CN112505479A - 一种适用于mmc型直流配电网的故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，故障测距方法包括如下步骤：根据实际情况调节故障测距模块；构建左侧测距模块放电回路；构建右侧测距模块放电回路；电流信号变换；故障距离计算。本发明利用等效原理和零输入相应原理，将测距模块中的电容、电感、电阻与直流线路自身阻抗等效结合得到等效RLC串联电路并最终推导出测距公式，原理简明；相比于传统的单端测量方法，双端测距模块配合非同步放电方法能有效避免线路电感和测距模块电感之间产生振荡对测距过程造成影响，使结果更精确可靠。解决了现有技术中MMC型直流配电网由于线路较短、信息传播速度较快，引起的故障区域定位效果和实用性不高的问题。

Description

一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法

技术领域

本发明属于直流配电网继电保护领域，具体涉及一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，模块化多电平换流器(Modular Multi-levelConverter—MMC)具有不存在换相失败、输出特性好、结构模块化、能实现快速解耦控制等优势，在直流配电网得到了广泛的关注和研究应用。在配电系统不断建设的过程中，电网中的配电线路逐渐增加，线路故障的情况也更为复杂。目前来说，直流配电网在控制、保护技术等方面尚处于理论研究阶段，同时，由于直流配电网的线路较短、信息传播速度较快，直流配电网无法直接利用交流配网、高压直流输电的故障定位方法，准确的故障定位和测距较难实现。

目前对于电压源换流器(Voltage Source Converter—VSC)型的直流配电网故障测距已经开展了一定的研究，现有的故障测距方法根据实现原理可分为基于多点信息的故障测距方法、本地注入式故障测距方法和本地被动式故障测距方法，但存在监测装置测量精度要求较高、受系统接地方式制约以及故障测距精度耐受过渡电阻能力差等问题。MMC型直流配网领域的故障测距研究刚刚起步，离实际应用也有不小的距离，特别是直流配电网线路长度较短的情况下，故障及时、精确的故障测距变得更加困难。因此，有必要针对直流配电网展开精准且实用性强的故障测距方法研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，解决了现有技术中MMC型直流配电网由于线路较短、信息传播速度较快，引起的故障区域定位效果和实用性不高的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，包括如下步骤：

步骤1、根据实际情况调节故障测距模块

当系统正常运行时，故障测距模块中S_p11、S_p12、S_p21、S_p22保持闭合，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂保持断开；当系统出现故障时，快速切断故障线路上直流断路器CB₁和CB₂，切除故障线路并终止功率传输；

步骤2、构建左侧测距模块放电回路

经过系统断路器重合以及息弧的时间差，0.05s后左侧故障线路延时继电器S_p11和S_p12跳开，同时延时继电器S₁₁和S₁₂闭合，使左侧测距模块投入故障线路与故障点构成放电回路，随后采集放电电流I_p1波形；

步骤3、构建右侧测距模块放电回路

待左侧电容放电完毕，右侧故障线路延时继电器S_p21和S_p22跳开，同时闭合延时继电器S₂₁和S₂₂，使右侧测距模块投入故障线路与故障点构成放电回路，随后采集放电电流I_p2波形；

步骤4、电流信号变换

对采集到的放电电流进行信号变换得到放电回路的振荡频率、进行数值拟合得到衰减系数；

步骤5、故障距离计算

计算出故障距离以及过渡电阻，同时，为了提高故障测距的可靠性，可根据实际情况重复步骤2-5进行多次测量并取平均值。

进一步的，所述故障测距模块包括故障时的等效过渡电阻R_f，故障点到两端测量点的等效电阻R₁和R₂，故障点到两端测量点的等效电感L₁和L₂，附加模块中电容C_p1和C_p2，附加模块中电感L_p1和L_p2，延时继电器S_p11、S_p12、S_p21、S_p22、S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂。

进一步的，所述步骤2中对于单极故障，左侧跳开的线路延时继电器为S_p11或S_p12，闭合的延时继电器为S₁₁或S₁₂；对于双极故障，左侧跳开的线路延时继电器为S_p11和S_p12，闭合的延时继电器为S₁₁和S₁₂。

进一步的，所述步骤3中对于单极故障，右侧跳开的线路延时继电器为S_p21或S_p22，闭合的延时继电器为S₂₁或S₂₂；对于双极故障，右侧跳开的线路延时继电器为S_p21和S_p22，闭合的延时继电器为S₂₁和S₂₂。

