陳皓，田新和，高傳薪，鄭思琦，閆重熙

(四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065)

在化石能源逐漸枯竭和世界環(huán)境危機的大背景下，采用可再生能源無疑是解決當前問題的有效方式。但可再生能源本身具有波動性和間歇性，且并入交流電網(wǎng)時需經(jīng)多級變換，使得并網(wǎng)成本高、損耗大。于是可再生能源直接并入直流電網(wǎng)成為了更好的選擇，且大量的研究證實了其可行性[1-3]。直流電網(wǎng)與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)相比具有許多優(yōu)勢，如供電容量大、抗干擾性好、可靠性高和電能損耗低等，已被視為分布式電源與直流負荷更有效的接入形式[4-10]。

現(xiàn)有基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的直流微電網(wǎng)釆用脈沖寬度調制技術，與模塊化多電平換流器相比，具有結構簡單、成本低、控制易實現(xiàn)等優(yōu)點；但當其直流線路發(fā)生故障時，直流大電容迅速放電，再加上線路本身阻抗低，故障電流在幾毫秒內就會達到峰值，對系統(tǒng)中的電力電子器件造成了極大威脅。因此，為了避免系統(tǒng)設備損壞，并快速恢復系統(tǒng)正常運行，在故障發(fā)生后應盡快切除故障并準確定位出故障點。快速準確的故障定位很有必要，其有助于系統(tǒng)快速修復、快速恢復供電和減少停電時間等；因此，快速準確的故障定位對直流微電網(wǎng)恢復正常運行具有重要意義。

但目前直流微電網(wǎng)系統(tǒng)并沒有成熟的保護標準，在保護方面還面臨著許多挑戰(zhàn)，如保護設備待開發(fā)、保護方法不健全和故障定位困難等[11-12]。就故障定位而言，采用了電力電子器件的直流系統(tǒng)在一定程度上抑制了故障期間的電流，使故障定位變得更加困難。

鑒于目前直流微電網(wǎng)故障定位研究的重要性和迫切性，本文分析了直流微電網(wǎng)故障定位的基礎和研究現(xiàn)狀，指出了各類定位算法的優(yōu)缺點，提出了直流微電網(wǎng)故障定位面臨的關鍵問題，最后對未來直流微電網(wǎng)故障定位研究作出了幾點展望。

1 直流微電網(wǎng)故障定位基礎

1.1 基本概念

1.1.1 直流微電網(wǎng)的概念

微電網(wǎng)是交流和直流電力系統(tǒng)中的常用概念，是由負荷和分布式電源組成的小規(guī)模的低壓或中壓電網(wǎng)，既能并網(wǎng)運行也能離網(wǎng)獨立運行[13]。若負荷和分布式電源連接到公共直流母線上，則形成了直流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)不僅在運行效率和供電靈活性等方面優(yōu)于交流微電網(wǎng)，還比交流微電網(wǎng)更易接納可再生能源。直流微電網(wǎng)典型架構如圖1所示，其整合了光伏發(fā)電、風電、燃料電池和蓄電池等分布式電源，可通過換流器與交流大電網(wǎng)相連，可對直流負載以及交流負載供電[14-16]。

圖1 直流微電網(wǎng)典型架構Fig.1 Typical architecture of DC microgrid

1.1.2 故障定位的含義

故障定位對象主要為故障線路，其有兩重含義：一是粗略故障定位，在系統(tǒng)發(fā)生故障后，確定出故障所處的大致位置或是故障所在區(qū)段；二是精確故障定位，故障發(fā)生后準確地確定出故障點所在位置，即確定測量端到故障點的距離，又稱為故障測距。本文主要研究第二種故障定位。

1.2 系統(tǒng)接地方式

無論是交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)，接地方式的選取都十分重要。接地方式的不同將導致接地故障特征的不同，不僅會影響保護的選擇與整定，還會影響故障定位策略的制訂[17]。

文獻[18]將直流微電網(wǎng)的接地方式分為4種：不對稱單極系統(tǒng)、對稱單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和單極加裝電壓平衡器系統(tǒng)。4種接地方式的特點以及優(yōu)缺點比較見表1。

