柔性直流輸電的故障分析及保護(hù)策略綜述

蔣 原 劉謹(jǐn)華 陳明軒

（1.北京科技大學(xué)a.自動(dòng)化學(xué)院；b.工業(yè)過(guò)程知識(shí)自動(dòng)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.順德研究生院；2.三峽科技有限責(zé)任公司）

為了積極推進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，2021 年3 月中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)上明確部署建設(shè)以新能源為主的新型電力系統(tǒng)。 目前，我國(guó)火力發(fā)電量在全國(guó)發(fā)電總量中仍占有很大比例，2021 年前三季度火力發(fā)電量占比為71.27%，可見(jiàn)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整。

以風(fēng)能、光伏等為代表的清潔能源配合大規(guī)模儲(chǔ)能電站的發(fā)電技術(shù)，具有傳變效率高、功率密度高、能量密度高及靈活可控等特點(diǎn)的電力電子電能變換技術(shù)，是構(gòu)成新型電力系統(tǒng)的基本元素。 與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，新型電力系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是直流電能和電力電子設(shè)備的比例大幅增加。 以上述兩方面技術(shù)為核心，采用基于電力電子設(shè)備的柔性直流輸電技術(shù)，既可以靈活消納大規(guī)模新能源， 又能與傳統(tǒng)交流電網(wǎng)有機(jī)融合，是構(gòu)建未來(lái)電力系統(tǒng)的最有效方案［1～3］。但當(dāng)系統(tǒng)中電力電子設(shè)備比例持續(xù)增加，會(huì)呈現(xiàn)支撐慣性低、阻尼弱等特點(diǎn)，此時(shí)一旦發(fā)生電氣故障，故障電流上升速度快且幅值遠(yuǎn)超額定值，將對(duì)用戶用電的安全性、設(shè)備的使用壽命甚至整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)較大負(fù)面影響。

筆者將對(duì)柔性直流輸電中的故障分析及保護(hù)策略進(jìn)行綜述，對(duì)當(dāng)前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 柔性直流輸電的發(fā)展與特點(diǎn)

1.1 柔性直流輸電的發(fā)展歷史與故障特點(diǎn)

對(duì)于直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)劃分， 目前尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 基于傳輸容量和距離的考慮，目前我國(guó)高壓直流輸電網(wǎng)的電壓等級(jí)包括±500 kV、±660 kV、±800 kV 和±1 000 kV，中低壓直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)包括±10 kV、±1.5 kV、±750 V 和±375 V。 與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中需要電力變壓器聯(lián)接不同電壓等級(jí)交流母線的情況類似，直流電網(wǎng)中也需要通過(guò)直流變壓器實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)直流母線的聯(lián)結(jié)，同時(shí)直流電能還需要換流器接口實(shí)現(xiàn)與交流電網(wǎng)的功率交互。 直流變壓器和換流器都是電力電子變換器，隨著電壓等級(jí)和輸送容量的提高，基于兩電平技術(shù)的變換器需要通過(guò)串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)均壓均流，開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通一致性問(wèn)題難以解決。 2002 年，德國(guó)研究人員基于級(jí)聯(lián)子模塊的思想，提出基于模塊化結(jié)構(gòu)的變流器——模塊化多電平變流器 （Modular Multilevel Converter，MMC），可以提高換流器的電壓和容量等級(jí)，解決了均壓均流問(wèn)題。 目前MMC 已成為高壓柔性直流 輸 電 （Voltage Sourced Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC）領(lǐng)域中最重要和最常見(jiàn)的變流器拓?fù)洌瑧?yīng)用場(chǎng)景包括集群式新能源發(fā)電、交直流電網(wǎng)融合、諧波抑制與電能質(zhì)量管理、直流電力系統(tǒng)潮流控制等［4］。

