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Pre-Fault Voltage Discrimination and Time-Domain Protection for Distribution Networks with Inverter-Based Resources

本文提出了一种将故障前电压判别策略与时域保护相结合的方法，旨在通过离线和实时硬件在环验证，解决传统过电流保护在含有逆变器型资源（IBR）的配电网中的局限性，从而提高故障检测的速度与可靠性。

原作者： Junyuan Zhao, François Bouffard, Géza Joós

发布于 2026-06-10

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原作者： Junyuan Zhao, François Bouffard, Géza Joós

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，电网就像是一个庞大且高速的公路系统。几十年来，维持这个系统安全的“交通警察”（保护继电器）受到的训练是寻找特定的故障迹象：交通流量的大规模激增（高电流）或特定的运动模式（频率变化）。

然而，这条公路正在发生变化。我们正在加入越来越多的“智能汽车”（基于逆变器的资源，即 IBRs，例如太阳能电池板和蓄电池）。与那些能够通过发出巨大轰鸣声并产生强力反作用力来应对事故的传统重型卡车式发电厂不同，这些智能汽车非常温和。如果发生碰撞，它们不会产生巨大的能量激增来向交通警察发出信号。它们几乎毫无反应。

问题所在：
由于这些智能汽车不会产生巨大的“激增”，旧式的交通警察无法察觉到事故。他们可能会认为一切正常，而实际上一场短路（碰撞）刚刚发生。这是危险的，因为系统需要立即做出反应以防止大规模停电。

解决方案：一种新型交通警察
本文作者提出了一种名为故障前电压判别（PVD）结合时域保护的新策略。以下是其工作原理，使用简单的类比进行说明：

1. 听取“啪嗒”声而非“轰鸣”声

传统的保护机制在等待响亮的“轰鸣”声（电流的大幅激增）。新方法则是在倾听行波的“啪嗒”声。

类比： 想象一根长绳。如果你突然猛拽它，一个波纹会沿着绳子传播。即使你动作很轻，在猛拽的那一瞬间，绳子的形状也会立即发生变化。
科学原理： 当故障发生时，它会产生一个极快、极小的电压变化“波”，以光速传播。新算法不会等待波变大，它通过观察电压变化的速率（即“啪嗒”声）来检测波开始移动的瞬间。这使得它能在微秒级内检测到故障，比等待电流积累要快得多。

2. “故障前与故障后”对比检查（故障前电压）

最大的挑战在于，有时正常的事件（比如开关灯或给变压器充电）看起来可能有点像故障。算法需要区分“误报”和真正的“碰撞”。

类比： 想象一名保安检查身份证。
- 旧方法： “如果你看起来很吓人（电流很大），我就拦住你。”（如果入侵者很小，这种方法就会失效）。
- 新方法： “我在你进入之前检查你的身份。如果你原本是一个正常的人（电压正常），然后你的行为相对于那个基准发生了剧烈变化，我就知道出问题了。”
科学原理： 算法将“啪嗒”声（故障波）的大小与事件发生前一刻存在的电压进行比较。
- 如果“啪嗒”声相对于背景非常巨大，那就是故障。
- 如果“啪嗒”声很小，那可能只是一个正常的开关切换。系统随后会应用一个极短的延迟进行二次确认，确保不会因为无害的事件而产生恐慌。

3. “变压器涌流”陷阱

一个特定的“误报”情况是当变压器（改变电压的设备）开启时。它会吸入一股巨大的能量爆发，看起来很像短路。

类比： 想象一台吸尘器。当你刚打开它时，电机启动会发出嘈杂、混乱的声音。火灾报警器可能会误以为那是火灾。
解决方案： 新算法使用了一种数学“模式匹配”。它知道真实的故障会产生一条平滑、可预测的电流曲线。而变压器启动则会产生一条杂乱、非线性的曲线（就像嘈杂的吸尘器噪音）。通过检查电信号是否符合平滑模式，系统可以忽略变压器启动，仅针对真正的故障进行跳闸。

4. 安全网

如果故障恰好发生在电压为零（最“安静”）的时刻怎么办？“啪嗒”声可能会太微弱而听不见。

类比： 如果车祸发生在隔音室里，你可能听不到撞击声。
解决方案： 系统有一个备份计划。如果“啪嗒”声检测器保持沉默，它会退回到传统的“过电流”检查（寻找电流激增）。虽然这种方式较慢，但它确保了即使是最细微的故障也不会被漏掉。

结果

作者通过两种方式测试了这种新型“交通警察”：

计算机仿真： 他们创建了一个包含太阳能电池板和蓄电池的虚拟电网，并模拟了碰撞、开关切换和变压器启动。新系统能够瞬间捕捉每一次碰撞，并忽略所有的误报。
硬件在环（C-HIL）： 他们将实际的计算机代码连接到一个实时模拟器上，该模拟器充当物理电网的角色。即使在真实硬件存在局限性的情况下，系统的反应时间也在毫秒级——比传统方法快得多。

总结：
本文提出了一种更聪明的方法，用于保护充满太阳能和蓄电池系统的电网。它不再等待这些新系统无法产生的巨大电流“轰鸣”，而是倾听故障波瞬间产生的微小“啪嗒”声。它利用“故障前与故障后”的对比来忽略误报，并利用模式检查来忽略变压器启动，从而确保电网既安全又快速，且不会发生不必要的跳闸。

