近年來，直流負(fù)荷數(shù)量日益增加，利用傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式能源的消納以及直流負(fù)荷的供電時(shí)，需要大量電力電子換流設(shè)備，投資成本大幅提高。相反，若通過直流配電系統(tǒng)進(jìn)行分布式能源的消納與直流負(fù)荷的供電，則可以節(jié)省大量的換流設(shè)備，降低投資成本。

除了在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，直流配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在供電可靠性與電能質(zhì)量方面。同時(shí)，近年來柔性換流技術(shù)逐漸成熟，推動(dòng)了直流配電網(wǎng)的快速發(fā)展。因此，柔性直流配電系統(tǒng)已成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主流趨勢(shì)之一。

然而，柔性直流配電系統(tǒng)的發(fā)展尚面臨若干關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決，其中包括運(yùn)行工況的準(zhǔn)確識(shí)別。當(dāng)發(fā)生高阻故障（High Impedance Fault,HIF）時(shí)，如何與小電阻故障（Small Impedance Fault,SIF）、中阻故障（Medium Impedance Fault,MIF）、負(fù)荷投切（Load Switching,LS）等工況進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，是限制直流配電網(wǎng)發(fā)展的問題之一。

但現(xiàn)實(shí)情況是直流線路阻尼很小，一旦線路發(fā)生故障，則故障電流會(huì)在幾毫秒內(nèi)迅速完成放電，致使可供利用的故障數(shù)據(jù)窗太短，故障信息太少，導(dǎo)致現(xiàn)有保護(hù)方法無法適應(yīng)如此快的故障電流放電過程，進(jìn)而失效；由于故障電流非常大，因此，對(duì)于直流斷路器的開斷能力提出了更高要求。

另外，HIF屬于隱形故障，若不及時(shí)排除，其對(duì)人身與設(shè)備安全均會(huì)造成極大威脅；正常負(fù)荷投切時(shí)，也易產(chǎn)生類似于HIF時(shí)的電壓、電流信號(hào)，因此，直流配電網(wǎng)中，如何在HIF、SIF、MIF、LS等工況下準(zhǔn)確區(qū)分出HIF是本文的研究目標(biāo)。

現(xiàn)有的濾波變換、形態(tài)整形/形態(tài)濾波、小波變換、S變換等均是針對(duì)交流配電網(wǎng)的HIF進(jìn)行識(shí)別，到目前為止，國內(nèi)外還未見在直流配電網(wǎng)中開展HIF故障識(shí)別研究的文獻(xiàn)。

深入分析可知，對(duì)于直流配電網(wǎng)的HIF檢測(cè)研究在一定程度上可以借鑒交流配電網(wǎng)HIF檢測(cè)方法，但正如以上所言，直流配電網(wǎng)由于特有的故障物理特性，對(duì)其準(zhǔn)確、可靠、快速的HIF檢測(cè)方法提出了新的挑戰(zhàn)。

對(duì)現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)HIF檢測(cè)方法進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)其存在以下問題：

1）特征提取方面：現(xiàn)有的形態(tài)濾波、小波變換、S變換等方法在特征提取時(shí)，基函數(shù)均是固定的，導(dǎo)致特征提取的表征能力不足；提取過程不具自適應(yīng)性，雖然經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）算法具有自適應(yīng)性，但易發(fā)生模態(tài)混疊與端點(diǎn)效應(yīng)，導(dǎo)致部分本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF）物理意義不清晰。

2）檢測(cè)判據(jù)方面：一方面現(xiàn)有HIF檢測(cè)法的啟動(dòng)判據(jù)不夠靈敏，在發(fā)生HIF時(shí)，容易誤判配電網(wǎng)為正常狀態(tài)（Normal Condition,NC），進(jìn)而導(dǎo)致啟動(dòng)判據(jù)未正常啟動(dòng)；另一方面，沒有將啟動(dòng)判據(jù)與區(qū)分判據(jù)分開構(gòu)造，導(dǎo)致HIF整體的檢測(cè)準(zhǔn)確率低，且某些方法的判據(jù)構(gòu)建沒有物理意義，計(jì)算復(fù)雜。

交流配電網(wǎng)的HIF檢測(cè)方法除以上的本身問題外，若將其直接應(yīng)用于直流配電網(wǎng)HIF檢測(cè)中，還存在一些亟待解決的問題。需面臨的是直流配電網(wǎng)特有的故障特性：直流配電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障放電過程快，可供利用的故障信息數(shù)據(jù)窗非常短；瞬間放電電流大，威脅換流站安全運(yùn)行，需及時(shí)隔離故障；故障電流沒有過零點(diǎn)，對(duì)直流斷路器的開斷能力提出了更高的要求。

現(xiàn)有直流配電網(wǎng)的故障特性研究表明，可行的方法在于必須在故障電流上升到最大值前進(jìn)行故障判別與故障區(qū)域隔離，如若不然，則過大的故障電流會(huì)損壞換流站。

基于直流配電網(wǎng)的故障特性及HIF檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求，本文提出了一種直流配電網(wǎng)HIF檢測(cè)方法。采用改進(jìn)互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition with Adaptive Noise, CEEMDAN）提取暫態(tài)零模電流（Transient Zero Mode Current, TZMC）的第1個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量IMF1，進(jìn)而對(duì)IMF1進(jìn)行一階差分獲得奇異值點(diǎn)nq，通過對(duì)nq點(diǎn)附近計(jì)算累積斜率k進(jìn)而構(gòu)建出檢測(cè)判據(jù)；在區(qū)分判據(jù)方面，通過Prony算法對(duì)IMF1進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，分別得到特征頻率分量與直流分量的參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建能量比計(jì)算式，通過比值大小區(qū)分SIF、MIF、HIF、LS。

分析可知，本文構(gòu)造的啟動(dòng)判據(jù)可在獲取幾個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)即可啟動(dòng)，速度快；區(qū)分判據(jù)是對(duì)2ms以內(nèi)的特征頻率與直流分量進(jìn)行能量比運(yùn)算，結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，2ms以內(nèi)時(shí)，直流配電網(wǎng)故障放電電流還未上升到最大值，因此，區(qū)分判據(jù)同樣具有快速性。大量仿真測(cè)試，驗(yàn)證了本文判據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

除此之外，本文方法僅通過首端的零模電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流配電網(wǎng)HIF、MIF、SIF、LS工況的準(zhǔn)確區(qū)分，無需雙端數(shù)據(jù)量，工程實(shí)用性較強(qiáng)。

圖12 改進(jìn)的IEEE-13節(jié)點(diǎn)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

結(jié)論

• 1）采用CEEMDAN提取IMF1分量，可準(zhǔn)確地反映故障狀態(tài)與正常擾動(dòng)中的細(xì)微變化，適合零模電流的特征頻率提取，能適應(yīng)強(qiáng)噪聲環(huán)境下的準(zhǔn)確特征提取，特征提取過程具有自適應(yīng)性，應(yīng)用方便。
• 2）對(duì)IMF1分量進(jìn)行一階差分取模值，模值最大點(diǎn)確定為奇異值點(diǎn)，進(jìn)而在奇異值附近計(jì)算累積斜率和作為啟動(dòng)判據(jù)，靈敏度高，能敏銳判定出配電網(wǎng)系統(tǒng)是否處于非正常運(yùn)行狀態(tài)。
• 3）采用Prony算法辨識(shí)出IMF1分量中的CFC與DC分量參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)造能量比，通過比較能量比數(shù)值的大小區(qū)分HIF、SIF、MIF運(yùn)行工況，工程應(yīng)用較為簡(jiǎn)單。