CN106324436B - 一种直流系统线路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流系统线路故障定位方法，首先推导基于VSC直流系统的线路上不同故障类型下的电压电流暂态特性方程，求取故障时电流微分的初始值；接着利用正负极在不同故障类型下的突变量进行故障判别，判定故障发生后的故障类型以及故障极；然后求解故障后电流电压特性方程，求得故障回路的过渡电阻；最后利用故障时电流微分的初始值推导出故障定位值，实现线路故障的精确定位。本发明对于高过渡电阻与长距离的直流系统的故障定位精度较高，可用于单端辐射型直流配网，船舶直流配电系统，以及输送功率具有分散性、小型性、随机性的直流系统。

Description

一种直流系统线路故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种直流系统线路故障定位方法，属于直流线路故障定位领域。

背景技术

目前，直流系统故障定位方法基于离线技术，主要方法有阻抗法、行波法两种。但阻抗法受故障电阻、线路负荷、互感器误差和电源参数等因素的影响较大，实际应用效果不理想。行波法原理简单，准确度高，因此在实际中广泛采用。行波法原理是采用人工模式检测故障线路上暂态行波在母线与故障点之间的传播时间来实施定位。

行波故障定位是依靠识别波头、标定波头起始时刻来实现故障定位的。波头的识别与标定工作，对人员素质有较高要求、难以实现自动化。当存在过渡电阻、行波波头幅值受到限制时，波头的起始点便更难准确标定，严重影响定位的精度和可靠性。随着过渡电阻的继续增大，行波故障定位法就会由于没有启动而无法定位故障。

发明内容

发明目的：本发明提出一种直流系统线路故障定位方法，避免了行波故障定位过程中受过渡电阻、行波波头幅值等因素的影响。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种直流系统线路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据直流电容放电原理，推导得出基于VSC直流系统的线路上发生不同故障类型下的电压电流暂态特性方程，并推导电流暂态特性方程的微分方程，求取故障时电流微分方程的初始值；

2)利用正负极在不同故障类型下的突变量来进行故障判别，判定故障发生后的故障类型以及故障极；

3)求解故障后电流电压暂态特性方程，求取故障回路的过渡电阻；

4)利用故障时电流微分的初始值推导出故障定位值。

优选地，所述步骤1)中所述电压电流暂态特性方程为：

当时，电压电流的暂态特性方程为：

上式中，v_c(0)与i_L(0)是故障前的直流电压电流，R＝2R_eq+R_f，L＝2L_eq，C＝C_eq/2，R_f为过渡电阻，双极接地过渡电阻较小，可近似认为R_f≈0， β＝arctan(ω/δ)；

此时电流微分方程为：

R＝R_eq+R_f,L＝L_eq,C＝C_eq；

当时，电压电流的暂态特性方程为：

式中，

此时电流微分为：

优选地，所述步骤2)中由于双极故障时：

正极：ΔU₁<0，ΔI₁>0；负极：ΔU₂>0，ΔI₂<0；则有

单极故障时，正极故障：

正极：ΔU₁<0，ΔI₁>0；负极：ΔU₂<0，ΔI₂>0；则有，

单极故障时，负极故障：

正极：ΔU₁>0，ΔI₁<0；负极：ΔU₂>0，ΔI₂<0；则有，

判定方法：先判断若双极故障；若单极故障；

若判断ΔI₁、ΔI₂即可判定故障发生后的故障类型以及故障极。

优选地，所述步骤3)中测得电压测量值v'_c,mea与电流测量值i'_L,mea，以及v'_c,mea跌落值低于任何一相电网电压v_ga,b,c的时间t_1,mea，则整个回路的总电阻与电感可求解得：