出于輸送距離、電壓等級(jí)及建設(shè)成本等方面的考慮，架空線輸電是目前大容量電能傳輸?shù)闹匾绞剑嵝灾绷鬏旊娫砣鐖D1 所示。 但架空線處于野外，其工作環(huán)境復(fù)雜、不確定性因素多，導(dǎo)致發(fā)生故障的概率很高。 因此，為保證電力系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性，需要高可靠性的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行故障隔離。 與同步發(fā)電機(jī)有所不同，無(wú)論是基于MMC 或是VSC 換流的直流電力系統(tǒng)， 均存在慣性低、阻尼弱等特點(diǎn)，因此一旦直流側(cè)出現(xiàn)電流故障，各換流站均會(huì)迅速向故障點(diǎn)注入能量，導(dǎo)致故障電流快速上升且幅值較大， 從而對(duì)整個(gè)直流系統(tǒng)的安全帶來(lái)較大危害。 考慮到換流器中最常用的開(kāi)關(guān)器件——絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）耐受短路電流的能力有限，當(dāng)通過(guò)器件的電流大于保護(hù)閾值時(shí)，換流站應(yīng)當(dāng)立即閉鎖。 但閉鎖后續(xù)流二極管將構(gòu)成不控整流回路， 交流側(cè)仍可以向故障點(diǎn)注入能量。可見(jiàn)僅依靠橋臂閉鎖并不能完全清除故障，必須采取其他形式的快速隔離措施［5，6］。

圖1 柔性直流輸電原理

1.2 柔性直流輸電故障保護(hù)的要求與難點(diǎn)

柔性直流輸電是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，其故障保護(hù)既有傳統(tǒng)繼電保護(hù)“四性”（可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性）的基本要求，又有直流系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)帶來(lái)的新技術(shù)要求。

可靠性是對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的基本要求，其內(nèi)涵包括“不誤動(dòng)”和“不拒動(dòng)”兩層意義。 影響可靠性的主要因素是干擾， 如測(cè)量信號(hào)的噪聲、雷擊等。 根據(jù)直流系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，直流架空線路的故障絕大部分是瞬時(shí)性故障，如果在故障切除后對(duì)線路進(jìn)行自動(dòng)重合閘控制，可以極大地提高電能傳輸?shù)目煽啃浴?而如果缺少對(duì)故障性質(zhì)的識(shí)別，使重合閘發(fā)生永久性故障，則會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成二次沖擊。 但是直流系統(tǒng)慣性小，故障電流上升速度快、暫態(tài)量豐富，使得故障性質(zhì)判斷難度加大，基于故障識(shí)別的直流系統(tǒng)自適應(yīng)重合閘是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。 對(duì)直流電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)的最佳方案是利用直流斷路器實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的物理隔離，技術(shù)難點(diǎn)是直流電源沒(méi)有電流自然過(guò)零點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)用交流開(kāi)關(guān)的滅弧技術(shù)，直流系統(tǒng)直接開(kāi)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)電弧，降低故障保護(hù)動(dòng)作的可靠性和靈敏性［7，8］。

選擇性保護(hù)應(yīng)遵循停電影響最小化的原則，即確保在最小區(qū)域內(nèi)將故障區(qū)域切除，以最大限度地保證未發(fā)生故障的部分仍然繼續(xù)正常供電。在交流系統(tǒng)中，常根據(jù)故障信號(hào)的穩(wěn)態(tài)值，利用保護(hù)上、下級(jí)線路的延時(shí)配合實(shí)現(xiàn)選擇。 但直流電網(wǎng)故障受系統(tǒng)運(yùn)行方式、過(guò)渡電阻等因素影響大， 特征復(fù)雜且過(guò)渡過(guò)程信號(hào)暫態(tài)分量變化劇烈，因此傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方法難以準(zhǔn)確定位。 直流電網(wǎng)發(fā)生故障后，電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定了其故障回路呈現(xiàn)低阻尼、低慣性的特點(diǎn)，導(dǎo)致故障電流上升速度快。 為保證電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定和電力電子器件的安全，一般要求短時(shí)間內(nèi)完成故障切除， 因此可供利用的故障信息數(shù)據(jù)窗非常短。以張北柔性直流電網(wǎng)示范工程為例（電壓等級(jí)±500 kV），設(shè)計(jì)要求故障發(fā)生時(shí)，故障切除的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于6 ms，這加大了對(duì)保護(hù)的速動(dòng)性和靈敏性要求的難度［5，9，10］。

