CN110824294A - 一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法，本文提出利用故障暂态电压变化规律确定故障区段的识别算法和测距电容测距的方法，依据发生双极短路故障时的各区段的暂态电压特征，引入电压偏离系数K，即故障时各分支母线处的实际瞬时电压与系统正常运行电压之间的偏离关系。确定故障发生的区段。对于故障区段的故障定位，在故障区段两端投切故障测距电容，测距电容、线路阻抗与过渡电阻等效为RLC串联电路，求解故障测距方程，从而实现双极短路的故障测距，具有原理简单，同时灵敏度和可靠性高，容易实现的特点。

Description

一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法

技术领域

本发明涉及柔性直流配电网故障保护领域，特别是涉及一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法。

背景技术

基于模块化多电平(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流配电网和交流配电网相比，其优势体现在：分布式电源和直流负载与母线的连接更为简便，易于实现电源间的相互协调控制；线路成本和损耗降低；没有交流系统的无功功率平衡和稳定问题，电网的运行可靠性高等优点，而成为目前国内外相关学者的研究重点。柔性直流配电网的故障特征与交流系统故障特征有很大的差异，直流配电网故障后故障电流上升迅速，现有的交流系统保护技术难以适用于直流配电网，为保护直流设备的安全运行，要求发生故障后能快速实现故障的检测、隔离和测距，因此保护技术成为直流配电网发展必需解决的关键技术之一。柔性直流配电网实现准确故障定位的难点主要在于2个方面。一是故障区段的确定。直流配电网的分支可能会含有交直流电源，比如光伏、风电等分布式电源，发生故障后交直流电源会向故障点放电，产生额外的故障电流，这导致各区段故障电流特征复杂，对故障区段的确定造成影响。二是可用的故障数据少。发生故障后直流系统的保护装置动作速度快，导致可用于故障定位的故障数据少，使得故障定位的难度增大。电力系统发生故障后存在一个明显的暂态过程，暂态信号包含比稳态信号更加充分的故障特征,因此利用故障暂态信号对于电力系统的保护具有更高的灵敏性。为解决柔性直流配电网的故障隔离和测距问题，本文提出利用故障暂态电压变化规律确定故障区段的识别算法和测距电容测距的方法。依据发生双极短路故障时的各区段的暂态电压特征，确定故障发生的区段。在直流断路器跳开后，打开故障区段的分段开关，实现故障隔离，保护故障区段其它设备的安全；重新闭合直流断路器，恢复非故障区段的供电，缩小停电范围，达到供电可靠性的目的。对于故障区段的故障定位，在故障区段两端投切故障测距电容，测距电容、线路阻抗与过渡电阻等效为RLC串联电路，求解故障测距方程，从而实现双极短路的故障测距。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

依据发生双极短路故障时的各区段的暂态电压特征，确定故障发生的区段，直流线路发生双极短路故障后，故障区段与非故障区段的故障电压特征相似，但极间电压衰减下降的速率不同，故障区段的极间电压下降速率最大，非故障区段的极间电压下降速率与故障点的位置密切相关，即与直流线路的电阻大小有关，距离故障点越近的区段端点，包含的线路电阻越大，极间电压下降速率越大，距离越远，极间电压下降速率越小，为进一步刻画暂态电压与故障点位置的关系，引入电压偏离系数K，即故障时各分支母线处的实际瞬时电压与系统正常运行电压之间的偏离关系。

各区段端点的电压偏离系数K的计算方法为：

（1）

公式（1）中

表示区段端点的采样暂态电压数值，U_dc表示正常运行时的极间电压，n 表示采样点的数目。

由于线路电阻的存在，距离故障点越近，极间电压跌落越迅速，暂态电压下降后的峰值越小，与正常运行的极间电压相差越大，由公式(1)所知，其电压偏离系数K越大；距离故障点越远，暂态电压下降后的峰值越大，与正常运行的极间电压相差越小，其电压偏离系数K越小，各区段端点处计算后电压偏离系数K,选取其中两个最大的电压偏离系数，识别故障发生的区段，从而缩小故障范围，在直流断路器跳开后，打开故障区段的分段开关，实现故障隔离，保护故障区段其它设备的安全；重新闭合直流断路器，恢复非故障区段的供电，缩小停电范围，达到供电可靠性的目的。

