CN113466605A - 一种基于mmc的伪随机码故障测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MMC的伪随机码故障测距方法及系统，该方法包括：生成由0和1构成的m序列信号；通过m序列信号对MMC调制控制，码元0、1分别对应MMC相单元子模块投入不同数量，从而控制MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；MMC直流侧电压沿直流线路传播，遇到故障点时，发生行波的折反射，产生的反射波回到MMC端，通过互相关函数计算MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间；根据延迟时间计算故障点与MMC端之间的距离。本发明成功消除了脉冲反射法进行故障检测定位时发射信号的功率和脉冲宽度之间的矛盾，提高了故障定位精度。

Description

一种基于MMC的伪随机码故障测距方法及系统

技术领域

本发明涉及线路故障测距技术领域，具体涉及一种基于MMC的伪随机码故障测距方法及系统。

背景技术

模块化多电平换流器(MMC)是由学者R.Marquart和A.Lesnicar研制的一种新型换流器拓扑结构，其具有模块化、冗余性、易扩展、可控制等优点，便于实现规模化生产和集成化设计，同时具有低谐波含量和低损耗等优点，自提出以来受到广泛的关注。模块化多电平换流器的出现，不仅提高了输电系统的运行性能与可拓展性，而且为日后直流输电技术多端化和网络化的发展前景奠定了基础。

用于直流输电线路的故障测距方法有多种，而脉冲反射法就是其中最常用的一种方法，其基本原理是利用脉冲信号的往返时延τ和其速度v求出线路的故障距离。根据已有的分析可知，目标反射回来的信号强度与测量距离成反比，距离越大，信号就越弱，也就越难接收检测。如果加大发射功率，又会受到一定的限制，因为脉冲功率越大，发射脉冲的宽度就会越大，则信号测量所需的时间也必然会增加，测量距离的精度就会下降。显然，测量的距离要远，发射脉冲宽度就得大；测距精度要高，发射脉冲宽度就得小，这是一对互相矛盾的要求。随着技术的发展，人们对测距系统的分辨率、抗干扰性和精度提出了越来越高的要求，而基于脉冲信号的测距系统难以同时兼顾脉冲宽度和信号能量两个方面。为了解决上述问题，人们开始寻求新型的测距信号。

伪随机信号是一种近年来广受关注的新型测距信号。由于常见的噪声信号是一类典型的随机信号，在信号处理中是不可避免的，目前还没有任何一种方法可以完全去掉噪声，只能尽量减少噪声的影响，而伪随机信号具有类噪声的优良特性，它是通过求发射信号和接收信号的互相关的方法来得到目标的距离信息的，噪声信号不能和发射信号做互相关运算，就算反射信号中含有噪声信号，噪声信号也不能对最后的结果产生影响；同时伪随机信号还具有优良的自相关特性、较大的时间带宽积、易于产生和复制等优良特性，因此已在探地雷达、超声测距等领域得到广泛应用。

发明内容

针对脉冲反射法在进行故障检测定位时发射信号的功率和脉冲宽度之间存在的矛盾，本发明提出一种基于MMC的伪随机码故障测距方法及系统。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于MMC的伪随机码故障测距方法，包括如下步骤：

S1：生成m序列信号，m序列信号为由“0”和“1”构成的二元序列信号；

S2：通过m序列信号对MMC调制控制，m序列信号码元“0”、“1”分别对应于MMC相单元子模块投入数量为N₂、N₁，从而控制MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；

S3：MMC直流侧电压沿直流线路传播，遇到故障点时，发生行波的折反射，产生的反射波回到MMC端，构造MMC直流侧电压信号、反射波信号的互相关函数，互相关函数取为最大值时对应的时间为MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间τ；

S4：根据延迟时间τ计算故障点与MMC端之间的距离。

优选地，步骤S1中m序列信号产生过程如下：

S11：确定n级串接的移位寄存器的级数、线性反馈逻辑表达式和移位寄存器的初始状态；

S12：在时钟触发下，n级串接的移位寄存器各级状态自左向右移到下一级，末级移位寄存器状态输出；末级移位寄存器状态与倒数第二级移位寄存器状态经线性反馈逻辑表达式运算后作为第一级移位寄存器状态；

