CN102445638A - 多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，该方法建立在分布参数模型基础上，在时域中利用模变换将直流电流、直流电压的采样值转换为模量，然后根据线路端点处模电压、电流计算出线路分支点电压，通过比较由各端点电气量计算得到的电压，选出故障支路；由所有健全支路计算的到得分支点电压和电流，与故障支路的另一端电气量构成两端线路，由两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。本发明所需采样率低，计算简单；可实现短数据窗精确故障定位。该故障定位方法适用于含分支线路的并联式、串联式以及混合式多端直流系统。

Description

多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法

【技术领域】

本发明涉及一种电力系统线路时域故障定位方法，具体来说是一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法。

【背景技术】

我国的能源分布和电网结构决定了高压直流输电具有广阔应用前景。传统的两端直流仅能实现点对点的直流功率传送，当多个交流系统间采用直流互联时，需要多条直流输电线路，这将极大提高投资成本和运行费用。随着经济发展和电网的建设，必然要求电网能够实现多电源供电以及多落点受电，因此多端直流输电系统以其的经济、灵活、可靠等特点受到了越来越多的关注。随着大功率电力电子全控开关器件技术以及新型直流输电技术的成熟与发展，多端柔性直流输电在分布式发电、可再生能源发电、城市直流配电等领域中的发展潜力日益显现。直流输电线路长、故障率高，大力发展精确可靠的直流输电线路故障定位技术，对快速排除故障、减少停电损失、快速隔离故障线路，保证多端系统运行的可靠性具有重要意义。

目前，国内外投运的故障定位装置均采用行波原理。行波法的可靠性和精度在理论上不受线路类型、分布电容及两侧系统的影响。但是行波法当存在过渡电阻、行波波头幅值受到限制时，波头标定困难，严重影响定位的精度和可靠性。高阻故障时，行波法会由于没有启动而无法定位故障。且行波原理对采样率要求高、可靠性差。另外，存在波头识别和起始时刻标定问题，需要人员介入、难以实现自动化。因此，目前直流线路故障定位原理单一，可靠性有待提高。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有故障定位原理的单一性和不足，提出一种非行波的、可靠性高的多端直流系统中多分支直流线路时域故障定位方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，包括下列步骤：

步骤一，从换流站直流线路侧分压器和分流器处获取故障暂态电压量和电流量；

步骤二，利用各端点处故障暂态过程中检测到的电压和电流量分别计算分支点O点处的电压，比较计算得到的电压值，选出故障支路；

步骤三，由所有健全支路计算分支点O点处电压和电流，以所有健全支路计算计算得到O点处电压作为分支点电压，以所有健全支路计算得到O点处电流之和作为分支点电流；

步骤四，对于故障支路，步骤三计算得到的分支点O点电气量与采样得到的该故障支路另一端点处采集得到的电气量构成两端线路，由两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。

本发明进一步的改进在于：步骤二中采用集中电阻传输线模型的式(1)计算分支点O点处的电压：

$u(x,t)=\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]+$

$\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(1\right)$

${\left(\frac{\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2{u}_M\left(t\right)-\frac{\mathrm{rx}}{4}\·\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)\·\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)i_M\left(t\right)$

上式中i(x，t)、u(x，t)分别为距本端测距装置距离x处t时刻的电流、电压值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，v为波速度。

本发明进一步的改进在于：步骤二中将各支路端点处电气量计算得到分支点处O点的电压进行比较，某一支路计算得到的分支点处O点的电压分别减去其它支路计算得到的分支点处O点的电压，如果所得差值均不为零，则该支路为故障支路；某一支路计算得到的分支点处O点的电压分别减去其它支路计算得到的分支点处O点的电压，如果所得差值部分为零，部分不为零，则该支路为健全支路。

