CN105388392B - 基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法，该方法的步骤包括在电缆始端投入故障定位模块，与电缆、过渡电阻共同构成故障回路；对得到的故障回路进行电缆始端的电压和电流采集，并采用改进型Prony算法对电压和电流分别进行识别，分别得到电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角；在选定电缆型号后，利用等效阻抗和上述特征角频率，计算出包含被测电缆线路参数和过渡电阻的等效阻抗；重构电压和电流，辨识二端口视在阻抗的幅值和相角；根据上述步骤获得的等效阻抗和视在电阻，根据故障定位条件得到两条故障距离和过渡电阻构成的曲线，两条曲线的交点即为此故障条件下的故障距离和过渡电阻。
Description
技术领域
本发明涉及直流配电网故障定位技术领域，特别是涉及一种基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的快速发展，换流器作为直流配电的主要元件已日趋成熟，其造价降低，耐压值、过流量明显提高，使得直流配电受到人们的广泛重视。相比于交流配电，直流配电技术具有线路成本低、电能配送能力强、供电半径大、配电效率高、网络损耗小、易于实现分布式电源互联等优点，直流配电必将成为未来配电网的发展目标。目前直流配电技术的应用仅局限于舰船系统、商业和楼宇办公系统、数据中心、电信系统及铁路牵引系统等，将直流配电技术应用于城市电网建设是近年来研究的新趋势，在技术上还有很多需要进一步研究的地方。
目前我国对直流配电网的研究都还处于试验探索阶段，直流配电电网故障定位技术的研究也刚刚起步。直流配电网研究的相关文献仅涉及到探讨直流配电网的可行性、架构和需要解决的关键技术问题。关于直流配电电缆故障定位，Xu M M等发表的《A Prony-based method of locating short-circuit fault in DC distribution system》文献中提出了一种两步故障定位的方法，第一步：根据电缆故障电流的方向判断并隔离故障区域，第二步：当故障发生时，在第一步确定并隔离的电缆线路一端并上一个已知带电电容，从而构成故障回路。单端测量电容的电压，再利用Prony算法提取电容电压阻尼振荡的特征频率，根据相关公式算出保护点到故障点的电缆集中电感，即可算出故障距离。此文献中讨论的是极间故障，此方法的缺点是没有考虑过渡电阻、电缆分布电容和线路电感分布不均对定位精度的影响。最新的同样由徐铭铭等发表的《一种基于Prony算法的直流配电网电缆故障定位方法》文献中提出了基于简化RL线路模型的双端故障定位方法，在故障区间两端分别投入一个由电感和带电电容组成的定位模块。两个模块分别和线路、故障点过渡电阻形成两个串联的二阶电路，利用Prony算法提取电容放电电流的特征频率和衰减系数，确定故障回路参数，得到故障距离。相比于上一篇文献，此文献采用双端测量法消去了线路电感，利用电阻参数计算故障距离，解决了线路电感分布不均对定位精度的影响，并且考虑了过渡电阻。但由于两端的定位模块不是同时投入，有一定的延时，要做到两端的时间同步，需要利用通信通道，并且采用双端测量法要求在各线路断路器下游都增加一套含电容和电感的定位模块，两个因素都使应用成本较高。同样，忽略了电缆分布电容的影响，与实际工程不符。
因此，需要提供一种综合的故障定位方法，以满足直流配电网中直流配电电缆在线故障定位的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法，该方法的步骤包括
S1、基于由电容、电感和电阻组成的π模型电缆等效电路，构建电缆故障回路；
S2、对该电缆故障回路进行电缆起始端的电压和电流采集，并分别获得所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角；