2 柔性直流輸電的故障特性研究

2.1 柔性直流輸電中的故障類型

極間短路發(fā)生時(shí)，短路電流瞬間可達(dá)額定電流的上百倍，是VSC 型直流電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的故障形式，其等效電路如圖2 所示。 如前所述，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)， 流過(guò)IGBT 橋臂的電流迅速上升，換流器將閉鎖IGBT。 與此同時(shí)，直流側(cè)電容將向故障點(diǎn)釋放存儲(chǔ)的電能，表現(xiàn)為短路電流上升，直流母線電壓下降；當(dāng)母線電壓下降為零時(shí)，由于直流側(cè)大電感的續(xù)流效應(yīng)，VSC 換流器中各橋臂的反并聯(lián)二極管將開(kāi)始導(dǎo)通，使換流器工作于不控整流模式；之后交流側(cè)能量開(kāi)始穩(wěn)定注入故障點(diǎn)。 綜上，根據(jù)故障發(fā)生后直流側(cè)電流電壓的變化過(guò)程及注入故障點(diǎn)能量來(lái)源的不同，極間短路故障過(guò)程可描述為3 個(gè)階段：直流側(cè)電容放電階段、換流器二極管續(xù)流階段和交流側(cè)電流注入階段，即“電容放電”、“電網(wǎng)饋入”和“穩(wěn)定狀態(tài)”3 個(gè)過(guò)程。 如果故障的過(guò)渡電阻較大，極間短路時(shí)僅發(fā)生RLC 振蕩；反之，過(guò)渡電阻較小，除振蕩過(guò)程外，極間短路還包括電感續(xù)流過(guò)程。 直流側(cè)的額定電流、電容、電感值，換流器的二極管參數(shù)、子模塊數(shù)量及聯(lián)接方式等因素都與極間短路故障的發(fā)展關(guān)系密切［11，12］。

圖2 極間短路故障的等效電路

在基于VSC 換流器的直流系統(tǒng)中，單極接地是低壓側(cè)最常見(jiàn)的故障形式，等效電路如圖3 所示。 其特點(diǎn)是故障發(fā)生時(shí)，直流側(cè)電容的中性點(diǎn)與故障點(diǎn)等電位。 對(duì)于真雙極運(yùn)行方式下的單極接地故障，受過(guò)渡電阻值Rf的影響，故障過(guò)程將呈現(xiàn)不同的特性：欠阻尼系統(tǒng)中的故障經(jīng)歷振蕩放電和二極管續(xù)流兩個(gè)過(guò)程；過(guò)阻尼系統(tǒng)中僅有振蕩放電過(guò)程。 對(duì)于偽雙極運(yùn)行方式下的單極接地故障，由于反并聯(lián)二極管不導(dǎo)通，只有振蕩階段［13］。

圖3 單極接地故障的等效電路

2.2 柔性直流輸電中的故障建模

柔性直流輸電最大的優(yōu)點(diǎn)是能廣泛融合多種能源形式轉(zhuǎn)換得到的電能，但其直流側(cè)的故障保護(hù)是其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。 對(duì)于交流電力系統(tǒng)的故障，一般用電路的穩(wěn)態(tài)模型分析，可簡(jiǎn)化為二階微分方程，故障全電流為正弦交流分量和衰減的直流分量的疊加。 而對(duì)于直流電力系統(tǒng)，出于快速保護(hù)的考慮，只能利用暫態(tài)量。 由于直流電力系統(tǒng)的換流站由大量電力電子設(shè)備組成，呈現(xiàn)出高度非線性的特點(diǎn)，因此無(wú)法得到故障暫態(tài)全過(guò)程的數(shù)學(xué)解析結(jié)果。 只能采取分段處理的研究方法， 在一定條件下對(duì)故障電路進(jìn)行線性化等效，降低復(fù)雜程度，然而大電容系統(tǒng)線性化結(jié)果通常為高次微分方程， 精確解析解仍然很難獲得，需要通過(guò)數(shù)值方法求解。 雖然這樣會(huì)給直流電網(wǎng)的故障分析帶來(lái)誤差，但一方面線性化等效具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性，另一方面通過(guò)狀態(tài)空間變換［14］、改進(jìn)的卡爾曼濾波［15］等數(shù)學(xué)處理可彌補(bǔ)這一固有缺陷，因此線性化等效仍是目前使用頻率最高的故障電流建模方法。

