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基于多电容接地方式的直流微电网故障定位

摘要：本文提出了一种基于多电容接地方式的流微电网馈线故障定位的新方法。在故障情况下，与故障距离和电阻相关的故障暂态电流可以对接地电容器充电，因此，可以通过评估接地电容器在故障期间的响应，估计到故障的距离。本文所提出的方法利用瞬时电流和电压测量(从馈线端子和接地电容器获得)应用于故障馈线的解析数学模型，实现了对故障馈线故障位置的准确估计。为了对本文所提方法的性能进一步评估，本文还考察了该方法在不同负载情况和高阻性故障下的性能，并通过实验在一系列试验条件下进行测试算法的准确性测试，实验结果表明，本文所提方法故障定位准确性高，且实用性强。

关键词：电容接地，直流微电网，故障定位，故障暂态，非线性优化。

1引言

在未来的低碳能源政策下，直流微电网将在促进分配能源的连接和控制方面发挥重要作用[1]。为保障直流微电网运行的安全可靠，需要做好直流侧故障管理工作，包括保护、故障定位、接地和控制[2][3]。

故障定位方法根据馈线的长度估计故障位置。其准确性是促进快速维护，快速恢复和减少停电持续时间的关键要素之一，最终提高电力系统的整体可用性和可靠性。故障定位方法可以独立应用，也可以集成到保护和控制方案中使用。

故障定位方法可分为主动定位和被动定位两大类。主动方法是基于信号注入(通常通过部署辅助设备)到故障馈线，然后分析响应信号。被动故障定位方法则完全基于测量数据的收集和分析(本地和/或远程)。此外，故障定位方法可以分为离线方法(在故障清除后计算到故障的距离)和在线方法(在故障发生时计算到故障的距离)。

文献[6]提出了一种通过向故障馈线注入直流电压进行故障定位的有源故障定位方法。该方法利用探测单元和回路模型提取振荡频率和衰减系数，以便估计到故障的距离。文献[5]和文献[7]对上述方法进行了改进，特别考虑了衰减系数对故障定位计算精度的影响。

文献[4]和文献[8]提出了基于单端行波的无源故障定位方法。尽管行波已经广泛应用于输电线路故障测距(即长输电线路的高压直流电网)，但由于浪涌反射时间小，可能降低估计的可靠性和准确性，行波在直流微电网中的应用还具有一定的挑战性[10]。

文献[11]提出了一种基于差分、电流的快速检测和故障定位方法。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。基于通信的故障定位方法通常与通信基础设施的额外费用和通信链路出现故障时的可靠性有关。为了消除通信影响，文献[12]提出了一种利用最小二乘法和边界电感的方法。这种方法适用于径向直流网络，但不适用于网状直流网络，因为网状直流网络存在双向潮流。文献[13]和文献[14]提出了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。然而，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。

针对上述问题，本文提出了一种无源无通信故障定位方法。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。该方法通过多电容接地方式，结合局部电压和电流测量，连接在双线(单极)系统的直流电缆的负极(如图1所示)。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。在本文中，电缆的寄生电容被忽略，因为它们的尺寸比实际接地电容小得多。因此可以实现合理的模型。

图1集成多电容接地方式的直流微网馈线

本文结构如下。第2节介绍了直流微电网电容接地方案的实现。第3节详细分析了本文所提出的故障定位方法。第4节为案例研究和实验仿真。第5节为实验结果，第6节为结论。

2电容式接地方式的实现

为了防止直流微电网保护接地导线在正常工作状态下的直流电流泄漏，以及在直流极地故障时形成导电故障路径，本文提出了一种多电容接地方式[15][16]。从实际意义上讲，这种方案有助于尽量减少对邻近基础设施的腐蚀。在故障情况下，这种接地方式中的电容器被暂态电流充电，暂态电流与故障距离和故障电阻相关。因此，通过评估方案在故障期间的响应，可以估计到故障的距离。

2.1稳态条件

在稳态运行时，采用电容式接地方案意味着对地的阻抗是无限的。作为一个直接的后果，直流大地电流流动可以被限制，防止腐蚀。或者，对于高频，电容器阻抗降低，可以作为快速瞬变的低阻接地方案。

2.2故障响应

在发生极对地故障时，故障电流将通过电容性接地来循环。

图2极对地故障下的容性接地方案(a)电压和电流特征(b)等效电路

图2显示了在极对地故障期间电容性接地方案的简化表示，以及电容器上相应的电压和电流信号特征。在t=1ms时，开关关闭(即故障被触发)，电流流入电容器(认为电容器的电流最初是放电的)。电阻Rf表示故障电阻，电容器