CN110018400A - 一种直流配电线路故障定位方法 - Google Patents

一种直流配电线路故障定位方法 Download PDF

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Abstract

一种直流配电线路故障定位方法，属于配电自动化领域技术领域。步骤a，采集电压数据和电流数据；步骤b，判断是否发生故障，如果发生故障，执行步骤c，未发生故障，返回步骤a；步骤c，进行故障位置的定位计算；步骤d，差值是否小于测量误差，如果小于执行步骤f，否则执行步骤e；步骤e，计算故障位置和故障电阻的修正值；步骤f，确定故障距离和故障电阻阻值；步骤g，计算次数未达到预定次数，执行步骤h，否则执行步骤i；步骤h，计算次数k的计数加一；步骤i，判断故障位置的数值是否大于1，如果大于1，则故障为外部干扰，否则计算得到的故障距离P为实际故障位置。

Description

一种直流配电线路故障定位方法
技术领域
一种直流配电线路故障定位方法，属于配电自动化领域技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，直流配电线路在接入分布式电源，给直流负荷供电时比交流配电线路效率高，故直流配电网技术及应用得到了重视，未来的配电网将会成为交直流配电线路混联的配电网。直流配电线路发生故障，可靠、精确的故障定位对于及时修复线路故障、保障配电系统的稳定运行具有重要的作用。
直流配电网络发生故障时，并联电容的放电电流很大，为减小电容放点电流，直流配电线路常串联电感，串联电感可以有效提高电容器的放电时间和降低故障电流的峰值。而将火花隙与耗能电阻串联后再与电感并联，能有效解决串联电感的续流导致的整流桥臂关断困难。利用火花隙与耗能电阻串联回路和线路串联电感上的电压、电流变化进行线路故障定位实现容易，不需要增加其他一次设备。
直流配电线路由于电压等级低，故障时常会有一定的过渡电阻，基于直接测量线路出口处的电压、电流计算故障电阻会带来较大的误差，故障定位方法需要有效的解决此问题并准确定位，保障系统安全稳定运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过检测直流配电线路上的串联电感电压和电流，利用线路故障时与串联电感并联的火花隙与耗能电阻串联支路对串联电感电压的影响，基于牛顿拉夫逊法迭代计算故障位置和故障电阻，通过与定值比较迭代获得故障位置的直流配电线路故障定位方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该直流配电线路故障定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a，直流配电线路中的故障监测设备同步采集直流配电线路中串联电感的电压数据和电流数据；
步骤b，直流配电线路中的故障监测设备判断直流配电线路中是否发生故障，如果发生故障，执行步骤c，开始进行故障位置的计算，如果未发生故障，返回步骤a；
步骤c，在判断直流配电线路中发生故障之后，进行故障位置的定位计算，首先定义测量误差β，故障位置的计算次数k、故障位置P以及故障电阻的阻值Rf，其中将故障位置计算次数k的初始值记为1；
步骤d，计算故障电流值，并判断故障电流的计算值与步骤a中的测量值之间的差值是否小于测量误差β，如果小于测量误差β，执行步骤f，如果大于或等于预设定的测量误差，执行步骤e；
步骤e，当故障电流的计算值大于或等于步骤b中设定的测量误差β，计算故障位置P的修正值ΔP和故障电阻阻值Rf的修正值ΔRf，并计算迭代后的故障位置P以及故障电阻阻值Rf，然后返回步骤d重新计算故障电流值以及与测量值之间的差值；
步骤f，当故障电流的计算值小于步骤b中设定的测量误差β时，确定当前计算次数得到的故障距离和故障电阻阻值；
步骤g，判断已完成的故障距离和故障电阻阻值的计算次数是否达到预定次数，如果未达到预定次数，执行步骤h，如果已完成计算次数已经达到预定次数，执行步骤i；
