基于多电容接地方式的低压直流微电网故障定位_李英超.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.35 No.4Apr.2023基于多电容接地方式的低压直流微电网故障定位李英超（国网菏泽供电公司，菏泽 274000）摘要：为提高低压直流微电网故障定位的准确性，提高电力系统运行的可靠性，提出一种基于多电容接地方式的低压直流微电网故障定位方法。首先，运用从馈线端子和接地电容器获得瞬时电流和电压，推导了直流微电网一般故障馈线的数学模型。其次，利用基于非线性优化方法的故障测距算法对故障及相关故障电阻进行了精确定位，并通过评估接地电容器在故障期间的响应，计算故障的准确距离。最后，通过搭建直流微电网实验室模型对所提方法的可靠性及有效性进行验证，实验结果表明所提方法具有较高的故障定位准确性。关键词：电容接地；低压直流微电网；故障定位；故障暂态；非线性优化中图分类号：TM721.1文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）04-0059-09DOI：10.19635/ki.csu-epsa.001194Fault Location for Low-voltage DC Microgrid Based on Multi-capacitor GroundingSchemeLI Yingchao（State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）Abstract:To improve the fault location accuracy of low-voltage DC microgrid and the operation reliability of power system，a fault location method for low-voltage DC microgrid based on a multi-capacitor grounding scheme is proposed.First，a mathematical model of general fault feeder in DC microgrid is derived according to the instantaneous currentand voltage obtained from feeder terminals and grounding capacitors.Second，the fault location algorithm based on thenonlinear optimization method is used to accurately locate the fault and the related fault resistance，and the accuratefault distance is calculated by evaluating the response of the grounding capacitor under the fault.Finally，the reliabilityand effectiveness of the proposed method are verified by building a DC microgrid laboratory model，and experimental results show that this method has a high fault location accuracy.Keywords:capacitor grounding；low-voltage DC microgrid；fault location；fault transient；nonlinear optimization当前，碳达峰、碳中和是全球能源治理面临的重要问题，而低压直流微电网有望在促进能源的分配连接和控制方面发挥重要作用，以满足未来低碳能源政策推动的进一步需求1-2。为保障低压直流微电网运行的安全性和可靠性，开展电源保护、故障定位、接地和故障控制等故障管理工作至关重要3。其中，故障定位主要根据馈线长度进行故障位置预测，馈线长度估算的准确性是确保电力系统快速维护、快速恢复和减少停电持续时间的关键因素，可有效提高电力系统的整体可用性和可靠性4-5。当前，故障定位方法从安装方式上可分为独立式故障定位系统和集成式故障定位系统，其中集成式故障定位系统可集成到保护和控制方案中使用6。根据故障定位原理又可分为主动定位和被动定位两大类，其中主动定位方法是基于信号输入，运用部署辅助设备向故障馈线注入信号，通过分析响应信号获取故障位置；被动故障定位方法则基于已有数据，通过对本地或远程测量数据的收集和分析获取故障位置7-8。此外，故障定位方法还可以分为离线定位方法和在线故障定位方法，通过计算故障清除后或故障发生时到故障的距离确定故障位置9。然而在以往故障定位方法中，随着故障电阻增大，电流波形变得比较平滑，最小平方算法的持续激励信号减少，从而导致故障位置估计精度下降10。因此，众多专家学者为针对电力系统的精确故障定位开展了大量研究。其中，文献11提出了一种基于单端行波的无源故障定位方法，该方法广泛用于长距离的高压直流电网输电线路故障测距，收稿日期：2022-11-15；修回日期：2023-01-12网络出版时间：2023-02-15 16：09：28基金项目：国家电网基金资助项目（SGHEHS00FCJS1900440）李英超：基于多电容接地方式的低压直流微电网故障定位电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报60第 4 期具有良好的定位效果及精度，但由于该方法浪涌反射时间小，会降低故障计算的可靠性和准确性。