基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法

贾科; 施志明; 张旸; 张恬昕; 毕天姝

doi:10.7500/AEPS20210801003

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基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法
- Protection Method for Flexible DC Distribution System Based on Cable Incipient Fault Section Location
- 电力系统自动化 2023年47卷第4期页码：163-171
- 作者机构：
  
  1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206
  2.新能源与储能运行控制国家重点实验室（中国电力科学研究院），北京市 100192
- 作者简介：
  
  贾科(1986—)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：新能源电力系统控制、保护和故障定位。E-mail：ke.jia@ncepu.edu.cn
  施志明(1996—)，男，通信作者，硕士，主要研究方向：柔性直流系统保护。E-mail：shizhiming928@163.com
  张旸(1997—)，男，硕士研究生，主要研究方向：柔性直流配电网保护。E-mail：793972451@qq.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51777071)
- DOI：10.7500/AEPS20210801003
  中图分类号：
- 收稿：2021-08-01，
  
  修回：2022-06-08，
  
  网络出版：2023-01-16，
  
  纸质出版：2023-02-25
- 稿件说明：
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贾科,施志明,张旸等.基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法[J].电力系统自动化,2023,47(4):163-171.

JIA Ke,SHI Zhiming,ZHANG Yang,et al.Protection Method for Flexible DC Distribution System Based on Cable Incipient Fault Section Location[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(4):163-171.
贾科,施志明,张旸等.基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法[J].电力系统自动化,2023,47(4):163-171. DOI： 10.7500/AEPS20210801003.

JIA Ke,SHI Zhiming,ZHANG Yang,et al.Protection Method for Flexible DC Distribution System Based on Cable Incipient Fault Section Location[J].Automation of Electric Power Systems,2023,47(4):163-171. DOI： 10.7500/AEPS20210801003.

摘要

在柔性直流配电系统中，直流极间短路故障使得全网换流器迅速闭锁，快于直流断路器动作时间，导致系统停运，极大降低了系统的可靠性。为此，文中针对直流电缆早期短路故障，提出一种基于早期故障区段定位的线路保护方法。通过本地换流器的主动注入，从而削弱线路阻抗对注入信号的衰减，显化早期故障特征，实现对早期短路故障的准确识别与区段定位，解决短路故障引发系统失电的问题。为避免频繁注入，提出基于差动电流量测的注入启动判据。PSCAD/EMTDC仿真结果表明该方法能够准确识别与定位早期故障区段，并及时隔离故障支路，且对系统运行影响小，具有一定的抗噪能力，可为柔性直流配电系统持续安全运行提供保障。

Abstract

In the flexible DC distribution system

the DC pole-to-pole short-circuit fault makes the converters of the whole network quickly locked

which is faster than the action time of the DC circuit breaker

leading to the system outage and greatly reducing the reliability of the system. Therefore

this paper proposes a line protection method based on incipient fault section location for DC cable incipient short-circuit faults. Through the active injection of the local converter

the attenuation of the line impedance to the injected signal is weakened; the characteristics of incipient faults are displayed; the accurate identification and section location of incipient short-circuit faults are realized; and the problem of system power loss caused by short-circuit faults is solved. To avoid frequent injection

an injection starting criterion based on differential current measurement is proposed. The simulation results with PSCAD/EMTDC show that this method can accurately identify and locate the incipient fault section and promptly isolate the fault branch

and has a small impact on the system operation. It has a certain anti-noise ability

and guarantees the continuous and safe operation of the flexible DC distribution system.

关键词

Keywords

references

JIA K ， ZHAO Q J ， ZHU Z X ， et al . Modeling of DC distribution system based on high frequency transient components ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 671 - 679 .

胡鹏飞，朱乃璇，江道灼，等 . 柔性互联智能配电网关键技术研究进展与展望［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 8 ）： 2 - 12 .