當(dāng)MMC 換流器的直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)， 橋臂子模塊中電容的放電過(guò)程貢獻(xiàn)了主要的短路電流，因此分析故障過(guò)程應(yīng)首先確定電路的等效放電電容模型，這對(duì)直流短路故障電流的暫態(tài)分析具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。 針對(duì)此類問(wèn)題，文獻(xiàn)［16］研究了MMC 發(fā)生短路故障之后、換流站閉鎖之前的故障電流發(fā)展過(guò)程，利用均值等效的分析方法，得到短路電流和直流側(cè)等效放電電容的數(shù)學(xué)解析式，并討論了調(diào)制比和故障發(fā)生時(shí)刻對(duì)電路等效模型的影響。 依據(jù)直流電力系統(tǒng)參數(shù)的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［17］簡(jiǎn)化了MMC 換流站閉鎖之前的模型，該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)短路電流的發(fā)展走向，為直流電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的參數(shù)整定和斷路器型號(hào)的選取提供了實(shí)用的參考依據(jù)。對(duì)于雙端直流系統(tǒng)，大多數(shù)的研究認(rèn)為故障點(diǎn)兩側(cè)的系統(tǒng)在故障點(diǎn)處解耦，但該假設(shè)的前提是系統(tǒng)發(fā)生了金屬性故障，而對(duì)于帶有過(guò)渡電阻性質(zhì)的非金屬性故障不適用。 文獻(xiàn)［18］建立了適用于環(huán)網(wǎng)型直流電力系統(tǒng)的高頻等效電路模型，可用于分析系統(tǒng)故障發(fā)生初始階段的電流發(fā)展過(guò)程。文獻(xiàn)［19］分析了換流器內(nèi)部的IGBT 是否閉鎖對(duì)直流側(cè)發(fā)生極間短路和單極接地故障的影響。 研究表明，系統(tǒng)發(fā)生極間短路故障時(shí)，換流器閉鎖會(huì)引起穩(wěn)態(tài)電壓和故障電流增大；發(fā)生單極接故障地時(shí)， 換流器不閉鎖將引起直流側(cè)電壓非對(duì)稱，進(jìn)而導(dǎo)致交流側(cè)電流偏置。

對(duì)于交直流混合配電網(wǎng)，發(fā)生極間短路故障后，直流（交流）側(cè)故障會(huì)對(duì)交流（直流）側(cè)電氣量產(chǎn)生影響，但目前還缺乏一種具備較強(qiáng)普適性的定量分析方法。 文獻(xiàn)［20］分析了直流電網(wǎng)發(fā)生極間短路故障后交流系統(tǒng)對(duì)故障電流的貢獻(xiàn)，研究表明交流側(cè)提供的短路電流快速達(dá)到峰值后會(huì)逐漸衰減，穩(wěn)態(tài)時(shí)換流站進(jìn)入不控整流模式。 與故障區(qū)域相連的交流系統(tǒng)與始端的短路電流大小關(guān)系密切，而未與故障區(qū)域相連的交流系統(tǒng)與末端的短路電流大小關(guān)系密切。 文獻(xiàn)［21］提出了交直流混合系統(tǒng)序分量網(wǎng)絡(luò)模型，其中“正序網(wǎng)絡(luò)”反映了交流系統(tǒng)中正序分量與直流系統(tǒng)中直流分量的映射關(guān)系，其中，“負(fù)序網(wǎng)絡(luò)”反映了交流系統(tǒng)中負(fù)序分量與直流系統(tǒng)中二次諧波分量的映射關(guān)系；“零序網(wǎng)絡(luò)”反映了交流系統(tǒng)中零序分量與直流系統(tǒng)中工頻分量的映射關(guān)系。

