信息学院刘宇课题组提出直流电缆线路的频变分布参数特性精确建模与故障定位方法

近日，信息学院智慧电气科学中心（CiPES）刘宇课题组提出了一个针对高压直流电缆线路的频变分布参数特性精确建模与故障定位方法。相关成果以“Multi-Layer Model Enabled Fault Location for Underground Cables in MMC-HVDC Grids Considering Distributed and Frequency Dependent Line Parameters”为题在电力系统保护及输配电领域权威国际期刊IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY上在线发表。

柔性直流电网是解决大规模新能源消纳挑战、助力实现“碳达峰、碳中和”目标的重要技术手段之一。相较于架空输电线路，地下电缆线路可以有效的节省占地面积、降低维护成本、减少电磁污染。然而，地下电缆故障更难以被运行维护人员直接巡线发现，因此需要更精确的故障定位方案，以缩短故障点被发现的时间，提升供电可靠性。直流电缆故障定位问题存在以下难点。首先，直流电网故障期间暂态剧烈，电气量频带宽，电缆参数随电气量频率变化；但现有方法往往忽略参数的频变特性而假设电缆参数为常数，电缆建模精度不足。其次，电缆的对地电容值较大，分布参数特性的影响剧烈。现有方法难以在故障定位问题中精确考虑电缆频变与分布参数的影响，给电缆线路的精确故障定位带来了挑战。

刘宇课题组基于电缆的物理结构与频变机理，提出了基于偏微分方程组的电缆时域分层模型。首先，将电缆导体与大地导体分别拆分为多个导体层，并假设每层内电流均匀分布，运用等效电路建模的方式，精确模拟了电缆的频变参数特性。其次，本文将电缆分为无限多段，运用常系数偏微分方程组考虑电缆的分布参数特性。最后，本文提出了“三步法”数值格式求解该分层模型，以保证偏微分方程组数值求解的稳定性，并根据求解出的全线电压分布实现精确故障定位。实验表明，所提出的电缆时域分层模型能够精确模拟电缆的频变分布参数特性。与现有未考虑参数频变特性的故障定位方法相比，该故障定位方法可以在故障后5毫秒的极短时间窗内以及20千赫兹的较低采样频率下更精确地计算故障位置。

信息学院2019级博士研究生芦大有为论文第一作者，刘宇教授为通讯作者，廖奇峰教授为共同作者，上海科技大学为第一完成单位，美国佐治亚理工学院为共同完成单位。该项研究得到了国家自然科学基金的支持。

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9591401