基于换流器接口分布式电源(CIDG)主动谐波注入的小电流接地系统(SCGS)故障选线方法

《CSEE Journal of Power and Energy Systems》：Faulted Feeder Selection Based on Active Harmonic Injection of CIDGs for Small Current Grounding System

　　

当小电流接地系统(SCGS, Small Current Grounding System)发生单相接地(SLG, Single-Line Grounding)故障时，微弱的故障特征给故障馈线选择(FFS, Faulted Feeder Selection)带来挑战。为提高FFS可靠性，提出一种基于换流器接口分布式电源(CIDG, Converter Interfaced Distributed Generator)谐波主动注入的新FFS方法。首先，通过分析CIDG主动注入的谐波电流在系统中的分布规律与衰减特性，选取满足FFS需求的主动注入特征谐波电流信号，进而设计基于CIDG主动控制的特性谐波电流信号注入方法。在此基础上，提出一种基于谐波电流幅相(Amplitude-Phase)关系的FFS方法，使该方法同时满足故障选线与故障相识别要求。PSCAD/EMTDC仿真分析验证了所提方法相比现有方法的有效性与优越性。

论文解读：《基于换流器接口分布式电源(CIDG)主动谐波注入的小电流接地系统(SCGS)故障选线方法》发表于《CSEE Journal of Power and Energy Systems》

一、研究背景与意义

中国3~66 kV配电网多采用小电流接地系统(SCGS)，发生单相接地(SLG)后可继续运行1~2 h，但若不能正确识别并清除故障，持续故障电流危及设备与人身安全。传统被动式故障选线(FFS)依赖系统固有稳态或暂态故障特征，受消弧线圈过补偿及故障电阻影响大，高阻接地时特征微弱易误判；现有主动式FFS多需额外注信装置（如经PT或中性点注信），需多机通信协调且受PT容量限制，未考虑注入谐波电压影响及滤波器对谐波的衰减，且注入信号强度受PWM调制度制约。随着光伏(PV)、永磁同步风机(PMSG)、储能(BESS)等换流器接口分布式电源(CIDG)在配电网渗透率提高，利用既有CIDG主动注入特征谐波以强化故障特征成为可能。本文旨在利用系统内已有CIDG在不增设硬件前提下实现高可靠FFS及故障相识别。

二、主要关键技术方法

研究人员建立典型SCGS含高比例CIDG的等效模型，分析单相接地时注入谐波在各馈线首端的分布特性与衰减规律，量化频率对注入谐波强度的影响后选定4次谐波(200 Hz)为特征信号；设计CIDG网侧跟随(GFL)控制架构下的分相注入模块、正常/故障切换控制模块（以公共耦合点(PCC)零序电压超0.1 p.u.为启动判据，带0.5 s延时防误动）、谐波相位一致性模块（仅取本地信息使多CIDG注入谐波同相）及谐波提取器模块（双旋转坐标系解耦消除注入谐波电压对锁相环(PLL)影响）；基于故障线与健全线谐波电流幅相差异构造选线判据，先后启动A相与B相分相注入完成故障馈线与故障相识别；在PSCAD/EMTDC中搭建10 kV SCGS模型（基准10 MVA，采样8 kHz，Bergeron线路模型，Petersen线圈过补偿10 %），设置不同故障位置、故障相(A/B/C)、接地电阻(0 Ω~10 kΩ)开展仿真验证并与传统被动FFS及中性点主动注信法对比。

三、研究结果

SECTION II. Analysis of SLG Characteristics in SCGS

研究人员分析了SCGS在SLG时因Petersen线圈过补偿及对地电容对工频呈高电抗导致故障特征微弱的原因。通过建立含Dyn11升压变的CIDG并网SCGS模型，推导CIDG单谐波相经Δ/ Y变换后在高压侧的传输关系，得出故障线与健全线注入谐波电流流向相反——健全线谐波由馈线流向母线，故障线由母线经接地点流向线路，且故障线谐波相位超前注入参考相位(位于第Ⅰ象限，相位差α∈(0°,90°))，健全线位于第Ⅲ、Ⅳ象限；进一步量化CIDG出口低通滤波器对高频谐波衰减影响，综合避开3及6倍频（Δ接法不能注入）与背景奇次谐波，选定200 Hz（4次谐波，f_h=200 Hz）为特征注入频率。

