Distributed Optimal State Estimation and Fault  Location  for DC Microgrids

QIU Aibing; ZHU Jinpeng; ZHU Yuchun; MA Chen; GU Juping

doi:10.7500/AEPS20250827001

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Distributed Optimal State Estimation and Fault Location for DC Microgrids

Application Research | 更新时间：2026-10-16

- Distributed Optimal State Estimation and Fault Location for DC Microgrids
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 20, Pages: 191-201(2026)
- 作者机构：
  
  1.南通大学电气与自动化学院，江苏省南通市 226019
  2.南通大学信息科学技术学院，江苏省南通市 226019
  3.苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏省苏州市 215009
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(62273188);Key Project of Smart Grid Joint Fund of the National Natural Science Foundation of China(U2066203);Qinglan Project of Jiangsu Higher Education Institutions
- DOI：10.7500/AEPS20250827001
  CLC：
- Received：27 August 2025，
  
  Revised：2026-03-03，
  
  Online First：08 May 2026，
  
  Published：25 October 2026
- 稿件说明：
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邱爱兵,朱金鹏,朱昱淳等.直流微电网的分布式最优状态估计与故障定位[J].电力系统自动化,2026,50(20):191-201.

QIU Aibing,ZHU Jinpeng,ZHU Yuchun,et al.Distributed Optimal State Estimation and Fault Location for DC Microgrids[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(20):191-201.
邱爱兵,朱金鹏,朱昱淳等.直流微电网的分布式最优状态估计与故障定位[J].电力系统自动化,2026,50(20):191-201. DOI： 10.7500/AEPS20250827001.

QIU Aibing,ZHU Jinpeng,ZHU Yuchun,et al.Distributed Optimal State Estimation and Fault Location for DC Microgrids[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(20):191-201. DOI： 10.7500/AEPS20250827001.

摘要

直流微电网中各类分布式发电单元、负载等通过电力电子变换器与电力线紧密互联，局部故障会引发连锁效应，加大状态估计与故障诊断的难度。文中提出了一种基于多智能体的分布式最优状态估计与故障定位方法。通过给各分布式发电单元配备一个可运行分布式Kalman滤波器的智能体，每个智能体基于解耦滤波策略消除互联子系统不利影响，从而实现最小方差准则下的局部系统的最优状态估计；同时，构造分布式残差生成器，可实现单个和并发故障的检测和定位。最后，通过3个发电单元构成的直流微电网系统验证了所提方法的有效性和优越性。

Abstract

In DC microgrids

various distributed generation units (DGUs) and loads are tightly interconnected via power electronic converters and power lines. A local fault can trigger cascading effects

which further complicates the state estimation and the fault diagnosis.This paper proposes a multi-agent based distributed optimal state estimation and fault location method. Each DGU is equipped with an agent capable of running a distributed Kalman filter. By adopting a decoupled filtering strategy

each agent eliminates the adverse influences from interconnected subsystems. Thus

the optimal state estimation of the local system is achieved under the minimum variance criterion. Meanwhile

a distributed residual generator is constructed to detect and locate both single and concurrent faults. Finally

the effectiveness and superiority of the proposed method are verified through a DC microgrid system composed of three generation units.

关键词

Keywords

references

Bansal Y ， Sodhi R . Microgrid fault detection methods： Reviews， issues and future trends ［C］// 2018 IEEE Innovative Smart Grid Technologies-Asia （ISGT Asia）， 2018 ： 401 - 406 .

李霞林，郭力，冯一彬，等 . 基于非线性干扰观测器的直流微电网母线电压控制［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 2 ）： 350 - 359 .

Li Xialin ， Guo Li ， Feng Yibin ， et al . DC microgrid bus voltage control based on nonlinear disturbance observer ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 2 ）： 350 - 359 .

Tucci M ， Riverso S ， Vasquez J C ， et al . A decentralized scalable approach to voltage control of DC islanded microgrids ［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology ， 2016 ， 24 （ 6 ）： 1965 - 1979 .