文献12提出了一种基于BP神经网络的直流电网故障定位方法，能够有效、准确、快速地定位并隔离故障区域，但该方法适用于径向直流网络，不适用于网状直流网络，适配性不足。文献13提出了一种利用当地的电压和电流测量值计算故障位置的故障定位方法，可以在发生线路故障时快速识别故障，并进行可靠定位。文献14提出了一种基于本地信息的多端柔性直流电网的故障定位方法，利用限流电抗器作为直流线路边界，利用本地信息确定故障位置。但上述方法缺乏测试网络，且对于转换器接口负载和直流电源连接在两端的馈线，会改变故障期间的故障电流特征。文献15提出了一种基于差分电流的快速检测和故障定位方法。但该方法依赖于从故障馈线两端捕获的电流测量值，并采用非迭代和累积和平均方法，故障定位精度不够。因此，针对上述问题提出了一种基于多电容接地方式的低压直流微电网馈线故障定位的方法。该方法通过评估接地电容器在故障期间的响应，计算到故障的实际距离，并将从馈线端子和接地电容器获得的瞬时电流和电压，应用于故障馈线的解析数学模型，从而实现对故障馈线故障位置的准确估计。传统的故障定位方法通常需要在电网当中加入额外的输入信号，且适用范围有限，而本文所提方法不需要额外的信号注入，适用于任何类型的馈线端接，且允许无源连接以及转换器接口负载和带有直流链路电容的电源。此外，所提出的方法可以适用于各种系统拓扑，包括环形直流微电网，只要在每个母线中放置电容性接地方案即可。最后，通过搭建实验模型验证所提方法在不同负载情况和高阻性故障下的性能，并通过实验中在设置相关试验条件测试了算法的准确性。需要注意的是，考虑到微电网中电缆的尺寸原因，其所存在的寄生电容要比实际接地电容小得多，因此为便于研究忽略了电缆的寄生电容。1多电容接地方案1.1稳态条件为防止低压直流微电网保护接地的导线在正常工作状态下发生直流电流泄漏，提出了一种多电容接地方案，如图1所示。在故障情况下，多电容接地方式中的电容器被暂态电流充电，而暂态电流与故障距离和故障电阻相关。因此，通过评估多电容接地方案在故障期间的响应时间，即可估算出故障的实际距离。在稳态运行时，采用电容式接地方案表明系统对地的阻抗是无限的。因此，该方案可有效限制直流接地电流的流动，从而防止对邻近基础设施的腐蚀，或降低电容器阻抗，作为快速瞬变的低阻抗接地方案。1.2故障响应当发生极对地故障时，故障电流将通过电容性接地循环。图2为极对地故障期间电容性接地方案示意图，以及电容器上相应的电压和电流信号特征。由图2可知，当t=1 ms时，开关关闭，即故障被触发，电流流入电容器，同时认为电容器Ce最初是处于放电状态的。令Rf为故障电阻，则电容器的充电行为可表示为VCe(t)=Vnom(1-e-t),=RfCe（1）图 1集成多电容接地方式的直流微网馈线Fig.1DC microgrid feeder integrating multi-capacitorgrounding scheme电容接地方案直流馈线故障主动/被动负载VCe2ICe2Ce2VCe1ICe1Ce1图 2极对地故障下的电容接地方案Fig.2Capacitor grounding scheme under pole-to-earthfault（a）电压和电流特征0-200-400-600I/A，V/V时间/ms12340VCeICe（b）等效电路VCe2VCe1RfVnomVCeRfSCe+-李英超：基于多电容接地方式的低压直流微电网故障定位61第 35 卷式中：VCe为接地电容器的电压，Vnom为供电网络的标称电压，iCe表示流过接地电容器的电流，为时间常数。其中，iCe的数学方程为iCe(t)=CeddtVCe=VnomRfe-t（2）1.3电压钳位由于低压直流电容器在充电过程中可能会引起电路的电压波动，因此有必要对电压进行钳制，以防止低压直流电容器完全充电16。为此，在与电容接地的并联处添加了二极管电压钳位保护电路，如图3所示。由图3（b）可知，等效电压钳位方案可由一系列串联连接的二极管与接地电容器并联构成。当网络发生故障时，接地电容器将在故障未清除的时间窗口内保持持续充电状态，如图3（a）所示。通过增加电压钳位二极管，可有效控制接地电容器两端的电压，一旦电容器两端的电压达到钳位电压，二极管便开始导通，防止电压进一步升高17-18。当二极管导电时，系统采用等效低电阻接地方式接地，即二极管提供低阻导通路径。1.4电容器尺寸选择正确确定接地电容器的尺寸，对于在电容器达到钳位电压之前，为保护装置提供足够的时间隔离故障非常重要，可确保电压钳位二极管在故障期间不导通。因此，需要在电力网络中保持接地电容器带电，以防止电压钳位二极管在故障期间导通。IEC60479-1标准定义了保护动作的最大触发时间，可作为计算接地电容器大小的依据19-20。在计算接地电容器大小时，假设以下条件成立：（1）选择故障路径的最大电阻值1 050 作为阻抗的上限值。该最大故障路径电阻值只用于接地电容器的选型，不影响后续所提出的算法。（2）故障回路的总电感值取决于故障的位置。较高的电感值将导致故障电流的电流变化率较低，因此为得到更为有效的接地电容器尺寸值，需忽略较高的电感值。（3）故障端的电压取决于连接到故障极点的负载，并视为标称极点电压。（4）用最大故障电流进行接地电容器大小计算。令Vnom=Vf，VCe=Vclamp，则接地电容器的大小计算的数学方程为C=-tmaxRf|ln|1-VclampVf-1（3）式中：Vclamp为钳位电压；Vf为故障端电压；tmax为保护动作的最大时间。根据表1所示结果，整个网络的总电容为10 mF，因此单个接地电容器的计算方程为CeIndividaul=CN（4）式中：C为总电容，N为接地点的数目。此处共考虑了3个接地点，因此每个接地电容器的尺寸均为3.3 mF。接地电容及参数测量值如表1所示，表1中，If为故障端电流。2多电容接地故障定位方法本文所提故障定位方法是基于系统在故障状态下的状态空间方程的解析推导，其系统模型如图4所示。由图4可知，故障位置用DF表示，当故障发生在馈线的中间位置时，接地电容器连接在馈线负极的两端，通过将推导出的模型与来自总线