HU Pengfei ， ZHU Naixuan ， JIANG Daozhuo ， et al . Research progress and prospects of key technologies of flexible interconnected smart distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 8 ）： 2 - 12 .

王圣辉，范春菊，姜山 . 基于暂态电压比原理的直流配电网故障保护方案［J］. 电力自动化设备， 2020 ， 40 （ 7 ）： 196 - 205 .

WANG Shenghui ， FAN Chunju ， JIANG Shan . Fault protection scheme for DC distribution network based on ratio of transient voltage principle ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2020 ， 40 （ 7 ）： 196 - 205 .

吴通华，戴魏，李新东，等 . 柔性直流配电网保护方案及设备研制［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 23 ）： 123 - 130 .

WU Tonghua ， DAI Wei ， LI Xindong ， et al . Protection scheme and device development of flexible DC distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 23 ）： 123 - 130 .

刘海金，李斌，温伟杰，等 . 柔性直流系统的线路保护关键技术与展望［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 9 ）： 3463 - 3480 .

LIU Haijin ， LI Bin ， WEN Weijie ， et al . Review and prospect on transmission line protection in flexible DC system ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 9 ）： 3463 - 3480 .

贾科，赵其娟，冯涛，等 . 柔性直流配电系统高频突变量距离保护［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 2 ）： 383 - 394 .

JIA Ke ， ZHAO Qijuan ， FENG Tao ， et al . High-frequency fault component distance protection for flexible DC distribution system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 383 - 394 .

李斌，何佳伟，冯亚东，等 . 多端柔性直流电网保护关键技术［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 21 ）： 2 - 12 .

LI Bin ， HE Jiawei ， FENG Yadong ， et al . Key techniques for protection of multi-terminal flexible DC grid ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 21 ）： 2 - 12 .

SIDHU T S ， XU Z H . Detection of incipient faults in distribution underground cables ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2010 ， 25 （ 3 ）： 1363 - 1371 .

ZHANG W H ， XIAO X Y ， ZHOU K ， et al . Multicycle incipient fault detection and location for medium voltage underground cable ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1450 - 1459 .

JANNATI M ， VAHIDI B ， HOSSEINIAN S H . Incipient faults monitoring in underground medium voltage cables of distribution systems based on a two-step strategy ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 1647 - 1655 .

李蓉，周凯，饶显杰，等 . 基于输入阻抗谱的电缆故障类型识别及定位［J］. 高电压技术， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3236 - 3245 .

LI Rong ， ZHOU Kai ， RAO Xianjie ， et al . Identification and location of cable faults based on input impedance spectrum ［J］. High Voltage Engineering ， 2021 ， 47 （ 9 ）： 3236 - 3245 .

汪颖，孙建风，肖先勇，等 . 基于优化卷积神经网络的电缆早期故障分类识别［J］. 电力系统保护与控制， 2020 ， 48 （ 7 ）： 10 - 18 .

WANG Ying ， SUN Jianfeng ， XIAO Xianyong ， et al . Cable incipient fault classification and identification based on optimized convolution neural network ［J］. Power System Protection and Control ， 2020 ， 48 （ 7 ）： 10 - 18 .

邵宝珠，李胜辉，白雪，等 . 非负约束自动编码器在电缆早期故障识别中的应用［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 2 ）： 16 - 23 .

SHAO Baozhu ， LI Shenghui ， BAI Xue ， et al . Application of nonnegative constraint autoencoder in cable incipient fault identification ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 2 ）： 16 - 23 .

汪颖，卢宏，杨晓梅，等 . 堆叠自动编码器与S变换相结合的电缆早期故障识别方法［J］. 电力自动化设备， 2018 ， 38 （ 8 ）： 117 - 124 .

WANG Ying ， LU Hong ， YANG Xiaomei ， et al . Cable incipient fault identification based on stacked autoencoder and S-transform ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2018 ， 38 （ 8 ）： 117 - 124 .