Poon J ， Jain P ， Konstantakopoulos I C ， et al . Model-based fault detection and identification for switching power converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 2 ）： 1419 - 1430 .

Hu Y ， Kuh A ， Kavcic A ， et al . Real-time state estimation on micro-grids ［C］// The 2011 International Joint Conference on Neural Networks ， 2011 ： 1378 - 1385 .

Wan K ， Chen Y ， Zhao J ， et al . A decentralized fault-tolerant control for DC microgrids against disturbances and actuator faults ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2023 ， 14 （ 4 ）： 2534 - 2544 .

闫旻睿，于淼，万克厅，等 . 针对信息攻击的含风电接入微电网信息物理系统脆弱性评估［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 24 ）： 88 - 100 .

Yan Minrui ， Yu Miao ， Wan Keting ， et al . Vulnerability assessment of cyber-physical systems in microgrids with wind power integration against cyber attacks ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 24 ）： 88 - 100 .

刘海天，郭烨，石剑涛，等 . 分布式优化在互联电网中的应用分析及展望［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 22 ）： 22 - 42 .

Liu Haitian ， Guo Ye ， Shi Jiantao ， et al . Application analysis and prospects of distributed optimization in interconnected power grids ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 22 ）： 22 - 42 .

Adi F S ， Lee Y J ， Song H . State estimation for dc microgrids using modified long short-term memory networks ［J］. Applied Sciences ， 2020 ， 10 （ 9 ）： 3028 .

Zia M F ， Elbouchikhi E ， Benbouzid M . Optimal operational planning of scalable DC microgrid with demand response， islanding， and battery degradation cost considerations ［J］. Applied Energy ， 2019 ， 237 ： 695 - 707 .

Lu J ， Zhang X ， Hou X ， et al . Generalized extended state observer-based distributed attack-resilient control for DC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2022 ， 13 （ 3 ）： 1469 - 1480 .

Beheshtaein S ， Cuzner R ， Savaghebi M ， et al . Review on microgrids protection ［J］. IET Generation ， Transmissi on & Distribution， 2019 ， 13 （ 6 ）： 743 - 759 .

Habibi M R ， Baghaee H R ， Dragicevic T ， et al . Detection of false data injection cyber-attacks in DC microgrids based on recurrent neural networks ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 5 ）： 5294 - 5310 .

El-Ebiary A ， Mokhtar M ， Mansour A ， et al . Distributed mitigation layers for voltages and currents cyber-attacks on DC microgrids interfacing converters ［J］. Energies ， 2022 ， 15 （ 24 ）： 9426 .

Sun S ， Tang C ， Hailati G ， et al . Voltage monitoring based on ANN-aided nonlinear stability analysis for DC microgrids ［J］. Frontiers in Energy Research ， 2023 ， 10 ： 1045809 .

Xie Z T ， Liu B ， Liu Y Z ， et al . Event-triggered impulsive observer with K -asymptotic gain for DC microgrids ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2024 ， 156 ： 109752 .

El-Ebiary A H ， Attia M A ， Awad F H ， et al . Kalman filters based distributed cyber-attack mitigation layers for DC microgrids ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅰ： Regular Papers ， 2024 ， 71 （ 3 ）： 1358 - 1370 .

Huang M ， Ding L ， Li W ， et al . Distributed observer-based h ∞ fault-tolerant control for DC microgrids with sensor fault ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅰ： Regular Papers ， 2021 ， 68 （ 4 ）： 1659 - 1670 .

Deng C ， Guo F ， Wen C ， et al . Distributed resilient secondary control for DC microgrids against heterogeneous communication delays and DoS attacks ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2022 ， 69 （ 11 ）： 11560 - 11568 .

Wang T ， Liang L ， Gurumurthy S K ， et al . Model-based fault detection and isolation in DC microgrids using optimal observers ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 5 ）： 5613 - 5630 .

