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直流配電網(wǎng)一般采用電壓源型換流器，其故障電流上升速度快且無(wú)過(guò)零點(diǎn)，導(dǎo)致故障電流清除難度很大。目前直流配電網(wǎng)的故障隔離方法主要有兩種：一是采用半橋子模塊拓?fù)鋼Q流器并加裝直流斷路器開(kāi)斷故障電流的方式；二是采用故障自清除型換流器并加裝快速隔離開(kāi)關(guān)清除故障的方式。

由于直流斷路器受到成本、動(dòng)作速度及可靠性等限制目前尚未達(dá)到成熟應(yīng)用的程度，因此故障自清除型換流器結(jié)合快速隔離開(kāi)關(guān)的直流配電形式成為重要的研究和應(yīng)用方向之一。

采用故障自清除型換流器的直流配電網(wǎng)發(fā)生故障后，由于隔離開(kāi)關(guān)沒(méi)有斷流能力，配電網(wǎng)中換流器全部進(jìn)行故障自清除操作使故障支路電流變?yōu)?后，才能利用隔離開(kāi)關(guān)完成故障隔離。

由于在故障隔離期間無(wú)需識(shí)別故障元件，因此不需要快速動(dòng)作的保護(hù)發(fā)出故障清除命令，但在整個(gè)系統(tǒng)故障電流清除后仍需要準(zhǔn)確識(shí)別故障元件并打開(kāi)對(duì)應(yīng)的隔離開(kāi)關(guān)。在故障自清除型換流器直流配電網(wǎng)中，準(zhǔn)確的故障元件識(shí)別方法是實(shí)現(xiàn)快速故障恢復(fù)的關(guān)鍵。

對(duì)于故障自清除型直流配電網(wǎng)而言，目前直流配電網(wǎng)的故障元件識(shí)別方法或保護(hù)原理大多針對(duì)線(xiàn)路區(qū)內(nèi)外故障進(jìn)行分析，對(duì)直流配電網(wǎng)內(nèi)母線(xiàn)故障關(guān)注較少，且存在可用數(shù)據(jù)窗短、故障特征提取難、母線(xiàn)與線(xiàn)路近端故障區(qū)分度低等問(wèn)題。針對(duì)以上難點(diǎn)，天津大學(xué)的智能電網(wǎng)保護(hù)控制研究團(tuán)隊(duì)研究了一種僅依靠換流器出口電流及直流母線(xiàn)電壓的故障元件識(shí)別方案。

他們首先針對(duì)故障自清除型換流器配電網(wǎng)不同位置的極間故障列寫(xiě)電路方程，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)分別得到了與故障線(xiàn)路兩端母線(xiàn)及其他母線(xiàn)的電氣量特征，通過(guò)歸納總結(jié)將其定義為“母線(xiàn)虛擬電壓”，并分析了母線(xiàn)虛擬電壓與故障位置的關(guān)系：發(fā)生線(xiàn)路內(nèi)故障時(shí)，有兩條母線(xiàn)的虛擬電壓明顯大于其余母線(xiàn)的虛擬電壓，發(fā)生母線(xiàn)故障或關(guān)聯(lián)線(xiàn)路端口處故障時(shí)，只有一條母線(xiàn)的虛擬電壓明顯大于其母線(xiàn)的虛擬電壓。

然后研究人員根據(jù)母線(xiàn)虛擬電壓特性，研究了一種故障母線(xiàn)或線(xiàn)路的主識(shí)別方法。該方法利用母線(xiàn)虛擬電壓降序排序后第一大與第二大的母線(xiàn)虛擬電壓的比值作為表征線(xiàn)路內(nèi)部故障的特征量，以此為判據(jù)識(shí)別出故障線(xiàn)路或母線(xiàn)。

同時(shí)針對(duì)主識(shí)別方法下母線(xiàn)極間故障與線(xiàn)路近端極間故障的識(shí)別死區(qū)問(wèn)題，他們研究了一種主動(dòng)擾動(dòng)式的故障元件輔助識(shí)別方法。首先，通過(guò)分析換流器內(nèi)子模塊的充放電條件和路徑，得到了部分全橋子模塊再次投入產(chǎn)生放電電流且不給其他子模塊充電的條件；然后依靠換流器與各隔離開(kāi)關(guān)的逐次配合，子模塊電容可以與故障點(diǎn)形成故障回路產(chǎn)生放電電流，通過(guò)檢測(cè)換流器出口電荷轉(zhuǎn)移量的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障元件的識(shí)別。最后結(jié)合主識(shí)別方法與輔助識(shí)別方法，提出了一種適用于故障自清除型直流配電網(wǎng)的故障元件識(shí)別方案。

圖1 故障自清除型直流配電網(wǎng)故障原件識(shí)別方案

基于PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了具體的算例模型，驗(yàn)證了所提故障元件識(shí)別方案的可靠性。

表1 主方法及輔助識(shí)別方法仿真驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)理論推導(dǎo)與仿真結(jié)果分析，所提識(shí)別方法有如下特點(diǎn)：

1）所提出的故障元件主識(shí)別方法僅需故障后1ms內(nèi)的數(shù)據(jù)窗即可準(zhǔn)確識(shí)別故障線(xiàn)路并進(jìn)行故障測(cè)距，不受過(guò)渡電阻與直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制，且僅需使用母線(xiàn)電壓及母線(xiàn)與換流器間的電流，減少了電氣傳感器的使用，兼顧了直流配電網(wǎng)故障元件識(shí)別的可靠性與建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

2）所提出的故障元件輔助識(shí)別方法仍?xún)H需使用使用母線(xiàn)電壓及母線(xiàn)與換流器間的電流，且僅依靠換流器本身產(chǎn)生放電電流，無(wú)需加裝額外的識(shí)別模塊；形成的故障元件識(shí)別方案能準(zhǔn)確識(shí)別線(xiàn)路故障與母線(xiàn)故障，永久性故障與瞬時(shí)性故障，具有良好的可靠性與選擇性。

3）主識(shí)別方法的整定值直接設(shè)定為一定裕度的非0判斷，輔助識(shí)別方法的判據(jù)整定值也有明確的理論計(jì)算方法而非依賴(lài)于仿真，因此判據(jù)的整定簡(jiǎn)單且有明確物理意義。

論文第一作者與通訊作者均為天津大學(xué)電氣工程系副教授李博通，合作者包括天津大學(xué)電氣工程系教授李斌、天津大學(xué)電氣工程系副教授溫偉杰和天津大學(xué)電氣工程系碩士生劉濤等。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題的支持。