步骤2：隔离故障区段后在故障区段投入一个带初始电压的测距电容，线路电感、线路电阻和故障点过渡电阻形成一个串联的二阶电路，通过提取电容放电电压、电流的暂态数据，用基尔霍夫电压定律列写方程，如公式(2),(3)所示：

（2）

（3）

其中

，

R₁=r₀ x ，R₂=r₀(L-x)， L₁=l₀ x ，L₂=l₀(L-x)

式中：U_Ci、U_Cj,表示投入的测距电容C_i、C_j初始电压大小，i_i(t)和i_j(t)为投入的电容的放电电流，L表示该区段内线路全长，x表示故障点距离左侧测距电容的距离，r₀表示线路单位长度电阻，l₀表示线路单位长度电感，R _f 表示过渡电阻，

联立求解公式（2）、（3），可以得到双极短路故障距离x的表达式即公式(4)：

(4)

由于采用故障区段双端的故障信息，以消去过渡电阻的影响，具有较好的耐过渡电阻的能力。

所述的一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法，有益效果在于：

（1）提出一种利用故障电压暂态变化规律确定故障发生的区段的方法，原理简明，能够迅速识别直流线路的故障区段。

（2）使用测距电容进行故障测距，属于离线双端测距方法，测距原理简单，易于实现。与其它测距方法相比，测距精度较高。

附图说明

图1是本发明所述的换流器投切的子模块等效放电电路；

图2是应用本发明方法实施例中包含直流线路的等效计算电路；

图3是应用本发明方法实施例中±10kV双端柔性直流配电网模型；

图4是应用本发明方法实施例中Rf=1.0Ω时故障区段的电压偏离系数；

图5是应用本发明方法实施例中不同过渡电阻下的电压偏离系数。

具体实施方式

本发明提出的一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法，实施例详细说明如下：

模块化多电平换流器内部子模块结构构成：子模块由上部绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)T₁、上部二极管D₁、下部(IGBT)T₂、下部二极管D₂及子模块电容器组成，电容值用C₀表示。以图1所示的柔性直流配电网网络结构搭建柔性直流配电网，假设双极短路故障发生在区段L₃上，进行故障电压暂态分析。当发生双极短路故障时，根据换流器子模块内IGBT是否闭锁，将故障过程分为2个阶段，子模块闭锁前和闭锁后两个阶段。

1）子模块中IGBT闭锁前：故障发生后，由于子模块电容器通过短路点快速放电，导致故障电流骤增，极间电压迅速下降。为进一步分析暂态电压，在发生故障后，将换流器内部投切的所有子模块等效成如图1所示的等效放电电路，其中T’₁ 表示等效的上部IGBT、D’₁表示等效的上部二极管、T’₂表示等效的下部IGBT、D’₂表示等效的下部二极管、C_m=6C₀/n表示换流器内等效电容、L_m=2L/3表示等效的换流器内桥臂电感。电抗器的直流电阻、电容器的串联等效电阻、以及其它电阻统一用 R_S表示。

对于直流线路的暂态电压分析，需要对图1进一步的等效，换流器等效成的放电电 容C_m, 换流器内桥臂电感L_m，直流线路的电感远小于换流器内的等效电感，对于暂态电压的 影响可以忽略，等效电阻R_sum，其中 R _sum =R’ _s +R _n , R’_s表示换流器内的电阻和过渡电阻之和, R_n表示换流器到故障点的直流线路电阻,直流线路电阻的大小与故障点位置有关，构造二 阶电路，化简为计算用的等效电路，如图2所示。实际系统中R _sum 通常远小于2

，因此 放电过程是一个振荡放电过程。当过渡电阻非常大时，极间电压跌落不明显，还需进一步进 行故障分析，在此不做过多研究。初始电压为故障初始时刻的极间电压U_c，初始电流为故障 初始时刻的电流I₀。