进一步的，所述步骤4中左侧的放电回路振荡频率ω₁与放电回路衰减系数δ₁表示为：

公式(1)和(2)中R₁和R_f表示模块中的对应电阻元件，C_p1表示模块中的对应电容元件，L₁和L_p1表示模块中的对应电感元件；

同理，推导出具有相同形式的右侧放电回路荡频率ω₂与衰减系数δ₂计算公式：

公式(3)和(4)中R₂和R_f表示模块中的对应电阻元件，C_p2表示模块中的对应电容元件，L₁和L_p2表示模块中的对应电感元件；

采用快速傅里叶方法进行处理，其表达公式为：

公式(5)中f_u为其频谱图的单位频率，f_s为采样频率，N_f是采样节点的数量；

系统总的采样节点的数量N_δ为：

公式(6)中T_p为给定的放电时间；

通过采集放电电流峰值来计算出衰减系数，放电电流的上包络线表达为：

i_e(t)＝I_ene^-δt (7)

公式(7)中I_en为电流包络线的峰值；

利用电流包络线和采样时间数据，通过数值拟合的方法求取衰减系数，求解公式为：

公式(8)中n为包络线上第n个采样点；

单极短路与双极短路的故障距离l₁以及过渡电阻R_f可以表示为：

公式(9)和公式(10)中l为直流线路全长，r₀为线路电缆单位长度电阻值。

本发明的有益效果：

1、本发明提出的适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，利用等效原理和零输入相应原理，将测距模块中的电容、电感、电阻与直流线路自身阻抗等效结合得到等效RLC串联电路并最终推导出测距公式，原理简明；

2、本发明提出的适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，相比于传统的单端测量方法，双端测距模块配合非同步放电方法能有效避免线路电感和测距模块电感之间产生振荡对测距过程造成影响，使结果更精确可靠；

3、本发明提出的适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其附加测距模块中的带电电容可以反复充电，使模块可以反复投切实现重复测量，通过后期数据处理则可以有效提高结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的直流线路故障测距模块原理图；

图2是本发明的单极接地故障电流通路示意图；

图3是本发明的单极接地故障等效电路示意图；

图4是本发明的双极短路故障电流通路示意图；

图5是本发明的双极短路故障等效电路示意图；

图6是本发明的故障测距流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，适用于双端直流配电网。

如图1所示，一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法基于直流线路故障测距模块原理，所述故障测距模块包括直流电压源、电容、电感以及可控开关等器件。其故障检测方法包括如下步骤：

步骤1、根据实际情况调节故障测距模块

当系统正常运行时，故障测距模块中S_p11、S_p12、S_p21、S_p22保持闭合，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂保持断开；当系统出现故障时，快速切断故障线路上直流断路器CB₁和CB₂，切除故障线路并终止功率传输；

图1中R_f为故障时的等效过渡电阻，R₁、R₂为故障点到两端测量点的等效电阻，L₁、L₂为故障点到两端测量点的等效电感，C_p1、C_p2为附加模块中电容，L_p1、L_p2为附加模块中电感S_p11、S_p12、S_p21、S_p22、S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为延时继电器。

步骤2、构建左侧测距模块放电回路

经过系统断路器重合以及息弧的时间差，0.05s后左侧故障线路延时继电器S_p11和S_p12跳开，同时延时继电器S₁₁和S₁₂闭合，使左侧测距模块投入故障线路与故障点构成放电回路，随后采集放电电流I_p1波形；

其中对于单极故障，如图2所示，左侧跳开的线路延时继电器为S_p11或S_p12，闭合的延时继电器为S₁₁或S₁₂，其等效电路如图3所示；对于双极故障，如图4所示，左侧跳开的线路延时继电器为S_p11和S_p12，闭合的延时继电器为S₁₁和S₁₂，其等效电路如图5所示。

步骤3、构建右侧测距模块放电回路

待左侧电容放电完毕，右侧故障线路延时继电器S_p21和S_p22跳开，同时闭合延时继电器S₂₁和S₂₂，使右侧测距模块投入故障线路与故障点构成放电回路，随后采集放电电流I_p2波形；

其中对于单极故障，如图2所示，右侧跳开的线路延时继电器为S_p21或S_p22，闭合的延时继电器为S₂₁或S₂₂，其等效电路如图3所示；对于双极故障，如图4所示，右侧跳开的线路延时继电器为S_p21和S_p22，闭合的延时继电器为S₂₁和S₂₂，其等效电路如图5所示。

步骤4、电流信号变换

对采集到的放电电流进行信号变换得到放电回路的振荡频率、进行数值拟合得到衰减系数，计算出故障距离以及过渡电阻；

其中左侧的放电回路振荡频率ω₁与放电回路衰减系数δ₁可以表示为：

其中R表示模块中的对应电阻元件，C表示模块中的对应电容元件，L₁和L_p1表示模块中的对应电感元件。同理，可以推导出具有相同形式的右侧放电回路荡频率ω₂与衰减系数δ₂计算公式：

在采集放电电流的基础上，需要对其进行处理和计算以获得放电回路的振荡频率和衰减系数。采用快速傅里叶方法进行处理，其表达公式为：

其中，f_u为其频谱图的单位频率，f_s为采样频率，N_f是采样节点的数量。

系统总的采样节点的数量N_δ为：

其中，T_p为给定的放电时间。

放电电流的包络线为指数形式，因此可以通过采集放电电流峰值来计算出衰减系数，放电电流的上包络线可表达为：

i_e(t)＝I_ene^-δt (7)

