CN107064734A - 一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法 - Google Patents

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张明
罗国敏
王小君
李钢
胡兆庆
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Abstract

本发明公开了一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，属于输配电系统故障测距方法技术领域。目的是解决由于直流配电网电压等级较低，易受到噪声干扰，高压直流输电系统中常用的各类基于参数识别的故障测距方法以及传统交流配电网中的故障测距方法具有一定的局限性的问题。本发明以基于VSC的双端柔性直流配电网为研究基础，通过分析直流侧发生故障的暂态过程，提取VSC直流侧电容暂态放电电压数据，列写包含有故障位置参数和过渡电阻参数的电容放电时域微分方程，通过联立多个方程求解进而快速准确地实现双端柔性直流配电网线路的故障测距。本发明具有采样数据窗较短；定位精度高；采样频率低等优点。

Description

一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法
技术领域
本发明具体涉及一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，属于输配电系统故障测距方法技术领域。
背景技术
随着分布式电源以及直流负荷的日益增加，源网荷一体化的发展趋势不断加快，传统电力系统也在逐步电力电子化。而伴随电压源型变流器(voltage sourcedconverters，VSC)的迅速发展，直流配电技术已引起国内外广泛关注并在近年投入了部分规模的应用。直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量高、控制灵活、便于接纳分布式电源等优点。然而，当直流配电网中直流线路发生故障时，从电力系统安全性和稳定性的角度出发，必须要迅速找到故障点。因此，故障测距技术对直流配电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。对于柔性直流配电系统而言，一方面，由于其拓扑以及本身的故障特征与交流系统的差异，传统交流电网中基于序分量的各类故障测距法已不再适用；另一方面，由于直流配电网电压等级较低，易受到噪声干扰，高压直流输电系统中常用的各类基于参数识别的故障测距方法也具有一定的局限性。
论文：配电网故障测距综述[J].电网技术,2006,30(18):89-93；论文：基于电压序量变化量的超高压混合线路故障测距方法[J].电网技术,2015,39(12):3578-3583；论文：接地极线路短路故障快速识别及故障测距研究[J].电网技术,2015,39(12):3584-3591。上述三篇论文对现有的交流电网中的各种故障测距方法进行了归纳总结，并在混合线路故障测距方向进行了研究。文献development and field-data evaluation of single-endfault locator for two-terminal HVDC transmission lines-II:algorithm andevaluation[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1985,104(12):3531-3537。在1985年就提出利用连续2个反射波头之间的时间差对直流输电线路进行故障测距，但其行波波头识别较为困难。论文：双极HVDC输电线路行波故障定位[J].高电压技术,2007，33(7)：124-128。根据故障行波信号的奇异点，结合小波变换，给出了基于小波模极大值的直流输电线路双端行波故障测距方法，但是在低压直流配电系统中该方法受到外界干扰较大，导致行波波头提取不准确从而造成测距误差较大。西安交通大学索南加乐团队在高压直流输电的故障测距领域提出了一些较为新颖的方法，尤其是在论文：利用电流固有频率的VSC-HVDC直流输电线路故障定位[J].中国电机工程学报,2011,.31(28):112-119；论文：基于参数识别原理的VSC-HVDC输电线路单端故障定位[J].电网技术,2012,36(12):94-99；以及论文：利用行波电压分布特征的柔性直流输电线路单端故障定位[J].电力系统自动化,2013,37(15):83-88。三篇论文中从直流线路的频域出发，提出了频域法的直流输电线路故障定位原理，但是上述方法只适用于高压直流线路，对于低压直流配电网中较短的线路来说误差较大。