表1 4種接地方式比較Tab.1 Comparison of four grounding modes

目前文獻主要采用對稱單極系統(tǒng)，在高壓直流輸電中該系統(tǒng)被稱作偽雙極系統(tǒng)以區(qū)別于雙極系統(tǒng)。由于雙極系統(tǒng)并不適用于中低壓直流微電網(wǎng)，沒有偽雙極系統(tǒng)與雙極系統(tǒng)的區(qū)分，在直流微電網(wǎng)中也直接將偽雙極系統(tǒng)稱作雙極系統(tǒng)。單極加裝電壓平衡器系統(tǒng)是對稱單極系統(tǒng)的改進，主要是為了解決正負極電壓因負荷不對稱而不平衡的問題，但會增加設備損耗和復雜性，還處于研究階段。

上述接地方式的分類不僅考慮了系統(tǒng)接線方式，還考慮了中性點接地方式。本文所提的接地方式是指偽雙極系統(tǒng)中直流電容中性點的接地方式，分為4種類型：不接地、直接接地、經(jīng)小電阻接地和經(jīng)高阻接地。在直流微電網(wǎng)中不接地方式一般不予考慮[18]，現(xiàn)有文獻的故障定位算法主要在其余3種接地方式的基礎上展開討論。直流微電網(wǎng)的1種典型接地方式如圖2所示，其中：AC和T分別表示交流側電源和隔離變壓器；C為直流側大電容；R為接地電阻，取值范圍為零到無窮大，不同的取值均可對應上述4種不同的接地方式。

顯然，與直接接地方式相比，經(jīng)小電阻或高阻接地對接地故障的故障電流具有一定限制作用：首先，延長了故障電流達到峰值的時間，為故障切除

圖2 直流微電網(wǎng)的典型接地方式Fig.2 Typical grounding mode of DC microgrid

爭取了時間；其次，削弱了故障電流峰值，降低了故障電流對電力電子器件的危害。但如果接地電阻較大，導致削弱作用太強、故障電流較小，將給故障檢測帶來困難；因此，選擇合適的接地電阻十分重要。其選擇并不是絕對的，應考慮各方面因素，如系統(tǒng)電壓等級、故障檢測與切除時間和電力電子器件耐流能力等。

下面僅以實際仿真為例，說明接地電阻如何選取。以電壓等級較低的±500 V直流微電網(wǎng)為例，在PSCAD中搭建圖2所示的直流微電網(wǎng)簡易模型，考慮接地電阻分別為0 Ω、1 Ω或10 Ω時，對直流線路發(fā)生金屬性正極接地故障的情況進行仿真，觀察故障電流變化情況，仿真結果如圖3所示。

圖3 不同接地電阻下的故障電流Fig.3 Fault current under different grounding resistances

由圖3可見，接地電阻為0 Ω時，由于線路阻抗很小，故障回路呈欠阻尼，故障電流迅速上升，其峰值為正常運行電流的數(shù)十倍。顯然故障電流已經(jīng)超過了電力電子器件的耐流能力，此時只能快速切除故障；但由于故障電流上升極快，在其達到峰值前切除故障的可能幾乎為零。接地電阻為10 Ω時，故障回路阻抗顯著上升，故障回路呈過阻尼，導致故障電流上升緩慢甚至接近于正常運行時的電流，這雖然對故障切除時間要求很低，但為故障檢測造成了困難。接地電阻為1 Ω時，故障電流峰值為正常運行電流的幾倍，并不會對電力電子器件造成太大威脅，也不會影響故障檢測。與接地電阻為0 Ω或10 Ω的情況相比，接地電阻取1 Ω最優(yōu)。綜上可見，接地電阻的選取需要考慮的因素很多，若要給出理論上的選取依據(jù)十分困難，因此實際工程中主要根據(jù)仿真經(jīng)驗選取。

此外，除了上述4種基本的接地方式，還有一些改進的接地方式，如經(jīng)二極管或三極管接地[8]，本文不予贅述。

1.3 故障特征

故障特征分析不僅是保護方案選取的基礎，也是故障定位算法的基礎，只有明確了故障特征，才能制訂出合適的故障定位算法?；赩SC雙極直流系統(tǒng)中的簡單故障有2種類型：極間短路故障和單極接地故障。當正負極線路間形成通路時，為極間短路故障；當正極或負極線路與大地間形成通路時，為單極接地故障。單極接地故障發(fā)生的幾率最高，極間短路故障的危害最大。2種故障如圖4所示，f1為單極接地故障，f2為極間短路故障。

圖4 直流微電網(wǎng)的2種簡單故障Fig.4 Two simple faults of DC microgrid

文獻[19-25]對直流微電網(wǎng)中常見的2種故障進行了詳細分析。極間短路故障劃分為3個階段：電容放電階段、二極管續(xù)流階段和交流側饋電階段；單極接地故障劃分為2個階段：電容放電階段和交流側饋電階段。

