柔性直流配电网直流线路故障定位综述

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116)

1 引言

在百年前的交流电与直流电之争中，交流电以其长距离传输、运行成本低廉的优势打败了直流电，成为全世界通用的供电系统。近年来，随着社会经济的快速发展，全世界的用电负荷量不断攀升，传统交流电的优势已逐渐弱化，面临着一系列新的挑战，与此同时直流电又重新回到人们的视野中。

随着我国城市化建设进一步推进，地下电力电缆建设成本不断下降，促使电缆在城区配电网中，尤其在人口稠密、交通拥挤、大型工厂等地区得到了广泛的应用。配电网的敷设方式由传统的裸线架空线路逐渐转变为占地面积小的地下电缆暗敷设。由机械损伤、绝缘受潮、绝缘老化变质、过电压、设计和制作工艺不良等原因引起的电力电缆故障随着运行时间的增加发生次数越来越频繁。然而电力电缆通常深埋地下或者敷设在电缆沟内，不同于架空线路裸露在外，故障时一般无法直接发现故障点，需要花费数小时逐一排查，耗费大量的人力、物力，长时间停电将严重威胁系统的安全运行。因此，为了保证直流配电网能够安全可靠的运行，需要快速准确地识别故障发生区域以及定位故障发生位置。

2 柔性直流配电网建设的必要性

2.1 外因驱动

20世纪末半导体器件不断发展推动了电力电子技术的革新，大量电力电子设备的广泛应用促使终端用电形式发生了改变。如今变频技术已普遍应用于家用、办公电器中，例如冰箱、空调、洗衣机等等。变频技术是一种通过AD-DC转换实现不同频率交流电变化的技术，传统交流电网必须通过DC-AD转换才能实现变频技术，但如果采用直流电网，则可以省去这一环节，相较于交流电网减少了电能损耗[3]。除了含直流环节的电器日益增多，近年来诸如电动汽车、LED灯等直流负荷大量出现在我们的生活中。这类负荷在交流电网中都需要配置换流器，经过一级变换才能使用。如果改用直流电网，这些设备可以直接使用，不用再额外配置换流器，节约了成本，另一方面减少了变换环节，降低了损耗。

无论是在发电侧还是在终端用户侧，对直流配电网的需求都日益显现。另一方面，城市的不断建设发展对供电系统的规划、建设提出了越来越多的要求。随着人口增加，对负荷的需求量与日俱增的同时城市土地资源逐渐减少，供电走廊扩建的难度随之上升，严重影响电网建设的经济性。终端用户对供电质量以及可靠性的要求不断提高，传统的交流配电网结构无法适应负荷的发展需求，智能电网对传统交流电网可控性提出很大的挑战。在诸多因素的共同驱动下，直流电网的发展得到了国内外学者的关注，在高压直流输电、地铁牵引、船舶系统等领域已经取得了很好的应用。

2.2 内因驱动

近年来电力电子器件和控制技术的快速发展，推动了传统直流电网技术革新，产生了通过电压源型换流站(Voltage Source Converter，VSC)进行输配电的柔性直流输电技术。柔性直流配电网相较于交流电网，具有以下几点优势：

(1)供电容量大

交流线路为三相四线制或三相五线制，而直流线路为两极两线制或者两极三线制。假设交流线路所能传输的额定功率为PAC，直流线路所能传输的额定功率为PDC，则有

实验选取浙江临安一座以倒置A2/O工艺为主体、处理工业和生活污水为主的小型城镇污水处理厂为研究对象，处理规模为4×104m3·d-1，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级A标准，具体工艺流程见图1，具体进出水质见表1。

(1)

式(1)中，UDC、IDC分别为额定直流电压、电流，UAC、IAC分别为额定交流电压、电流，cosφ为交流电网的额定功率。当cosφ=0.9时，在具有相同的导线截面和绝缘水平的条件下，可得θ=1.05。考虑到交流线路至少需要3条线路，而直流线路最少只需要2条线路，在线路建设成本和供电走廊宽度一致的情况下，直流线路的供电容量是交流线路的1.5倍。

(2)便于分布式电源以及多样化负荷接入

风力发电、光伏发电等可再生分布式能源需要经过逆变器接入交流电网[4]，会造成如并网逆变与电网阻抗的串联谐振等诸多问题。如果接入直流配电网，这些问题不仅可以得到解决，还能降低系统损耗和减小建设成本。此外，柔性直流配电网能便于向包含直流环节的负荷、直流负荷、弱电系统、无源系统等多样化负荷供电，提高了供电效率。

