CN102508121B - 多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法，包括下列步骤：步骤一，从多端柔性直流输电系统的直流线路侧分流器获取故障暂态电流量；步骤二，利用测得故障暂态电流量，通过频谱分析，提取特征频率信号，计算特征频率值的大小；步骤三，通过特征频率值，结合该特征频率值下的波速度计算得出故障距离。本发明在故障定位时仅利用单端电流数据，所需采样率低，计算简单；无需识别行波波头，安全可靠；可实现短数据窗精确故障定位。该故障定位方法适用于并联式、串联式以及混合式多端柔性直流系统。

Description

多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法

【技术领域】

本发明涉及一种电力系统线路故障定位方法，具体来说是一种多端柔性直流输电系统的直流输电线路单端故障定位方法。

【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、可靠性高的多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法，包括下列步骤：

步骤一，从多端柔性直流输电系统的直流线路侧分流器获取故障暂态电流量；

步骤二，利用测得故障暂态电流量，通过频谱分析，提取特征频率信号，计算特征频率值的大小；

步骤三，通过特征频率值，结合该特征频率值下的波速度计算得出故障距离。

本发明进一步的改进在于：特征频率值f_k为：

$f_k=\frac{k}{2\mathrm{\τ}}=\frac{k{v}_k}{2l}---\left(5\right)$

其中τ为线路全长对应的行波传播时间，k为正整数；f_k为第k次固有频率；v_k为f_k下的波速度；l为故障点距线路首端的距离。

本发明进一步的改进在于：故障距离l为：

$l=\frac{k{v}_k}{2f_k}---\left(6\right)$

k为正整数；f_k为第k次特征频率值；v_k为f_k下的波速度。

本发明进一步的改进在于：故障距离l为：

$l=\frac{v_1}{2f_1}---\left(7\right)$

f₁为第1次特征频率值；v₁为f₁下的波速度。

本发明进一步的改进在于：故障距离l为：

$l=\frac{v_k}{2\mathrm{\Δ}{f}_k}---\left(8\right)$

Δf_k为在频谱中高频区域提取相邻2次特征频率值的差值，v_k为所提取的相邻2次特征频率值所对应两个波速度的平均值。

本发明进一步的改进在于：步骤二中采用FFT法或Prony法进行频谱分析。

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，结合柔性直流系统的特殊结构，提取故障暂态中的特征频率信号实现故障定位；多端柔性直流输电系统的直流输电线路两侧并联了大电容，此系统结构使得在高频下行波在系统侧为全反射。当金属性故障时，行波在故障点也为全反射，过渡电阻增加时行波能量会有一定衰减。端点处的反射使得行波在系统侧与故障点的传播延时是固定的，在频域内则表现为特征频率的形式。此特征频率与故障距离成反比，提取特征频率结合波速度即可实现准确故障定位。与交流输电线路相比，直流输电线路没有电压过零问题，暂态特征频率能量稳定，易于检测，基于特征频率的故障定位实现起来更简单、可靠。本发明故障定位方法主要包括三种：主频法、高次固有频率法以及频率间隔法。频谱分析方法包括FFT、Prony等多种方法。另外，本专利保护范围还包括其他利用特征频率的多端柔性直流输电系统的直流线路故障定位方法。

【附图说明】

图1为4端柔性直流输电系统的直流线路故障定位装置的结构框图，由分流器和故障定位装置组成；

图2用于特征频率分析的分布参数模型直流输电电路。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

请参阅图1所示，多端柔性直流输电系统的直流输电线路两侧并联了大电容，此系统结构使得在高频下行波在系统侧为全反射。当金属性故障时，行波在故障点也为全反射，过渡电阻增加时行波能量会有一定衰减。而直流线路一般较长，分布参数特性明显，端点处的反射使得行波在系统侧与故障点的传播延时是固定的，在频域内则表现为特征频率的形式。此特征频率与故障距离成反比，提取特征频率即可实现准确故障定位。与交流输电线路相比，直流输电线路没有电压过零问题，暂态特征频率能量稳定，易于检测，基于特征频率的故障定位实现起来更简单、可靠。

本发明一种多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法，该方法建立在直流输电线路分布参数模型基础上，故障定位具体包括下列步骤：

步骤一，在多端柔性直流输电系统的换流站侧直流线路端点处安装分流器，从多端柔性直流输电系统的直流线路侧分流器获取故障暂态电流量；分流器采集得到的故障暂态电流量经故障定位装置实现故障定位；

步骤二，利用故障暂态过程中检测到的电流量，通过频谱分析，提取特征频率信号，计算特征频率的大小；

步骤三，通过特征频率值，结合该频率下的波速度计算得出故障距离，实现精确故障定位；

对于无分支线路，可直接利用单端电流数据实现故障定位。对于多分支线路(如T型接线直流线路)，若支路单端电流故障定位计算结果小于该支路长度，输出为故障支路准确定位结果；若支路单端电流故障定位计算结果大于该故障支路长度或检测不到固有频率信息，则输出为健全支路信息。