论文：基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统自动化，2004，28(3)：64-66。提出了“直流开路、交流寻踪”的离线故障定位方法，但该方法会受到故障距离估计值和注入信号强度等问题的影响，同时信号的检测问题也尚待解决。论文：一种基于Prony算法的直流配电网电缆故障定位方法[J].电工电能新技术,2015,34(4):25-30。针对直流配电网，提出了一种向故障回路投入一个带初始电压的电容，根据特征频率分析得到故障距离的方法，但是测距时需要附加线路电容，成本较高。论文：直流配电系统保护技术研究综述[J].电网技术,2014,38(4):844-851。提出了基于直流断路器的探针注入法，其核心思路是当直流网络发生故障时，由直流断路器快速动作，确定故障区间，在此之后，在区间内投入探针，由探针对直流网络进行放电，利用探针与直流网络形成的二阶RLC放电电路来确定故障位置。论文：Fault location algorithm based oncross correlation method for HVDC cable lines[C]//IET 9thInt.Conf.Develop.Power System Protection,U.K,2008。提出了基于小波模极大理论的行波故障测距方法。利用小波分析来识别故障行波的波头，根据行波在故障点及母线之间往返1次的时间或利用故障行波到达线路两端的时间差来计算故障位置。
论文：直流配电系统保护技术研究综述，提出了基于直流断路器的探针注入法，其核心思路是当直流网络发生故障时，由直流断路器快速动作，确定故障区间，在此之后，在区间内投入探针，由探针对直流网络进行放电，利用探针与直流网络形成的二阶RLC放电电路来确定故障位置。文献论文：Fault location algorithm based on cross correlationmethod for HVDC cable lines，提出了基于小波模极大理论的行波故障测距方法。利用小波分析来识别故障行波的波头，根据行波在故障点及母线之间往返1次的时间或利用故障行波到达线路两端的时间差来计算故障位置。行波法要求采样频率较高(200kHz以上)，对硬件的要求也比较高，同时要求相对较长的数据窗长度，其故障测距精度较为准确；但在较低的采样频率下，行波法误差较大。相对行波法而言，注入法对采样频率和硬件的要求相对较低，但是其所需数据窗长度较长，故障测距结果比较精准。
发明内容
因此，针对现有技术的上述不足，本发明目的是解决由于直流配电网电压等级较低，易受到噪声干扰，高压直流输电系统中常用的各类基于参数识别的故障测距方法也具有一定的局限性的问题。
本发明提出以基于VSC的双端柔性直流配电网为研究基础，通过分析直流侧发生故障的暂态过程，提取VSC直流侧电容暂态放电电压数据，列写包含有故障位置参数和过渡电阻参数的电容放电时域微分方程，通过联立多个方程求解进而快速准确地实现双端柔性直流配电网线路的故障测距。
本发明的一个技术方案为：根据VSC直流侧发生单极短路故障的暂态过程，测量直流配电网两端变流器出口侧电容电压，根据公式一计算故障距离x，
C1和C2表示两侧变流器出口处的单极稳压电容，L表示线路全长，x表示故障点距离左端变流器出口侧的距离，r0表示线路单位长度电阻，l0表示线路单位长度电感，Rf代表过渡电阻，uC1(t)和uC2(t)分别代表两侧变流器出口处单极稳压电容的电压；i1(t)和i2(t)分别表示电容C1和C2的放电电流，公式一由公式二至公式五推导获得，
进一步的，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压数据测量时用GPS时钟进行数据同步，在直流配电网现有的差动保护上配置故障录波器，故障录波器将故障时刻数据信息传输至数据中心，短路故障发生后，根据数据中心所收集的数据，计算故障位置。
进一步的，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压测量时数据区段的宽度为1ms，数据宽度内采集20个点，设置采样率为20kHz。
本发明提供的另一个技术方案为：根据VSC直流侧发生双极短路故障的暂态过程，测量直流配电网两端变流器出口侧电容电压，根据公式六计算故障距离x，
CF1和CF2表示变流器出口处的双极稳压电容，Zf表示双极故障时的附加阻抗，u1(t)和u2(t)分别代表两端变流器出口处的双极稳压电容上的电压；i1(t)和i2(t)代表电容CF1和CF2的放电电流，L表示线路全长，x表示故障点距离左端变流器出口侧的距离，r0表示线路单位长度电阻，l0表示线路单位长度电感，公式六由公式七至公式十推导获得，
