CN108919053A - 一种柔性直流微网故障定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电力系统继电保护技术领域的一种柔性直流微网故障定位方法。所述方法包括：在限流电抗器处增设一个电压互感器，以测量限流电抗器上的压降；根据测量的限流电抗器的压降计算故障电流导数；利用故障发生时刻一个点的采样信息，列写线路电压微分方程；将计算得到的故障电流的导数代入线路电压微分方程，计算得到故障距离；由于在电感的作用下故障发生时刻电流不会突变，因此流过过渡电阻的电流为零，从而消除了过渡电阻的影响，提高故障定位方法的精度；在限流电抗器处增设一个电压互感器，通过测量限流电抗器的压降可计算获得故障电流的导数，进而求解出故障距离，实现故障定位。本方法可不受过渡电阻的影响，提高故障定位的速度。
Description
技术领域
本发明属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种柔性直流微网故障定位方法。
背景技术
随着电压源换流器(voltage sourced converter，VSC)的发展以及分布式电源和直流负荷的不断增加，柔性直流微网由于其具有控制灵活、便于接纳分布式电源与直流负荷、电能质量好等优点已引起国内外广泛关注。准确的故障测距方法是实现保护功能和故障快速清除的关键。然而目前的直流故障测距方法易受过渡电阻的影响，严重影响故障测距的精度。因此亟需研究一种不受过渡电阻影响的故障定位方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在限流电抗器处增设一个电压互感器，以测量限流电抗器上的压降；
2)根据测量的限流电抗器的压降计算故障电流导数；
3)根据测量的限流电抗器压降的幅值确定故障发生时刻；
4)利用故障发生时刻一个采样点的信息，列写线路电压微分方程；
5)依据故障发生时刻过渡电阻上的电流为零，将计算得到的故障电流的导数代入线路电压微分方程，计算得到故障距离，实现故障定位。
所述步骤1)增设的电压互感器与限流电抗器并联，用于测量限流电抗器两端的压降。
所述故障电流导数的计算公式为：
式中，uL(0)为限流电抗器两端的故障发生时刻压降，Llimit为限流电抗器的电感值。
所述步骤3)根据测量的限流电抗器压降的幅值确定故障发生时刻的判定条件为：
uL(t)＞Uset
式中，uL(t)为t时刻的限流电抗器压降，Uset为线路最末端发生过渡电阻故障的初始时刻的限流电抗器压降；
正常情况下，限流电抗器压降为0；当发生短路故障，限流电抗器压降发生阶跃，通过识别限流电抗器压降的阶跃时刻，以确定故障发生时刻。
所述步骤4)列写的线路电压微分方程为：
式中，u(t)和i(t)分别为保护安装处电压、电流的瞬时值；R和L分别为单位长度电缆的电阻和电感参数；x为保护安装处到故障点的距离，if(t)为流过故障电阻的电流，Rf为故障点的过渡电阻。
所述步骤4)在电感的作用下，故障发生时刻的电流不发生突变，流过故障点过渡电阻的电流为0，即：
if(0)＝0
式中，if(0)为故障发生时刻的流过故障点过渡电阻的电流。
所述故障距离的计算公式为：
式中，x为保护安装处到故障点的故障距离；R和L分别为单位长度电缆的电阻和电感参数；u(0)、i(0)分别为保护安装处的故障发生时刻电压、电流的瞬时值。
所述步骤5)仅利用故障发生时刻一个点的采样信息计算故障距离，在不受过渡电阻的影响下实现故障测距。
本发明的有益效果在于：
与现有的直流故障测距方法相比，本发明依据在电感的作用下故障发生时刻电流不会突变，流过过渡电阻的电流为0的特征，并结合限流电抗器的压降计算故障电流导数，从而利用故障发生时刻一个采样点的信息，列写回路电压方程，求解故障距离，最终消除了过渡电阻的影响，提高了故障定位方法的精度；结合柔性直流系统配置限流电抗器的结构特点，本发明在限流电抗器处增设一个电压互感器，通过测量限流电抗器的压降可计算获得故障电流的导数，将故障电流导数代入回路电压方程可求解出故障距离，实现故障定位。本方法提高了故障定位的速度，且不受过渡电阻的影响。大量仿真结果表明，本发明的效果良好。
附图说明
附图1为所提故障定位方法的工作流程图；
附图2为故障线路电流电压示意图；
附图3为柔性直流系统简化示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为本发明提出的一种柔性直流微网故障定位方法流程图，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在限流电抗器处增设一个电压互感器，以测量限流电抗器上的压降；
步骤2：通过测量限流电抗器的压降可计算获得故障电流的导数；
步骤3：根据测量的限流电抗器压降的幅值确定故障发生时刻；
步骤4：利用故障发生时刻一个采样点的信息，对故障初始时刻列写线路电压微分方程。由于故障初始时刻过渡电阻的电流为零，可消除过渡电阻的影响；
步骤5：依据故障发生时刻过渡电阻上的电流为零，将计算得到的故障电流的导数代入线路电压微分方程，，仅利用故障发生时刻一个采样点的信息计算出故障距离，实现故障定位。
具体的，所述步骤1增设的电压互感器与限流电抗器并联，用于测量限流电抗器两端的压降。这一压降在正常运行时为一个很小的值，在故障时幅值较大，因此还可以将此电压值作为故障定位方法的启动判据。如图2所示的故障线路电流电压示意图，在一个柔性直流微网的M处设置了电压互感器TV1和电流互感器TA，分别测量线路电压和线路电流，另外在限流电抗器处增设了一个电压互感器TV2，以测量限流电抗器上的压降。
具体的，所述步骤2-步骤4的具体分析过程如下：