S3、根据待测电缆的型号、π模型的电缆等效电路以及步骤S2中获得的电压和电流的特征角频率，构建该频率下的包含待测电缆线路参数和过渡电阻的等效阻抗：
令，
a＝2Rf+2Rul-ω2CuLuRfl2，b＝ωCuRuRfl2+2ωLul，
c＝4-ω2Cu 2RuRfl3-2ω2CuLul2，
d＝4ωCuRfl+2ωCuRul2-ω3Cu 2LuRfl3
等效阻抗可简化为：
式中，Rf为故障过渡电阻，Cu、Lu、Ru分别为π模型电缆等效电路的单位电容、单位电感和单位电阻，l为故障距离，；
S4、利用步骤S2中获得的所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角，重构所述电压和电流的原始波形，并根据所述电压和电流的原始波形辨识由电缆起始端和大地构成的二端口的视在阻抗Zsz的幅值和相角；
S5、利用所述包含待测电缆线路参数和过渡电阻的等效阻抗Zeq和视在阻抗Zsz，基于故障定位条件|Re(Zsz)-Re(Zeq)|≤ε，|Im(Zsz)-Im(Zeq)|≤ε，获得由故障距离曲线和过渡电阻曲线构成故障判别曲线，两条曲线的交点即为当前故障条件下的故障距离和过渡电阻，其中，Re(ZSZ)和Im(ZSZ)分别表示视在阻抗的实部和虚部，Re(Zeq)和Im(Zeq)分别表示等效阻抗的实部和虚部，ε为预定精度。
优选的，所述电缆故障回路包括故障定位模块、π模型电缆等效电路和过渡电阻；
所述故障定位模块包括依次连接的已知电感和已知电容，该故障定位模块设置在靠近断路器的一端。
优选的，所述已知电容和已知电感的选取条件包括：
保证故障回路特征频率不超过100Hz；
保证故障回路满足欠阻尼条件。
优选的，所述π模型电缆等效电路由电缆电容、电缆电感和电缆电阻组成；
所述故障定位模块和过渡电阻分别与所述π模型电缆等效电路中的电缆电容并联。
优选的，所述步骤S2中利用改进型Prony算法对电压和电流分别进行识别，分别获得所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角。
优选的，所述预定精度ε为10-3。
优选的，所述二端口的视在阻抗Zsz的幅值为重构的电压和电流的幅值之比；所述二端口的视在阻抗Zsz的相角为重构电压和电流的相角之差。
本发明的有益效果如下：
本发明在现有研究基础上，克服现有方法的不足，提出的一种基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法，该方法实现了单端故障定位，并从理论上消除了未知过渡电阻的影响，显著提高了定位精度；同时本方法还考虑了地下电缆分布电容的影响，与实际工程较符合。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出本发明所述方法步骤流程图
图2示出本发明所述故障回路示意图；
图3示出本发明将被测电缆和过渡电阻等效为一未知等效阻抗的故障回路简图；
图4示出任意故障情况下等效阻抗的实部示意图；
图5示出任意故障情况下等效阻抗的虚部示意图；
图6示出二端直流配电系统的示意图；
图7示出本发明实施例中仿真结果的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开了一种基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1、基于由电容、电感和电阻组成的π模型电缆等效电路，构建电缆故障回路；如图2所示，所述电缆故障回路是由故障定位模块、π模型电缆等效电路和过渡电阻组成的，其中，所述故障定位模块包括依次连接的已知电感L0和已知电容C0，该故障定位模块设置在靠近断路器的一端。本方案中，所述已知电容C0和已知电感L0的选取条件要满足以下两点：1、保证故障回路特征频率不超过100Hz；2、保证故障回路满足欠阻尼条件。本方案中优选已知电容C0为一个初始电压为100V的带电电容C0。其中，所述π模型电缆等效电路包括依次连接的第一电缆电容C/2、电缆电感L、电缆电阻R和第二电缆电容C/2，上述电缆的电容、电感和电阻组件构成如图2所示的π型电路模型，利用该π型电路模型较以往仅采用电感和电阻进行分析相比，可有效提高故障判断的精度。所述故障定位模块与所述第一电缆电容C/2并联；所述过渡电阻与所述第二电缆电阻C/2并联。