根据图2计算电路，由基尔霍夫电压定律列写暂态电压的求解电路公式：

（5）

求解直流侧电压的暂态表达式为：

（6）

δ为衰减系数；ω₀为固有角频率；ω为振荡放电电流的角频率；

为放电电流的初相 角。

其中

，

，

，

令

，其中直流配电网中A>0。由式（5）分析可知： 当故障点确定时，等效电阻R_sum大小不变，衰减系数δ大小不变。根据指数型函数的性质可 知：衰减系数δ不变时，函数的系数影响u_c(t)的衰减速率ν，系数越大，衰减速率越大，函数 变化越明显。

设故障发生在线路L₃，故障点靠近分支母线B₄侧时。故障点左侧各区段端点处的暂态电压为（7）：

（7）

其中

，

表示故障点左侧各区段端 点处的暂态电压，

分别表示区段L₀ ~L₃的线路电阻，R_Z表示左侧换流器内部杂散电 阻和故障线路电阻之和。此时

，

，

由式（7）可知，故障点左侧各区段端点到换流器的线路电阻大小关系：

，左侧各区段端点的暂态电压衰减速率关系：

。 其中故障区段端点B₃包含的左侧直流线路最长，线路电阻最大，在左侧的各端点中暂态电 压衰减的速率最大。

故障点右侧各区段端点处的暂态电压为：

（8）

其中

表示故障点右侧各区段端点处的暂态电压，

、

分别示区段L₄ 、L₅的线 路电阻，R_Y表示右侧换流器内部杂散电阻和故障线路电阻之和。此时，，

由式（8）可知，故障点右侧各区段端点到换流器的线路电阻大小关系：

,右侧各区段端点的暂态电压衰减速率：

。其中故障区段端点B₄包含的右侧 直流线路最长，线路电阻最大，在右侧的各端点中暂态电压衰减的速率最大。

由式（7）、（8）分析故障点左右两侧的区段端点暂态电压变化特征可知：直流线路发生双极短路故障后，故障区段与非故障区段的故障电压特征相似，但极间电压衰减下降的速率不同。故障区段的极间电压下降速率最大，非故障区段的极间电压下降速率与故障点的位置密切相关，即与直流线路的电阻大小有关，距离故障点越近的区段端点，包含的线路电阻越大，极间电压下降速率越大，距离越远，极间电压下降速率越小。为进一步刻画暂态电压与故障点位置的关系，引入电压偏离系数K，即故障时各分支母线处的实际瞬时电压与系统正常运行电压之间的偏离关系。

搭建如图3所示的±10kV双端柔性直流配电网模型进行验证。直流母线参数如表1所示，线路电感为0.3150mH/km，各分支母线接口换流器的电压和所连设备参数如表 2 所示。

表1 直流母线长度及电阻

线路序号	线路长度/km	线路电阻/Ω·km<sup>-1</sup>
			L<sub>0</sub>	1.0	0.050
L<sub>1</sub>	2.0	0.050
			L<sub>2</sub>	3.0	0.065
L<sub>3</sub>	3.0	0.065
			L<sub>4</sub>	2.0	0.050
L<sub>5</sub>	1.0	0.050

表2 各分支母线所连设备参数

如图3所示，由于直流线路呈现对称性，只对直流线路L₁、L₃、L₅的区段内设置故障点，其中过渡电阻为1.0Ω，故障发生时刻为5.0s。在故障时刻5.0s时，极间电压迅速跌落，将故障后到换流器闭锁前的电压数据进行计算处理。处理的数据采用两个相邻采样点的平均值代替中间时刻的瞬时值，以减少误差。当故障电阻R_f=1.0Ω时，故障区段L不同，电压偏离系数结果如图4所示。

当故障发生在线路L₃上时，区段端点B₃、B₄的电压偏离系数最大，可以验证故障区段是线路L₃。故障发生在其它线路上时，通过比较各区段端点处的电压偏离系数K的大小差异，可以确定故障发生的区段。

当故障点在直流线路L₃，过渡电阻为5.0Ω、10.0Ω时，电压偏离系数的如图5所示。故障发生在其它线路上时，故障区段端点处的电压偏离系数最大，过渡电阻越大，电压偏离系数越小，在暂态极间电压处于下降的状态下依然可以识别故障发生的区段。