3 柔性直流輸電的故障保護(hù)方案

3.1 柔性直流輸電的保護(hù)方法

當(dāng)前主流的柔性直流輸電保護(hù)方法有電壓（電流）保護(hù)法、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)法、行波保護(hù)法、邊界暫態(tài)量保護(hù)法及基于智能算法的保護(hù)法等。 其中行波保護(hù)和欠壓保護(hù)通常作為系統(tǒng)的主保護(hù)，因?yàn)檫@兩種方法具有反應(yīng)速度快、受分布電容的影響小等優(yōu)點(diǎn)［22］。 行波保護(hù)法雖然在高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用， 但尚有不足：一是解決近端死區(qū)問(wèn)題時(shí)的選擇性和可靠性不強(qiáng)，即無(wú)法精確甄別區(qū)內(nèi)的末端和區(qū)外的首端故障，由此導(dǎo)致誤動(dòng)作；二是當(dāng)發(fā)生長(zhǎng)線路故障時(shí)，無(wú)法同時(shí)保證保護(hù)動(dòng)作的速動(dòng)性和耐受過(guò)渡電阻的能力［23］。 為了解決這一問(wèn)題，根據(jù)縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)對(duì)高阻接地故障靈敏性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以將縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)與行波保護(hù)配合使用。 但為了躲開(kāi)電流暫態(tài)過(guò)程的影響，通常需要設(shè)置長(zhǎng)延時(shí)，這將無(wú)法滿足保護(hù)直流電力系統(tǒng)的速動(dòng)性要求，因此電流差動(dòng)保護(hù)一般只作為系統(tǒng)的后備保護(hù)使用。 對(duì)于基于邊界條件的保護(hù)法，其原理是利用電路中的電感或?yàn)V波器等元件組成保護(hù)的邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)全線路段的速動(dòng)，但該方法不適用于保護(hù)區(qū)域無(wú)明顯邊界條件的情況［24，25］。可見(jiàn)由于故障的時(shí)變和非線性，以及運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致提取故障特征困難，現(xiàn)有的直流電網(wǎng)保護(hù)方案很難完全濾除噪聲干擾、線路分布電容、網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)以及故障過(guò)渡電阻等因素對(duì)保護(hù)輸出結(jié)果的影響。

為了提高故障發(fā)生時(shí)保護(hù)的成功率，進(jìn)而減小換相失敗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的能量沖擊，當(dāng)柔性直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，首先需要根據(jù)電氣量對(duì)故障的特征進(jìn)行識(shí)別，然后再針對(duì)不同的故障選擇對(duì)應(yīng)的繼電保護(hù)方法。 文獻(xiàn)［26］研究了柔性直流配電網(wǎng)中區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的特征，對(duì)短路全電流的幅值、相位、暫態(tài)特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，采用假設(shè)檢驗(yàn)方法分析故障發(fā)生后直流線路兩側(cè)電流的相關(guān)性，由此構(gòu)造保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)，并提出基于故障全電流相關(guān)性t檢驗(yàn)的柔性直流配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)方法。 該方法具有較強(qiáng)的魯棒性，提高了故障判別的可靠性和快速性。 針對(duì)差動(dòng)保護(hù)對(duì)區(qū)內(nèi)故障響應(yīng)速度慢的技術(shù)難點(diǎn)，文獻(xiàn)［27］提出一種可分辨出故障極的保護(hù)方案。 其原理是使用低通濾波器對(duì)直流線路兩端的測(cè)量電壓和測(cè)量電流進(jìn)行濾波， 使用線路電壓計(jì)算分布電容電流，再用差動(dòng)電流分辨故障極。 隨著智能算法技術(shù)的快速發(fā)展，基于智能算法的保護(hù)對(duì)直流電網(wǎng)的保護(hù)也產(chǎn)生了重要影響。 與傳統(tǒng)的行波、邊界暫態(tài)量保護(hù)等方法中的整定值判別方式相比，基于智能算法的保護(hù)無(wú)需明確的整定值，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，提取和放大故障的隱含特征，就能夠有效地避免過(guò)渡電阻、 故障位置等因素的影響。文獻(xiàn)［28］提出一種基于小波多分辨分解和支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）的柔性直流系統(tǒng)單端保護(hù)方法，利用小波分解計(jì)算出故障電流在各頻率段的能量比例， 以此構(gòu)成特征向量， 然后通過(guò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的SVM 模型識(shí)別故障類型。 該方法僅利用單端測(cè)量電氣量即可區(qū)分區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，且對(duì)復(fù)雜工況下的故障也可進(jìn)行較準(zhǔn)確的識(shí)別。

3.2 柔性直流輸電的自動(dòng)重合閘

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，線路故障通常具有單相（單極）和瞬時(shí)性的特點(diǎn)，以某年我國(guó)高壓輸電線路故障交流電力系統(tǒng)為例，故障的類型、發(fā)生次數(shù)和百分比見(jiàn)表1， 其中瞬時(shí)性故障占比達(dá)到了90%以上。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，輸電線路故障的重合閘成功率為60%以上，且重合閘成功率與電壓等級(jí)正相關(guān)。