吴春华，徐文新，李智华，等 . 光伏系统直流侧故障电弧类型辨识及电路保护［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 17 ）： 5028 - 5036 .

WU Chunhua ， XU Wenxin ， LI Zhihua ， et al . Arc fault type identification and circuit protection in photovoltaic system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 17 ）： 5028 - 5036 .

XIONG Q ， FENG X Y ， GATTOZZI A L ， et al . Series arc fault detection and localization in DC distribution system ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2020 ， 69 （ 1 ）： 122 - 134 .

贾科，施志明，陈淼，等 . 基于早期故障识别的光伏中压直流系统保护［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 24 ）： 8463 - 8475 .

JIA Ke ， SHI Zhiming ， CHEN Miao ， et al . Incipient fault identification based photovoltaic medium voltage DC system protection ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 24 ）： 8463 - 8475 .

戴志辉，葛红波，陈冰研，等 . 柔性中压直流配电网线路保护方案［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 17 ）： 78 - 86 .

DAI Zhihui ， GE Hongbo ， CHEN Bingyan ， et al . Line protection schemes for flexible medium voltage DC distribution networks ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 17 ）： 78 - 86 .

陶文彪，朱光亚，宋述勇，等 . 交联聚乙烯中丛状电树枝的生长机制［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 13 ）： 4004 - 4012 .

TAO Wenbiao ， ZHU Guangya ， SONG Shuyong ， et al . The growth mechanism of brush-type electrical tree in XLPE ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 13 ）： 4004 - 4012 .

ZHANG P J ， YOUNSI K ， NETI P . A novel online stator ground-wall insulation monitoring scheme for inverter-fed AC motors ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2015 ， 51 （ 3 ）： 2201 - 2207 .

LIU Y ， CAO X L . Electrical tree growth characteristics in XLPE cable insulation under DC voltage conditions ［J］. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation ， 2015 ， 22 （ 6 ）： 3676 - 3684 .

AMMERMAN R F ， GAMMON T ， SEN P K ， et al . DC-arc models and incident-energy calculations ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2010 ， 46 （ 5 ）： 1810 - 1819 .

YAO X ， HERRERA L ， JI S C ， et al . Characteristic study and time-domain discrete-wavelet-transform based hybrid detection of series DC arc faults ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2014 ， 29 （ 6 ）： 3103 - 3115 .

王汝田，施志明，文湘雲 . 基于恒压估计与扰动观测结合的MPPT算法［J］. 东北电力大学学报， 2019 ， 39 （ 6 ）： 24 - 29 .

WANG Rutian ， SHI Zhiming ， WEN Xiangyun . MPPT algorithm based on constant voltage estimation and disturbance observation ［J］. Journal of Northeast Electric Power University ， 2019 ， 39 （ 6 ）： 24 - 29 .

高淑萍，索南加乐，宋国兵，等 . 高压直流输电线路电流差动保护新原理［J］. 电力系统自动化， 2010 ， 34 （ 17 ）： 45 - 49 .

GAO Shuping ， SUONAN Jiale ， SONG Guobing ， et al . A new current differential protection principle for HVDC transmission lines ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2010 ， 34 （ 17 ）： 45 - 49 .

VILLAMAGNA N ， CROSSLEY P A . A symmetrical component-based GPS signal failure-detection algorithm for use in feeder current differential protection ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2008 ， 23 （ 4 ）： 1821 - 1828 .

JIA K ， SHI Z M ， WANG C B ， et al . Active converter injection-based protection for a photovoltaic DC distribution system ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 6 ）： 5911 - 5921 .

高压直流输电系统直流电流测量装置第1部分：电子式直流电流测量装置： GB/T 26216.1—2019 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2019 .

DC current measuring device for HVDC transmission system：Part 1 electronic DC current measuring device ： GB/T 26216.1—2019 ［S］. Beijing ： Standards Press of China ， 2019 .

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