Hossain M J ， Mahmud M A ， Milano F ， et al . Design of robust distributed control for interconnected microgrids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2015 ， 7 （ 6 ）： 2724 - 2735 .

Chen B ， Hu G Q ， Ho D W C ， et al . Distributed Kalman filtering for time-varying discrete sequential systems ［J］. Automatica ， 2019 ， 99 ： 228 - 236 .

朱珊珊，汪飞，郭慧，等 . 直流微电网下垂控制技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 1 ）： 72 - 84 .

Zhu Shanshan ， Wang Fei ， Guo Hui ， et al . Research review on droop control technologies in DC microgrids ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 1 ）： 72 - 84 .

Mehdi M ， Jamali S Z ， Khan M O ， et al . Robust control of a DC microgrid under parametric uncertainty and disturbances ［J］. Electric Power Systems Research ， 2020 ， 179 ： 106074 .

张伟亮，张辉，支娜，等 . 环形直流微电网故障分析与保护［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 24 ）： 105 - 110 .

Zhang Weiliang ， Zhang Hui ， Zhi Na ， et al . Fault analysis and protection of ring-type DC microgrids ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 24 ）： 105 - 110 .

Wan K ， Zhao J ， Chen Y ， et al . A decentralized resilient control scheme for DC microgrids against faults on sensor and actuator ［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅰ： Regular Papers ， 2024 ， 71 （ 2 ）： 816 - 827 .

Dubey K ， Jena P . A novel high-impedance fault detection technique in smart active distribution systems ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2024 ， 71 （ 5 ）： 4861 - 4872 .

Gajula K ， Marepalli L K ， Yao X ， et al . Recursive least squares and adaptive Kalman filter-based state and parameter estimation for series arc fault detection on DC microgrids ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2022 ， 10 （ 4 ）： 4715 - 4724 .

郑凯元，杜文娟，王海风 . 动态单元间交互作用对直流微电网稳定性影响的分析［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 23 ）： 7963 - 7980 .

Zheng Kaiyuan ， Du Wenjuan ， Wang Haifeng . Analysis of the impact of dynamic inter-unit interactions on stability of DC microgrids ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 23 ）： 7963 - 7980 .

孟潇潇，尤泽豪，张茂凡，等 . 基于背靠背变流器柔性互联微电网群的分层分布式协同控制及其稳定分析［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 24 ）： 7917 - 7932 .

Meng Xiaoxiao ， You Zehao ， Zhang Maofan ， et al . Hierarchical distributed cooperative control and stability analysis for flexibly interconnected microgrid clusters based on back-to-back converters ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 24 ）： 7917 - 7932 .

李霞林，郭力，王成山，等 . 直流微电网关键技术研究综述［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 2 - 17 .

Li Xialin ， Guo Li ， Wang Chengshan ， et al . A review on key technologies of DC microgrids ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 2 - 17 .

Silveira R D ， de Almeida M C ， Batschauer A L ， et al . Modeling， dynamic assessment， and small-signal stability of droop-controlled DC microgrids： a state-space approach ［J］. Sustainable Energy Technologies and Assessments ， 2024 ， 63 ： 103650 .

Aluko A O ， Knight A M ， Dorrell D G . State-space modeling and analysis of distributed secondary control of DC microgrids ［C］// 2023 3rd International Conference on Electrical， Computer， Communications and Mechatronics Engineering （ICECCME）， 2023 ： 1 - 6 .

田龙刚 . 直流微电网电压等级的选择及其稳定控制策略研究［J］. 电力系统保护与控制， 2017 ， 45 （ 13 ）： 21 - 26 .

Tian Longgang . Selection of voltage level and stability control strategy for DC microgrid ［J］. Power System Protection and Control ， 2017 ， 45 （ 13 ）： 21 - 26 .

Ritwik M ， Balarko C ， Arindam G . Improvement of stability and load sharing in autonomous microgrid using supplementary droop control loop ［J］. IEEE Trans on Power Systems ， 2010 ， 25 （ 2 ）： 796 - 808 .

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