本发明进一步的改进在于：多端直流输电系统包括三个分支分别为线1、线2和线3；线1、线2和线3的三个端点处电气量计算得到的分支点处O点的电压分别为：u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)，计算两两电压差的绝对值，分别表示为Δu₁₂(t)＝|u₁(t)-u₁(t)|、Δu₂₃(t)＝|u₂(t)-u₃(t)|、Δu₁₃(t)＝|u₁(t)-u₃(t)|；

若Δu₁₂(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线3为故障支路；

若Δu₁₃(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线2为故障支路；

若Δu₂₃(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线1为故障支路。

本发明进一步的改进在于：步骤三中采用式(2)计算分支点O点处的电流：

$i(x,t)=\frac{1}{2Z_c}\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]-$

$\frac{1}{2Z_c}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(2\right)$

$\frac{1}{2Z_c}\frac{\mathrm{rx}}{2Z_c}[u_M\left(t\right)-i_M\left(t\right)\left(\frac{\mathrm{rx}}{4}\right)]$

上式中i(x，t)为t时刻距本端保护安装处距离为x处的电流值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，v为波速度。

本发明进一步的改进在于：步骤四中依据式5进行故障定位；

$f_i\left(x\right)=\underset{t=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iK}}(x,t)-u_{\mathrm{iM}}(l-x,t)|---\left(5\right)$

式中：l为故障支路总长度，K、M分别为故障支路的两个端点，x为距故障支路端点处K端的距离，t₂-t₁为所取的冗余数据长度。

本发明进一步的改进在于：f_i(x)为零处所对应的x就是故障距离。

本发明进一步的改进在于：考虑到舍入误差与计算精度的影响，式(5)取最小值时所对应的x值就是故障点距K端的距离：

f(x_f)＝minf_i(x)  x∈(0，l)         (6)

式中：x_f为故障距离，l为故障支路线路长度。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：直流线路一般较长，分布参数特性明显；本发明的方法建立在分布参数模型基础上，根据分支点边界条件，通过计算分支点电压选出故障支路；对于故障支路，通过计算直流输电线路沿线电压和电流分布，将三端线路转换成两端线路，由故障支路两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。本发明方法建立在分布参数模型基础上，在时域中利用模变换将直流电流、直流电压的采样值转换为模量，然后根据线路端点处模电压、电流计算出线路分支点电压，比较由各端点电气量计算得到的电压，选出故障支路；由所有健全支路计算的到得分支点电压和电流，与故障支路另一端电气量构成两端线路，由两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。本发明所需采样率低，计算简单，可实现短数据窗精确故障定位。该故障定位方法适用于含分支线路的并联式、串联式以及混合式多端直流系统。

【附图说明】

图1为4端直流系统中直流线路故障定位结构框图，由分压器、分流器和故障定位装置组成。

图2是为计算沿线电压、电流分布的分布参数模型示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图1和附图2对本发明做进一步详细描述。

请参阅图1及图2所示，直流线路一般较长，分布参数特性明显。本发明的方法建立在分布参数模型基础上，根据分支点边界条件，通过计算分支点电压选出故障支路；对于故障支路，通过计算直流输电线路沿线电压和电流分布，将三端线路转换成两端线路，由故障支路两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。

本发明方法建立在直流输电线路分布参数模型基础上，以T型接线直流为例(设其分支点为O点)，故障定位具体包括下列步骤：

1)从换流站直流线路侧分压器和分流器处获取故障暂态电压量和电流量；

2)利用各端点处故障暂态过程中检测到的电压和电流量分别计算分支点O点处的电压，比较计算得到的电压值，选出故障支路；具体实现方法为：

以T型接线直流为例(设其分支点为O点)，采用集中电阻传输线模型计算线路电压分布(等值电路如图2所示)，根据式(1)(出处：电机工程学报-2004.24(3).24-29)由本端数据计算沿线电压值，x为测距装置距离分支点O点的距离；

$u(x,t)=\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]+$

$\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(1\right)$

${\left(\frac{\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2{u}_M\left(t\right)-\frac{\mathrm{rx}}{4}\·\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)\·\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)i_M\left(t\right)$

