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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過零點，導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撲換流器并加裝直流斷路器開斷故障電流的方式；二是采用故障自清除型換流器并加裝快速隔離開關(guān)清除故障的方式。

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

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

由于在故障隔離期間無需識別故障元件，因此不需要快速動作的保護發(fā)出故障清除命令，但在整個系統(tǒng)故障電流清除后仍需要準確識別故障元件并打開對應的隔離開關(guān)。在故障自清除型換流器直流配電網(wǎng)中，準確的故障元件識別方法是實現(xiàn)快速故障恢復的關(guān)鍵。

對于故障自清除型直流配電網(wǎng)而言，目前直流配電網(wǎng)的故障元件識別方法或保護原理大多針對線路區(qū)內(nèi)外故障進行分析，對直流配電網(wǎng)內(nèi)母線故障關(guān)注較少，且存在可用數(shù)據(jù)窗短、故障特征提取難、母線與線路近端故障區(qū)分度低等問題。針對以上難點，天津大學的智能電網(wǎng)保護控制研究團隊研究了一種僅依靠換流器出口電流及直流母線電壓的故障元件識別方案。

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

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

同時針對主識別方法下母線極間故障與線路近端極間故障的識別死區(qū)問題，他們研究了一種主動擾動式的故障元件輔助識別方法。首先，通過分析換流器內(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關(guān)的逐次配合，子模塊電容可以與故障點形成故障回路產(chǎn)生放電電流，通過檢測換流器出口電荷轉(zhuǎn)移量的大小，進而實現(xiàn)對故障元件的識別。最后結(jié)合主識別方法與輔助識別方法，提出了一種適用于故障自清除型直流配電網(wǎng)的故障元件識別方案。

圖1 故障自清除型直流配電網(wǎng)故障原件識別方案

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

表1 主方法及輔助識別方法仿真驗證結(jié)果

根據(jù)理論推導與仿真結(jié)果分析，所提識別方法有如下特點：

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

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

3）主識別方法的整定值直接設(shè)定為一定裕度的非0判斷，輔助識別方法的判據(jù)整定值也有明確的理論計算方法而非依賴于仿真，因此判據(jù)的整定簡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電氣工程系副教授李博通，合作者包括天津大學電氣工程系教授李斌、天津大學電氣工程系副教授溫偉杰和天津大學電氣工程系碩士生劉濤等。工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃課題的支持。