孫永健 陳羽 韓玘桓

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式電源的大量涌入，直流配電線路供電時比交流配電線路效率高，因此直流配電網(wǎng)的發(fā)展得到了重視。直流配電網(wǎng)發(fā)生線路故障時，可靠、精確的故障測距方法對于保障配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要意義。本文基于兩電平VSC多端直流系統(tǒng)分析基礎(chǔ)之上，描述了故障行波的傳播過程，分析了行波法在直流配電線路的適用性。

關(guān)鍵詞：直流配電網(wǎng)；直流線路；故障定位；故障初始行波

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.128

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以太陽能、風能為主的新能源的普及利用，直流負荷的涌現(xiàn)，信息技術(shù)的不斷創(chuàng)新，直流配電線路給直流負荷供電時比交流配電線路效率高，直流配電網(wǎng)已成為國內(nèi)外研究發(fā)展的熱點課題。直流配電網(wǎng)較交流配電網(wǎng)相比有以下優(yōu)點：（1）供電容量大、線路損耗小；（2）供電效率高、供電穩(wěn)定性好、電能質(zhì)量好；（3）便于直流電源及直流負載的接入。環(huán)狀直流配電網(wǎng)供電可靠性更高，發(fā)展前景廣闊[1-3]。

行波法故障定位受故障距離、過渡電阻及系統(tǒng)運行方式小，測距精確，是直流輸電系統(tǒng)最主要的故障測距方法。文獻[4]基于直流電纜故障暫態(tài)特征提出單極接地故障定位方法。文獻[5]提出了通過分析單端電流頻譜獲其固有頻率的故障測距方法。

1 基于兩電平VSC的多端直流系統(tǒng)

直流配電網(wǎng)典型拓撲結(jié)構(gòu)主要分為以下三類：環(huán)狀、兩端狀和放射狀[6]。環(huán)狀直流配電系統(tǒng)具有更高的供電可靠性。如圖1所示，當系統(tǒng)中某線路發(fā)生故障時，保護裝置可將其切除，剩余非故障線路按兩端型結(jié)構(gòu)繼續(xù)供電，較小停電面積，提高了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，是直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

直流配電系統(tǒng)與直流輸電系統(tǒng)不同，輸電線路結(jié)構(gòu)相對簡單，潮流單一，配電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)復雜，兩電平VSC應用廣泛。目前直流配電系統(tǒng)依靠交流斷路器或直流斷路器實現(xiàn)故障隔離，采用交流斷路器實現(xiàn)故障隔離停電區(qū)域大，供電可靠性低，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此直流配電線路的故障精確定位具有十分重要的意義。

2 故障行波的傳播過程

直流配電線路上發(fā)生故障后，會在故障點產(chǎn)生故障初始行波，故障初始行波會沿線路向兩端換流站傳播，因為直流線路、直流母線的阻抗不相同，當故障初始行波到達直流母線時，部分故障初始行波透射直流母線傳播到其它直流線路，另一部分故障初始行波沿原路線反射回來。

圖2中的入射行波ui從波阻抗Z1的介質(zhì)行進到波阻抗Z2的介質(zhì)會產(chǎn)生反射行波uf和透射行波ut。

行波的反射程度可用發(fā)生反射的阻抗不匹配點的反射電壓（電流）與入射電壓（電流）之比來表示，這比值稱為反射系數(shù)。電壓行波的反射系數(shù)為：

行波的透射系數(shù)可用透射電壓（電流）波與入射電壓（電流）波的比值表示，電壓行波與電流行波的透射系數(shù)相同。透射系數(shù)為：

3 行波法適用性分析

直流配電網(wǎng)發(fā)生線路故障時，故障電流上升迅速，幅值高，若不及時找出故障點并切除故障線路，將對相關(guān)直流設備造成較大損害，快速、準確的故障定位方法有利于提高電力系統(tǒng)供電可靠性。

目前阻抗法和行波法是交流配電系統(tǒng)的主要故障測距方法。直流配電線路發(fā)生故障后，故障暫態(tài)特征變化迅速，VSC內(nèi)部IGBT可以在故障發(fā)生后極短時間內(nèi)關(guān)斷，所以依據(jù)工頻向量信號的阻抗法無法完成故障點的快速定位和隔離?，F(xiàn)階段直流系統(tǒng)的故障定位方法主要是行波法，但多用于直流輸電線路。由故障初始行波的傳播過程可知，當直流配電線路發(fā)生故障后，故障初始行波能夠穿過換流站母線傳遞到鄰近直流線路，可通過故障初始行波到達相應行波監(jiān)測點時間確定故障位置，為行波法在直流配電線路的應用奠定了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，直流負荷及電源的普及，直流配電網(wǎng)的發(fā)展得到了重視。

（2）直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)主要分為環(huán)狀、兩端狀和放射狀三類，其中環(huán)狀結(jié)構(gòu)供電可靠性較高，是直流配電網(wǎng)發(fā)展趨勢。

（3）直流配電線路上發(fā)生故障后，故障點處會產(chǎn)生故障初始行

波，故障初始行波透過兩側(cè)換流站向鄰近線路傳播，可通過到達換流站時間確定故障位置，為行波法在直流配網(wǎng)的應用奠定了理論基礎(chǔ)，提供了電力系統(tǒng)供電可靠性。

參考文獻：

[1]宋強，趙彪，劉文華等.智能直流配電網(wǎng)研究綜述[J].中國電機工程學報，2013，33（25）：9-19.

[2]Baran M E，Mahajan N R.DC distribution for industrial systems ：opportunities and challenges[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39（06）：1596-1601.

[3]Flourentzou N，Agelidis V G，Demetriades G D.VSC-based HVDC power transmission systems：An overview[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（03）：592-602.

[4]Yang Jin，F(xiàn)letcher J E.OReilly J，et al.Short-circuit and ground fault analyses and location in VSC-Based dc network cables[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（10）：3827-3837.

[5]蔡新雷，宋國兵，高淑萍等.利用電流固有頻率的VSC-HVDC直流輸電線路故障定位[J].中國電機工程學報，2011，31（28）：112-119.

[6]江道灼，鄭歡.直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36（08）：98-104.

作者簡介：孫永?。?992-），男，山東東營人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。