CN113466622B - 一种基于主动注入的早期故障区段定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动注入的早期故障区段定位方法，首先基于直流电缆的早期故障特征，构建柔性直流系统的早期故障模型表达式；基于所构建的早期故障模型表达式，利用对DC/AC换流器的主动控制，向柔性直流系统主动注入扰动电流；根据注入扰动电流后的早期故障特征，获得早期故障识别判据，并以此制定柔性直流系统的早期故障处理方案。上述方法能够准确识别与定位早期故障区段，并及时隔离故障支路，且具有一定的抗噪能力，为柔性直流配电系统持续可靠运行提供保障。

Description

一种基于主动注入的早期故障区段定位方法

技术领域

本发明涉及新能源发电并网技术领域，尤其涉及一种基于主动注入的早期故障区段定位方法。

背景技术

柔性直流配电网中由于全控电力电子器件的耐过流能力有限，一旦发生极间短路故障，全网换流器将在极短时间内快速闭锁，导致系统长时间失电，极大的降低了系统的可靠性。为此如何破解直流短路故障带来的系统停运问题成为柔性直流配网保护亟需攻克的难题，现有的直流线路保护研究大多针对直流极间短路故障，利用有限的故障信息进行基于短窗高频量的保护方案设计，以期望通过保护高速出口与直流断路器的选择性跳开，来避免换流器因过流闭锁。可是考虑到直流断路器的动作时间一般为5ms，而换流器在故障后1-2ms内闭锁，这仍然无法解决系统因换流器闭锁而停运的问题。

目前对早期故障的识别与定位方法的研究在交流场景下较多，主要有利用电流的偏移累计量与谐波含量、电压的畸变指数与输入阻抗谱等故障特征来识别早期故障。上述方法所涉及的故障特征与早期故障在工频电压或电流激励下产生的响应有关，故难以在直流场景下应用，并且早期故障特征微弱，使得故障识别判据阈值确定困难。对直流场景下的早期故障进行识别与定位的研究尚不成熟，主要有借助外加并联电容与外设高频注入源实现早期故障的识别与定位；该类主动注入法可靠性高，不足在于需要装设额外设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于主动注入的早期故障区段定位方法，该方法能够准确识别与定位早期故障区段，并及时隔离故障支路，且具有一定的抗噪能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于主动注入的早期故障区段定位方法，所述方法包括：

步骤1、基于直流电缆的早期故障特征，构建柔性直流系统的早期故障模型表达式；

步骤2、基于所构建的早期故障模型表达式，利用对DC/DC换流器的主动控制，向柔性直流系统主动注入扰动电流；

步骤3、根据注入扰动电流后的早期故障特征，获得早期故障识别判据，并以此制定柔性直流系统的早期故障处理方案。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够准确识别与定位早期故障区段，并及时隔离故障支路，且具有一定的抗噪能力，为柔性直流配电系统持续可靠运行提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的基于主动注入的早期故障区段定位方法流程示意图；

图2为本发明所举实例柔性直流配电系统拓扑图；

图3为本发明所举实例主动注入下的早期故障特征波形；

图4为本发明所举实例早期故障识别结果图；

图5为本发明所举实例40dB下的差动电流波形图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于主动注入的早期故障区段定位方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、基于直流电缆的早期故障特征，构建柔性直流系统的早期故障模型表达式；

在该步骤中，随着故障演变机理与电缆寿命预测等课题研究的不断深入，得出绝缘材料老化或受损是直流电缆故障的主要成因，且电缆绝缘能力与电树枝发展阶段有关，一般将整个电树枝发展过程划分为潜伏期、生长期、滞长期和击穿期，从基于漏电流监测技术的绝缘老化试验结果来看，在击穿期前，持续时间较长，泄漏电流较小。一旦进入短时击穿期，在麦克斯韦力作用下，电树枝快速生长并贯穿绝缘材料，形成燃弧，在持续数分钟之内可发展成低阻短路故障，这段时期被认为处于早期故障阶段。

基于上述直流电缆的早期故障特征，以表征直流电缆击穿期的模型作为早期故障模型，考虑到电缆发生早期故障时，泄漏电流很小，可认为直流电弧处于小电流阶段，故选用Paukert电弧模型来进行早期故障特性研究，模型表达式为：