进一步的，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压数据测量时用GPS时钟进行数据同步，在直流配电网现有的差动保护上配置故障录波器，故障录波器将故障时刻数据信息传输至数据中心，短路故障发生后，根据数据中心所收集的数据，计算故障位置。
进一步的，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压测量时数据区段的宽度为1ms，数据宽度内采集20个点，设置采样率为20kHz。
本发明的有益效果在于：本发明专利提供的利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，以基于VSC的双端柔性直流配电网为研究基础，通过分析直流侧发生故障的暂态过程，提取VSC直流侧电容暂态放电电压数据，列写包含有故障位置参数和过渡电阻参数的电容放电时域微分方程，通过联立多个方程求解进而快速准确地实现双端柔性直流配电网线路的故障测距。采样数据窗较短；定位精度高；同时采样频率低。
附图说明
图1为双端网络的故障测距示意图；
图2为单极接地短路故障的等效电路图；
图3为单极接地短路故障的暂态过程仿真结果图；
图4为直流电容放电阶段等效电路图；
图5为直流配电网发生双极短路故障时的等效电路图；
图6为双极短路故障的暂态过程仿真结果图；
图7为单极接地短路故障时，直流侧的二阶放电过程等效图；
图8为双极短路故障直流侧等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
本发明以基于VSC的双端柔性直流配电网为研究基础，通过分析直流侧发生故障的暂态过程，提取VSC直流侧电容暂态放电电压数据，进而快速准确地实现双端柔性直流配电网线路的故障测距，与此同时，提出对直流配电网故障测距算法评价的3个指标，并从此指标入手，将所提方法与其他适用于直流配电网的故障测距方法对比。首先在图1中给出故障测距的示意图。
图1所示的故障测距示意图中，在直流配电网现有的差动保护上配置小型故障录波器，故障录波器将故障时刻信息传输至数据中心，短路故障发生后，根据数据中心所采集的数据，结合本发明所提出的方法，进而确定故障位置。
由于本发明是基于直流线路短路的电容放电暂态过程来完成双端柔性直流配电网的故障测距。
柔性直流配电网故障特征分析:
柔性直流配电网中常见的线路故障主要包括：单极接地短路故障、双极短路故障以及断线故障。本发明着重研究直流配电网的短路故障，主要分析单极接地短路故障和双极短路故障的暂态过程，并利用VSC的暂态放电过程来进行故障测距。
单极短路故障
直流配电网发生单极短路故障时，故障极电压迅速下降，极间电压不变，故障电流迅速增大。本发明以直流侧正极接地短路为例进行分析。图2为单极接地短路故障的等效电路图。
在PSCAD/EMTDC中搭建双端直流配电网拓扑，仿真条件如下：直流单极电压400V，交流网侧相电压220V，过渡电阻5Ω，故障发生时刻0.1s。单极接地短路故障瞬间变流器设置闭锁。单极接地短路故障的暂态过程仿真结果如图3所示，图3中1表示直流电容放电阶段，2表示交流源馈流阶段，。
根据图3，可以将单极接地短路故障的暂态过程分为如下2个阶段：直流电容放电阶段和交流源馈入阶段。
本发明利用直流电容放电阶段的暂态电压进行故障测距，因此，仅对故障暂态过程的直流电容放电阶段进行详细分析。故障暂态初期，故障极电压Udcp大于交流侧相电压，此时，故障线路电流由直流侧电容放电和交流侧的电感续流共同提供。由于交流电感的续电流很小，可忽略不计。因此该阶段等效电路如图4所示。
图4所示的电路为二阶RLC动态电路，其暂态过程可用式(1)表示。
式中：C为直流侧单极电容；Lb为线路电感；Rb为线路电阻；Rf为过渡电阻。
双极短路故障
双极短路是对直流配电网危害最严重的直流故障类型。当直流配电网发生两极短路故障时，可类比交流系统发生三相短路时的特征；故障电流迅速增大，电压衰减振荡过零，变流器内部续流二极管迅速过流，整个直流系统受到严重危害。直流配电网发生双极短路故障时的等效电路如图5所示。
发生双极短路故障时，为仿真分析方便，仿真过程中设置故障瞬间变流器闭锁。仿真条件如下：直流双极电压800V，交流网侧相电压220V，故障发生时刻为1s。双极短路故障的暂态过程仿真结果如图6所示，图6中3表示直流电容放电阶段，4表示二极管自然换向阶段，5表示二极管自然导通阶段，6表示不控整流阶段。
依据图6，对于直流配电网的双极短路故障，可将其暂态过程分为4个阶段进行分析，分别为：直流电容放电阶段、二极管自然换向阶段、二极管同时导通阶段和不控整流阶段。由于双极短路故障和单极接地短路故障均是利用直流电容的暂态放电过程进行测距，同时，两者的直流电容放电过程相类似。