上式中i(x，t)、u(x，t)分别为距本端测距装置距离x处t时刻的电流电压值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，v为波速度。

T型接线直流系统三个分支分别为线1、线2和线3。设由T型接线直流系统中三个端点处电气量计算得到的分支点处O点的电压分别为：u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)，计算两两电压差的绝对值，分别表示为Δu₁₂(t)＝|u₁(t)-u₁(t)|、Δu₂₃(t)＝|u₂(t)-u₃(t)|、Δu₁₃(t)＝|u₁(t)-u₃(t)|。

若Δu₁₂(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线3为故障支路；

若Δu₁₃(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线2为故障支路；

若Δu₂₃(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线1为故障支路；

选出故障支路后即可实现故障定位。

对于3条以上支路的输电系统，由各支路端点处电气量计算得到分支点处O点的电压进行比较，某一支路计算得到的分支点处O点的电压分别减去其它支路计算得到的分支点处O点的电压，如果所得差值均不为零，则该支路为故障支路；某一支路计算得到的分支点处O点的电压分别减去其它支路计算得到的分支点处O点的电压，如果所得差值部分为零，部分不为零，则该支路为健全支路。

3)由所有健全支路计算分支点电压和电流，以计算电压作为分支点电压(即由各健全支路端点处电气量计算得到分支点处O点的电压)，以计算电流之和作为分支点电流；

假设线1为故障支路，对于健全支路，在分布参数模型中，根据公式(2)，

$i(x,t)=\frac{1}{2Z_c}\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]-$

$\frac{1}{2Z_c}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(2\right)$

$\frac{1}{2Z_c}\frac{\mathrm{rx}}{2Z_c}[u_M\left(t\right)-i_M\left(t\right)\left(\frac{\mathrm{rx}}{4}\right)]$

上式中i(x，t)为t时刻距本端保护安装处距离为x处的电流值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，分别用直流线路两端所采集的直流电压、直流电流的瞬时值计算直流线路上某点处的模电流瞬时值，v为波速度。

计算健全支路电流和作为故障支路电流

u_O(t)＝u₂(t)＝u₃(t)(3)

i_O(t)＝i₂(t)+i₃(t) (4)

4)对于故障支路，计算得到的分支点O点电气量与采样得到的该故障支路另一端点M处采集得到的电气量(电压和电流)构成两端线路，由两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。

由于受对端对故障点注入电流的影响，由本端电压、电流计算得到的各模量电压分布从本端到故障点间是真实的，在故障点后是虚假的。在故障点处根据两端电气量由两端电气量计算出的电压相等。在非故障点处由式两端电气量计算出的电压也有可能在某些时刻相等，但不会任意时刻都相等，只有在故障点处两端计算出的电压才会时刻相等，依据此思想可构造如下故障定位函数：

$f_i\left(x\right)=\underset{t=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iK}}(x,t)-u_{\mathrm{iM}}(l-x,t)|---\left(5\right)$

式中：l为线路的总长度，x为距O点的距离，t₂-t₁为所取的冗余数据长度。式(5)测距判据函数为零处所对应的x就是故障距离，而在非故障点处都有式(5)大于零，在实际应用中考虑到舍入误差与计算精度等的影响，式(5)取最小值时所对应的x值就是故障点距O端的距离，所以有：

f(x_f)＝minf_i(x)x∈(0，l)   (6)

式中：x_f为故障距离，l为故障支路线路长度。

Claims (8)

1.一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一，从换流站直流线路侧分压器和分流器处获取故障暂态电压量和电流量；