假设忽略电路中其余部分的电阻与电感，如IGBT与二极管，则故障时回路总电阻与总电感为

由式(14)、(15)即可得过渡电阻R_f；

由上分析指出，在t＝0⁺时刻，取得极大值，则有

优选地，所述步骤4)中双极故障时的故障定位值x：

上式中：R_u和L_u分别为单位电缆长度的电阻与电感参数，x为故障定位值；对于单极故障，由于过渡电阻的存在，已经不能近似看成R_f≈0，由式(14)、(15)可得过渡电阻R_f，则式(17)改写为：

利用式(17)、(18)可实现基于VSC的直流系统线路上发生单双极故障时的故障定位。

有益效果：本发明适用于单端辐射型直流配网、船舶直流配电系统以及输送功率具有分散性、小型性、随机性的直流输电系统。

本发明采用电流微分初始值进行基于VSC的直流系统线路故障的故障定位，该发明能够兼顾快速性和准确性，具有较高的精度。

本发明计算结果可用于离线维护，无须进行行波注入定位或跟踪预测定位。相较于行波故障定位法，不受过渡电阻等因素的影响，可实现自动化操作。该发明对于高过渡电阻与长距离的基于VSC直流系统的线路故障定位精度较高。

该发明利用正负极在不同故障类型下的突变量进行故障判别，可实现故障类型以及故障极的快速判定。

该发明利用插值算法对传统的差分算法代替微分值进行了改进，改进后的插值算法来代替微分值具有更高的精度。

附图说明

图1为基于VSC直流系统线路双极短路故障的等效图；

图2为基于VSC直流系统线路单极接地故障的等效图；

图3为本发明算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

对于VSC直流系统，本发明采用以下步骤定位线路故障：

第一步，首先推导得到基于VSC直流系统的线路上发生不同故障类型下的电压电流暂态特性方程，并推导电流暂态特性方程的微分方程，求取故障时电流微分方程的初始值。

本步骤中双极接地故障的第一个阶段为直流电容放电过程，形成RLC振荡电路，等效图如图1所示。故障之初直流电压U_dc大于交流侧线电压，此时直流线路故障电流将以直流电容向短路点放电为主。

当时，电压电流的暂态特性方程为：

上式中，v_c(0)与i_L(0)是故障前的直流电压电流，R＝2R_eq+R_f，L＝2L_eq，C＝C_eq/2，R_f为过渡电阻，双极接地过渡电阻较小，可近似认为R_f≈0。 β＝arctan(ω/δ)。

电流微分方程为：

由于电容放电阶段i(t)为凸函数，即有：

由此可知在电容放电阶段呈单调递减，即在t＝0+时刻取得最大值。在t＝0⁺时刻，电流微分的值为：

其中

则

当时，单极故障时的等效图如图2所示，可以看出单极故障时的第一阶段与双极故障相似，仍是RLC放电过程仍可以用双极故障的电压电流公式(1)、(2)求得。此时R＝R_eq+R_f,L＝L_eq,C＝C_eq。

当时，时域表达式为：

式中，

电流微分为：

在t＝0⁺时刻，电流微分的值为

由上可知p₁,p₂的值，则

由上分析可知，无论是双极故障还是单极故障，其电流微分的初始值均可以用式(8)表示。

第二步，通过正负极在不同故障类型下的突变量进行故障判别，判定故障发生后的故障类型以及故障极。

步骤2)中的正负极在不同故障类型下的突变量进行故障判别，由于双极故障时：

正极：ΔU₁<0，ΔI₁>0；负极：ΔU₂>0，ΔI₂<0；则有

单极故障时，正极故障：

正极：ΔU₁<0，ΔI₁>0；负极：ΔU₂<0，ΔI₂>0；则有，

单极故障时，负极故障：

正极：ΔU₁>0，ΔI₁<0；负极：ΔU₂>0，ΔI₂<0；则有，

判定方法：先判断若双极故障；若单极故障；

若判断ΔI₁、ΔI₂即可判定故障发生后的故障类型以及故障极。

第三步，求解故障后电流电压暂态特性方程，求取故障回路的过渡电阻。

具体过渡电阻的求解如下：

测得电压测量值v'_c,mea与电流测量值i'_L,mea，以及v'_c,mea跌落值低于任何一相电网电压v_ga,b,c的时间t_1,mea，则整个回路的总电阻与电感可由式(14)解得：