S13：每经过一个时钟节拍重复步骤S12一次，末级移位寄存器输出的序列信号即为m序列信号。

优选地，步骤S3中延迟时间τ计算方法如下：

包含噪声的反射波信号f₁(t)为：

f₁(t)＝s₁(t)+n(t)

其中，s₁(t)为有用的反射信号，n(t)为噪声信号；

MMC直流侧电压信号f₂(t)为：

f₂(t)＝s₂(t)

其中，s₂(t)为MMC直流侧电压信号；

MMC直流侧电压信号、反射波信号的互相关函数为：

其中，

为MMC直流侧电压信号和有用的反射信号之间的互相关函数，

为直流侧电压信号和噪声信号的互相关函数，T为采样周期；

互相关函数R_xy(τ)取为最大值时对应的时间为MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间τ。

优选地，步骤S4根据延迟时间τ计算故障点与MMC端之间的距离的方法如下：

其中，l为故障点与MMC端之间的距离，v为行波波速。

优选地，行波波速v的计算方法如下：

由首端MMC换流站发出脉冲信号，脉冲信号到达对端MMC换流站反射后再回到首端MMC换流站，行波波速v表示为：

其中，l_mn为首端、对端MMC换流站之间的线路全长，t₂为首端MMC换流站检测到的反射脉冲的到达时间，t₁为首端MMC换流站检测到的脉冲信号发出时间。

优选地，t₂、t₁通过小波变换模极大值进行测定。

本发明还提供一种基于MMC的伪随机码故障测距系统，包括伪随机序列产生模块、调制控制模块、延迟时间计算模块、测距模块；

伪随机序列产生模块生成m序列信号；调制控制模块接收m序列信号并控制MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；延迟时间计算模块接收MMC直流侧电压信号、反射波信号并计算MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间；测距模块接收延迟时间信号并计算故障点与MMC端之间的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明利用伪随机信号具有优良的自相关特性、较大的时间带宽积、易于产生和复制等优良特性，通过m序列信号对MMC调制控制，使得MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；并通过故障点的反射波信号与MMC直流侧电压信号的互相关函数求取延迟时间。根据延迟时间计算故障点与MMC端之间的距离。本发明成功消除了脉冲反射法进行故障检测定位时发射信号的功率和脉冲宽度之间的矛盾，提高了故障定位精度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为基于MMC的伪随机码故障测距系统；

图2为MMC的拓扑结构示意图；

图3为MMC的子模块工作状态示意图；

图4为MMC发出脉冲信号原理图；

图5为四级移位寄存器结构示意图；

图6为m序列信号和MMC直流侧电压信号波形图；

图7为脉冲信号计算行波波速原理图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图2为模块化多电平换流器(MMC)的拓扑结构示意图，包括直流母线的正极P、负极N，直流母线之间设有上、下桥臂，上桥臂与母线正极P连接，下桥臂与母线负极N连接，上、下桥臂连接处为节点a，节点a与上、下桥臂分别通过电感连接；O点为等效中性点，u_va为A相交流侧的输出电压。上、下桥臂上均设有若干串联的半桥子模块(Half Bridge SM，HBSM)，子模块包括两个串联的IGBT(T1、T2)，T1、T2分别设有反并联的二极管D1、D2，T1、T2串联之后与电容C并联。子模块第一输出端位于T1发射极与T2集电极连接的线路上，子模块第二输出端位于T2发射极。根据门极信号和电流方向的不同，子模块包含3种工作状态、6种工作模式，且在不同工作状态、不同工作模式下，子模块的输出电压U_SM不同。

当MMC正常运行时，子模块只存在投入和切除两种工作状态，对应的子模块工作状态示意图如图3所示。当T1导通，T2关断时：此状态定义为投入状态，子模块根据电流方向对电容C进行充电或放电，此时子模块的输出电压均为电容电压Uc。当T1关断，T2导通时：此状态定义为切除状态，子模块电容C被旁路，此时子模块的输出电压为0。因此稳定工况下，子模块的输出电压在Uc和0之间来回切换。实际工程中，MMC通过成百上千子模块投切状态的转变，实现多电平变换器的功能。

