直流侧故障辨识的新方法，检测准确，具备抗过渡电阻能力

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直流侧故障辨识是基于模块化多电平换流器（MMC）的多端直流输电（MTDC）系统急需解决的重大科学问题。辽宁工程技术大学电气与控制工程学院、国网葫芦岛供电公司、国网丹东供电公司的研究人员付华、陈浩轩、李秀菊、陈润晶，在2021年第1期《电工技术学报》上撰文，分析了直流线路的边界特性与极间耦合特性，提出了一种基于单端暂态能量的故障辨识方法。

该方法能快速辨识直流侧故障，无需两端通信，能够满足MMC-MTDC系统对辨识方法速动性与选择性的要求。最后结合张北四端柔性直流系统的PSCAD仿真模型，验证了所提方法在不同的故障类型、故障位置和过渡电阻下均能准确检测到故障，且具备一定的抗过渡电阻能力。

随着分布式可再生新能源发展规划的推进，传统交流输电在新能源发电并网和功率输送方面存在诸多瓶颈。基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统的运行方式经济、灵活且损耗小，在多交流电网互联、远距离负荷供电和海上风电功率外送等方面优势突出，为解决我国能源资源和负荷需求的逆向分布问题提供了有效的技术手段。

多端柔性直流系统端数多且线路阻尼小，线路故障后，多个换流站故障出力的叠加使得过电流现象突出，在几毫秒内就能危及整个电网安全，尤其未来电网更趋向于架空线路输电，系统更易发生短路、闪络等瞬时性故障。因此，快速而有选择地辨识直流侧故障是目前急需解决的关键技术之一。

目前，相关的故障辨识研究集中在基于电压源换流器的两端柔性直流系统，对基于模块化多电平换流器（MMC）的多端柔性直流系统的研究时间较短，主要有以下几种故障辨识方法。有学者提出基于直流线路电压变化率的辨识方法，原理简单、易于实现，但对高电阻故障的灵敏性较差且难以清晰区分故障电气量边界。

有学者提取线路首末两端高频电压分量构成故障辨识方法。有学者利用小波变换提取故障电流的模极值极性来判断故障，具有较好的耐噪声能力和抗过渡电阻能力，但该类方法依赖两端通信，故障辨识速度有所降低。

有学者利用电流的行波时间常数构成区内、外故障判据，具有很强的稳定性和一定的抗过渡电阻能力。有学者利用单端暂态量计算得到的等效电抗实现故障的辨识，保护速动性好，可靠性高，但提出的算法较为复杂。

有学者根据直流电抗器的电压压降提出故障辨识方法。有学者利用区内、外暂态电流能量的差异，实现故障辨识，但上述方法的方向元件判据的可靠性与速动性较差。有学者利用小波变换和模糊C均值算法提取故障特征量，但未考虑过渡电阻的影响。

鉴于以上原因，亟需研究一种能适用于基于模块化多电平换流器的多端直流（MMC-MTDC）输电直流侧的新型故障辨识方法。

基于此，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院、国网葫芦岛供电公司、国网丹东供电公司的研究人员针对MMC-MTDC直流侧的线路和母线，首先分析了MMC-MTDC直流线路故障时的边界特性和极间电流耦合特性；基于上述特性，提出了故障线路选择、母线故障识别以及故障极判别的故障辨识方法及判据，通过区内、外故障的暂态特征以及方向元件，构建故障线路选择判据；并利用母线相连线路的方向元件和交流侧故障的暂态特性，构造母线故障识别判据；再根据两极低频电流差异，设计故障极判别判据。

图1  张北四端口柔性直流电网正极模型图

表1  直流线路不同场景下判据动作情况

表2  直流母线不同场景下判据动作情况

研究人员最后在结合PSCAD/EMTDC平台的基础上，搭建张北四端柔性直流系统模型，通过大量的仿真分析，证明了辨识方法的可行性，并得到如下结论：

1）仅利用单端电气量提出故障辨识方法，无需双端数据通信，就能实现故障的辨识。

2）能在2ms内对直流侧可能涉及的线路故障、母线故障以及故障极完成辨识，满足MMC-MTDC系统快速故障辨识的要求。

3）分析了故障类型、故障位置和过渡电阻对故障辨识方法性能的影响。结果表明，所提方法具备较高的可靠性和一定的抗过渡电阻能力。

以上研究成果发表在2021年第1期《电工技术学报》，论文标题为“含边界元件的MMC-MTDC直流侧单端量故障辨识方法”，作者为付华、陈浩轩、李秀菊、陈润晶。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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