目標(biāo)函數(shù)值的權(quán)矩陣Q中包含了未知目標(biāo)的真實(shí)位置和速度,因而是未知的。為求出權(quán)矩陣,需要得到位置和速度的初始估計(jì)值初始估計(jì)的求解參考文獻(xiàn)[10]中的第1步。將位置和速度的初始估計(jì)值代入Q中,進(jìn)而得到Q的估計(jì)值,記為由此,可以得到上述WLS問(wèn)題的近似問(wèn)題:

表1 某年我國(guó)高壓輸電線路故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

大量實(shí)踐證明，自動(dòng)重合閘是目前提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性和保證供電連續(xù)最實(shí)用、最有效的方法［29，30］。 根據(jù)自動(dòng)重合閘技術(shù)在交流電力系統(tǒng)中被廣泛采用的成功經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了直流電網(wǎng)的自動(dòng)重合閘方法，文獻(xiàn)［31］針對(duì)半橋型MMC 的換流站， 建立了等效電路并推導(dǎo)出故障電流方程，提出一種重啟故障線路的控制方法，可使直流電力系統(tǒng)快速穩(wěn)定地穿越極間短路故障區(qū)間， 自動(dòng)重合閘100 ms 之后各換流站即可恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。 但線路若自動(dòng)重合在永久性故障，則會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的一次和二次設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電流沖擊甚至破壞。 針對(duì)這一問(wèn)題的研究，文獻(xiàn)［32］提出一種注入主動(dòng)信號(hào)的直流故障自適應(yīng)重合閘控制策略， 在MMC 換流器的控制器中加入判別功能，即跳閘后向電力系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)送特征信號(hào)以辨識(shí)是否為永久性故障， 可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)重合閘。 為了提高自動(dòng)重合閘成功率，需要先判斷故障性質(zhì)，但在直流系統(tǒng)中非故障極與故障極弱耦合，使得預(yù)判故障性質(zhì)的準(zhǔn)確率降低，為此文獻(xiàn)［33］對(duì)直流系統(tǒng)的故障極注入擾動(dòng)特征信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)重合閘。

4 柔性直流輸電的故障定位研究

故障定位是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的重要功能，尤其對(duì)實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)自動(dòng)控制與保護(hù)更為重要。 當(dāng)線路的某位置發(fā)生故障，如果不進(jìn)行故障定位，位于變電站的出口斷路器就會(huì)跳閘， 整條線路所帶的負(fù)荷全部停電，將極大地影響供電的可靠性。 同時(shí)全線停電給故障的排查造成了很大的難度，巡線人員不得不巡視線路的每一處， 不僅耗費(fèi)大量人力物力，而且延長(zhǎng)了停電時(shí)間。 采用故障定位技術(shù)，可以準(zhǔn)確確定故障區(qū)段并完成隔離工作（圖4），具有重大意義。

圖4 直流電網(wǎng)故障定位原理

4.1 傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障定位方法簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)故障定位技術(shù)主要包括距離法、行波法、基于重合器和分段器的方法、信號(hào)注入法及廣域通信法等［34］。

距離法和行波法一般應(yīng)用于輸電線路的故障定位。

距離法又稱為阻抗法，其原理是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，利用測(cè)量點(diǎn)處的電壓、電流推算等效阻抗，進(jìn)而得到故障距離，但受過(guò)渡電阻、線路分支等因素的影響，阻抗法的定位結(jié)果中易出現(xiàn)“偽”故障點(diǎn)。

行波法故障定位的原理是根據(jù)測(cè)量點(diǎn)處故障電壓和電流行波的傳播時(shí)間確定故障位置；但在配電網(wǎng)中，線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且分支多，當(dāng)在多個(gè)位置安裝行波保護(hù)設(shè)備時(shí)，不僅成本增加，而且由于難以實(shí)現(xiàn)多源信息的精確同步，故障的定位精度一般。

配電網(wǎng)系統(tǒng)中的重合器和分段器定位方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要通信，但重合器定位劃分的區(qū)域少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)將故障隔離在較小范圍內(nèi)，而分段器定位和隔離的時(shí)間較長(zhǎng)，且必須依賴于二次重合閘。

