基于电流暂态能量率比的多端柔性直流电网故障检测方法

《International Transactions on Electrical Energy Systems》：A Fault Detection Method for Multiterminal Flexible DC Grids Based on Current Transient Energy Rate Ratio

　　

针对过渡电阻、直流电抗器及噪声干扰导致多端柔性直流电网故障暂态特征微弱、传统单电气量检测方法失效的问题，研究人员提出了一种基于电流暂态能量率比的柔性直流输电系统故障识别方案。研究首先从暂态能量视角剖析能量释放源分布，对比不同故障类型的暂态能量特征，推导故障电流解析表达式；其次引入虚拟接地点简化故障后等效电路，分析故障特征以实现区内外故障判别；在此基础上提出电流暂态能量率比概念，构建双端非同步保护策略；同时采用Savitzky–Golay滤波对换流器出口处电流互感器(CT)与电压互感器(PT)采集的电压、电流信号进行去噪处理，有效抑制白噪声干扰并避免误检。PSCAD/EMTDC仿真在四端系统中验证了该方法的有效性，在10 kHz采样频率下可实现1 ms内的快速精准故障识别，并从多维度分析了保护性能。

该研究针对多端柔性直流电网在高阻故障与长线路衰减效应下暂态特征不明显、现有保护方法可靠性不足的问题，以模块化多电平换流器(MMC)为核心研究对象，在《International Transactions on Electrical Energy Systems》发表了相关成果。研究人员首先揭示了故障后系统暂态能量的时空分布规律，发现子模块电容放电是直流侧短路电流突增的主因，交流侧则承担稳定直流电流的支撑作用；进一步通过引入虚拟接地点简化故障等效电路，明确了双极短路时正负极电流变化率相反、单极接地时故障极暂态能量绝对值更高的差异化特征。基于此提出的电流暂态能量率比判据，融合了电流变化率与暂态能量的双重特征，仅需换流器出口处CT与PT的采集数据即可实现保护，无需额外加装检测装置。研究人员采用Savitzky–Golay滤波对原始信号进行预处理，该滤波基于时域局部多项式回归，无需复杂域变换，计算轻量且能保留峰值等瞬态特征，有效解决了传统小波滤波易丢失暂态信息的问题。在张北四端柔性直流电网的PSCAD/EMTDC仿真中，该方法在10 kHz采样频率下可实现1 ms内故障识别，耐受过渡电阻达500 Ω（单极接地故障）与60 Ω（双极短路故障），且在20 dB强噪声干扰下仍能可靠动作，相比同类方法兼具高耐受性与低计算耗时优势。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：1. 暂态能量时空分布特性分析，基于MMC-HVDC系统的能量交换机理推导故障电流解析表达式；2. 虚拟接地点等效建模方法，简化故障后电路拓扑以区分区内外故障特征；3. 电流暂态能量率比双端异步保护策略构建；4. Savitzky–Golay时域滤波预处理技术，抑制噪声并保留瞬态特征；5. 基于张北四端工程参数的PSCAD/EMTDC仿真验证体系。

研究结果如下：

1. 2.
   MMC-HVDC暂态能量分析
   研究人员通过分析暂态能量来源与占比，明确双极短路故障时子模块电容能量贡献升至48%，成为主导能量源，交流侧与相邻线路能量分别降至39%与13%；推导得到包含子模块电容放电分量与交流侧稳态分量的故障电流解析表达式，仿真值与计算值吻合，验证了模型的准确性。
2. 3.
   多端柔性直流电网直流侧故障表征
   3.1 多端柔性直流输电系统拓扑
   以四端MMC-HVDC系统为研究对象，换流器出口配置直流电抗器与中点接地分压电容，通过CT与PT采集电压电流数据。
   3.2 双极短路故障(BPF)表征
   引入虚拟接地点将过渡电阻均分为两部分，分析得到故障后正负极电压幅值相等、方向相反，电流暂态能量率λ_p为正、λ_n为负，两极特征相反。
   3.3 单极接地故障表征
   正极性接地故障时，正极电流大于负极电流，正、负极电流暂态能量率均为正值，且λ_p显著大于λ_n；负极性接地故障特征与之相反。
3. 4.
   多端柔性直流输电系统保护原理
   4.1 故障启动判据
   以电流变化率作为启动阈值（设为40 kA/s），结合Savitzky–Golay滤波预处理，有效抑制白噪声对启动判据的干扰。
   4.2 故障区域识别判据
   选取换流站出口各方向正负极λ值中绝对值最大的两个，其所在线路即为故障区域，实现故障快速定位。
   4.3 故障极选择判据
   定义单端电流暂态能量率比K=λ_p/λ_n，结合可靠系数K_rel=1.1实现故障极判别：双极短路时|K|≈1且λ_p>0、λ_n<0；正极性接地时K>1.1；负极性接地时K<1/1.1。
   4.4 故障检测流程
   通过实时采集电压电流、滤波预处理、启动判据触发、故障区域识别、故障极判别五个步骤完成全流程保护。
4. 5.
   仿真验证
   5.1 不同工况下故障选线效果验证
   在线路首、中、末端设置0.1 Ω、10 Ω、20 Ω过渡电阻的各类故障，均能准确识别区内故障，不受故障距离与过渡电阻影响。
   5.2 不同工况下故障选极效果验证
   在多种故障距离与过渡电阻组合下，均能精准判别故障类型，K值特征符合理论预期。
   5.3 过渡电阻耐受性验证
   可耐受双极短路故障过渡电阻60 Ω、单极接地故障过渡电阻500 Ω，K值仍保持明显区分度。
   5.4 噪声干扰耐受性验证
   在20 dB与30 dB高斯噪声下，仍能准确识别故障类型，未发生误判。
   5.5 双端模型测试
   在500 kV双端MMC-HVDC系统中复现上述性能，验证了方法的通用性与扩展性。
   5.6 与现有方法对比
   相比基于功率突变、电流变化率、电抗器电压特征的同类方法，该方法在噪声耐受性、过渡电阻耐受能力与计算速度上均有显著提升，仅需10 kHz采样频率即可实现1 ms内识别。
5. 6.
   结论
   研究人员提出的双端非同步故障检测方法，通过暂态能量分析与虚拟接地点等效建模，实现了故障特征的清晰区分；电流暂态能量率比融合电流与暂态能量双重特征，提升了故障识别的快速性与准确性；仅需在10 kHz采样频率下运行，可耐受500 Ω单极接地过渡电阻、60 Ω双极短路过渡电阻与20 dB噪声干扰，为高比例新能源接入下的多端柔性直流电网保护提供了可靠技术方案。