近年來，直流負荷數(shù)量日益增加，利用傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)實現(xiàn)分布式能源的消納以及直流負荷的供電時，需要大量電力電子換流設備，投資成本大幅提高。相反，若通過直流配電系統(tǒng)進行分布式能源的消納與直流負荷的供電，則可以節(jié)省大量的換流設備，降低投資成本。

除了在經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，直流配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)相比，其優(yōu)點還體現(xiàn)在供電可靠性與電能質(zhì)量方面。同時，近年來柔性換流技術逐漸成熟，推動了直流配電網(wǎng)的快速發(fā)展。因此，柔性直流配電系統(tǒng)已成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢之一。

然而，柔性直流配電系統(tǒng)的發(fā)展尚面臨若干關鍵技術問題亟待解決，其中包括運行工況的準確識別。當發(fā)生高阻故障（High Impedance Fault,HIF）時，如何與小電阻故障（Small Impedance Fault,SIF）、中阻故障（Medium Impedance Fault,MIF）、負荷投切（Load Switching,LS）等工況進行準確區(qū)分，是限制直流配電網(wǎng)發(fā)展的問題之一。

但現(xiàn)實情況是直流線路阻尼很小，一旦線路發(fā)生故障，則故障電流會在幾毫秒內(nèi)迅速完成放電，致使可供利用的故障數(shù)據(jù)窗太短，故障信息太少，導致現(xiàn)有保護方法無法適應如此快的故障電流放電過程，進而失效；由于故障電流非常大，因此，對于直流斷路器的開斷能力提出了更高要求。

另外，HIF屬于隱形故障，若不及時排除，其對人身與設備安全均會造成極大威脅；正常負荷投切時，也易產(chǎn)生類似于HIF時的電壓、電流信號，因此，直流配電網(wǎng)中，如何在HIF、SIF、MIF、LS等工況下準確區(qū)分出HIF是本文的研究目標。

現(xiàn)有的濾波變換、形態(tài)整形/形態(tài)濾波、小波變換、S變換等均是針對交流配電網(wǎng)的HIF進行識別，到目前為止，國內(nèi)外還未見在直流配電網(wǎng)中開展HIF故障識別研究的文獻。

深入分析可知，對于直流配電網(wǎng)的HIF檢測研究在一定程度上可以借鑒交流配電網(wǎng)HIF檢測方法，但正如以上所言，直流配電網(wǎng)由于特有的故障物理特性，對其準確、可靠、快速的HIF檢測方法提出了新的挑戰(zhàn)。

對現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)HIF檢測方法進行梳理發(fā)現(xiàn)其存在以下問題：

1）特征提取方面：現(xiàn)有的形態(tài)濾波、小波變換、S變換等方法在特征提取時，基函數(shù)均是固定的，導致特征提取的表征能力不足；提取過程不具自適應性，雖然經(jīng)驗模態(tài)分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）算法具有自適應性，但易發(fā)生模態(tài)混疊與端點效應，導致部分本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF）物理意義不清晰。

2）檢測判據(jù)方面：一方面現(xiàn)有HIF檢測法的啟動判據(jù)不夠靈敏，在發(fā)生HIF時，容易誤判配電網(wǎng)為正常狀態(tài)（Normal Condition,NC），進而導致啟動判據(jù)未正常啟動；另一方面，沒有將啟動判據(jù)與區(qū)分判據(jù)分開構造，導致HIF整體的檢測準確率低，且某些方法的判據(jù)構建沒有物理意義，計算復雜。

交流配電網(wǎng)的HIF檢測方法除以上的本身問題外，若將其直接應用于直流配電網(wǎng)HIF檢測中，還存在一些亟待解決的問題。需面臨的是直流配電網(wǎng)特有的故障特性：直流配電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障放電過程快，可供利用的故障信息數(shù)據(jù)窗非常短；瞬間放電電流大，威脅換流站安全運行，需及時隔離故障；故障電流沒有過零點，對直流斷路器的開斷能力提出了更高的要求。

現(xiàn)有直流配電網(wǎng)的故障特性研究表明，可行的方法在于必須在故障電流上升到最大值前進行故障判別與故障區(qū)域隔離，如若不然，則過大的故障電流會損壞換流站。

基于直流配電網(wǎng)的故障特性及HIF檢測的現(xiàn)實需求，本文提出了一種直流配電網(wǎng)HIF檢測方法。采用改進互補集合經(jīng)驗模態(tài)分解算法（Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise, CEEMDAN）提取暫態(tài)零模電流（Transient Zero Mode Current, TZMC）的第1個本征模態(tài)函數(shù)分量IMF1，進而對IMF1進行一階差分獲得奇異值點nq，通過對nq點附近計算累積斜率k進而構建出檢測判據(jù)；在區(qū)分判據(jù)方面，通過Prony算法對IMF1進行參數(shù)辨識，分別得到特征頻率分量與直流分量的參數(shù)，進而構建能量比計算式，通過比值大小區(qū)分SIF、MIF、HIF、LS。

分析可知，本文構造的啟動判據(jù)可在獲取幾個采樣點時即可啟動，速度快；區(qū)分判據(jù)是對2ms以內(nèi)的特征頻率與直流分量進行能量比運算，結(jié)合現(xiàn)有文獻可知，2ms以內(nèi)時，直流配電網(wǎng)故障放電電流還未上升到最大值，因此，區(qū)分判據(jù)同樣具有快速性。大量仿真測試，驗證了本文判據(jù)的準確性與可靠性。

除此之外，本文方法僅通過首端的零模電流即可實現(xiàn)對直流配電網(wǎng)HIF、MIF、SIF、LS工況的準確區(qū)分，無需雙端數(shù)據(jù)量，工程實用性較強。

圖12 改進的IEEE-13節(jié)點直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

結(jié)論

• 1）采用CEEMDAN提取IMF1分量，可準確地反映故障狀態(tài)與正常擾動中的細微變化，適合零模電流的特征頻率提取，能適應強噪聲環(huán)境下的準確特征提取，特征提取過程具有自適應性，應用方便。
• 2）對IMF1分量進行一階差分取模值，模值最大點確定為奇異值點，進而在奇異值附近計算累積斜率和作為啟動判據(jù)，靈敏度高，能敏銳判定出配電網(wǎng)系統(tǒng)是否處于非正常運行狀態(tài)。
• 3）采用Prony算法辨識出IMF1分量中的CFC與DC分量參數(shù)，進而構造能量比，通過比較能量比數(shù)值的大小區(qū)分HIF、SIF、MIF運行工況，工程應用較為簡單。