- 头条学术简报｜柔性直流配电网高阻接地故障检测方法导语河南理工大学电气工程与自动化学院、西安交通大学电气工程学院、浙江省电力有限公司温州供电公司的研究人员王晓卫、高杰、吴磊、宋国兵、韦延方，在2019年第13期《电工技术学报》上撰文指出，新能源电源、直流负荷等的大量出现，极大地促进了柔性直流配电网的发展，但作为柔性直流配电网的单极高阻接地故障（HIF）检测问题，一直以来并未得到重点关注。 针对这一实际工程问题，提出一种基于改进互补集合经验模态分解算法（CEEMDAN）的HIF检测方法。首先，对暂态零模电流（TZMC）采用CEEMDAN算法提取出特征模态IMF1分量，进而对IMF1进行一阶差分运算，获得突变奇异点，通过在奇异点附近计算累积斜率和，与启动阈值进行比较，区分故障状态与正常状态；然后，采用Prony算法对IMF1分量进行参数辨识，获得IMF1分量中的特征频率分量（CFC）与DC分量，再计算CFC与DC的能量比，通过能量比数值的不同取值进一步区分小阻抗接地故障（SIF）、中阻接地故障（MIF）、高阻接地故障（HIF）、负荷投切（LS）状态。 大量实验表明，该检测方法准确有效，与现有其他方法相比，在特征提取准确率、检测精度、计算速度等方面具有优势。
近年来，直流负荷数量日益增加，利用传统交流配电系统实现分布式能源的消纳以及直流负荷的供电时，需要大量电力电子换流设备，投资成本大幅提高。相反，若通过直流配电系统进行分布式能源的消纳与直流负荷的供电，则可以节省大量的换流设备，降低投资成本。
除了在经济性方面的优势，直流配电系统与传统交流配电系统相比，其优点还体现在供电可靠性与电能质量方面。同时，近年来柔性换流技术逐渐成熟，推动了直流配电网的快速发展。因此，柔性直流配电系统已成为未来能源互联网发展的主流趋势之一。
然而，柔性直流配电系统的发展尚面临若干关键技术问题亟待解决，其中包括运行工况的准确识别。当发生高阻故障（High Impedance Fault,HIF）时，如何与小电阻故障（Small Impedance Fault,SIF）、中阻故障（Medium Impedance Fault,MIF）、负荷投切（Load Switching,LS）等工况进行准确区分，是限制直流配电网发展的问题之一。
但现实情况是直流线路阻尼很小，一旦线路发生故障，则故障电流会在几毫秒内迅速完成放电，致使可供利用的故障数据窗太短，故障信息太少，导致现有保护方法无法适应如此快的故障电流放电过程，进而失效；由于故障电流非常大，因此，对于直流断路器的开断能力提出了更高要求。
另外，HIF属于隐形故障，若不及时排除，其对人身与设备安全均会造成极大威胁；正常负荷投切时，也易产生类似于HIF时的电压、电流信号，因此，直流配电网中，如何在HIF、SIF、MIF、LS等工况下准确区分出HIF是本文的研究目标。
现有的滤波变换、形态整形/形态滤波、小波变换、S变换等均是针对交流配电网的HIF进行识别，到目前为止，国内外还未见在直流配电网中开展HIF故障识别研究的文献。
深入分析可知，对于直流配电网的HIF检测研究在一定程度上可以借鉴交流配电网HIF检测方法，但正如以上所言，直流配电网由于特有的故障物理特性，对其准确、可靠、快速的HIF检测方法提出了新的挑战。
对现有的交流配电网HIF检测方法进行梳理发现其存在以下问题：
1）特征提取方面：现有的形态滤波、小波变换、S变换等方法在特征提取时，基函数均是固定的，导致特征提取的表征能力不足；提取过程不具自适应性，虽然经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）算法具有自适应性，但易发生模态混叠与端点效应，导致部分本征模态函数（Intrinsic Mode Function, IMF）物理意义不清晰。
2）检测判据方面：一方面现有HIF检测法的启动判据不够灵敏，在发生HIF时，容易误判配电网为正常状态（Normal Condition,NC），进而导致启动判据未正常启动；另一方面，没有将启动判据与区分判据分开构造，导致HIF整体的检测准确率低，且某些方法的判据构建没有物理意义，计算复杂。
交流配电网的HIF检测方法除以上的本身问题外，若将其直接应用于直流配电网HIF检测中，还存在一些亟待解决的问题。需面临的是直流配电网特有的故障特性：直流配电网发生故障后，故障放电过程快，可供利用的故障信息数据窗非常短；瞬间放电电流大，威胁换流站安全运行，需及时隔离故障；故障电流没有过零点，对直流断路器的开断能力提出了更高的要求。
现有直流配电网的故障特性研究表明，可行的方法在于必须在故障电流上升到最大值前进行故障判别与故障区域隔离，如若不然，则过大的故障电流会损坏换流站。
基于直流配电网的故障特性及HIF检测的现实需求，本文提出了一种直流配电网HIF检测方法。采用改进互补集合经验模态分解算法（Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise, CEEMDAN）提取暂态零模电流（Transient Zero Mode Current, TZMC）的第1个本征模态函数分量IMF1，进而对IMF1进行一阶差分获得奇异值点nq，通过对nq点附近计算累积斜率k进而构建出检测判据；在区分判据方面，通过Prony算法对IMF1进行参数辨识，分别得到特征频率分量与直流分量的参数，进而构建能量比计算式，通过比值大小区分SIF、MIF、HIF、LS。
分析可知，本文构造的启动判据可在获取几个采样点时即可启动，速度快；区分判据是对2ms以内的特征频率与直流分量进行能量比运算，结合现有文献可知，2ms以内时，直流配电网故障放电电流还未上升到最大值，因此，区分判据同样具有快速性。大量仿真测试，验证了本文判据的准确性与可靠性。
除此之外，本文方法仅通过首端的零模电流即可实现对直流配电网HIF、MIF、SIF、LS工况的准确区分，无需双端数据量，工程实用性较强。
图12 改进的IEEE-13节点直流配电网系统
结论
- 1）采用CEEMDAN提取IMF1分量，可准确地反映故障状态与正常扰动中的细微变化，适合零模电流的特征频率提取，能适应强噪声环境下的准确特征提取，特征提取过程具有自适应性，应用方便。
- 2）对IMF1分量进行一阶差分取模值，模值最大点确定为奇异值点，进而在奇异值附近计算累积斜率和作为启动判据，灵敏度高，能敏锐判定出配电网系统是否处于非正常运行状态。
- 3）采用Prony算法辨识出IMF1分量中的CFC与DC分量参数，进而构造能量比，通过比较能量比数值的大小区分HIF、SIF、MIF运行工况，工程应用较为简单。
