《Electric Power Systems Research》：DC fault detection and classification using time-derivative of butterworth highpass filtered currents without threshold
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为解决直流输电中因高频电容放电导致故障电流快速上升、缺乏快速可靠的故障检测与分类方法这一关键问题，研究人员开展了一项基于巴特沃斯高通滤波器(HPF)电流时间导数的新方法研究。该方法通过HPF提取测量极电流的高频分量，结合其时间导数追踪变化率来加速检测，并通过比较两极归一化导数实现同时故障检测与分类，避免了预设阈值。该研究通过仿真和硬件原型验证，为未来多端直流(MTDC)电网的广泛应用提供了新颖、快速、可靠的保护方案，具有重要的工程应用价值。
随着可再生能源（RESs）发电量的不断增加，直流（DC）输电以其高效率、低成本的优势，正成为电力系统转型的重要方向。然而，直流系统存在一个关键挑战：发生故障时，直流链路上的电容器会迅速放电，产生巨大的高频电流，可能导致整个系统受损，尤其是功率变换器内部的续流二极管。缺乏能够迅速识别和隔离故障的保护方案，已成为制约未来多端直流（MTDC）电网广泛应用的主要障碍。
为了应对这一挑战，来自奥克兰大学的Saad Ahmed Khan、Abhisek Ukil和Nirmal-Kumar C. Nair团队在《Electric Power Systems Research》上发表了一项研究。他们开发了一种创新的直流故障检测与分类方法，该方法基于巴特沃斯高通滤波（HPF）电流的时间导数，无需设定复杂的检测阈值。
为验证这一方法，研究团队主要运用了以下关键技术：首先，他们建立了对称和非对称单极直流线路配置的点对点（P2P）系统模型，在Simulink软件中进行仿真，并在硬件平台上搭建了原型进行实验验证。其次，核心算法涉及对测量到的直流正负两极电流信号进行高通滤波处理，以隔离故障特征的高频分量；然后计算该滤波器输出信号的时间导数，以捕捉故障初期的快速变化率；接着对导数值进行归一化处理，以消除充电暂态的影响并统一检测灵敏度；最后，通过直接比较两极处理后的信号，实现故障的检测（是否有故障）与分类（是极间故障PP还是极地故障PG）的同步判断。
研究结果具体如下：
DC故障分类和线路配置的影响
研究首先明确了直流故障主要分为极对极（PP）故障和极对地（PG）故障两种基本类型。PP故障发生在正负极之间，阻尼比（ζPP）较低，严重但较少发生；PG故障发生在一个极与地之间，阻尼比（ζPG）较高，更为常见但相对不那么严重。文中图1展示了这两种故障的基本电路模型。同时，研究也分析了不对称单极、对称单极、双极和刚性双极等不同线路配置对故障特性的具体影响。
直流故障检测方法
研究梳理了时频域方法（如短时傅里叶变换STFT、小波变换WT）和时域方法（如过流检测、变化率检测）。这些方法或存在计算复杂、或受噪声影响、或难以设定准确阈值等问题。而本文提出的基于巴特沃斯HPF时间导数的方法，旨在克服这些局限。
用于故障检测的数字滤波器
研究对比了巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型和椭圆滤波器的特性，指出巴特沃斯滤波器具有单调的幅度响应，为处理频率变化的信号提供了稳定性，因此被选为本研究的基础。
方法论
研究详细阐述了所提方法的流程。首先，数据采集单元（DAQ）对两极电流进行采样，然后通过相同的数字HPF提取高频电容放电电流成分。计算其时间导数，可以更早地揭示故障特征，并增强远距离故障的检测能力。接着，将结果与电容充电暂态峰值进行归一化以设定检测灵敏度。最后，通过比较正负直流极电流的归一化导数，即可在不设阈值的情况下同时识别和分类故障。文中给出了从故障电流模型（式1-7）到HPF设计（式8-13）和时间导数计算（式14-17）的完整数学推导。核心思想在于利用高频分量的变化率作为更敏感、更可靠的故障指标。
系统规格与仿真
研究建立了长达5000公里的对称单极点对点（P2P）系统仿真模型，用于验证方法对PP、PG以及交流线路对中性点（LN）故障的响应。
硬件原型
为了进行实验验证，研究团队搭建了一个简化的20公里P2P系统硬件原型。该系统采用不对称单极配置（带独立回流路径），模拟了双极金属回线系统的一半。由于实验室安全规定（存在剩余电流装置RCD），实验主要验证了直流极对回流（PR）故障和交流LN故障。
仿真结果
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直流PP故障：在距离换流站4999公里处设置高阻抗PP故障，仿真结果表明，正负两极的HPF导数均在故障发生后2μs内出现急剧尖峰。归一化并比较两者后，可有效识别PP故障。
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直流PG故障：在4999公里处设置正极PG故障，结果显示仅在故障极的导数信号中出现急剧尖峰。归一化及比较后，准确识别出正极PG故障。该方法对近距离低阻抗故障同样有效。
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外部故障：模拟交流侧LN故障，发现该方法不会误触发直流保护，证明了其在区分直流内部故障和交流侧外部扰动方面的可靠性。
研究结论与讨论
本研究表明，所提出的基于巴特沃斯HPF电流时间导数的直流故障检测与分类方法，是一种有效且鲁棒的解决方案。其核心优势在于：首先，快速性：通过跟踪信号变化率而非峰值，显著缩短了检测时间，尤其在远距离高阻抗故障中表现优异。其次，无阈值依赖性：通过将两极信号导数归一化并直接比较，避免了复杂且易受系统工况影响的阈值设定问题，提高了适应性。第三，高可靠性：巴特沃斯滤波器的单调响应确保了信号处理结果的稳定性和可比性，该方法能有效区分PP和PG故障，且不受交流侧外部故障的干扰。最后，验证充分性：研究通过涵盖5000公里线路的全面仿真和实际的硬件原型实验，验证了该方法在不同线路配置（对称/非对称单极）和故障场景下的有效性。
这项工作为直流电网保护提供了一种新颖的思路，其“无阈值”和“快速比较”的特性简化了保护逻辑，增强了系统对复杂故障和运行条件的适应能力，对推动未来更可靠、更灵活的多端直流电网的规模化应用具有重要意义。