技术摘要：面向含有逆变器型资源（IBR）配电网的故障前电压判别与时域保护技术

问题陈述
逆变器型资源（IBR）在配电网中的日益集成，给传统的基于相量（phasor-based）的过电流保护（如 ANSI 51）带来了显著挑战。与同步电机不同，IBR 缺乏提供高短路电流的能力，这往往导致故障电流不足以触发传统的过电流继电器。此外，传统的频域继电器需要一到一点五周期的采样窗口来进行准确的信号估计，这种检测延迟对于现代电网的需求而言过于滞后。虽然时域保护利用行波（TW）技术已在输电系统中得到探索，但在配电网中的应用受到两个主要因素的阻碍：一是电压等级较低（导致行波幅值较小）；二是难以区分由故障引起的行波与由正常开关操作及变压器励磁涌流产生的行波。

方法论
本文提出了一种以**故障前电压判别（PVD）**策略为核心的时域保护算法。该方法论将故障演化分解为三个阶段：首个故障波阵面的到达、行波的反射以及向稳态集总参数行为的过渡。

核心算法通过以下三个步骤运行：

行波检测（步骤 I）： 该算法并非仅依赖于幅值阈值（因为对于低幅值行波而言其可靠性较低），而是通过监测电压的变化率（$dV/dt $）来检测行波的到达。如果瞬时电压变化超过了基于稳态运行期间最大历史$ dV/dt$ 推导出的阈值，则标记为行波。这种方法独立于行波的绝对幅值。
针对非开关事件的快速跳闸（步骤 II）： 一旦检测到行波，算法会计算行波幅值（ $V_{TW}$ $V_{T W}$ ）与故障前电压（ $V(t-1)$ $V (t - 1)$ ）的比值，称为行波前电压比（TWPV）。
- 如果 TWPV 较高（通常 $\ge 1$ ）且行波极性与故障前电压相反，则将该事件归类为故障，并立即发出跳闸信号。
- 如果故障前电压接近于零（低 TWPV 情景），算法会应用一个验证延迟，以避免因数值误差或微小信号噪声导致的误跳闸。
励磁涌流与开关事件判别（步骤 III）： 对于触发了初始行波检测（步骤 I）但未通过 TWPV 标准（步骤 II）的事件，算法执行非线性检查，以区分故障与变压器励象涌流。
- 算法通过在短时间窗口（ $\Delta \tau_3$ ）内进行最小二乘拟合，对预期的线性 RL 电路电流响应进行建模。
- 算法计算测量电流与估计线性模型之间的残差平方和（SSE）。
- 变压器励磁涌流具有高度非线性的特征，与故障的线性响应相比，会产生显著更高的 SSE；如果 SSE 低于特定阈值，则确认该事件为故障；否则，将其判定为励磁涌流或开关事件。
- 针对行波检测失效的情况（例如故障恰好发生在电压过零点时），引入了过电流监督作为备份元件，尽管文中指出精确的零电压故障在实际中几乎不可能发生。

主要贡献

故障前电压判别 (PVD)： 本文引入了 PVD 作为一种策略，将故障检测（通过 $dV/dt$）与故障判别（通过 TWPV）解耦。这使得即使在由于低故障前电压或 IBR 限制导致行波幅值较小时，也能实现快速的故障检测。
时域励磁涌流判别： 作者提出了一种利用电流波形的 SSE 分析来区分变压器励磁涌流与故障的时域方法，避免了传统谐波分析所需的长采样窗口。
统一框架： 该方法统一了跨越不同时间跨度（从初始波阵面到稳态）的故障分析，在无需预先获知特定网络参数（如线路阻抗）的情况下，增强了速度与安全性。

结果
所提算法通过两种主要方法进行了验证：

离线仿真 (EMTP)： 在一个带有并网光伏单元的改进型 IEEE 34 节点测试馈线中进行了测试。该算法成功检测了所有模拟的故障类型（包括高阻故障和低角度故障），检测时间在数十微秒至几毫秒之间。至关重要的是，它正确地拒绝了所有正常开关事件，包括馈线投切/分断以及光伏变压器励磁涌流，展示了极高的安全性。
控制器硬件在环 (C-HIL) 实时仿真： 该算法被实现在一个连接到具有电池储能系统（构网型 GFM 模式）的孤岛微电网实时模拟器的控制卡上。使用 90.9 kHz 的采样率（低于商业输电继电器），系统表现出：
- 可靠性： 起始角低至 $4^\circ$ 的故障能在 10 ms 内（通过过电流备份）或更快（通过行波元件）被检测到。
- 安全性： 正常的开关操作（包括并网事件和负荷变化）并未触发误跳闸。
- 速度： 所提方法显著优于模拟的 ANSI 51 反时限过电流继电器（后者需要 25 ms 至 120 ms 进行检测），而所提方法在处理高角度故障时检测时间小于 1 ms，在处理低角度故障时小于 10 ms。

意义
本文声称，所提出的 PVD 策略和时域算法解决了保护富含 IBR 的配电网的关键缺口。通过利用电压的变化率而非绝对幅值，该方法克服了由 IBR 导致的低故障电流限制。时域非线性检查的集成提供了一种鲁棒机制，用于在无需谐波分析延迟的情况下区分故障与变压器励磁涌流。作者断言，这种方法提供了一种比传统过电流保护更快速、更安全且更可靠的替代方案，并通过了离线和实时硬件仿真的验证。未来的工作确定为将该方法扩展到多端和联网网络。

1. 听取“啪嗒”声而非“轰鸣”声

2. “故障前与故障后”对比检查（故障前电压）

3. “变压器涌流”陷阱

4. 安全网

结果

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