为进一步验证故障区段识别原理的可靠性，在距离分支母线B₃右侧的不同位置设置故障点（故障点在线路L₃上，过渡电阻为1.0Ω），进行仿真。由于计算后的结果数值相差不大，通过表3进行更为直观的分析：通过比较电压偏离系数K的大小差异，可以确定故障发生的区段均为线路L₃。当过渡电阻发生为5.0Ω、10.0Ω时，经过验证，故障区段均为线路L₃。

经过上述几种情况的仿真结果表明：直流线路故障区段识别原理能够准确可靠的识别故障发生的区段。

表3不同故障位置下的电压偏离系数

利用投入带有初始电压的测距电容进行故障测距实质上是一种离线注入测距，采集电 容的电压、电流信息，根据电路相关的知识，利用RLC二阶电路零输入状态响应特性计算故 障距离，选取的初始电容的电压U_dc对故障测距精度不产生影响^[19]，电容C大小的选取为 300mF，电容初始电压为220V,直流线路的线路电感L，实际系统中的线路和过渡电阻总和Rs 通常远小于2 ，因此投入的具有初始电压的电容是一个振荡放电电容。

双极短路故障仿真时，分别设置故障电阻为1.0Ω、5.0Ω、10.0Ω。采样频率为20kHz，选取L₁、L₂区段左端不同位置设置故障点，采用公式(9)描述误差率。

(9)

表4 双极短路故障测距结果

由于L₁与L₄区域的线路，L₂与L₃的线路相同，仿真验证过程和结果极为相近，所以选择L₁、L₂的进行故障测距验证。通过表4可知，故障测距结果误差率在1%以内，能够较为准确的进行故障测距。

上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的情况下做出各种变化 。

Claims (1)

1.一种柔性直流配电网双极短路故障区段识别及测距方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：依据发生双极短路故障时的各区段的暂态电压特征，确定故障发生的区段，直流线路发生双极短路故障后，故障区段与非故障区段的故障电压特征相似，但极间电压衰减下降的速率不同，故障区段的极间电压下降速率最大，非故障区段的极间电压下降速率与故障点的位置密切相关，即与直流线路的电阻大小有关，距离故障点越近的区段端点，包含的线路电阻越大，极间电压下降速率越大，距离越远，极间电压下降速率越小，为进一步刻画暂态电压与故障点位置的关系，引入电压偏离系数K，即故障时各分支母线处的实际瞬时电压与系统正常运行电压之间的偏离关系。各区段端点的电压偏离系数K的计算方法为：

公式(1)中

表示区段端点的采样暂态电压数值，U_dc表示正常运行时的极间电压，n表示采样点的数目。由于线路电阻的存在，距离故障点越近，极间电压跌落越迅速，暂态电压下降后的峰值越小，与正常运行的极间电压相差越大，由公式(1)所知，其电压偏离系数K越大；距离故障点越远，暂态电压下降后的峰值越大，与正常运行的极间电压相差越小，其电压偏离系数K越小，各区段端点处计算后电压偏离系数K,选取其中两个最大的电压偏离系数，识别故障发生的区段，从而缩小故障范围，在直流断路器跳开后，打开故障区段的分段开关，实现故障隔离，保护故障区段其它设备的安全；重新闭合直流断路器，恢复非故障区段的供电，缩小停电范围，达到供电可靠性的目的。步骤2：隔离故障区段后在故障区段投入一个带初始电压的测距电容，线路电感、线路电阻和故障点过渡电阻形成一个串联的二阶电路，通过提取电容放电电压、电流的暂态数据，用基尔霍夫电压定律列写方程，如公式(2),(3)所示：

其中

R₁＝r₀x，R₂＝r₀(L-x)，L₁＝l₀x，L₂＝l₀(L-x)

式中：U_Ci、U_Cj,表示投入的测距电容C_i、C_j初始电压大小，i_i(t)和i_j(t)为投入的电容的放电电流，L表示该区段内线路全长，x表示故障点距离左侧测距电容的距离，r₀表示线路单位长度电阻，l₀表示线路单位长度电感，R_f表示过渡电阻，

联立求解公式(2)、(3)，可以得到双极短路故障距离x的表达式即公式(4)：

由于采用故障区段双端的故障信息，以消去过渡电阻的影响，具有较好的耐过渡电阻的能力。

Images