步骤h，计算次数k的计数加一，返回步骤d，进行下一次故障距离和故障电阻阻值的计算；
步骤i，判断故障位置的数值是否大于1，如果大于1，则故障为外部干扰，返回步骤a，如果故障距离的数值介于0～1之间，表示故障为直流配电线路内部故障，继续判断预定次数计算的故障距离P是否相同，如果相同，执行步骤j，如果判断连续十次计算的故障距离P不同，返回步骤a；
步骤j，计算得到的故障距离P为实际故障位置。
优选的，步骤b中所述的判断直流配电线路中是否发生故障的判断依据为：直流配电线路中电感电压大于阈值ε1或线路出口处接地电流值Igs大于阈值ε2，其中阈值ε1为极间电压的1.25％，阈值ε2为电压等级除以故障点的高阻阻值。
优选的，步骤c中所述的故障位置P指故障点到测量点之间的距离与直流配电线路距离的比值，故障位置P的初始值取值介于0～1之间。
优选的，步骤c中所述的故障电阻阻值Rf的初始值确定为0～100Ω之间。
优选的，步骤e中故障位置P的修正值ΔP和故障电阻阻值Rf的修正值ΔRf的计算公式为：
其中，J11、J12、J21、J22是牛顿拉夫逊法雅克比矩阵的对应元素，ΔI(tk)表示第k次计算时故障电流的计算值与测量值之间的差值，ΔI(tk-1)表示第(k-1)次计算时故障电流的计算值与测量值之间的差值。
优选的，所述计算次数k的预定次数为十次。
优选的，步骤e中所述故障电流的计算公式为：
其中：a＝R/2L，R表示测量点到故障位置P加上故障电阻Rf的阻值，L表示测量点到故障位置P的电感值，C表示测量点到故障位置P的电容值，ω0是中间变量，Vc(0)表示线路串联电感故障初始时刻电压，t表示时间，IL(0)表示线路串联电感故障初始时刻电流。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、在本直流配电线路故障定位方法中，通过检测直流配电线路上的串联电感电压和电流，利用线路故障时与串联电感并联的火花隙与耗能电阻串联支路对串联电感电压的影响，基于牛顿拉夫逊法迭代计算故障位置和故障电阻，通过与定值比较迭代获得故障位置。
2、随着电子技术、计算机技术的发展，目前，直流配电线路一般都配置了故障监测设备，可采集本发明所需的信号量，这为本发明的实现提供了条件。
3、本发明通过检测线路串联电感电压由于火花隙支路的放电导致的突变判断故障是否发生，可靠性高。通过牛顿拉夫逊法迭代计算故障位置和故障电阻，适应性好。
附图说明
图1为直流配电线路故障定位方法流程图。
图2为直流配电线路故障等效电路图。
具体实施方式
图1～2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～2对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种直流配电线路故障定位方法，包括如下步骤：
步骤1001，开始；
开始进行直流配电线路故障定位方法。
步骤1002，采集电压、电流值。
直流配电线路中的故障监测设备同步采集直流配电线路中的电压数据和电流数据。
步骤1003，直流配电线路中是否发生故障；
直流配电线路中的故障监测设备判断直流配电线路中是否发生故障，如果发生故障，执行步骤1004，开始进行故障位置的计算，如果未发生故障，返回步骤1002。
故障监测设备判断直流配电线路中是否发生故障的依据是通过检测线路中的串联电感(图2中的电感L1)的电压值VLr可以判断直流配电线路是否故障。在正常运行的情况下，通过直流配电线路的电流基本恒定，电感电压VLr的值几乎为零；而在故障发生时，其等效电路如图2所示，由于直流电容(电容C1)放电，线路电感电流不能突变，所以电感(电感L1)电压值很高。
因此在故障监测设备故障检测时将电感电压VLr的值与预先设定的阈值ε1的值进行比较，若VLr的值大于ε1的值，则表示有扰动；反之则表示正常运行。而在发生高阻故障时，由于故障电流较小，故障发生时的电感电压VLr的值同样较小，此时可用每个线路出口处接地电流值Igs与另一预先设定的阈值ε2进行比较，若Igs的值大于ε2将同样判断为直流配电线路发生故障。