(3)电能质量高

现有的配电网中存在大量多样化负荷，一些为冲击性负荷，在接入电网时会产生严重的电压波动；另一些为直流负荷或者包含直流环节的负荷，这些负荷中包含着大量的电力电子器件，不可避免地会向电网中注入大量谐波，大大降低了系统的电能质量。

柔性直流配电网便于多样性负荷的接入，能够有效解决电压波动、闪络冲击等问题，从而提高直流配电网的电能质量，此外柔性直流配电所采用的换流器不仅能够灵活地控制有功、无功功率，还能够起到静止无功补偿器的作用，即能够动态补偿交流母线和用户负载的无功功率[5]。

除此之外柔性直流配电网还具有高效可靠、线路成本低、绿色环保、传输距离远、能有独立解耦运行等优势，大大提高了整个电网的经济性、可靠性以及效率。但是柔性直流配电网在实际应用过程中受到了电力电子器件开发和建设成本的限制，许多关键技术还处于理论探索阶段，在今后与交流配电网的交互发展中将不断完善和优化自身。柔性直流配电网是未来配电网的重要组成部分，交、直流配电网将呈现此消彼长的趋势[6]。

3 国内外研究现状

当前我国在直流电系统主要应用在高压直流输电、地铁牵引、船舶系统、通信系统中，关于直流配电技术方面的研究尚处于起步阶段。直流配电网的研究内容主要集中在拓扑结构、换流器模型及其控制策略等领域，对于接地故障定位技术的研究极少，因此可以参考直流输电系统。直流配电网电缆接地故障定位技术根据原理不同可以分为两大类：行波法和故障分析法；根据信息来源不同也可以分为两类：单端法和双端法。行波法和故障分析法都可以通过单端法或者双端法实现故障定位。

3.1 行波法

行波定位法通过检测故障行波波头和波速用以计算故障距离实现故障定位，理论上不受线路类型、过渡阻抗、故障类型的影响，具有很高的测量精度。无论是双端还是单端行波定位法，其定位的准确性与行波波头的识别度密切相关。传统的行波法有A、B、C、D、E、F六种，其中A、D、E型在工程得到了很好的发展和应用。在此基础上学者们引进不同的数学方法，如小波变换、数学形态学、Hilbert-Huang变换、独立分量法等，发展出各种各样的数字故障信号处理方法，从而提高了行波波头识别和行波波速确定的准确性。

3.1.1 小波变换

小波变换具有多频分析的特点，可以反应不同尺度下的故障信号特征，能够有效地鉴别奇异、突变信号，广泛应用于电力系统故障信号分析中。文献[7]中Ha H X等学者利用小波变换分析故障零模电流，随后根据发生故障时无法满足线路两末端反向行波是平衡的这一特性，利用线模分量的反向行波进行故障定位。该方法只需要很小的信号能量就能够准确定位故障，但易受到雷电的干扰。文献[8]利用小波变换对故障电流信号进行奇异性检测，通过测距公式求解故障发生的时间和地点，从而实现输电线路的精确故障定位。该方法不受过渡电阻、线路分布电容的影响。文献[9]利用小波变换对线模电压进行分解，通过得高频系数求出小波能量和，从而实现故障测距。文献[10]利用小波变换对零模信号的行波波头进行分析，迭代提取零模检测波速，通过模量传输时间差实现配电网双端故障定位。文献[11]针对MMC高压直流输电架空线路提出一种通过比较不同条件下电流信号的小波时间熵变换特征实现故障测距方法，能够有效消除噪声信号和雷电的干扰。文献[12-14]提出了基于小波变换的HVDC故障定位原理。小波变换不具有自适应性，使得其应用范围受到限制，无法分析所有类型的故障。