为保证MMC的正常运行，需满足以下两个条件：

(1)、直流电压U_dc维持一定。设a相投入N个子模块，分配到上、下桥臂各投入子模块M个、L个，系统运行过程中子模块电容电压Uc保持不变，因此：

U_dc＝u_pa+u_an＝MU_c+LU_c＝(M+L)U_c＝NU_c

其中，u_pa为直流母线的正极P与节点a之间的电压，u_an为节点a与直流母线的负极N之间的电压。

为了满足直流电压U_dc维持一定，MMC各相单元每时每刻投入的子模块数量N应保持不变。

(2)、在交流侧输出交流电压。为满足该条件，通过不断调节MMC上下桥臂的输出电压，从而以阶梯波的形式逐步逼近正弦波。

由条件(1)可知，MMC直流侧输出电压的大小与相单元处于投入状态的子模块数量成正比，因此相单元中的部分子模块从投入状态中切除一段时间，此时直流侧的输出电压会在短时间内存在一个电压降落，等效于一个低压脉冲沿线传播，如图4所示。

m序列是最常用的一种伪随机序列，以四级移位寄存器为例具体说明m序列的产生过程，图5为四级移位寄存器构成的伪随机序列产生模块，线性反馈逻辑表达式为异或，即

移位寄存器的初始状态为0001，那么α_n-4＝1，α_n-3＝0，α_n-2＝0，α_n-1＝0。在时钟触发下，四级串接的移位寄存器各级状态自左向右移到下一级，末级移位寄存器状态输出；末级移位寄存器状态与倒数第二级移位寄存器状态经模2加法器运算后作为第一级移位寄存器状态；经过若干时钟节拍，末级移位寄存器输出的序列信号即为m序列信号，如表1所示。

表1伪随机序列产生模块状态转换表

由表1可见，产生的m序列信号为10011010111100010011010…，这是一个周期为2⁴-1＝15的周期序列。改变线性反馈的位置以及数量还可以得到更多不同的序列输出。

根据产生的m序列信号对MMC调制控制，m序列信号码元“0”、“1”分别对应于MMC相单元子模块投入数量为N₂、N₁，对应的MMC直流侧的输出电压分别为N₂U_c、N₁U_c。MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换。跟随m序列信号沿直流线路传播的MMC直流侧电压波形如图6所示。

MMC直流侧电压沿直流线路传播，遇到故障点时，发生行波的折反射，产生的反射波回到MMC端，构造MMC直流侧电压信号、反射波信号的互相关函数，互相关函数取为最大值时对应的时间为MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间τ；延迟时间τ计算方法如下：

包含噪声的反射波信号f₁(t)为：

f₁(t)＝s₁(t)+n(t)

其中，s₁(t)为有用的反射信号，n(t)为噪声信号；

MMC直流侧电压信号f₂(t)为：

f₂(t)＝s₂(t)

其中，s₂(t)为MMC直流侧电压信号；

MMC直流侧电压信号、反射波信号的互相关函数为：

其中，

为MMC直流侧电压信号和有用的反射信号之间的互相关函数，

为直流侧电压信号和噪声信号的互相关函数，T为采样周期；

互相关函数R_xy(τ)取为最大值时对应的时间为MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间τ。

根据延迟时间τ计算故障点与MMC端之间的距离。根据延迟时间τ计算故障点与MMC端之间的距离的方法如下：

其中，l为故障点与MMC端之间的距离，v为行波波速。

如图7所示，行波波速v的计算方法如下：

由首端MMC换流站发出脉冲信号，脉冲信号到达对端MMC换流站反射后再回到首端MMC换流站，行波波速v表示为：

其中，l_mn为首端、对端MMC换流站之间的线路全长，t₂为首端MMC换流站检测到的反射脉冲的到达时间，t₁为首端MMC换流站检测到的脉冲信号发出时间。t₂、t₁通过小波变换模极大值进行测定。

