入持续5 ms,用于计算波动电阻的数据窗取注入后0.01 s,并以窗长内的波动电阻均值作为该时窗的波动电阻值。

对于其他的故障位置,分析及判据推导过程与上述类似,这里不再赘述。

通过上述分析可知,本文所提的启动与动作判据在正常运行情况下均为0,而在早期故障下均不等于0,存在明显差异,且不依赖于阻抗阈值的整定,尤其适用于此类微弱故障特征场景。

本文所提的早期故障处理流程如图6 所示。

图6 早期故障处理流程图Fig.6 Flow chart of incipient fault processing

以发生早期故障f2为例,故障处理流程如下:首先,读取各区段近网侧测点处的极间电压与各区段两端电流数据,并计算出各区段的波动电阻；若故障存于区段2,此时该区段的波动电阻阻值不等于K,满足注入启动判据,则启动扰动注入控制,即向DC/DC2 发送扰动注入指令；然后,该DCT 连续注入2 次电流扰动,计算出波动电阻,并与注入前的波动电阻阻值比较,若满足故障识别判据,则该区段即为早期故障区段；最后,向故障区段负荷开关发送跳闸信号,及时清除故障,避免早期故障发展成极间短路,造成系统停运。

其中的控制保护可以由“三层两网”实现,“三层”是指单元层、站控层和监控层。本文利用站控层来启动故障区段所对应DCT 的主动控制,利用单元层来改变运行电压参考值,实现扰动信号的注入,由此构成主动注入式的早期故障识别方法。

4 仿真验证

为了验证所提基于主动注入的早期故障区段定位方法的可行性,在PSCAD/EMTDC 中搭建如图1 所示的仿真模型,并对各区段上的早期故障识别结果进行仿真分析。此外,综合分析本文所提方法对系统电能质量及稳定性的影响,并对噪声作用下的早期故障处理效果进行说明。其中,光伏场站的发电容量均为0.5 MW。仿真步长为50 µs,早期故障电阻中的电弧间距L取3 mm,详细的系统参数见附录B。

当区段1 发生早期故障f1时,MMC 出口极间电压U12与线路电流I12如附录A 图A3 所示。图A3中,以早期故障发生时刻为起始时间。从图中可以看出,正常运行时,直流极间电压与线路电流受系统控制策略约束,波动较小；早期故障发生后,受其高阻特性的影响,极间电压与线路电流变化较不显著,与系统正常小扰动或噪声作用下引发电压与电流的波动特征相似。故可通过对换流器的主动控制来注入扰动信号,显化早期故障特征,从而实现故障识别。

当采用文献［17］的主动控制方法,即通过网侧MMC 注入电压扰动时,以故障f3为例,各母线电压与早期故障电阻如附录A 图A4 所示。图A4 中,以扰动注入时刻为初始时刻。考虑到扰动注入下的早期故障电阻变化是由电弧电阻特性决定的,故本文在仿真分析中用电弧电阻Rarc的变化来表征早期故障电阻Rf或波动电阻Rwav变化。

本文通过提高电缆电阻来合理分析该方法在多端直流配电网的适用性。从附录A 图A4 可以看出,当网侧MMC 注入5%的电压扰动时,受线路阻抗的分压影响,各区段母线测点处极间电压波动存在差异。其中,远端电压波动较小,区段3 处电压U34波动仅有2.1%。这就导致当发生远端早期故障f3时,故障电阻变化较小,难以准确识别早期故障。

为此,本文通过各区段DCT 就地注入电流扰动,削弱线路阻抗对扰动信号的衰减,以显化早期故障特征,实现可靠的故障识别。

4.1 主动注入下的早期故障特征仿真分析

根据2.3 节所述的主动控制方法进行扰动电流的注入,并以扰动注入时刻为初始时刻进行波形分析。其中,控制过程中的PWM 仿真波形如附录A图A5 所示。可以看出,当提高场站的运行电压指令值,并持续5 ms 时,导致载波信号波形突降；经PWM 调制后,生成的脉冲波形的占空比下降,该现象与2.2 节中理论分析相吻合。