基于故障暂态特征的测距原理如下：
传统的配电网线路长度一般在10km以内，尤其中低压配电网其线路长度大都集中在3km以内。分布电容特别小可以忽略不计，对故障测距结果几乎没有影响；同时由于本发明方法采集的是变流器直流侧电容的放电电压数据，直流侧稳压电容要远大于线路的分布电容，因此可以忽略线路分布电容的影响。以Π型线路模型进行故障测距算法验证。
直流侧单极接地故障定位
直流线路发生单极接地故障时，由于其过渡电阻变化较大且数值大小不确定，对电容的放电过程有影响，进而影响故障测距的精度。因此，需要测量直流配电网两端变流器出口侧电容电压的变化来进行测距，以消除过渡电阻的影响。
图7为单极接地短路故障时，直流侧的二阶放电过程等效图，C1和C2表示两侧变流器出口处的单极稳压电容，L表示线路全长，x表示故障点距离左端变流器出口侧的距离，r0表示线路单位长度电阻，l0表示线路单位长度电感，Rf代表过渡电阻。
根据基尔霍夫电压定律，对左右两边回路均可列写如下式(2)和式(3)的电压方程。
式中：uC1(t)和uC2(t)分别代表两侧变流器出口处单极稳压电容的电压；i1(t)和i2(t)分别表示电容C1和C2的放电电流，其大小可以用式(4)和式(5)表示如下。
联立以上4式，可以得到故障距离x解的表达式如式(6)所示：
对于单极接地短路故障，无论是故障电流还是故障电压，均受过渡电阻影响较大。本发明方法利用双端信息量，可以消除过渡电阻对测距精度的影响。
直流侧双极接地故障定位：
直流配电网发生双极短路故障时，为消除故障电阻的影响，同样采集双端数据进行故障测距。图8表示双极短路故障时，直流侧形成的二阶放电等效电路图，CF1和CF2表示变流器出口处的双极稳压电容，Zf表示双极故障时的附加阻抗，其余参数与单极短路故障中的参数含义相同。
对于图8中的等效网络，分别对两个回路采用基尔霍夫电压定律，列写如下式(7)和式(8)所示的方程：
式中：u1(t)和u2(t)分别代表两端变流器出口处的双极稳压电容上的电压；i1(t)和i2(t)代表电容CF1和CF2的放电电流，电流大小可以用类似的式(4)和式(5)表示。
联立以上方程，可以得到双极短路故障距离x的表达式如(9)所示。
由于故障测距需要两侧信息，因此两侧信息要求同步，可以利用GPS时钟来进行数据同步。与此同时，由于电容放电阶段是在直流侧电容电压低于交流系统某一相的相电压的瞬时值这一过程完成的，因此，对于所采集到的数据可以根据直流侧电压的幅值来判断其是否属于电容暂态放电阶段。
不同故障测距方法测距能力对比：
对于直流配电网的不同故障测距方法，提出采样数据窗尽量较短，定位精度高以及采样频率尽量较低等要求。因此本文提出如下指标来描述故障测距方法的优劣：数据窗长度、采样频率和测距精度。本节将目前国内外直流配电网故障测距常用的两种方法与本文所提出的方法进行对比分析。
现有针对直流配电网的故障测距方法主要有如下两类：论文：直流配电系统保护技术研究综述[J].电网技术,2014,38(4):844-851。提出了基于直流断路器的探针注入法，其核心思路是当直流网络发生故障时，由直流断路器快速动作，确定故障区间，在此之后，在区间内投入探针，由探针对直流网络进行放电，利用探针与直流网络形成的二阶RLC放电电路来确定故障位置。论文：Fault location algorithm based on cross correlationmethod for HVDC cable lines[C]//IET 9th Int.Conf.Develop.Power SystemProtection,U.K,2008。提出了基于小波模极大理论的行波故障测距方法。利用小波分析来识别故障行波的波头，根据行波在故障点及母线之间往返1次的时间或利用故障行波到达线路两端的时间差来计算故障位置。
本发明基于故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法是利用故障暂态特性中的电容放电过程进行故障测距，所需要的数据区段即故障暂态中的电容放电过程数据。如图3所示，电容放电阶段是在直流侧电容电压低于交流系统某一相的相电压的瞬时值这一过程完成的，因此，数据区段的宽度即这一过程的时间长度。由于直流电容放电过程的电压变化趋势只与故障发生时刻、换相时刻、回路的衰减时间常数有关，为考虑所有影响因素并计算得到数据区段宽度的最小值，综合对比可得到：数据区段宽度为1ms时既适用于单极短路故障，又适用于双极短路故障。