3.1.2 数学形态学

数学形态学是一种基于积分几何学和集合论的非线性分析方法，处理故障信号不需要转换到频域，直接在时域中就可以完成，因此故障信号的幅值以及相位特征不会发生改变，具有很强的抗干扰性。文献[15]提出了一种基于数学形态学的电缆-架空线混合线路的故障行波双端测距方法，利用微分电流传感器测量通过线路末端浪涌电容器中的电流，从而得到行波到达时间，能够避免噪声等干扰，但仅适用于短距离电缆线路。文献[16]通过数学形态学梯度算法提取输电线路两端的故障信息，加以分析，推导出接地故障判据，从而实现输电线单端故障测距，适用于长距离电缆线路测距，不受电缆自身色散现象的影响。文献[17]中Nanayakkara等学者利用数学形态学提取电压行波信号中的突变点，提出了一种通过分离正、反行波浪涌识别行波浪涌波头实现行波单端故障测距的方法。[18-19]叙述了基于数学形态学的高压直流输电线故障定位技术。结构元素在数学形态学起到至关重要的作用，直接影响信号的处理效果，如何选取较为精确的结构元素是数学形态学的技术难点。

3.1.3 Hilbert-Huang变换

Hilbert-Huang变换法是一种具有完全自适应性、适用于非线性非平稳信号的分析方法，应用于暂态信号时将根据信号的特点分解出一系列的固有模态函数，经过Hilbert变换后得到Hilbert谱。文献[20]通过HHT分析故障行波波形，结合瞬时高频判据和电压变化率判据，从而实现输电线路故障精确定位。文献[21]利用HHT处理线模分量的信号后识别行波波头和确定行波波速，提出了一种不受波速影响的测距方法。文献[22]通过改进的HHT变换确定行波达到时刻、该时刻的瞬时频率以及波速度，进而形成一种实用的HVDC测距算法，具有很高精确性。

3.1.4 独立分量法

独立分量法是一种近年来新兴的信号处理方法，能够从复杂的环境中分离出混合信号中的独立成分，具有很好的去噪性能。文献[23]通过独立分量算法分析故障后电流行波的特征信号，判断初始行波波头和第二个行波波头之间的极性关系进行故障测距。文献[24]利用独立分量法处理故障信号，结合局部线性嵌入算法和支持向量机建立故障诊断模型以实现故障的准确识别，该方法能有效滤除干扰信号，准确提取重要的故障特征。独立分量法并不能完全恢复信号的具体特征，并且要求多个信号源之间相互独立，在实际应用中存在一定的限制。

3.1.5 固有频率法

固有频率法与其他行波测距方法不同，不需要识别行波波头，是一种利用故障行波的固有频率进行测算故障距离的方法，从原理上克服了行波波头难以识别以及行波波速难以确定的难题。文献[25]采用Prony算法提取故障后电流行波的固有频率，结合模糊聚类算法实现精确的直流输电线故障测距。文献[26]利用高压直流输电线路的高频阻带特性和固有频率的物理特性，建立了直流输电线路单端故障测距的神经网络模型，该方法所需样本数量小、抗干扰性强。文献[27]通过MUSIC方法提取单端故障电压行波的固有频率，利用固有频率主成分与故障距离及终端反射角之间的数学关系实现故障定位。文献[28-29]将固有频率法与其他方法相结合，实现单端行波故障测距，能有精确识别行波波头，提高了线路定位精度。

在实际工程应用中，电力电缆线路自身的依频特性会导致行波波头难以识别。在柔性直流配电网中存在大量容性设备，并且配电网线路一般长度较短，不利于故障行波的暂态量的提取，导致波速度准确度降低，从而影响行波法定位精度。此外行波法虽然能够精确定位，但对采样频率要求很高，易受到外界干扰影响。

3.2 故障分析法

故障分析法是通过测量点采集到的电压、电流信息进行分析计算，求出与故障距离间的函数关系，从而找到故障发生位置。该方法对采样频率要求不高，原理简单实用，可靠性高。根据采用的电路模型不同，故障识别分析法又可以进一步细分为集中参数法和分布参数法。随着近年来人工智能算法在电力系统应用的不断发展，越来越多学者运用智能算法来分析和处理故障信息，如人工神经网络、遗传算法模拟退火算法等等。