对扰动注入下的系统电压与电流波形特征进行分析,仿真波形如附录A 图A6 所示。图A6（a）、（b）为主动注入时,区段1 处的光伏场站的运行电压UPV与输出电流IPV波形,受光伏场站的MPPT 控制与光伏输出特性的约束,输出电流IPV随着运行电压UPV的升高而降低。又根据2.2 节中的DCT 工作原理可知,场站侧的电压与电流的改变将会传递到DCT 的高压侧,如图A6（c）、（d）所示。从图A6 可以看出:场站侧电压的升高与光伏输出电流的下降导致DCT 出口电压抬高,又有MMC 直流侧采用定直流电压控制,其端口电压近似恒定,故区段1 两侧压差变大,导致线路电流上升,即实现了扰动电流的注入。

当连续2 次注入电流扰动后,早期故障特征如附录A 图A7 所示。从仿真波形可以看出电流注入后,早期故障电流增大,故障电阻减小,这与早期故障中的电弧电阻特征相吻合,本文利用该特征进行早期故障的可靠识别与故障区段的准确定位。

4.2 早期故障区段定位结果

根据第3.2 节中的早期故障处理流程,首先测量各区段的差动电流,并计算波动电阻,不同故障位置的结果如附录A 表A1 所示。表A1 中,fn为区段n上的早期故障,RLn代表区段n的波动电阻（n=1,2,3）；T1 至T3 表示窗长为0.1 s 的时窗,其中T1、T2为早期故障前的时窗。

由表A1 可知,正常运行时,即在T1、T2 时窗中,由于差动电流小于设定的不平衡电流阈值,根据式（8）,各区段的波动电阻可计为K。当发生早期故障时,由于存在早期故障支路及泄漏电流,差动电流大于设定的不平衡电流阈值,故障区段的波动电阻不再为K,满足扰动注入启动判据,故向故障区段对应的光伏场站发送主动注入控制指令。连续2 次注入后,分别计算波动电阻,并代入早期故障识别判据R,结果如附录A 图A8 所示。图A8 中,横轴Q1 至Q3 表示窗长为0.01 s 的时窗,其中Q1 为主动注入前的时窗；纵轴波动电阻差值代表各时窗内的波动电阻差值的均值。虚线代表故障区段上的注入前后的波动电阻差值,即绿色虚线上Q2 代表区段1 发生早期故障时,第1 次注入后的波动电阻与注入前的波动电阻的差值；实线代表非故障区段上的波动电阻差值。从图A8 中可以看出,故障区段上由于电流的注入,早期故障电阻小于注入前的值,满足故障识别判据；而非故障区段上,由于不存在早期故障支路,扰动电流注入前后,差动电流始终小于所设阈值,其波动电阻差值为0,不满足判据。

考虑到本文所提的早期故障识别方法是根据差动电流的计算结果进行扰动注入启动与故障区段定位的,因此,有必要分析对时系统精度对差动电流计算及所提方法的影响。在实际工程应用中,双端量测量一般采用的对时方法有全球卫星定位系统（GPS）同步法和乒乓对时法。GPS 同步法的同步误差在2 µs 以内［26］；乒乓对时法的同步精度与收发信道的传输时差有关,考虑到直流配电系统中的线路长度通常小于30 km,即最大传输时差在0.1 ms以内。直流保护的采样频率一般为20 kHz,即对时精度最多影响2 个采样点,而进行扰动注入启动和故障区段识别时,用于计算差动电流的数据窗分别含2 000 与200 个采样点。同时,考虑到早期故障时的线路电流变化微弱,相邻采样点间的幅值变化较小,故对时精度所产生的影响可忽略不计。