文獻[20]還對2種故障的各階段進行了公式推導，用解析式表示了各階段的故障特征。由于篇幅限制，不再列出各階段公式及相關曲線，下面僅對各階段故障特征作出說明。①電容放電階段：故障發(fā)生后，電容和故障線路形成二階放電電路，故障電流最快在幾毫秒內即可上升至峰值，直流電壓隨故障電流增大而下降。②二極管續(xù)流階段：發(fā)生在直流電壓降為零后，故障線路與二極管形成一階放電電路，故障電流從峰值附近開始降低，直流電壓保持為零。③交流側饋電階段：也稱不可控整流階段，交流側電源通過二極管整流使直流側達到新的穩(wěn)態(tài)，直流電壓電流均達到某一穩(wěn)態(tài)值。發(fā)生單極短路故障時的故障特征與上述類似，只是不含二極管續(xù)流階段，直流電壓也沒有降為零的過程。

對2種故障類型的電容放電階段，根據(jù)故障電阻大小不同，可分為過阻尼放電和欠阻尼放電，相應的放電過程解析式也會有所不同。極間短路故障通常為金屬性故障，阻抗較??；單極接地故障既可以為金屬性故障，也可以為非金屬性故障(即經(jīng)過渡電阻的故障)[11]，這里過渡電阻特指發(fā)生非金屬性故障時的故障電阻。因此，極間短路故障的電容放電階段一般呈欠阻尼特性；單極接地故障的電容放電階段呈欠阻尼或過阻尼特性。

上述故障特征分析表明：對于極間短路故障，為避免系統(tǒng)設備損壞，需盡量避免二極管續(xù)流階段出現(xiàn)，避免故障大電流流過二極管，應在電容放電階段結束前切除故障線路。對于單極接地故障，接地電阻不變時，故障電流大小及故障切除時限主要受故障電阻影響。故障電阻越小，故障電流上升越快且峰值越大，對切除故障時限要求也高；故障電阻越大，故障電流上升越緩且峰值越小，對切除故障時限要求也就越低。

2 直流微電網(wǎng)故障定位研究現(xiàn)狀

基于以上分析，國內外專家對故障定位算法展開了大量研究。本文借鑒直流輸電線路中故障定位的劃分方法[26]，將現(xiàn)有直流微電網(wǎng)故障定位算法為2種類型：注入信號法和故障分析法。廣泛應用于直流輸電線路中的行波法[27-29]雖可在短時間內準確定位故障，但直流微電網(wǎng)線路比直流輸電線路短得多，需要極高采樣率，因此在直流微電網(wǎng)中一般不采用行波法。文獻[30-31]利用小波變換定位故障區(qū)域，同樣也要求高采樣率。

2.1 注入信號法故障定位

注入信號法的故障定位原理如圖5所示，其中U代表定位模塊，iU為定位模塊產(chǎn)生的放電電流，l和d分別為線路總長和故障距離。注入信號法的基本原理為：在故障發(fā)生后，定位模塊U向故障線路注入額外信號iU，根據(jù)該信號在故障線路中的響應(一般為測量點處的電壓和電流)，計算出故障線路參數(shù)(電感或電阻)，從而得出故障距離d，最終實現(xiàn)故障定位。按注入信號前是否切除故障線路來區(qū)分，注入信號法可分為離線法和在線法：離線法待切除故障線路后，再向故障線路注入信號；在線法不切除故障線路，直接向故障線路注入信號。文獻[12，32-34]屬于離線法，文獻[35]則屬于在線法。

圖5 注入信號法故障定位原理Fig.5 Fault location principle of injection signal method

文獻[12]待故障線路隔離后，利用功率探針單元(power probe unit，PPU)向故障區(qū)段放電，通過控制PPU內部電路參數(shù)，使得放電過程呈欠阻尼特性，再提取出該過程的阻尼頻率和衰減常數(shù)，計算出故障線路電感值，從而實現(xiàn)故障定位。文獻[32]對文獻[12]作了改進與補充，通過改進計算方法，使衰減系數(shù)更接近實際值，提高了定位準確性；還考慮了PPU近距故障的情況，使定位方案更加完整。但上述定位方法必須保證放電過程為欠阻尼，降低了其耐過渡電阻的能力。由于故障發(fā)生時故障電阻具有不確定性，故障電阻較大將造成故障回路總電阻增大，使得放電過程變?yōu)檫^阻尼或弱欠阻尼，從而使故障定位算法失效，定位準確性急劇下降。

