直流微電網故障檢測技術探究

王 迪，趙 轉，李星宇

（1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450000；2.河南中核五院研究設計有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

與交流微電網相比，直流微電網能夠更加可靠和高效地接納光、風等分布式可再生能源、電動汽車、儲能單元以及其他直流負荷。可靠性是直流微電網得以穩步發展的重要因素，提高直流微電網可靠性的關鍵在于做好直流微電網的故障保護，其中保護性能的優劣取決于故障檢測時間和保護裝置動作時間的長短。目前，雖然可以在微秒級切除短路電流的直流斷路器已經問世，但是直流微電網對故障的檢測時長還停留在毫秒級。因此，探究新型直流微電網故障檢測方法，縮短故障檢測時間，對直流微電網的安全穩定運行具有重要的意義。

陳強強等人采用集合經驗模態分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）的方法檢測故障，提高了故障檢測的精確度[1]；SALEH 等人借助行波反射的方法實現直流微電網的故障檢測，提高了檢測速度，但是該方法容易受到采樣頻率與噪聲的干擾[2]；文獻[3]借助變分模態分解（Variational Mode Decomposition，VMD）的方法檢測電流，檢測速度快，可以反映高阻抗故障，改善了檢測效果，但是檢測精度低[3]；文獻[4]借助希爾伯特黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）的方法實現直流微電網的故障檢測，但是該方法與行波反射法一樣，容易受到噪聲干擾[4]。

除時域故障檢測方法外，還有學者提出了基于穩態工頻量的故障檢測方法。SHAMSODDINI 等人借助故障電流和線路電感的關系設定閾值，人為在線路兩端增加線路電感，雖然降低了采樣頻率，但是增加了直流微電網的運行損耗[5,6]；張偉亮等人提出了基于母線變化率的差動保護方法，該方法雖然可以解決高阻抗故障時保護拒絕動作的問題，但是只適用于環形直流微電網，同時由于通信引入新的設備，增加了投資成本[7]；MEGHWANI 等人提出借助故障狀態下電流變化率的二階導數與一階導數，分別檢測高阻故障與短路故障，該方法雖然提高了檢測精度，但是增加了計算的難度[8]。

1 改進積差相關系數法

積差相關系數法是一種準確反映2 個隨機變量之間線性相關程度的方法。對于2 個變量x與y，通過試驗可以得到m組數據為(xi,yi)，且i=1,2,…,m，則這2 個變量的相關性的公式為

式中：r表示相關系數，其取值范圍為-1 ≤r≤1，|r|越逼近1，則x和y的線性相關度越高；x—、y—表示m個試驗數據的平均數值。

一般情況下，r的取值范圍為-1 ＜r＜1，x和y的相關度k可以用以下幾種情況表示：若|r|＜0.3，則表示x和y之間的相關度非常弱，可以看作非線性相關；若0.3 ≤|r|＜0.5，則為低相關度；若0.5 ≤|r|＜0.8，則為中相關度；若|r|≥0.8，則為高相關度。

FARSHAD 等人采用積差相關系數法實現直流電網的故障定位，但其選取的信號范圍受到了繼電保護裝置動作時間的影響，其使用的方法是以檢測到故障的時刻為起始時刻，以檢測到故障后的10 ms 為終止時刻[9]。顯然，以該方式選取信號范圍不合理。同時，由于積差相關系數法對絕對值不靈敏，如果出現電流大小不同但電流的變化率相同的情況時，那么相關度將會表現出高度相關性，有可能會引發保護裝置誤判故障位置。本研究在積差相關系數法的基礎上改進相關系數，并將改進后的積差相關系數用于直流微電網的故障檢測。

結合直流微電網的運行實際情況，積差相關系數法的計算公式為

式中：Mi表示采樣電流曲線中第i個采樣點的值；Ni表示參考電流曲線中第i個參考點的值；i和j表示自然數；n表示采樣電流曲線與參考電流曲線所對比的點的總數。

檢測直流微電網的故障時，文章對用來參與比較的電流曲線進行平均值處理。同時，為避免出現誤檢測的情況，文章在分析故障檢測的相關系數時，采用的是線路的累加值，穩態參考電流曲線與采樣電流曲線的第i個對比值的公式為