3.2.1 集中参数法

文献[30]中 Fletcher J E等学者详细分析了基于VSC直流配电网中的电缆接地故障的暂态过程，提出了一种电压基准比较法来计算故障距离，并通过迭代法提高了计算接地电阻和故障距离的精度。文献[31]中 Park J D等学者提出在隔离故障后向回路中投入一个带电电容模块，通过电容放电电流的特征频率及其衰减系数，计算出过渡电阻以及故障距离。该方法实质上是通过计算故障线路的总电感来实现故障定位，在实际应用中，电缆线路电感分布不均会影响定位结果，此外电缆的集肤效应会改变线路电感的大小，也将影响定位的精度。文献[32]中Tang L提出了一种"手拉手"方法用于定位和隔离多端直流输电网直流侧故障，通过故障发生后的电流和电压测量识别故障线路，通过3种方式实现不同情况下的故障选线。文献[33]中学者Pan Y利用了开关电源产生的噪声信号进行高阻接地直流配电系统故障定位，通过多分辨率小波和分形维数识别和处理故障特征信号，能有效克服传统故障定位方法的局限性和缺陷。文献[34]在文献[31]的基础上改进了投入的定位模块，该模块由带初始电压的电容和电感组成。为了消除高频振荡对定位精度造成的影响，利用已知线路参数和定位模块参数之间的关系式设计定位模块参数，在故障回路满足二阶放电电路欠阻尼的前提下保证其放电电流的振荡频率维持在200Hz以下。通过双端测量的参数计算故障距离，双端测量能够有效消除线路电感分布不均的影响，但由于双端的定位模块不能同时投入需要额外增加通信回路，使得该方法应用成较高。文献[35]进一步改进了故障测距模块，并结合FFT及数值拟合算法提取故障回路的放电电流信号，能有效消除线路中的噪声干扰，实现精确的配电网双端定位。文献[36]通过分析直流配电网单极接地故障的暂稳态特征量，提出了一种通过暂态电容电流特征频段的总能量定区间、稳态残余电压的直流分量测距的定位方法，该方法需要在线路多处安装多个传感器，实际应用成本较高。文献[37]提出了一种基于π等效模型和视在伪阻抗辨识的单端定位方法，与继电保护联动可以实现在线故障定位。该方法能够消除分布电容的影响，不仅适用于架空线路，也能用于电力电缆中，仅需要单端测量降低了应用成本。

文献[30-37]都是基于集中参数模型的定位方法，可以解决行波法中的困难，具有很高的定位精度，然而集中参数模型无法反应实际工程中线路的复杂情况，实用性较差。

3.2.2 分布参数法

文献[38]提出了基于分布参数模型的直流配电网单极接地双端定位方法，利用HHT变换的正弦表示方法处理线路两端的故障特征量，计算沿线模量电压、电流的瞬时相位，从而实现故障定位，该方法所需采样数据窗短，定位准确，且不受过渡电阻的影响。文献[39]学者Zheng X利用线路两端的电压、电流测量计算线路暂态能量分布，通过暂态能量增量定位故障位置，该方法原理简单、使用、可靠性高。文献[40]利用过渡电阻值的方差在故障点处最小的原理，提出了一种非行波原理的直流输电线单端故障测距方法。文献[41]借鉴交流输电线路的距离保护原理，结合直流输电线路的边界特征，通过沿线电压、电流分布的微分方程实现故障测距。

基于分布参数模型的故障定位法所需采样频率低，线路模型精准，具有一定的实用价值，但需要提供精准的线路参数，否则会影响定位精度。

4 直流配电网故障定位技术面临的关键问题

目前柔性直流配电网故障定位存在以下几个难点：(1)有效的故障信息较少。一方面发生故障时直流端断路器将快速动作隔离故障，另一方面直流配电网中线路频变参数不明显，使得有效的故障数据长度过短，不利于精确的故障定位。(2)线路长度较短。城市配电线路一般长度仅为数千米，线路长度较短将缩小不同线路故障特征量之间的差异，增加了故障线路识别和定位的难度。(3)分布式电源造成的干扰。直流配电网中存在大量分布式电源，配电系统不再是单端或者双端电源系统，而转换为多端电源系统，存在分布式电源的支路在故障时会产生流入故障点的故障电流，从而影响定位的准确度。

5 结语

随着电力电子器件的发展，柔性直流配电网凭借着自身优势成为今后配电网发展的新趋势，目前直流配电网技术处于起步阶段，针对直流线路的故障定位技术还有很大的研究空间。本文参考了柔性直流输电网以及船舶、地铁等实际工程，总结了国内外现有的直流配电网直流线路故障定位方法及其优缺点，最后指出了直流配电网故障定位技术有待研究解决的技术难点。