SECTION III. Active Harmonic Injection Control Method of CIDGs

研究人员在GFL-CIDG双闭环控制基础上叠加谐波dq参考给定实现三相输出含指定频次谐波；通过系数矩阵C_m实现A/B/C分相单独注入（如仅A相注入）；正常时CIDG按PQ控制运行不注入谐波，当PCC处零序电压U₀≥0.1 p.u.持续0.5 s后触发E_Nh=1启动注入；为避免多CIDG因PCC电压相角不同导致注入谐波不同步，以注入启动时刻为基准提取各CIDG本地U_PCC相位作相位一致性校正，使所有CIDG注入谐波同相位且不依赖机组间通信；设计正序基波与正序4次谐波双旋转坐标系谐波提取器，从U_PCC中解耦提取纯基波分量反馈至PLL前馈以消除注入谐波电压引起PLL角速度波动对电流解耦控制的影响；注入谐波电流幅值取min(I_max-I₅₀, 0.2I_N)以保证总电流≤1.2I_N且特征足够强。

SECTION IV. Faulted Feeder Selection Method

研究人员定义选线判据S_jx=1当k_rel·α_set<α_j<π/2（k_rel=1.05，α_set取负载阻抗角），否则S=0；先启动A相注入记录各馈线S_jA，再启动B相注入记录S_jB，两次结果求和比对特征组合表判定故障馈线号及故障相（A相故障A相注入时有响应B相无；B相故障A相无响应B相有；C相同理A相有响应）。整套流程在检测到零序电压越限→0.5 s确认延时→A相注入0.1 s采样→B相注入0.1 s采样→幅相判据计算→输出结果与故障相。

SECTION V. Case Studies

案例1（馈线2 A相金属接地R_g=0 Ω）：故障线谐波幅值最大且相位超前注入参考位于第Ⅰ象限，健全线滞后位于Ⅲ/Ⅳ象限，判据正确识别馈线2 A相故障。

案例2（馈线2 B相金属接地R_g=0 Ω）：A相注入时无响应(S_jA全0)，B相注入时故障线S_2B=1其余为0，结合两次结果判定馈线2 B相故障。

案例3（馈线2 A相高阻接地R_g=1 kΩ）：故障线谐波幅值下降但仍处动作区(α∈(α_set,90°))，健全线仍在外，判据正确识别。

案例4（对比传统零序功率方向法，过补偿ν=10%，R_g=0/1 kΩ）：传统法因消弧线圈过补偿致方向相同且高阻时间幅过小无法判别；本文方法不受消弧线圈影响正确选线。

案例5（对比中性点3次零序主动注入法，R_g渐增至10 kΩ）：现有法R_g≥8 kΩ时分布系数λ误判；本文方法R_g达10 kΩ时故障线谐波相位始终在动作区，健全线不在，正确选线且耐受高阻能力提升至10 kΩ。

SECTION VI. Conclusion & Future Study

研究人员得出结论：(1)设计CIDG主动控制实现系统内既有CIDG注入4次(200 Hz)特征谐波，构建基于注入谐波幅相关系的FFS判据；(2)CIDG控制含分相注入、仅依赖本地信息的相位一致性模块和谐波提取模块，克服多CIDG通信延迟导致谐波不同步问题，同时实现故障选线与故障相识别；(3)量化CIDG出口滤波器衰减影响并结合负载阻抗与SCGS拓扑选定4次谐波为注入信号；(4)PSCAD仿真表明该方法较现有主动FFS将高阻接地容忍度由8 kΩ提升至10 kΩ，在不同故障场景具更高可靠性。未来需进一步研究复杂网络拓扑、非线性故障及实验验证。

四、结论翻译

小电流接地系统(SCGS)中弱故障特征影响故障选线(FFS)可靠性。为提高FFS可靠性，本文提出一种基于换流器接口分布式电源(CIDG)谐波主动注入的主动FFS方法，主要创新如下：(1)设计CIDG主动控制方法使系统内既有CIDG注入FFS所需特征谐波信号，并构建基于注入谐波信号幅相关系的FFS判据；(2)CIDG主动控制包含分相注入模块、相位一致性模块和谐波提取模块，克服多CIDG因通信延迟致谐波信号异步注入引起的混叠问题，可同时实现故障选线与故障相选；(3)定量分析CIDG出口滤波器对谐波电流的衰减效应，结合负载等效阻抗及SCGS拓扑对谐波电流分布与提取的影响，选取4次谐波电流作为CIDG主动注入的特征信号；(4)仿真结果表明，与现有方法相比本文方法提高了不同场景下FFS准确性，将故障电阻耐受能力由8 kΩ提升至10 kΩ，具更优可靠性。未来需在更复杂网络拓扑配置、含非线性故障等复杂故障场景及实验测试方面开展进一步研究。