上述阈值ε1的选取取决于电压VLr，且要保证无论故障位置、故障电阻和线路负载为何值时，总有VLr大于ε1。VLr的值取决于故障位置P、故障电阻Rf和初始负载条件IL(0)，因此在本直流配电线路故障定位方法中，将阈值ε1赋值为极间电压的1.25％。
上述阈值ε2的选取取决于电流Igs。且要保证发生高阻故障时，总有Igs大于ε2。由于故障电流较小，电缆上的高阻故障发生时VLr的值很小，因此本直流配电线路故障定位方法中，通过测量每个电源处的接地电流Igs来检测高阻接地故障，为保证高电阻的接地故障能够被检测出来，将阈值ε2的值定义为电压等级除以故障点的高阻阻值。
步骤1004，设置计算次数k，并确定初始迭代参数；
在判断直流配电线路中发生故障之后，进行故障位置的定位计算。首先定义测量误差β，此处设为5％。然后将故障位置的计算次数k的初始值确定为1，并确定初始迭代参数，初始迭代参数包括故障位置P以及故障电阻的阻值Rf，故障位置P的含义为故障点到测量点之间的距离与直流配电线路距离的比值，因此故障位置P的取值介于0～1之间，同时故障位置P的初始值也确定为0～1之间的某个数值。故障电阻阻值Rf的初始值确定为0～100Ω之间。
步骤1005，计算故障电流值以及与测量值之间的差值。
通过如下公式计算故障电流值：
其中：a＝R/2L，R表示测量点到故障位置P加上故障电阻Rf的阻值，L表示测量点到故障位置P的电感值，C表示测量点到故障位置P的电容值，ω0是中间变量，Vc(0)表示线路串联电感故障初始时刻电压，t表示时间，IL(0)表示线路串联电感故障初始时刻电流。
故障电流的计算值与测量值之间的差值ΔI(tk)通过如下公式计算：
ΔI(tk)＝ic(tk)-im(tk)
其中：ic(tk)表示第k个故障电流采样值的计算值，下标c表示计算值。
im(tk)表示第k个故障电流采样值的测量值，下标m表示测量值。
步骤1006，判断故障电流的计算值与测量值的差值是否小于测量误差；
故障电流的计算值与测量值之间的差值是否小于预设定的测量误差，如果小于预设定的测量误差，执行步骤1008，如果大于或等于预设定的测量误差，执行步骤1007。
步骤1007，计算故障位置以及故障电阻阻值的修正值；
当故障电流的计算值大于或等于预设定的测量误差时，则使用如下牛顿拉夫逊法计算故障位置P的修正值ΔP和故障电阻阻值Rf的修正值ΔRf：
其中：J11、J12、J21、J22是牛顿拉夫逊法雅克比(Jacobian)矩阵的对应元素。ΔI(tk)表示第k次计算时故障电流的计算值与测量值之间的差值，ΔI(tk-1)表示第(k-1)次计算时故障电流的计算值与测量值之间的差值。
然后计算迭代后的故障位置以及故障电阻阻值：
Pnew＝Pold+ΔP
Rf new＝Rf old+ΔRf
其中：Pnew表示第k次计算时修正后的故障距离，Pold表示第k次计算时修前后的故障距离，ΔP表示故障位置P的修正值，表示第k次计算时修正后的故障电阻阻值，表示第k次计算时修前后的故障电阻阻值，ΔRf表示故障电阻阻值Rf的修正值。
然后返回步骤1005，重新计算故障电流值以及与测量值之间的差值。
步骤1008，确定当前计算的故障距离和故障电阻阻值。
当故障电流的计算值小于预设定的测量误差时，确定当前计算次数得到的故障距离和故障电阻阻值。
步骤1009，计算次数达到预定次数；
判断已完成的故障距离和故障电阻阻值的计算次数是否达到预定次数，如果未达到预定次数，执行步骤1010，如果已经达到预定的计算次数，执行步骤1011；在本直流配电线路故障定位方法中，计算次数k的预定次数为十次。
步骤1010，计算次数k的计数加一，返回步骤1005，进行下一次故障距离和故障电阻阻值的计算。
步骤1011，故障位置的数值是否大于1；
预定次数的计算完成之后，故障位置的数值是否大于1，如果大于1，执行步骤1012，如果故障距离的数值介于0～1之间，执行步骤1013。
步骤1012，确定为外部干扰；
如果故障位置的数值大于1，则判定为外部干扰，返回步骤1002，重新进行电流值和电压值的采集。
步骤1013，计算数据是否相同；
