天津大学李博通、刘涛 等：故障自清除型直流配电网新型双极短路故障元件识别方法

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针对故障自清除换流器结合快速隔离开关的直流配电方式，天津大学智能电网研究团队提出了一种仅需换流器出口电流及直流母线电压的故障元件识别方案，不受过渡电阻与网络结构的影响，兼具可靠性与经济性。

直流配电网一般采用电压源型换流器，其故障电流上升速度快且无过零点，导致故障电流清除难度很大。目前直流配电网的故障隔离方法主要有两种：一是采用半桥子模块拓扑换流器并加装直流断路器开断故障电流的方式；二是采用故障自清除型换流器并加装快速隔离开关清除故障的方式。

由于直流断路器受到成本、动作速度及可靠性等限制目前尚未达到成熟应用的程度，因此故障自清除型换流器结合快速隔离开关的直流配电形式成为重要的研究和应用方向之一。

采用故障自清除型换流器的直流配电网发生故障后，由于隔离开关没有断流能力，配电网中换流器全部进行故障自清除操作使故障支路电流变为0后，才能利用隔离开关完成故障隔离。

由于在故障隔离期间无需识别故障元件，因此不需要快速动作的保护发出故障清除命令，但在整个系统故障电流清除后仍需要准确识别故障元件并打开对应的隔离开关。在故障自清除型换流器直流配电网中，准确的故障元件识别方法是实现快速故障恢复的关键。

对于故障自清除型直流配电网而言，目前直流配电网的故障元件识别方法或保护原理大多针对线路区内外故障进行分析，对直流配电网内母线故障关注较少，且存在可用数据窗短、故障特征提取难、母线与线路近端故障区分度低等问题。针对以上难点，天津大学的智能电网保护控制研究团队研究了一种仅依靠换流器出口电流及直流母线电压的故障元件识别方案。

他们首先针对故障自清除型换流器配电网不同位置的极间故障列写电路方程，经过推导分别得到了与故障线路两端母线及其他母线的电气量特征，通过归纳总结将其定义为“母线虚拟电压”，并分析了母线虚拟电压与故障位置的关系：发生线路内故障时，有两条母线的虚拟电压明显大于其余母线的虚拟电压，发生母线故障或关联线路端口处故障时，只有一条母线的虚拟电压明显大于其母线的虚拟电压。

然后研究人员根据母线虚拟电压特性，研究了一种故障母线或线路的主识别方法。该方法利用母线虚拟电压降序排序后第一大与第二大的母线虚拟电压的比值作为表征线路内部故障的特征量，以此为判据识别出故障线路或母线。

同时针对主识别方法下母线极间故障与线路近端极间故障的识别死区问题，他们研究了一种主动扰动式的故障元件辅助识别方法。首先，通过分析换流器内子模块的充放电条件和路径，得到了部分全桥子模块再次投入产生放电电流且不给其他子模块充电的条件；然后依靠换流器与各隔离开关的逐次配合，子模块电容可以与故障点形成故障回路产生放电电流，通过检测换流器出口电荷转移量的大小，进而实现对故障元件的识别。最后结合主识别方法与辅助识别方法，提出了一种适用于故障自清除型直流配电网的故障元件识别方案。

图1  故障自清除型直流配电网故障原件识别方案

基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了具体的算例模型，验证了所提故障元件识别方案的可靠性。

表1  主方法及辅助识别方法仿真验证结果

根据理论推导与仿真结果分析，所提识别方法有如下特点：

1）所提出的故障元件主识别方法仅需故障后1ms内的数据窗即可准确识别故障线路并进行故障测距，不受过渡电阻与直流配电网结构限制，且仅需使用母线电压及母线与换流器间的电流，减少了电气传感器的使用，兼顾了直流配电网故障元件识别的可靠性与建设的经济性。

2）所提出的故障元件辅助识别方法仍仅需使用使用母线电压及母线与换流器间的电流，且仅依靠换流器本身产生放电电流，无需加装额外的识别模块；形成的故障元件识别方案能准确识别线路故障与母线故障，永久性故障与瞬时性故障，具有良好的可靠性与选择性。

3）主识别方法的整定值直接设定为一定裕度的非0判断，辅助识别方法的判据整定值也有明确的理论计算方法而非依赖于仿真，因此判据的整定简单且有明确物理意义。

论文第一作者与通讯作者均为天津大学电气工程系副教授李博通，合作者包括天津大学电气工程系教授李斌、天津大学电气工程系副教授温伟杰和天津大学电气工程系硕士生刘涛等。工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划课题的支持。

引用本文

李博通, 刘涛, 杨昕陆, 温伟杰, 李斌. 故障自清除型直流配电网新型双极短路故障元件识别方法[J]. 电工技术学报, 2022, 37(17): 4423-4434. Li Botong, Liu Tao, Yang Xinlu, Wen Weijie, Li Bin. New Fault Element Identification Method of Bipolar Short-Circuit Fault in DC Distribution Network with Fault Self-Clearing. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(17): 4423-4434.

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