综上所述,本文提出的扰动注入启动判据与故障识别判据能够正确地启动电流注入,并实现早期故障区段定位。

4.3 扰动注入对系统运行的影响分析

为全面评价本文所提方法的可行性,考量扰动注入对系统稳定性和电能质量的影响。

附录A 图A9 为扰动注入时的线路电流I21与极间电压U21的波形图。从图A9（a）可以看出,单次扰动注入后,线路电流不到0.1 s 回归正常值,即系统并未因注入而产生失稳现象。主要原因如下:1）注入持续时间短,本文提出的主动注入控制中,要求单次注入持续仅为5 ms；2）扰动电流幅值较小,电流的注入是由DCT 端口电压的波动导致的,从图9（b）可以看出电压的最大波动为3.5%,幅度较小；3）注入次数少,为兼顾系统的稳定性与早期故障识别的可靠性要求,本文设定启动判据以避免频繁注入,并在故障识别判据中要求连续注入2 次。

根据GB/T 35727《中低压直流配电电压导则》规定:±10 kV 至±50 kV 电压等级的中压直流配电网的电压偏差范围为-10%～5%。从附录A图A9（b）可以看出,2 次注入过程中的电压偏差均在正常指标范围内,故本文提出的主动注入方法对系统电能质量影响较小。

4.4 噪声的影响分析

为验证本文提出的早期故障识别与区段定位方法的可靠性,参考现有直流电压电子式互感器的精度,在电压与电流测量数据中分别添加信噪比为30、40 dB 的噪声进行校验［27］。以区段3 发生早期故障f3为例,不同噪声下的各区段差动电流波形如附录A 图A10、图A11 所示。图A10、图A11 中:以早期故障发生为起始时刻,其浅色透明线代表加入噪声后的差动电流波形,虚线代表0.1 s 窗长内的均值,红色实线为差动电流阈值。

从附录A 图A10 可以看出,加入40 dB 噪声后,当区段3 发生早期故障时,非故障区段1、2 测量的差动电流一直小于阈值,不满足注入启动判据；故障区段3 在故障前小于阈值,而发生早期故障后,差动电流上升,超过阈值,满足注入启动判据,即本文提出的扰动注入判据可以耐受40 dB 噪声。

当加入30 dB 噪声后,从附录A 图A11 可以看出,故障区段与非故障区段在正常运行时,差动电流均大于所设阈值,注入启动判据产生误判。主要原因如下:本文在设置差动电流阈值时,仅考虑测量装置等带来的3%误差,则理论上单端的测量数据是能够耐受30 dB 噪声的,但差动电流是由双端电流计算得到,故其不能耐受30 dB 的噪声。当满足注入启动判据后,不同噪声下的早期故障识别与区段定位结果如附录A 表A2 所示。表A2 中:L1 至L3分别代表区段1 至3；R1、R2表示连续2 次注入后,根据早期故障识别判据式（10）,计算出的波动电阻差值。

从附录A 表A2 可以看出,加入40 dB 噪声时,故障区段3 计算出的波动电阻差值在2 次注入后均大于0,满足故障识别判据,实现了正确的故障区段定位,即本文提出的早期故障识别判据可以耐受40 dB 噪声。然后,当加入30 dB 噪声后,非故障区段错误地启动注入,早期故障识别判据也产生了误判。

考虑到本文提出的早期故障识别与区段定位方法,通过计算差动电流带来的波动电阻启动注入,并计算注入前后的波动电阻差值实现故障识别与区段定位。在此过程中,误差主要来源于量测误差和信道噪声,由于现有的直流电子式互感器精度可达0.1%［28］,且数据通信技术不断提升,本文提出的早期故障识别与区段定位方法的耐受噪声能力可以被接受。

5 结语

为解决柔性直流配电网因受直流极间短路故障冲击而产生系统停运的问题,本文针对早期短路故障,提出了基于主动注入的线路保护方法。通过对本地换流器的主动控制,削弱了线路阻抗对注入信号的衰减作用,实现了早期故障的准确识别与区段定位,避免了极间短路故障的形成。经理论分析与仿真验证得出如下结论:所提方法在及时隔离早期故障区段的同时,对系统正常运行影响小,且具有一定的耐受噪声能力。

本文所提方法的不足在于注入启动判据的抗干扰性有限,在恶劣的系统运行场景下,可能存在反复注入的情况。因此,未来需要进一步量化分析并验证注入信号对系统的稳定性影响。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。