文獻[33]提出了1種用于故障定位的拓撲結構，與PPU相比同樣是向故障線路放電，但兩者內部結構不同。前者定位模塊主要由蓄電池和電力電子開關組成的H橋構成，屬于有源放電過程；后者定位模塊主要由電感和帶電電容構成，屬于無源放電過程。文獻[33]通過對測量點電壓電流進行離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)后，計算出故障回路總阻抗，進而實現(xiàn)故障定位。該方法不受限于放電過程欠阻尼狀態(tài)，應用范圍更廣；通過控制開關頻率，可消除故障線路對地電容的影響，使定位結果更準確。

以上利用故障定位模塊(PPU或H橋定位拓撲)的方法主要針對單極接地故障，對極間短路故障定位時需改變定位模塊的連接方式：發(fā)生單極接地故障時，定位模塊連接在正極或負極線路與大地間；發(fā)生極間短路故障時，定位模塊連接在正負極線路間。由于事先并不確定會發(fā)生何種故障，因此轉換連接方式在實際中并不可行。

文獻[35]在線路發(fā)生故障后，通過嵌入于換流器中的定位模塊向故障線路中注入小擾動信號，將電壓電流正交化處理后，提取出擾動信號對應的幅值和相位，分別計算出線路電感和電阻，從而實現(xiàn)故障定位。該算法同時利用線路電感和電阻參數(shù)進行故障定位，與文獻[12，32-33]只利用線路電感值相比，定位結果更準確，但過渡電阻同樣也對其定位準確性有影響。此外，由于該方法屬于在線注入信號法，故障定位時會延時故障線路的切除，與保護速動性之間存在矛盾。

綜上，目前注入信號法存在的問題有：①無法同時對單極接地故障和極間短路故障進行定位；②定位準確性受過渡電阻影響大；③為滿足保護速動性要求，只允許進行離線定位。

2.2 故障分析法故障定位

故障分析法的基本原理為：根據(jù)故障暫態(tài)過程的特征(如電容放電階段解析式)，計算出故障線路參數(shù)(電感或電阻)，求出故障距離，從而實現(xiàn)故障定位。由于故障分析法基于故障暫態(tài)過程，一般為在線法。大部分故障分析法基于電容放電階段，如文獻[20，36-41]；部分基于交流側饋電階段，如文獻[42]。

文獻[20]基于電容放電階段的解析式，利用參考電壓比估計出故障線路參數(shù)，進而計算出故障距離。由于電容放電階段為二階放電過程，直接求解線路參數(shù)十分困難，只能用數(shù)值法，導致計算量大；并且在不進行迭代計算時定位準確性差。該方法求解二階電路時還需確定電路阻尼性，但由于故障電阻不確定，使求解難度大大增加。此外，利用參考電壓比需要額外增設電壓傳感器，加大了投資成本。

文獻[36]同樣基于電容放電階段，但沒有求解其解析式，而是利用電壓電流組成的矩陣方程，采用自適應偽逆法直接解出故障線路電阻參數(shù)，從而實現(xiàn)故障定位。該方法與文獻[20]相比，不考慮放電過程的阻尼性，減小了計算量，改善了定位準確性。文獻[37]與文獻[38]相比，將矩陣方程中的二階微分方程降階，采用一階微分方程描述電容放電過程，減少了一次差分近似微分的過程，在理論上降低了定位誤差。

文獻[38-39]中對電流變化率的獲取方法進行了改進，即不再利用差分近似微分。文獻[38]根據(jù)電感的電壓電流關系，利用VSC出口處限流電抗器上的壓降計算電流變化率，提高了定位準確性。但該方法測量限流電抗器的壓降時需額外增設電壓傳感器，且僅適用于裝設了限流電抗器的線路，對于未裝設限流電抗器的故障線路，無法據(jù)此計算出電流變化率。文獻[39]采用插值法對差分法進行了改進，提高了中長線路的定位準確性，但對于短線路的定位誤差較大。

文獻[42]與文獻[33]線路阻抗計算原理類似，同樣采用DFT算法，但定位結果更準確。文獻[42]通過分析極間短路故障下交流側饋電階段特征，認為該階段的電壓電流中含有衰減直流分量和衰減周期分量。由于衰減分量會影響DFT的精度，且現(xiàn)有文獻只針對衰減直流分量提出了改進算法，因此文獻[42]提出了1種改進DFT算法，可同時消除2種衰減分量的影響，保證了DFT的精度，從而提高定位準確性。但其適用于交流側饋電階段，會影響故障線路切除，同樣與保護速動性矛盾。