式中：Ic-j表示第j個參考線路電流；Is-j表示第j個采樣線路電流。

此外，文章引入了一個優化系數k來改進積差相關系數法，參數k的表達公式為

k的取值范圍為0 ≤r≤1。k越大，表示采樣電流與參考電流之間的相關性越高；反之，則相關性越低。優化后的積差相關系數公式為

值得注意的是，式（5）是故障檢測方法得以實現的基礎，借助式（5）可以精準反映參考電流與采樣電流之間的相關性。若相關系數的數值低于整定值，則認為直流微電網中發生了短路故障，完成準確、快速的故障檢測。

2 仿真驗證

為驗證文章所提方法的有效性，借助MATLAB的Simulink 仿真平臺搭建的直流微電網示意如圖1所示，直流微電網規模為400 V、20 kW。詳細的仿真參數：直流母線電壓為380 ～420 V；風機輸出功率、蓄電池輸出功率、光伏輸出功率分別為10 kW、5 kW、5 kW；電感值為1 mH、電容值為2 200 μF、電阻值為0.1 Ω；短路阻抗Rf為0.01 ～60 Ω。

圖1 直流微電網示意

為驗證文章所提方法具有更快、更準確的短路故障識別能力，計算過電流檢測、低電壓檢測及文章所提檢測方法的故障檢測時長。在0.01 s，突加負荷0.016 MW，負荷支路的電流為40 A；風機部分的功率輸出為0.01 MW，電流為25 A；光伏部分的功率輸出為0.005 MW，電流為12 A；儲能部分的功率輸出為0.001 MW，電流為25 A。在0.06 s，將短路故障加于負荷支路，短路阻抗為0.5 ?，仿真結果如圖2～圖4 所示。由圖2 可知，故障檢測采用的是低電壓檢測法，iL和uL分別為負荷支路的電流和電壓，故障時沖擊電流達到198 A，保護在故障發生后2 200 μs動作；由圖3 可知，故障檢測采用的是過電流檢測法，故障時沖擊電流iL達到75.8 A，保護在故障發生后430 μs 動作。由圖4 可知，故障檢測采用的是改進積差相關系數法，iL1和iL2為負荷支路兩端的電流。由圖4 可知，負荷支路在0.01 s 突加負荷和0.03 s 受到擾動時，保護均可靠不動作；0.06 s 故障時，沖擊電流只有48 A，保護在故障發生后142 μs 動作。

圖2 采用低電壓檢測時iL 和uL 的波形

圖3 采用過電流檢測時iL 的波形

圖4 采用改進積差相關系數法時負荷支路兩端的電流波形

分析低電壓、過電流故障檢測方法和文章提出的改進積差相關系數法的故障檢測方法的數值結果可知，文章提出的方法具有優勢：文章提出的改進積差相關系數法的故障檢測方法在故障檢測速度上快于低電壓故障檢測法和過電流故障檢測方法；同時降低了短路沖擊電流幅值，提高了直流微電網的穩定性；文章提出的直流微電網故障檢測方法的魯棒特性優于低電壓故障檢測法和過電流故障檢測方法。

因此，文章提出的改進積差相關系數法的故障檢測方法優于低電壓故障檢測法和過電流故障檢測方法。

3 結 論

進行直流微電網故障檢測時，為避免現有檢測方法常出現的誤檢測情況，文章在分析故障檢測的相關系數時，采用了線路電流的累加值。同時，文章通過引入優化系數改進了相關系數法，提出了一種新的直流微電網故障檢測方法。通過仿真驗證，文章提出的故障檢測方法可以實現快速故障檢測，抗干擾能力強，并且能夠降低短路沖擊電流的大小，保障直流微電網運行的穩定性。