实施例2

如图1所示，一种基于MMC的伪随机码故障测距系统，包括伪随机序列产生模块、调制控制模块、延迟时间计算模块、测距模块；

伪随机序列产生模块生成m序列信号；调制控制模块接收m序列信号并控制MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；延迟时间计算模块接收MMC直流侧电压信号、反射波信号并计算MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间；测距模块接收延迟时间信号并计算故障点与MMC端之间的距离。

Claims (7)

1.一种基于MMC的伪随机码故障测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：生成m序列信号，所述m序列信号为由“0”和“1”构成的二元序列信号；

S2：通过m序列信号对MMC调制控制，所述m序列信号码元“0”、“1”分别对应于MMC相单元子模块投入数量为N₂、N₁，从而控制MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；

S3：MMC直流侧电压沿直流线路传播，遇到故障点时，发生行波的折反射，产生的反射波回到MMC端，构造MMC直流侧电压信号、反射波信号的互相关函数，互相关函数取为最大值时对应的时间为MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间τ；

S4：根据延迟时间τ计算故障点与MMC端之间的距离。

2.根据权利要求1所述的基于MMC的伪随机码故障测距方法，其特征在于，步骤S1中所述m序列信号产生过程如下：

S11：确定n级串接的移位寄存器的级数、线性反馈逻辑表达式和移位寄存器的初始状态；

S12：在时钟触发下，n级串接的移位寄存器各级状态自左向右移到下一级，末级移位寄存器状态输出；末级移位寄存器状态与倒数第二级移位寄存器状态经线性反馈逻辑表达式运算后作为第一级移位寄存器状态；

S13：每经过一个时钟节拍重复步骤S12一次，末级移位寄存器输出的序列信号即为m序列信号。

3.根据权利要求1所述的基于MMC的伪随机码故障测距方法，其特征在于，步骤S3中延迟时间τ计算方法如下：

包含噪声的反射波信号f₁(t)为：

f₁(t)＝s₁(t)+n(t)

其中，s₁(t)为有用的反射信号，n(t)为噪声信号；

MMC直流侧电压信号f₂(t)为：

f₂(t)＝s₂(t)

其中，s₂(t)为MMC直流侧电压信号；

MMC直流侧电压信号、反射波信号的互相关函数为：

其中，

为MMC直流侧电压信号和有用的反射信号之间的互相关函数，

为直流侧电压信号和噪声信号的互相关函数，T为采样周期；

互相关函数R_xy(τ)取为最大值时对应的时间为MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间τ。

4.根据权利要求1所述的基于MMC的伪随机码故障测距方法，其特征在于，步骤S4根据延迟时间τ计算故障点与MMC端之间的距离的方法如下：

其中，l为故障点与MMC端之间的距离，v为行波波速。

5.根据权利要求3所述的基于MMC的伪随机码故障测距方法，其特征在于，行波波速v的计算方法如下：

由首端MMC换流站发出脉冲信号，脉冲信号到达对端MMC换流站反射后再回到首端MMC换流站，行波波速v表示为：

其中，l_mn为首端、对端MMC换流站之间的线路全长，t₂为首端MMC换流站检测到的反射脉冲的到达时间，t₁为首端MMC换流站检测到的脉冲信号发出时间。

6.根据权利要求4所述的基于MMC的伪随机码故障测距方法，其特征在于，t₂、t₁通过小波变换模极大值进行测定。

7.一种基于MMC的伪随机码故障测距系统，其特征在于：包括伪随机序列产生模块、调制控制模块、延迟时间计算模块、测距模块；

所述伪随机序列产生模块生成m序列信号；所述调制控制模块接收m序列信号并控制MMC直流侧电压跟随m序列信号在两种电平之间切换；所述延迟时间计算模块接收MMC直流侧电压信号、反射波信号并计算MMC直流侧电压信号与反射波信号的延迟时间；所述测距模块接收延迟时间信号并计算故障点与MMC端之间的距离。

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