基于鲁棒小波变换的末段低压直流系统高阻抗与电弧故障后备保护

《Protection and Control of Modern Power Systems》：Robust Wavelet-Based Backup Protection for Detecting High-Impedance and ARC Faults in Last-Mile LVDC Systems

　　

摘要：低压直流系统中的保护挑战是常见问题，尤其是在涉及高阻抗故障和电弧故障的场景中。这些故障可能升级为闪络，并伴随电流畸变，从而对设备造成严重损坏。为解决这些问题，本文提出了一种基于离散小波变换（Discrete Wavelet Transform, DWT）的后备保护方案，用于可靠检测和分类配电线路中的此类故障。由于故障状态与阻性负载的电流幅值相似，区分二者具有挑战性，所提方法引入了一种向电力线路注入方波脉冲的技术。这种主动方法有效区分了上述情况，从而防止误跳闸。所提出的独立方法可轻松集成到现有智能电子设备中，以增强传统的基于电流的保护方法。该算法生成表示正极和负极电流波形畸变幅度的二进制信号。通过解码器分析这些信号，可准确识别系统状态，并在必要时触发保护动作。这确保了在具有挑战性的故障条件下仍能提供稳健保护并持续供电。

论文解读：基于鲁棒小波变换的末段低压直流系统高阻抗与电弧故障后备保护

一、研究背景与问题

随着逆变器接口分布式电源（Inverter-Interfaced Distributed Generators, IIDGs）在传统交流配电网中的渗透率不断提高，低压直流（Low-Voltage Direct Current, LVDC）系统因其传输损耗低、峰值电压低、消除相角约束以及能量转换效率高等优势，正逐渐成为现代配电应用中的新兴替代方案。然而，LVDC系统的保护面临独特挑战：与交流故障在电流过零点自然熄灭不同，直流故障缺乏这一固有机制，导致故障电流持续存在并增加电弧风险；此外，故障期间电容放电产生的暂态过程远快于阻抗限制的交流故障电流，显著缩短了可用的保护时间裕度；同时，缺乏相位参考使得传统方向保护技术无法应用。因此，开发新型方法对于LVDC系统中故障的快速可靠检测、定位和隔离至关重要。

在关键保护问题中，高阻抗故障（High-Impedance Faults, HIFs）尤为棘手。植被接触等因素可能升级为电弧或火灾。在LVDC系统中检测HIFs具有挑战性，因为其电压和电流变化极小，类似于负荷增加。大多数研究仅限于故障电阻低于50 Ω的情况，少数研究探索了更高范围。尽管近期研究采用了神经网络或小波去噪方法，但大多数集中在交流系统。此外，串联电弧故障也构成重大风险。与交流电弧在电流过零时自然熄灭不同，直流电弧缺乏此机制，从而增加火灾隐患。串联电弧以低电流幅值为特征，难以检测。尽管HIFs和串联电弧故障均表现为低电流事件，但其危害和所需的后续行动不同：HIFs构成电击风险，需要线路巡检以定位外部损坏；而串联电弧则造成火灾隐患，需要检查端子和接线盒。因此，区分两者对于正确维护和安全处理至关重要。为每种故障类型部署专用设备可能引入额外的系统复杂性、保护盲区和成本增加，尤其是在缺乏标准的LVDC电网中。

二、研究内容与意义

针对上述问题，研究人员提出了一种统一的保护框架，用于检测HIFs和串联电弧故障，同时区分HIFs与阻性负荷增加之间的幅值模糊性。研究开发了一种主动方波脉冲注入机制，通过引入受控扰动来解决这一模糊性；同时采用基于小波的处理方法来滤除周期性开关噪声以实现可靠检测，并利用时频定位来隔离电弧的宽带非周期畸变特征。这即使在由多个变流器引起的噪声LVDC配电系统中也能基于不同故障特征实现判别性识别。

