基于Teager瞬时电流特征的直流配电网单极接地故障保护方法

《Energies》：Single-Pole Grounding Fault Protection Method for DC Distribution Networks Based on Instantaneous Feature

　　

采用小电流接地方式的直流配电网具有较高的供电可靠性。然而，当馈线发生单极接地故障时，故障电流特征不明显，准确的故障识别和馈线保护较为困难。长期带故障运行可能导致绝缘损伤，进而引发极间短路故障，使事故扩大。因此，为系统配置可靠、快速的馈线保护至关重要。研究人员分析了基于两电平电压源换流器（VSC）的直流配电系统在单极接地故障下的故障电流，阐明了馈线暂态电流与线路对地电容电流之间的关系，并进一步研究了故障暂态电流和基于Teager的信号特征的变化规律。在此基础上，提出了一种利用Teager瞬时电流特征的单极接地故障保护方法。采用Teager能量算子提取各馈线的瞬时电流特征，并利用故障极与非故障极之间的无量纲特征比值构造保护判据，以识别故障馈线。使用MATLAB/Simulink搭建了直流配电网仿真模型。仿真结果表明，所提保护方法能够适应不同线路故障、故障位置、故障电阻及噪声等多种场景，并表现出良好的性能。

一、研究背景与意义

直流系统可直接接入分布式电源、储能系统和直流负荷，减少交直流变换环节，降低损耗并提高供电能力，是城市配电网发展的重要方向，也是支撑“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。小电流接地方式在发生单极接地故障时不会造成严重过流，可短时带故障运行，供电可靠性高；但单极接地故障是直流配电系统中最常见的故障类型，其故障电流特征不明显，长期运行可能造成绝缘损伤，甚至发展为极间短路故障。现有保护方法主要包括单端量法、双端/多端纵联比较法、边界元件特征法和智能算法法，分别存在拓扑适应性有限、依赖通信、受直流电抗器参数影响大或难以满足快速性要求等问题。针对上述问题，研究人员以两电平VSC直流配电系统为对象，分析了单极接地故障电流，建立馈线暂态电流与线路对地电容电流的关系，提出了基于Teager能量算子（TEO）瞬时电流特征的单极接地故障保护方法，并在MATLAB/Simulink中建立仿真模型进行验证。该研究对提高直流配电网故障快速识别能力、防止故障升级具有重要意义。

二、关键技术方法

本研究无临床样本队列，采用仿真建模验证。主要关键技术方法包括：(1)理论推导单极接地故障下正负极线路对地电容电流与故障电流的关系；(2)采用Teager能量算子提取电流暂态瞬时特征，利用后向差分离散化并逐点计算；(3)以故障前5 ms电流值相减提取故障分量，采样率10 kHz；(4)构造正负极TEO特征无量纲比值判据，并设定阈值K_set=20识别故障馈线；(5)基于MATLAB/Simulink建立两电平VSC直流配电网模型，覆盖不同故障线路、位置、过渡电阻和噪声场景。

三、研究结果

4.1 不同线路故障的仿真分析

在不同馈线正极设置金属性单极接地故障。故障前TEO特征值接近零，故障瞬间出现明显突变，故障线路故障极的TEO特征值最大，其他线路TEO特征值较低；故障线路的正负极TEO特征比值显著大于非故障线路，依据K_set=20可准确识别故障馈线。

4.2 不同过渡电阻下的仿真分析

在过渡电阻为50 Ω和100 Ω条件下施加单极接地故障。过渡电阻会改变暂态故障电流和TEO特征值，但故障线路与非故障线路之间的正负极TEO特征比值仍保持明显差异，保护方法均能正确识别故障线路。

4.3 不同故障位置的仿真分析

将过渡电阻设为0.1 Ω，在线路不同位置设置故障。结果表明，不同故障位置下TEO特征比值仍满足保护判据，保护方法能够正确识别故障线路。

4.4 噪声的影响

在线路电流中叠加信噪比（SNR）为40 dB的噪声后，保护方法仍能正确识别故障线路，并对过渡电阻保持较好的耐受能力，说明该方法具有一定抗噪声性能。

4.5 方法对比

与基于有效值（RMS）的保护方法和传统暂态特征保护方法相比，所提方法检测时间在数毫秒内，识别准确率高，对中低过渡电阻故障和噪声工况适应性较好，算法计算量低，有利于实时保护硬件实现；但在故障电阻极高、暂态特征极弱时，检测性能会下降。

四、讨论与结论

讨论部分进一步在不同过渡电阻、测量噪声强度、中性点接地电阻和线路参数配置下开展仿真测试。结果表明，随着故障电阻增大，暂态幅值下降，但TEO特征比值仍可区分故障线路；不同噪声水平下，阈值K_set仍能防止误动；不同中性点接地电阻和线路参数下，无量纲特征比值判据均保持有效。K_set过小可能在噪声和负荷暂态下误动，过大则可能漏检高阻故障，在本系统中取20可在抗干扰能力与故障检测灵敏度之间取得平衡，实际工程中可根据线路长度和分布电容等参数调整。

研究结论可概括为：为应对小电流接地直流配电网单极接地故障特征不明显、故障识别困难的问题，研究人员提出了基于暂态电流特征的保护方法，利用Teager能量算子提取TEO特征值进行故障判别。研究建立了故障电流与馈线电容电流的本质关系：故障线路故障极的电流变化量等于其非故障极电容电流与所有非故障线路电容电流之和；故障线路非故障极以及非故障线路的电流变化量仅等于自身极电容电流。所提方法在故障发生时，故障极暂态电流的TEO特征值最大，非故障线路相对较小；基于正负极TEO特征比值显著大于非故障线路的特性构造保护判据。不同故障位置、过渡电阻和噪声等多种工况下的仿真验证表明，该方法适应性强，能够可靠识别故障线路。未来研究将探索将TEO特征保护框架扩展至交流配电网，但直接应用于原始交流正弦信号存在固有局限，有待进一步研究。