信號(hào)注入法的基本原理是在故障線路的首端注入特征信號(hào)，利用特征信號(hào)的反射時(shí)間來(lái)判斷故障的位置。 根據(jù)注入信號(hào)的性質(zhì)，可分為交流法、直流法和脈沖法。 線路分布電容、故障距離、過(guò)渡電阻值等因素對(duì)交流法的定位結(jié)果影響大；直流法和脈沖法需要重復(fù)多次注入信號(hào)和檢測(cè)，致使定位效率低、可靠性差，并對(duì)系統(tǒng)中正常運(yùn)行的一次設(shè)備產(chǎn)生干擾。

4.2 柔性直流輸電的故障定位

對(duì)于柔性直流系統(tǒng)故障定位的研究雖然是當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題，但暫無(wú)成熟的理論體系和技術(shù)方法。

行波法分為單端測(cè)距法和雙端測(cè)距法，多用于長(zhǎng)距離高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的故障定位，采樣頻率一般在500 kHz 以上。 單端測(cè)距法是根據(jù)行波在故障發(fā)生點(diǎn)與邊界間的折反射原理，利用測(cè)量點(diǎn)處兩次行波到達(dá)的時(shí)間差推算故障發(fā)生位置，二次行波波頭的捕捉是該技術(shù)的難點(diǎn)，其定位結(jié)果易受過(guò)渡電阻和線路分布電容的影響。 雙端測(cè)距法則是根據(jù)兩側(cè)測(cè)量點(diǎn)初始行波到達(dá)的時(shí)間差推算故障發(fā)生位置，時(shí)間同步是該技術(shù)的難點(diǎn)［38，39］。 根據(jù)行波定位法的原理衍生出的自然頻率法目前也被用于直流電力系統(tǒng)的故障定位，但其結(jié)果受過(guò)渡電阻和線路分布電容的影響也較大［40］。 考慮到電流差動(dòng)保護(hù)具有良好的選擇性，而且能夠靈敏、 快速地識(shí)別區(qū)內(nèi)故障的特點(diǎn)，文獻(xiàn)［41］提出融合行波保護(hù)和電流差動(dòng)保護(hù)方案，對(duì)行波是很好的補(bǔ)充和后備。

針對(duì)短距離柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)的故障定位問(wèn)題，多采用基于暫態(tài)量反演的推算方法。 定位原理是首先計(jì)算得到線路中電壓和電流的暫態(tài)量分布，根據(jù)故障點(diǎn)處過(guò)渡電阻的阻抗角最小和電壓最低原則，推算故障點(diǎn)的位置。 該方法對(duì)線路建模準(zhǔn)確性的要求較高，同時(shí)對(duì)線路故障后交流側(cè)注入的短路電流比較敏感［42，43］。 為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)［44］提出一種基于小波分解和時(shí)間反轉(zhuǎn)的故障定位方法，對(duì)柔性直流輸電線路兩端的故障電流進(jìn)行小波分解，提取有效信息后將暫態(tài)量以時(shí)間軸為鏡像反轉(zhuǎn)，再利用反轉(zhuǎn)后的電流計(jì)算得到故障點(diǎn)，結(jié)果表明過(guò)渡電阻和故障類型對(duì)該方法定位準(zhǔn)確性的影響較小。 為解決低頻采樣條件下柔性直流電網(wǎng)故障定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，文獻(xiàn)［45］提出一種基于電流突變量以確定故障位置的方法。 文獻(xiàn)［46］利用二階網(wǎng)絡(luò)的零輸入響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了直流電網(wǎng)極間短路和單極接地故障的快速定位。

柔性直流輸電系統(tǒng)中， 除了線路故障定位，換流器的故障定位也是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。 目前在換流器內(nèi)部故障定位的研究方面，有兩類問(wèn)題尚未解決：一是現(xiàn)有的定位方法利用的是故障發(fā)生后的穩(wěn)態(tài)電氣量，并未計(jì)及故障電氣量在保護(hù)的作用下快速變化或已被清除的可能性，由此導(dǎo)致定位結(jié)果的可靠性不高；二是未能考慮換流器區(qū)外故障對(duì)區(qū)內(nèi)保護(hù)的影響［47］。