其中，I_en为电流包络线的峰值。

利用电流包络线和采样时间数据，通过数值拟合的方法求取衰减系数，求解公式为：

其中，n为包络线上第n个采样点。

步骤5、故障距离计算

计算出故障距离以及过渡电阻，单极短路与双极短路的故障距离l₁(故障点到左侧监测点的距离)以及过渡电阻R_f可以表示为：

其中，l为直流线路全长，r₀为线路电缆单位长度电阻值。同时，为了提高故障测距的可靠性，可根据实际情况重复步骤2-5进行多次测量并取平均值。

故障测距方法流程图如图6所示，当故障发生时，首先切除故障线路，并对故障类型进行判断。根据故障类型控制延时开关投入左侧故障模块，提取左侧放电回路电流；左侧放电结束后，控制延时开关投入右侧故障模块，并提取右侧放电回路电流，直至右侧放电结束。进而通过信号变换与数值拟合得到振荡频率与衰减系数，最后计算得到故障距离与过渡电阻。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据实际情况调节故障测距模块

当系统正常运行时，故障测距模块中S_p11、S_p12、S_p21、S_p22保持闭合，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂保持断开；当系统出现故障时，快速切断故障线路上直流断路器CB₁和CB₂，切除故障线路并终止功率传输；

步骤2、构建左侧测距模块放电回路

经过系统断路器重合以及息弧的时间差，0.05s后左侧故障线路延时继电器S_p11和S_p12跳开，同时延时继电器S₁₁和S₁₂闭合，使左侧测距模块投入故障线路与故障点构成放电回路，随后采集放电电流I_p1波形；

步骤3、构建右侧测距模块放电回路

待左侧电容放电完毕，右侧故障线路延时继电器S_p21和S_p22跳开，同时闭合延时继电器S₂₁和S₂₂，使右侧测距模块投入故障线路与故障点构成放电回路，随后采集放电电流I_p2波形；

步骤4、电流信号变换

对采集到的放电电流进行信号变换得到放电回路的振荡频率、进行数值拟合得到衰减系数；

步骤5、故障距离计算

计算出故障距离以及过渡电阻，同时，为了提高故障测距的可靠性，可根据实际情况重复步骤2-5进行多次测量并取平均值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其特征在于，所述故障测距模块包括故障时的等效过渡电阻R_f，故障点到两端测量点的等效电阻R₁和R₂，故障点到两端测量点的等效电感L₁和L₂，附加模块中电容C_p1和C_p2，附加模块中电感L_p1和L_p2，延时继电器S_p11、S_p12、S_p21、S_p22、S₁₁、S₁₂、S₂₁和S₂₂。

3.根据权利要求1所述的一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其特征在于，所述步骤2中对于单极故障，左侧跳开的线路延时继电器为S_p11或S_p12，闭合的延时继电器为S₁₁或S₁₂；对于双极故障，左侧跳开的线路延时继电器为S_p11和S_p12，闭合的延时继电器为S₁₁和S₁₂。

4.根据权利要求1所述的一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其特征在于，所述步骤3中对于单极故障，右侧跳开的线路延时继电器为S_p21或S_p22，闭合的延时继电器为S₂₁或S₂₂；对于双极故障，右侧跳开的线路延时继电器为S_p21和S_p22，闭合的延时继电器为S₂₁和S₂₂。

5.根据权利要求1所述的一种适用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其特征在于，所述步骤4中左侧的放电回路振荡频率ω₁与放电回路衰减系数δ₁表示为：

公式(1)和(2)中R₁和R_f表示模块中的对应电阻元件，C_p1表示模块中的对应电容元件，L₁和L_p1表示模块中的对应电感元件；

同理，推导出具有相同形式的右侧放电回路荡频率ω₂与衰减系数δ₂计算公式：

公式(3)和(4)中R₂和R_f表示模块中的对应电阻元件，C_p2表示模块中的对应电容元件，L₁和L_p2表示模块中的对应电感元件；

采用快速傅里叶方法进行处理，其表达公式为：

公式(5)中f_u为其频谱图的单位频率，f_s为采样频率，N_f是采样节点的数量；

系统总的采样节点的数量N_δ为：

公式(6)中T_p为给定的放电时间；

通过采集放电电流峰值来计算出衰减系数，放电电流的上包络线表达为：

i_e(t)＝I_ene^-δt (7)

公式(7)中I_en为电流包络线的峰值；

利用电流包络线和采样时间数据，通过数值拟合的方法求取衰减系数，求解公式为：

公式(8)中n为包络线上第n个采样点；

单极短路与双极短路的故障距离l₁以及过渡电阻R_f可以表示为：

公式(9)和公式(10)中l为直流线路全长，r₀为线路电缆单位长度电阻值。

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