采样频率可以进行如下估算：柔性直流配电系统短路故障的暂态过程很短，从安全性考虑要求保护系统能够迅速识别并依靠直流断路器切除故障线路。因此采样率既要能体现暂态电流平均变化趋势，又要能在几ms之内快速地识别出故障线路，同时考虑到所需数据区段的宽度为1ms，为保证1个周波内采集到足够运算量的点，要求数据宽度内至少采集10个点，综合考虑后本发明设置数据宽度内采集20个点，设置采样率为20kHz。
由于故障测距的算法过程中采用了微分导数及瞬时值运算，因此在算法中采用两个相邻采样点的平均值代替中间时刻的瞬时值；采用两点电压值的差分比上时间值的差分来表示导数项。在算法研究的基础上，对本方法的采样频率、数据窗长度和精度进行了分析，同时针对以上3个指标分析其余两种故障测距方法并将指标进行对比，如表1所示。
通过对比表1的数据，可得到如下结论：行波法要求采样频率较高(200kHz以上)，对硬件的要求也比较高，同时要求相对较长的数据窗长度，其故障测距精度较为准确；但在较低的采样频率下，行波法误差较大。相对行波法而言，注入法对采样频率和硬件的要求相对较低，但是其所需数据窗长度较长，故障测距结果比较精准。本发明所提出的故障暂态法对采样频率要求不高，同时所需数据窗长度较短，故障测距结果也相对较为准确。
本发明方法的技术要点为：将直流短路故障的暂态过程分段，提取故障暂态中的直流侧电容放电过程的电压数据，以直流网络为研究对象，列写包含有故障位置参数和过渡电阻参数的电容放电时域微分方程，通过联立多个方程求解得到故障位置。
提出数据窗长度、采样频率和故障测距精度等适用于直流配电网故障测距算法评价的3个指标，并从此指标入手，将所提方法与其他适用于直流配电网的故障测距的方法进行对比分析。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，其特征在于，所述方法为当VSC直流侧发生单极短路故障的暂态过程，测量直流配电网两端变流器出口侧电容电压，根据公式一计算故障距离x，
C1和C2表示两侧变流器出口处的单极稳压电容，L表示线路全长，x表示故障点距离左端变流器出口侧的距离，r0表示线路单位长度电阻，l0表示线路单位长度电感，Rf代表过渡电阻，uC1(t)和uC2(t)分别代表两侧变流器出口处单极稳压电容的电压；i1(t)和i2(t)分别表示电容C1和C2的放电电流，公式一由公式二至公式五推导获得，
2.如权利要求1所述的利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，其特征在于，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压数据测量时用GPS时钟进行数据同步，在直流配电网现有的差动保护上配置故障录波器，故障录波器将故障时刻数据信息传输至数据中心，短路故障发生后，根据数据中心所收集的数据，计算故障位置。
3.如权利要求1所述的利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，其特征在于，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压测量时数据区段的宽度为1ms，数据宽度内采集20个点，设置采样率为20kHz。
4.一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，其特征在于，所述方法为当VSC直流侧发生双极短路故障的暂态过程，测量直流配电网两端变流器出口侧电容电压，根据公式六计算故障距离x，
CF1和CF2表示变流器出口处的双极稳压电容，Zf表示双极故障时的附加阻抗，u1(t)和u2(t)分别代表两端变流器出口处的双极稳压电容上的电压；i1(t)和i2(t)代表电容CF1和CF2的放电电流，L表示线路全长，x表示故障点距离左端变流器出口侧的距离，r0表示线路单位长度电阻，l0表示线路单位长度电感，公式六由公式七至公式十推导获得，
5.如权利要求4所述的利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，其特征在于，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压数据测量时用GPS时钟进行数据同步，在直流配电网现有的差动保护上配置故障录波器，故障录波器将故障时刻数据信息传输至数据中心，短路故障发生后，根据数据中心所收集的数据，计算故障位置。
6.如权利要求4所述的利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法，其特征在于，所述方法中直流配电网两端变流器出口侧电容电压测量时数据区段的宽度为1ms，数据宽度内采集20个点，设置采样率为20kHz。
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