步骤S2、对该电缆故障回路进行电缆起始端的电压和电流采集，并利用改进型Prony算法对电压和电流分别进行识别，分别获得所述电压和电流的幅值A、特征角频率ω、衰减系数α和初始相角θ；具体识别步骤如下：
以1kHz的采样频率对电缆始端的电压和电流进行采集，采用改进型Prony算法对电压和电流分别进行四要素的识别，其中改进型Prony算法的数学模型为：
式中，χ(n)为第n个采样点值，为其估计值，Δt为采样间隔，p＝q1+2q2为分解阶数，q1和q2分别为衰减直流分量和衰减余弦分量的个数。bi和zi均为复数，包含了确定信号的频率和阻尼因子等信息量，四要素的计算公式为：
S3、根据待测电缆的型号、π模型的电缆等效电路以及步骤S2中获得的电压和电流的特征角频率，构建该频率下包含待测电缆线路参数和过渡电阻的等效阻抗：
令，
a＝2Rf+2Rul-ω2CuLuRfl2，b＝ωCuRuRfl2+2ωLul，
c＝4-ω2Cu 2RuRfl3-2ω2CuLul2，
d＝4ωCuRfl+2ωCuRul2-ω3Cu 2LuRfl3
等效阻抗可简化为：
式中，Rf为故障过渡电阻，Cu、Lu、Ru分别为π模型电缆等效电路的单位电容、单位电感和单位电阻，l为故障距离；所述等效阻抗在任意故障情况下的实部仿真示意图和虚部仿真示意图。
S4、利用步骤S2中获得的所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角，还原所述电压和电流的原始波形，并根据所述电压和电流的原始波形辨识由电缆起始端和大地构成的二端口的视在阻抗Zsz的幅值和相交。本方案中利用步骤S2中获得的获得所述电压和电流的幅值A、特征角频率ω、衰减系数α和初始相角θ进行电压和电流原始波形的重构，可解决由于采样频率不高而导致波形缺失的问题。重构的电压和电流的幅值之比为视在阻抗的模值，电压和电流的相角之差为视在阻抗的相角。
S5、利用所述由电缆起始端和大地构成的二端口的等效阻抗Zeq和视在阻抗Zsz，基于故障定位条件|Re(Zsz)-Re(Zeq)|≤ε，|Im(Zsz)-Im(Zeq)|≤ε，获得由故障距离曲线和过渡电阻曲线构成故障判别曲线，两条曲线的交点即为当前故障条件下的故障距离和过渡电阻，其中，其中，Re(ZSZ)和Im(ZSZ)分别表示视在阻抗的实部和虚部，Re(Zeq)和Im(Zeq)分别表示等效阻抗的实部和虚部，ε为预定精度。
下面结合一组实例对本发明作进一步说明：
为验证上述方法的有效性，如图5所示，在Matlab/Simulink中搭建了二端直流配电网的仿真模型，直流电压设定为12kV，采用两电平电压源型换流器，双极供电。左侧换流器采用恒电压控制，右侧换流器采用恒功率控制，其功率为10MW。定位模块中参数L0＝80.56mH，C0＝31.44μF，每段电缆长度为10km。线路单位直流电阻为0.123Ω/km，50Hz线路单位电感为0.9836mH/km，单位电容为0.2834μF/km。
随机设置正极上的某一点发生接地故障，过渡电阻在0～100Ω之间随机选择。改进型Prony算法数据窗为0.02s，采样频率为1kHz。利用本发明所述技术方案确定故障距离，分别进行两组实验，一组为定故障距离，改变过渡电阻，由此来检验过渡电阻对此定位方法的影响；另一组则为定过渡电阻，改变故障距离，来检验故障距离对此定位方法的影响。
(1)过渡电阻的影响
定故障距离l＝5000m，在0～100Ω范围内依次增大过渡电阻Rf，仿真结果如表1所示。
表1改变过渡电阻情况下的仿真结果