針對(duì)現(xiàn)有直流電力系統(tǒng)故障定位方法存在閾值選取困難、對(duì)高阻故障接地靈敏性低、故障選極、 功能不完善且檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等技術(shù)問(wèn)題，近年來(lái)又出現(xiàn)了依據(jù)人工智能算法的故障定位技術(shù)，利用狀態(tài)逼近和優(yōu)化理論對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和判別，研究結(jié)果表明此類方法的通用性和容錯(cuò)性較好。 文獻(xiàn)［48］根據(jù)配電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)和故障后的電氣量信息形成狀態(tài)評(píng)價(jià)函數(shù)，利用尋優(yōu)算法定位故障點(diǎn)， 但該方法在進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算時(shí)，存在計(jì)算效率低的問(wèn)題。 基于相同的思路，文獻(xiàn)［49］采用蟻群算法對(duì)上述評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)求解，增強(qiáng)了算法的魯棒性，但仍存在收斂速度慢和易陷入局部最優(yōu)解的問(wèn)題。 文獻(xiàn)［50］提出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）的柔性直流電網(wǎng)架空線的快速故障定位方法，該方法采用快速傅里葉變換分析暫態(tài)電壓的頻率特性以及小波變換和相模變換提取故障特征量，根據(jù)ANN 的輸出結(jié)果實(shí)現(xiàn)母線與線路的故障定位。 筆者在文獻(xiàn)［51］中提出一種基于電流、電流變化率等特征的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)時(shí)故障定位方法，該保護(hù)方案可以有效、準(zhǔn)確、快速地定位故障，并利用直流斷路器和反時(shí)限過(guò)流保護(hù)隔離故障區(qū)域， 有利于提高直流電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。針對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單次判斷結(jié)果存在隨機(jī)性的問(wèn)題， 相關(guān)學(xué)者又對(duì)簡(jiǎn)單的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了改進(jìn)，文獻(xiàn)［52］中提出融合D-S 證據(jù)融合理論的直流電網(wǎng)故障定位與診斷方法， 顯著改進(jìn)了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類結(jié)果的波動(dòng)性，根據(jù)仿真結(jié)果，其最快故障檢測(cè)速度達(dá)到0.3 ms。 目前，基于人工智能算法的故障定位技術(shù)最顯著的問(wèn)題是數(shù)據(jù)量過(guò)大，在線計(jì)算的實(shí)時(shí)性制約了其應(yīng)用。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)柔性直流輸電中的故障分析及保護(hù)策略這一研究熱點(diǎn)，筆者系統(tǒng)地分析了繼電保護(hù)要求、故障類型、建模方法、保護(hù)方案積極故障定位等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，得出以下結(jié)論：

a. 柔性直流輸電技術(shù)對(duì)保護(hù)的可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性要求高，由于電路形式和系統(tǒng)特性發(fā)生較大變化，現(xiàn)有的成熟的交流繼電保護(hù)方案在直流并電網(wǎng)中不完全適用，同時(shí)交直流混合技術(shù)將大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，因此后續(xù)的研究中，應(yīng)注重交直流保護(hù)技術(shù)的融合發(fā)展。

b. 單極接地故障是柔性直流電網(wǎng)中最常見(jiàn)的故障，極間短路故障是VSC 型直流電網(wǎng)中最嚴(yán)重的故障，由于換流器的模型具有高度非線性的特點(diǎn)， 無(wú)法求得直流故障暫態(tài)過(guò)程的解析解，目前的處理方法是在特定條件下對(duì)電路做線性化處理，模型等效性一般。 針對(duì)這一難題，在后續(xù)研究中，可嘗試轉(zhuǎn)變研究思路，由建模的思想轉(zhuǎn)變?yōu)榉治龉收蠑?shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中尋求故障特征。

c. 目前柔性直流輸電中的故障保護(hù)方法較多，但對(duì)于每種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)尚無(wú)同時(shí)滿足“四性”要求的理想保護(hù)方法；后續(xù)研究中，可嘗試多種方案構(gòu)成主保護(hù)并與后備保護(hù)進(jìn)行時(shí)間和整定值配合，形成較完善的直流電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方案。

d. 隨著大數(shù)據(jù)和人工智能算法的快速發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障定位方法必將在柔性直流輸電的故障定位和保護(hù)中發(fā)揮重要作用，但目前該方法僅停留在仿真階段；后續(xù)研究中，可嘗試將基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的定位方法在實(shí)際直流電網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此算法的實(shí)時(shí)性、可靠性等問(wèn)題值得深入研究。