如果故障位置的数值介于0～1之间，则表示故障为直流配电线路内部故障，判断连续十次计算的故障距离P是否相同，如果相同，执行步骤1014，如果判断连续十次计算的故障距离P不同，则判定为外部扰动，返回步骤1002，重新进行电流值和电压值的采集。
步骤1004，确定故障位置；
判断连续十次计算的故障距离P相同，则计算得到的故障距离P为实际故障位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种直流配电线路故障定位方法，包括设置在直流配电线路中的故障检测设备，其特征在于：包括如下步骤：
步骤a，直流配电线路中的故障监测设备同步采集直流配电线路中串联电感的电压数据和电流数据；
步骤b，直流配电线路中的故障监测设备判断直流配电线路中是否发生故障，如果发生故障，执行步骤c，开始进行故障位置的计算，如果未发生故障，返回步骤a；
步骤c，在判断直流配电线路中发生故障之后，进行故障位置的定位计算，首先定义测量误差β，故障位置的计算次数k、故障位置P以及故障电阻的阻值Rf，其中将故障位置计算次数k的初始值记为1；
步骤d，计算故障电流值，并判断故障电流的计算值与步骤a中的测量值之间的差值是否小于测量误差β，如果小于测量误差β，执行步骤f，如果大于或等于预设定的测量误差，执行步骤e；
步骤e，当故障电流的计算值大于或等于步骤b中设定的测量误差β，计算故障位置P的修正值ΔP和故障电阻阻值Rf的修正值ΔRf，并计算迭代后的故障位置P以及故障电阻阻值Rf，然后返回步骤d重新计算故障电流值以及与测量值之间的差值；
步骤f，当故障电流的计算值小于步骤b中设定的测量误差β时，确定当前计算次数得到的故障距离和故障电阻阻值；
步骤g，判断已完成的故障距离和故障电阻阻值的计算次数是否达到预定次数，如果未达到预定次数，执行步骤h，如果已完成计算次数已经达到预定次数，执行步骤i；
步骤h，计算次数k的计数加一，返回步骤d，进行下一次故障距离和故障电阻阻值的计算；
步骤i，判断故障位置的数值是否大于1，如果大于1，则故障为外部干扰，返回步骤a，如果故障距离的数值介于0～1之间，表示故障为直流配电线路内部故障，继续判断预定次数计算的故障距离P是否相同，如果相同，执行步骤j，如果判断连续十次计算的故障距离P不同，返回步骤a；
步骤j，计算得到的故障距离P为实际故障位置。
2.根据权利要求1所述的直流配电线路故障定位方法，其特征在于：步骤b中所述的判断直流配电线路中是否发生故障的判断依据为：直流配电线路中电感电压大于阈值ε1或线路出口处接地电流值Igs大于阈值ε2，其中阈值ε1为极间电压的1.25％，阈值ε2为电压等级除以故障点的高阻阻值。
3.根据权利要求1所述的直流配电线路故障定位方法，其特征在于：步骤c中所述的故障位置P指故障点到测量点之间的距离与直流配电线路距离的比值，故障位置P的初始值取值介于0～1之间。
4.根据权利要求1所述的直流配电线路故障定位方法，其特征在于：步骤c中所述的故障电阻阻值Rf的初始值确定为0～100Ω之间。
5.根据权利要求1所述的直流配电线路故障定位方法，其特征在于：步骤e中故障位置P的修正值ΔP和故障电阻阻值Rf的修正值ΔRf的计算公式为：
其中，J11、J12、J21、J22是牛顿拉夫逊法雅克比矩阵的对应元素，ΔI(tk)表示第k次计算时故障电流的计算值与测量值之间的差值，ΔI(tk-1)表示第(k-1)次计算时故障电流的计算值与测量值之间的差值。
6.根据权利要求1所述的直流配电线路故障定位方法，其特征在于：所述计算次数k的预定次数为十次。
7.根据权利要求1所述的直流配电线路故障定位方法，其特征在于：步骤e中所述故障电流的计算公式为：
其中：s1，a＝R/2L，R表示测量点到故障位置P加上故障电阻Rf的阻值，L表示测量点到故障位置P的电感值，C表示测量点到故障位置P的电容值，ω0是中间变量，Vc(0)表示线路串联电感故障初始时刻电压，t表示时间，IL(0)表示线路串联电感故障初始时刻电流。
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