由表1可以看出，随着过渡电阻的增大，故障回路的特征频率逐渐降低，若需要在过渡电阻范围更大的情况进行定位，则需要重新调整L0和C0的取值，避免过渡电阻更大时特征频率过低导致识别失败，进而导致定位失败。由定位结果可以看出，故障距离最大误差仅为1.16％，过渡电阻误差则更小，最大仅为0.6％，证明此方法不受过渡电阻的影响且精确很高。
(2)故障距离的影响
定过渡电阻Rf＝40Ω，在0～10km范围内依次增大故障距离，仿真结果如表2所示。
表2改变故障距离情况下的仿真结果
由表2可以看出，随着故障距离的增大，特征频率逐渐降低，但减小的幅度很小，说明特征频率主要由过渡电阻来决定。由定位结果可以看出，定位误差很小，一般小于1％，说明该方法不受故障距离的影响，可满足工程实际的需要。
综上所述，本发明所述技术方案实现了单端故障定位，并从理论上消除了未知过渡电阻的影响，显著提高了定位精度；同时，本方案还考虑了地下电缆分布电容的影响，与实际工程较符合。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.基于视在阻抗辨识的直流配电电缆单端在线故障定位方法，其特征在于，该方法的步骤包括
S1、基于由电容、电感和电阻组成的π模型电缆等效电路，构建电缆故障回路；
S2、对该电缆故障回路进行电缆起始端的电压和电流采集，并分别获得所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角；
S3、根据待测电缆的型号、π模型的电缆等效电路以及步骤S2中获得的电压和电流的特征角频率，构建该频率下的包含待测电缆线路参数和过渡电阻的等效阻抗：
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式中，Rf为故障过渡电阻，Cu、Lu、Ru分别为π模型电缆等效电路的单位电容、单位电感和单位电阻，l为故障距离；
S4、利用步骤S2中获得的所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角，重构所述电压和电流的原始波形，并根据所述电压和电流的原始波形辨识由电缆起始端和大地构成的二端口的视在阻抗Zsz的幅值和相角；
S5、利用所述包含待测电缆线路参数和过渡电阻的等效阻抗Zeq和视在阻抗Zsz，基于故障定位条件|Re(Zsz)-Re(Zeq)|≤ε，|Im(Zsz)-Im(Zeq)|≤ε，获得由故障距离曲线和过渡电阻曲线构成故障判别曲线，两条曲线的交点即为当前故障条件下的故障距离和过渡电阻，其中，Re(Zsz)和Im(Zsz)分别表示视在阻抗的实部和虚部，Re(Zeq)和Im(Zeq)分别表示等效阻抗的实部和虚部，ε为预定精度。
2.根据权利要求1所述的在线故障定位方法，其特征在于，所述电缆故障回路包括故障定位模块、π模型电缆等效电路和过渡电阻；
所述故障定位模块包括依次连接的已知电感和已知电容，该故障定位模块设置在靠近断路器的一端。
3.根据权利要求2所述的在线故障定位方法，其特征在于，所述已知电容和已知电感的选取条件包括：
保证电缆故障回路特征频率不超过100Hz；
保证电缆故障回路满足欠阻尼条件。
4.根据权利要求2所述的在线故障定位方法，其特征在于，所述π模型电缆等效电路由电缆电容、电缆电感和电缆电阻组成；
所述故障定位模块和过渡电阻分别与所述π模型电缆等效电路中的电缆电容并联。
5.根据权利要求1所述的在线故障定位方法，其特征在于，所述步骤S2中利用改进型Prony算法对电压和电流分别进行识别，分别获得所述电压和电流的幅值、特征角频率、衰减系数和初始相角。
6.根据权利要求1所述的在线故障定位方法，其特征在于，所述预定精度ε为10-3。
7.根据权利要求1所述的在线故障定位方法，其特征在于，所述二端口的视在阻抗Zsz的幅值为重构的电压和电流的幅值之比；所述二端口的视在阻抗Zsz的相角为重构电压和电流的相角之差。
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