文獻[36]基于雙端測量，而文獻[20，37-42]基于單端測量，其中文獻[20，38]為單端多點測量(需額外增設測量裝置)。單端測量雖在投資成本上優(yōu)于雙端測量，但其定位準確性受過渡電阻影響大，這是單端測量的固有缺陷；單端多點測量的投資成本介于兩者之間，但也同單端測量一樣受過渡電阻影響。因此，應根據(jù)具體應用場合選擇合適的測量方式及定位方法。

綜上，故障分析法利用故障暫態(tài)階段信息，可實現(xiàn)在線故障定位。目前故障分析法存在的問題有：①無法同時對單極接地故障和極間短路故障進行定位；②定位準確性受過渡電阻影響大；③算法基于故障暫態(tài)過程，可獲取的故障信息少。

3 直流微電網(wǎng)故障定位面臨的關鍵問題

縱觀直流微電網(wǎng)故障定位的研究現(xiàn)狀，目前直流微電網(wǎng)故障定位正處于探索階段，亟需解決以下問題。

a)過渡電阻的存在。過渡電阻是定位算法面臨的普遍性問題，過渡電阻的存在會造成定位準確性大大降低，過渡電阻越大，準確性越差；因此，定位算法耐過渡電阻的能力是衡量定位準確性的一大指標。在開發(fā)新的故障定位算法時，必須考慮發(fā)生經(jīng)過渡電阻故障的情況，應盡量從算法原理上消除或削弱過渡電阻的影響。

b)故障定位的準確性。定位準確性除受過渡電阻影響外，還受定位原理和采樣率的影響。對算法本身而言，應盡量避免在定位原理上存在誤差，如文獻[36-39]中計算電流變化率的問題，從兩次近似到一次近似，再到直接測量，就是逐步從原理上降低定位誤差的過程。對一般算法而言，采樣率與定位準確性成正比，采樣率越高，準確性越好，但高采樣率會增大投資成本；因此，在開發(fā)新的定位算法時，應盡量削弱采樣率對算法的影響，或采用可接受的采樣率(如5 kHz)實現(xiàn)準確定位。

c)故障定位的快速性。從算法原理來看，與離線法相比，在線法的快速性更好，因此對快速性要求高的場合應盡可能選用在線定位法。此外，定位算法一般會涉及到數(shù)學計算，可采用計算量小的算法來提高故障定位的快速性。

d)定位算法對不同類型故障的適用性?，F(xiàn)有定位算法的適用性較弱，還無法同時對單極接地故障和極間短路故障進行定位。開發(fā)適用性強的定位算法，可省去故障類型判別的過程，有助于提高定位的快速性。

4 直流微電網(wǎng)故障定位研究展望

對未來直流微電網(wǎng)故障定位的發(fā)展方向展望如下。

a)選用基于雙端測量的定位算法，或者研究估算故障電阻的方法，消除或削弱過渡電阻的影響，提高定位準確性。

b)通過優(yōu)化直流微電網(wǎng)接地方式或優(yōu)化直流微電網(wǎng)架構，限制故障電流變化率和峰值，以利于故障定位算法的制訂和實施。

c)根據(jù)現(xiàn)有算法，開發(fā)復合定位算法，增強算法的適用性，以同時對單極接地故障和極間短路故障甚至對其他類型故障進行定位。

d)采用定位、控制保護、通信為一體的集成化方案，將定位模塊集成在換流器中，減少分散的定位裝置，降低投資成本；利用通信系統(tǒng)，共享故障定位信息，促進控制保護系統(tǒng)及時作出響應。

5 結束語

本文全面綜述了直流微電網(wǎng)故障定位原理。首先，簡要介紹了直流微電網(wǎng)故障定位的基本概念，分析了直流微電網(wǎng)接地方式和故障特征以及它們對故障定位的影響；然后，對直流微電網(wǎng)故障定位原理進行了歸類研究，將現(xiàn)有故障定位原理分為注入信號法和故障分析法，指出現(xiàn)有定位算法受過渡電阻影響大、無法同時對單極接地故障和極間短路故障進行定位、制約定位準確性的因素多等問題；最后，分析了直流微電網(wǎng)故障定位面臨的關鍵問題，對未來直流微電網(wǎng)故障定位研究進行了展望。