式中，V_arc为电弧电压，单位：V；I_arc为电弧电流，单位：A；R_arc为电弧电阻，单位：Ω；L为电极间距，单位：mm；

由上式可知，在电极间距一定的前提下，电弧电阻是关于电弧电压或电弧电流的非整反幂函数，即表现为非线性电阻且随着电压或电流的增大而减小。

步骤2、基于所构建的早期故障模型表达式，利用对DC/DC换流器的主动控制，向柔性直流系统主动注入扰动电流；

在该步骤中，所述向柔性直流系统主动注入扰动电流的过程具体为：

根据直流变压器的工作原理可知：当提高运行电压指令值，使得光伏阵列运行在最大功率点右侧时，受光伏输出特性约束，运行电压将增大，输出电流及功率降低，结合Boost电路处于放电状态的回路方程为：

U_PV＝U₁+L₀di_L/dt

式中，L₀为Boost电路电感；U_PV为光伏发电单元的运行电压；U₁为直流变压器低压侧电压；i_L表示通过L₀的电流；

由上式可知，运行电压U_PV增大与运行电流I_PV突降，将导致直流变压器低压侧电压U₁变大，最终使得DCT出口电压U₂增大；

进一步的，根据DCT出口电压U₂的增大对早期故障回路的影响，受网侧定直流电压控制策略约束，DC/DC换流器出口电压近似不变，且正常运行时潮流方向为光伏场站侧流向网侧，则当DCT出口电压U₂增大时，线路电流将增大，早期故障支路电流I_f也随之增大，故通过提高最大功率跟踪算法中的运行电压指令值，即可向柔性直流系统主动注入扰动电流。

步骤3、根据注入扰动电流后的早期故障特征，获得早期故障识别判据，并以此制定柔性直流系统的早期故障处理方案。

在该步骤中，根据注入扰动电流后的早期故障特征，获得早期故障识别判据的过程具体为：

首先结合步骤1中电弧电阻的定义式可知：电弧电阻会随着电流的增大而变小，这将使得早期故障电阻也随之变小。因此，可定义特征量波动电阻R_wav，以体现早期故障前后与扰动电流注入前后的回路变化特征，表达式为：

I_{unb_max}＝0.03I₁

式中，|I₁+I₂|代表线路的差动电流；U₁₁代表线路极间电压；K为任一给定值，代表由不平衡电流导致的高阻抗；I_{unb_max}表示正常不平衡电流，其值受互感器噪声、线路分布电容电流影响，取0.03倍的线路电流；

正常运行时，线路首末端电流近似相等，使得差动电流|I₁+I₂|小于I_{unb_max}，此时波动电阻R_wav等于K；

当发生早期故障f₁时，差动电流|I₁+I₂|等价于早期故障支路电流I_f，其值一般大于I_{unb_max}，此时根据上式，波动电阻R_wav近似等于早期故障电阻R_f；

当向柔性直流系统主动注入扰动电流时，若系统无早期故障，此时差动电流仍应小于I_{unb_max}，使得波动电阻R_wav等于K，其值与注入前一致；

若系统发生早期故障，则波动电阻R_wav将因早期故障电阻的变小而变小；故扰动电流注入前后，正常运行与早期故障状态下，波动电阻R_wav的变化存在差异，以此形成早期故障识别判据R，表示为：

R＝R_wavj-R_wavjn(n＝1,2)

式中，R_wavj表示扰动电流注入前的波动电阻；R_wavjn为第n次扰动电流注入后的波动电阻；

为提高早期故障识别的可靠性，可连续注入两次，且均满足早期故障识别判据R大于0时，才判定系统发生了早期故障。

另外，考虑到光伏电站、换流站中含高比例电力电子器件，其自身的谐波扰动严重影响到系统稳定性，假使运用主动注入法来处理早期故障，无启动条件的频繁注入很可能使系统振荡发散，最终导致系统失稳。则针对无启动条件下频繁注入导致的系统稳定性恶化和电能质量问题，根据早期故障时的差动电流特征，形成扰动注入启动判据，具体为：

当差动电流|I₁+I₂|大于所设不平衡电流，使得波动电阻R_wav不等于K时，则表示可能发生了早期故障，故启动扰动电流的注入。

具体实现中，柔性直流系统的早期故障处理方案具体为：

首先读取各测点处的电流数据，并计算出各区段的波动电阻R_wav；

若存在一区段的波动电阻R_wav不等于K，则启动扰动注入控制，即向该区段的DC/DC换流器发送扰动注入指令；

其后，该DC/DC换流器连续注入两次电流扰动，计算出波动电阻R_wav，并与注入前的波动电阻R_wav比较，若满足早期故障识别判据R大于0，则判断该区段为早期故障区段；