该研究的主要创新和贡献包括：提供了处理HIF和串联电弧检测的统一后备保护框架，消除了复杂、碎片化的设备配置；提供了与硬件无关的算法解决方案，可直接在现有数字继电器上实现以立即扩展检测范围；与现有研究侧重主保护不同，该方案专门针对具有确定性动作时间的后备保护，确保可靠协调；通过硬件在环仿真（Hardware-In-the-Loop Simulation, HILS）展示了其对稀疏数据和电网噪声的鲁棒性，证明了即使在数据完整性受损时的实际适用性。该论文发表在《Protection and Control of Modern Power Systems》。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下几个主要关键技术方法：离散小波变换（DWT）及多分辨率分析（Multi-Resolution Analysis, MRA），通过滤波器组实现信号分解以分离故障暂态与稳态噪声；方波脉冲注入技术，通过向负极注入受控电流脉冲以区分HIFs与重负荷连接；基于经典Cassie电弧模型的串联直流电弧建模；阈值比较与二进制解码器系统，将DWT系数转换为二进制信号以分类系统状态；以及通过PSCAD/EMTDC仿真和硬件在环仿真（HILS）进行验证。研究基于韩国LVDC示范项目的末段LVDC配电网络建模。

四、研究结果

A. 正交性测试与参数选择： 通过迭代设计过程，研究人员确定Db8小波作为母小波函数（Mother Wavelet Function, MWF），D₂作为检测指标。在评估区间内，D₂的最大误差为0.0062，严格满足ε=0.01的阈值标准。Db8小波（N=8）对多项式类开关纹波提供强正交性，有效抑制背景噪声。D₂频带（1.25-2.5 kHz）移除了2.5-5 kHz范围内的主导纹波噪声，使得故障相关分量能够更清晰地被观测。

B. 重负荷注入： 将负荷L5的功率需求从5 kW增加到20 kW以验证所提方法在重负荷条件下的性能。在实际负荷注入前，于0.5 s向负极注入幅值为1 A、持续时间为0.02 s的方波电流脉冲。结果显示，正极的周期性积分D₂保持为零，而负极在0.51 s和0.53 s分别达到10.16 A和10.26 A的峰值。在T_crit1设为10的情况下，解码器输出为正极00000、负极01010，其中两个“1”出现在0.51 s和0.53 s，间隔为0.01 s。该模式能够准确识别重负荷状态，并通过在0.1 s内阻断跳闸信号来防止误动作。额外的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）分析显示，在0.05 s至0.5 s的分析区间内，最小SNR为47.9 dB，平均为67.5 dB，确认了所提方法对系统动态和开关噪声的鲁棒性能。

C. HIF检测： 通过向负极注入方波电流脉冲，利用正负极在时域上的不对称响应来区分HIFs与负荷增加。在极对极（Pole-to-Pole, PP）HIF情况下，仅在负荷注入后才观察到响应；在极对地（Pole-to-Ground, PG）HIF情况下，电流变化仅出现在故障极。通过分析DWT细节系数的非零区域模式，可可靠检测HIFs并将其与负荷启动序列区分开来。

D. 串联电弧故障检测： 基于经典电弧模型，串联电弧故障发生后，细节系数在短时间内呈现非零值，其持续存在可作为电弧故障存在和持续性的指标。检测标准为：若细节系数非零持续时间超过预定阈值，则判定存在电弧故障。这种连续非零区域反映了电流波形的持续变化。

五、讨论与结论

研究讨论指出，所提出的分类方案可在3/f_i时间内通过检测特征二进制模式来识别故障状态，例如负极解码器2中的010模式用于HIFs，正极解码器1中的111模式用于电弧故障。该方案作为后备保护，与现有基于电流的保护继电器并行运行，通过利用电流互感器变比的优势，解决了DWT保护作为LVDC系统主保护时因线路短和直流母线电容放电电流导致的极快故障响应问题。

研究结论表明，所提出的基于离散小波变换的后备保护方案能够统一检测和分类LVDC系统中的HIFs和串联电弧故障，同时有效区分HIFs与阻性负荷增加。通过方波脉冲注入主动方法解决了故障状态与阻性负荷之间电流幅值相似的模糊性问题，防止了误跳闸。该独立方案可轻松集成到现有智能电子设备中，增强传统基于电流的保护方法。通过生成表示正负极电流波形畸变幅度的二进制信号并利用解码器分析，系统状态得以准确识别，确保在具有挑战性的故障条件下仍能提供稳健保护并持续供电。硬件在环仿真验证了该方法在实际应用中的可行性，即使在数据完整性受损时也表现出鲁棒性。