以T型接线直流线路为例(如图1所示)，具体实现方法为：

假设线1为故障支路，线2、3为健全支路。取线1端点处的暂态电流数据进行计算。具体实现方法如下。

将直流线路用分布参数模型表示(如图2所示)，图中，R、L、G和C分别为线路单位长度的电阻、电感、电导、电容；l为故障点距线路首端的距离；v为波速度；Z_S、Z_F和Z_c分别为电源阻抗、故障点阻抗和线路波阻抗；U_F为故障点的电压；Γ₁、Γ₂分别为电源和故障点反射系数。Γ₁、Γ₂由边界处的阻抗决定，Γ₁＝(Z_S-Z_c)/(Z_S+Z_c)，Γ₂＝(Z_F-Z_c)/(Z_F+Z_c)，

高频的特征频率下测距装置安装处感受到的系统阻抗可近似为：

Z_S＝1/(jωC_s)          (1)

其中，ω为角速度，C_s为并联大电容的值。高频下电容阻抗约为零，此时系统侧可等效为短路。

高频下线路波阻抗Z_c可简化为：

$Z_c=\sqrt{L/C}---\left(2\right)$

此时，当故障点过渡电阻为R_F时，可知系统侧与故障点的反射系数分别为：

${\mathrm{\Γ}}_1=\frac{1/\left(j{\mathrm{\ωC}}_s\right)-\sqrt{L/C}}{1/\left(j{\mathrm{\ωC}}_s\right)+\sqrt{L/C}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\Γ}}_2=\frac{R_F-\sqrt{L/C}}{R_F+\sqrt{L/C}}---\left(4\right)$

波阻抗取400Ω，过渡电阻R_F最大值取为100Ω。当并联大电容为1000μF时，在1000Hz特征频率下，分析可知：由于线路波阻抗远大于系统阻抗，因此Γ₁约为-1，θ₁＝π。当R_F＝0Ω时，Γ₂＝-1，θ₂＝π，即金属性接地故障时故障点为全反射。当R_F＝100Ω时，Γ₂＝-0.6，θ₂＝π，可见经高阻接地故障时，故障点不是全反射，但过渡电阻的值只影响Γ₂的幅值，不影响其相位。即当过渡电阻增大，θ₂不变，在频谱上表现为当过渡电阻增大时，特征频率不变，幅值会有一定的衰减。

由于在系统电容侧和故障点处反射波与入射波均反号，因此行波在系统侧与故障点的传播延时是固定的。假设τ为线路全长对应的行波传播时间，则一个行波传播周期为2τ。以上特性在频域内则表现为一系列特征频率的形式。

可见，由于线路的分布参数特性和行波的反射，特征频率表现为一系列的频率的形式，特征频率f_k表达式为

$f_k=\frac{k}{2\mathrm{\τ}}=\frac{k{v}_k}{2l}---\left(5\right)$

其中τ为线路全长对应的行波传播时间，k为正整数；f_k为第k次固有频率；v_k为f_k下的波速度。由式(5)可知故障距离为

$l=\frac{k{v}_k}{2f_k}---\left(6\right)$

理论上，根据任何一次的特征频率信号均可进行准确的故障定位。由于特征频率主频信号明显，幅值最大，因此可通过特征频率主频进行定位。此时，故障定位公式为

$l=\frac{v_1}{2f_1}---\left(7\right)$

也可采用其他次的特征频率(如第2、第3或更高次特征频率)进行故障定位。

对于多端柔性直流系统的直流线路，也可通过计算频谱间隔进行故障定位。在频谱中高频区域提取相邻2次特征频率的值，计算频谱间隔Δf_k，当忽略计算相邻频率点处波速度的变化时(认为均为v_k)，可得故障距离：

$l=\frac{v_k}{2\mathrm{\Δ}{f}_k}---\left(8\right)$

以上方法可保证直流输电线路故障定位的准确性。

Claims (1)

1.一种多端柔性直流输电系统的直流线路单端故障定位方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一，从多端柔性直流输电系统的直流线路侧分流器获取故障暂态电流量；

步骤二，利用测得故障暂态电流量，通过频谱分析，提取特征频率信号，计算特征频率值的大小；

步骤三，通过特征频率值，结合该特征频率值下的波速度计算得出故障距离；

步骤二中采用FFT法或Prony法进行频谱分析；

故障距离l为：

$l=\frac{{v_k}^{`}}{{2\mathrm{\Δf}}_k}---\left(8\right)$

Δf_k为在频谱中高频区域提取相邻2次特征频率值的差值，v_k`为所提取的相邻2次特征频率值所对应两个波速度的平均值；

特征频率值f_k为：

$f_k=\frac{k}{2\mathrm{\τ}}=\frac{{\mathrm{kv}}_k}{2l}---\left(5\right)$

其中τ为线路全长对应的行波传播时间，k为正整数；f_k为第k次固有频率；v_k为f_k下的波速度；l为故障点距线路首端的距离。