假设忽略电路中其余部分的电阻与电感，如IGBT与二极管，则故障时回路总电阻与总电感为

由式(14)、(15)即可得过渡电阻R_f。

由上分析指出，在t＝0⁺时刻，取得极大值，则有

第四步，利用故障时电流微分的初始值推导出故障定位值，实现故障线路的精确定位。

步骤4)中，本发明提出利用故障时电流微分的初始值推导出故障定位值。由式(8)和式(15)可得双极故障时的故障定位值x：

上式中：R_u和L_u分别为单位电缆长度的电阻与电感参数，x为故障定位值。

对于单极故障，由于过渡电阻的存在，已经不能近似看成R_f≈0，由式(14)、(15)可得过渡电阻R_f，则式(17)改写为：

利用式(17)、(18)可实现基于VSC的直流系统线路上发生单双极故障时的故障定位。

算法流程图如图3所示。

Claims (5)

1.一种直流系统线路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据直流电容放电原理，推导得出基于VSC直流系统的线路上发生不同故障类型下的电压电流暂态特性方程，并推导电流暂态特性方程的微分方程，求取故障时电流微分方程的初始值；

2)利用正负极在不同故障类型下的突变量来进行故障判别，判定故障发生后的故障类型以及故障极；

3)求解故障后电流电压暂态特性方程，求取故障回路的过渡电阻；

4)利用故障时电流微分的初始值推导出故障定位值。

2.根据权利要求1所述的直流系统线路故障定位方法，其特征在于，所述步骤1)中所述电压电流暂态特性方程为：

当时，电压电流的暂态特性方程为：

上式中，v_c(0)与i_L(0)是故障前的直流电压电流，R＝2R_eq+R_f，L＝2L_eq，C＝C_eq/2，R_f为过渡电阻，双极接地过渡电阻较小，可近似认为R_f≈0， β＝arctan(ω/δ)；

此时电流微分方程为：

R＝R_eq+R_f,L＝L_eq,C＝C_eq；

当时，电压电流的暂态特性方程为：

式中，

此时电流微分为：

3.根据权利要求2所述的直流系统线路故障定位方法，其特征在于，所述步骤2)中由于双极故障时：

正极：ΔU₁<0，ΔI₁>0；负极：ΔU₂>0，ΔI₂<0；则有单极故障时，正极故障：

正极：ΔU₁<0，ΔI₁>0；负极：ΔU₂<0，ΔI₂>0；则有，单极故障时，负极故障：

正极：ΔU₁>0，ΔI₁<0；负极：ΔU₂>0，ΔI₂<0；则有，

判定方法：先判断若双极故障；若单极故障；

若判断ΔI₁、ΔI₂即可判定故障发生后的故障类型以及故障极。

4.根据权利要求3所述的直流系统线路故障定位方法，其特征在于，所述步骤3)中测得电压测量值v'_c,mea与电流测量值i'_L,mea，以及v'_c,mea跌落值低于任何一相电网电压v_ga,b,c的时间t_1,mea，则整个回路的总电阻与电感可求解得：

假设忽略电路中其余部分的电阻与电感，如IGBT与二极管，则故障时回路总电阻与总电感为

由式(14)、(15)即可得过渡电阻R_f；

由上分析指出，在t＝0⁺时刻，取得极大值，则有

5.根据权利要求4所述的直流系统线路故障定位方法，其特征在于，所述步骤4)中双极故障时的故障定位值x：

上式中：R_u和L_u分别为单位电缆长度的电阻与电感参数，x为故障定位值；

对于单极故障，由于过渡电阻的存在，已经不能近似看成R_f≈0，由式(14)、(15)可得过渡电阻R_f，则式(17)改写为：

利用式(17)、(18)可实现基于VSC的直流系统线路上发生单双极故障时的故障定位。