柔性直流微网在双极短路情况下，忽略线路分布电容的影响，线路可等效为R-L模型，通过列写并求解微分方程，可求得故障距离。若存在过渡电阻，微分方程中就会耦合进对侧电流，从而无法准确求解。在故障起始时刻，由于电感的作用，电流不能突变，流过故障电阻的电流为0。因此可以利用故障发生时刻的一个采样点信息，列写回路微分方程，从而消除过渡电阻的影响。如图3所示的柔性直流系统简化示意图，对于含过渡电阻的故障，针对故障线路列写微分方程：
式中，u(t)和i(t)分别为保护安装处电压、电流的瞬时值；R和L分别为单位长度电缆的电阻和电感参数；x为保护安装处到故障点的距离，if(t)为流过故障电阻的电流，Rf为故障点的过渡电阻。
根据基尔霍夫电流定位，对于故障点处列写KCL方程：
if(t)＝i1(t)-i2(t)
式中，if(t)为流过故障电阻的电流，i1(t)为故障点前线路电流，i2(t)为故障点后线路电流。
由于线路电感的作用，在故障发生时刻(t＝0)，不管是故障点前线路电流还是故障点后线路电流都不会发生突变，因此
i1(0)＝i2(0)
从而可得出：
if(0)＝0
即在故障发生时刻(t＝0)，流过故障电阻的电流if(0)为0。
进而得到故障发生时刻的表达式为：
因此，在故障发生时刻求解线路微分方程，可消除故障电阻的影响。由于所述故障定位方法只利用故障发生时刻的信息进行定位，而故障发生时刻只有一个采样点，无法利用传统的差分代替微分的方法求取电流导数。对于这一问题，可结合柔性直流系统一般配置限流电抗器的结构特点，利用测量的限流电抗器压降计算出电流微分项，最终可利用故障发生时刻的一个点采样信息实现故障定位。
利用TV2测量出限流电抗器的压降，由于电抗器压降与流过其电流的导数存在线性如下关系：
因此可利用限流电抗器的压降表示故障电流的导数。
最终，利用故障发生时刻的信息可计算出故障距离，而不受过渡电阻的影响，所述故障距离为：
式中，x为保护安装处到故障点的故障距离；R和L分别为单位长度电缆的电阻和电感参数；u(0)、i(0)分别为保护安装处的故障发生时刻电压、电流的瞬时值。
其中，故障发生时刻的判定条件为：
uL(t)＞Uset
式中，uL(t)为t时刻的限流电抗器压降，Uset为线路最末端发生过渡电阻故障的初始时刻的限流电抗器压降；
正常情况下，限流电抗器压降为0；当发生短路故障，限流电抗器压降发生阶跃，通过识别限流电抗器压降的阶跃时刻，以确定故障发生时刻。
由于测距公式中已包含了故障前的负荷电流信息(i(0))，因此所提测距方法不受负荷电流大小的影响。
实施例1
为了验证本发明的实用性和有效性，本实施例在PSCAD/EMTDC上进行模拟仿真，并输出测试结果。首先搭建如图3所示的柔性直流系统简化示意图，由表1列出了在MN线路上不同故障位置和过渡电阻下，本发明的故障定位方法的测试结果。由表1可以看出，本方法的测距误差在200Ω的故障电阻下仍能保持在5％以下，具有极强的耐受过渡电阻的能力。
表1不同故障条件下所提方法测距结果
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在限流电抗器处增设一个电压互感器，以测量限流电抗器上的压降；
2)根据测量的限流电抗器的压降计算故障电流导数；
3)根据测量的限流电抗器压降的幅值确定故障发生时刻；
4)利用故障发生时刻一个采样点的信息，列写线路电压微分方程；
5)依据故障发生时刻过渡电阻上的电流为零，将计算得到的故障电流的导数代入线路电压微分方程，计算得到故障距离，实现故障定位。
2.根据权利要求1中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述步骤1)增设的电压互感器与限流电抗器并联，用于测量限流电抗器两端的压降。
3.根据权利要求1中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述故障电流导数的计算公式为：
式中，uL(0)为限流电抗器两端的故障发生时刻压降，Llimit为限流电抗器的电感值。
4.根据权利要求1中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述步骤3)根据测量的限流电抗器压降的幅值确定故障发生时刻的判定条件为：
uL(t)＞Uset
式中，uL(t)为t时刻的限流电抗器压降，Uset为线路最末端发生过渡电阻故障的初始时刻的限流电抗器压降；
正常情况下，限流电抗器压降为0；当发生短路故障，限流电抗器压降发生阶跃，通过识别限流电抗器压降的阶跃时刻，以确定故障发生时刻。
5.根据权利要求1中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述步骤4)列写的线路电压微分方程为：
式中，u(t)和i(t)分别为保护安装处电压、电流的瞬时值；R和L分别为单位长度电缆的电阻和电感参数；x为保护安装处到故障点的距离，if(t)为流过故障电阻的电流，Rf为故障点的过渡电阻。
6.根据权利要求5中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述步骤4)在电感的作用下，故障发生时刻的电流不发生突变，流过故障点过渡电阻的电流为0，即：
if(0)＝0
式中，if(0)为故障发生时刻的流过故障点过渡电阻的电流。
7.根据权利要求1中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述故障距离的计算公式为：
式中，x为保护安装处到故障点的故障距离；R和L分别为单位长度电缆的电阻和电感参数；u(0)、i(0)分别为保护安装处的故障发生时刻电压、电流的瞬时值。
8.根据权利要求1中所述的一种柔性直流微网故障定位方法，其特征在于，所述步骤5)仅利用故障发生时刻一个点的采样信息计算故障距离，在不受过渡电阻的影响下实现故障测距。
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