步骤二，利用各端点处故障暂态过程中检测到的电压和电流量分别计算分支点处的电压，比较计算得到的电压值，选出故障支路；

步骤三，由所有健全支路计算分支点处电压和电流，以所有健全支路计算计算得到分支点处电压作为分支点电压，以所有健全支路计算得到分支点处电流之和作为分支点电流；

步骤四，对于故障支路，步骤三计算得到的分支点电气量与采样得到的该故障支路另一端点处采集得到的电气量构成两端线路，由两端电气量分别计算沿线电压分布，根据故障点计算得到的电压时时相等实现故障定位。

2.根据权利要求1所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，步骤二中采用集中电阻传输线模型式(1)计算分支点处的电压：

$u(x,t)=\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]+$

$\frac{1}{2}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(1\right)$

${\left(\frac{\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2{u}_M\left(t\right)-\frac{\mathrm{rx}}{4}\·\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)\·\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)i_M\left(t\right)$

上式中i(x，t)、u(x，t)分别为距本端测距装置距离x处t时刻的电流、电压值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值；v为波速度。

3.根据权利要求2所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，步骤二中将各支路端点处电气量计算得到分支点处的电压进行比较，某一支路计算得到的分支点处的电压分别减去其它支路计算得到的分支点处的电压，如果所得差值均不为零，则该支路为故障支路；某一支路计算得到的分支点处的电压分别减去其它支路计算得到的分支点处的电压，如果所得差值部分为零，部分不为零，则该支路为健全支路。

4.根据权利要求2所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，多端直流输电系统包括三个分支分别为线1、线2和线3；线1、线2和线3的三个端点处电气量计算得到的分支点处的电压分别为：u₁(t)、u₂(t)、u₃(t)，计算两两电压差的绝对值，分别表示为Δu₁₂(t)＝|u₁(t)-u₁(t)|、Δu₂₃(t)＝|u₂(t)-u₃(t)|、Δu₁₃(t)＝|u₁(t)-u₃(t)|；

若Δu₁₂(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线3为故障支路；

若Δu₁₃(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线2为故障支路；

若Δu₂₃(t)＝min{Δu₁₂(t)，Δu₂₃(t)，Δu₁₃(t)}，则线1为故障支路。

5.根据权利要求1所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，步骤三中采用式(2)计算分支点处的电流：

$i(x,t)=\frac{1}{2Z_c}\left(\frac{Z_c+\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)[u_M(t+\frac{x}{v})-i_M(t+\frac{x}{v})\·(Z_c+\mathrm{rx}/4)]-$

$\frac{1}{2Z_c}{\left(\frac{Z_c-\mathrm{rx}/4}{Z_c}\right)}^2[u_M(t-\frac{x}{v})+i_M(t-\frac{x}{v})\·(Z_c-\mathrm{rx}/4)]----\left(2\right)$

$\frac{1}{2Z_c}\frac{\mathrm{rx}}{2Z_c}[u_M\left(t\right)-i_M\left(t\right)\left(\frac{\mathrm{rx}}{4}\right)]$

上式中i(x，t)为t时刻距本端保护安装处距离为x处的电流值，Z_c为线路的特征阻抗，r为线路单位长度的电阻，u_M(t)为t时刻本端采得的电压值，i_M(t)为t时刻本端采得的电流值，v为波速度。

6.根据权利要求1所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，步骤四中依据式(5)进行故障定位；

$f_i\left(x\right)=\underset{t=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}|u_{\mathrm{iK}}(x,t)-u_{\mathrm{iM}}(l-x,t)|---\left(5\right)$

式中：l为故障支路总长度，K、M分别为故障支路的两个端点，x为距故障支路端点处K端的距离，t₂-t₁为所取的冗余数据长度。

7.根据权利要求6所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，f_i(x)为零处所对应的x就是故障距离。

8.根据权利要求6所述的一种多端直流输电系统多分支直流线路时域故障定位方法，其特征在于，考虑到舍入误差与计算精度的影响，式(5)取最小值时所对应的x值就是故障点距K端的距离：

f(x_f)＝minf_i(x) x∈(0，l)     (6)

式中：x_f为故障距离；l为故障支路线路长度。

Images