最后，向该早期故障区段负荷开关发送跳闸信号，及时清除故障，避免早期故障发展成极间短路，造成系统停运。

下面以具体的实例对上述方法的过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例柔性直流配电系统拓扑图，图中分布式光伏场站经DC/DC换流器就地升压后，接入±10kV直流配电网，再经直流电缆送至DC/AC换流器，逆变后并入交流主网。网侧模块化多电平换流器(MMC)采用定直流电压控制,光伏场站采用最大功率点跟踪控制(MPPT)。量测点设置在各支路首末端，并在各母线的进出线配有可切断负荷电流的开关，利用本发明实施例的方法对各区段上的早期故障进行处理。

如图3所示为本发明所举实例主动注入下的早期故障特征波形，从图3中可以看出，扰动电流注入后，早期故障电流增大，故障电阻减小，利用该特征进行早期故障的可靠识别，不同故障位置的结果如表1所示：

表1

表1中，f_n为区段n上的早期故障，R_Ln代表区段n的波动电阻(n＝1,2,3)；T1-T3表示0.1s的时间段，其中T1-T2为早期故障前的时间段。由表1可知，正常运行时，即在T1-T2时间段中，由于差动电流小于设定的不平衡电流阈值，各区段的波动电阻可计为K。当发生早期故障时，由于存在早期故障支路及泄漏电流，差动电流大于设定的不平衡电流阈值，故障区段的波动电阻不再为K，满足扰动注入启动判据。

如图4所示为本发明所举实例早期故障识别结果图，图4中，Q1-Q3表示0.1s的时间段，其中Q1为主动注入前的时间段。虚线代表故障区段上的注入前后的波动电阻差值，实线代表非故障区段上的波动电阻差值。从图4中可以看出，故障区段上由于电流的注入，早期故障电阻小于注入前的值，满足故障识别判据；而非故障区段上，由于不存在早期故障支路，扰动电流注入前后，差动电流始终小于所设阈值，故其波动电阻差值为0，不满足判据。

如图5所示为本发明所举实例40dB下的差动电流波形图，可以看出，加入40dB噪声后，当区段3发生早期故障时，非故障区段1-2量测的差动电流一直小于阈值，不满足注入启动判据；故障区段3在故障前小于阈值，而发生早期故障后，差动电流上升，超过阈值，满足注入启动判据，即本发明提出的方法可以耐受40dB噪声。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法能够准确识别与定位早期故障区段，并及时隔离故障支路，且具有一定的抗噪能力，为柔性直流配电系统持续可靠运行提供保障。

以上所述，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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于主动注入的早期故障区段定位方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、基于直流电缆的早期故障特征，构建柔性直流系统的早期故障模型表达式；

其中，以表征直流电缆击穿期的模型作为早期故障模型，并选用Paukert电弧模型来进行早期故障特性研究，模型表达式为：

式中，V_arc为电弧电压；I_arc为电弧电流；R_arc为电弧电阻；L为电极间距；

由上式可知，在电极间距一定的前提下，电弧电阻是关于电弧电压或电弧电流的非整反幂函数，即表现为非线性电阻且随着电压或电流的增大而减小；

步骤2、基于所构建的早期故障模型表达式，利用对DC/DC换流器的主动控制，向柔性直流系统主动注入扰动电流；

其中，所述向柔性直流系统主动注入扰动电流的过程具体为：

根据直流变压器的工作原理可知：当提高运行电压指令值，使得光伏阵列运行在最大功率点右侧时，受光伏输出特性约束，运行电压将增大，输出电流及功率降低，结合Boost电路处于放电状态的回路方程为：

U_PV＝U₁+L₀di_L/dt

式中，L₀为Boost电路电感；U_PV为光伏发电单元的运行电压；U₁为直流变压器低压侧电压；i_L表示通过L₀的电流；

由上式可知，运行电压U_PV增大与运行电流I_PV突降，将导致直流变压器低压侧电压U₁变大，最终使得DCT出口电压U₂增大；

进一步的，根据DCT出口电压U₂的增大对早期故障回路的影响，受网侧定直流电压控制策略约束，DC/DC换流器出口电压近似不变，且正常运行时潮流方向为光伏场站侧流向网侧，则当DCT出口电压U₂增大时，线路电流将增大，早期故障支路电流I_f也随之增大，故通过提高最大功率跟踪算法中的运行电压指令值，即可向柔性直流系统主动注入扰动电流；

步骤3、根据注入扰动电流后的早期故障特征，获得早期故障识别判据，并以此制定柔性直流系统的早期故障处理方案；

其中，根据注入扰动电流后的早期故障特征，获得早期故障识别判据的过程具体为：

定义特征量波动电阻R_wav，以体现早期故障前后与扰动电流注入前后的回路变化特征，表达式为：

I_{unb_max}＝0.03I₁

式中，|I₁+I₂|代表线路的差动电流；U₁₁代表线路极间电压；K为任一给定值，代表由不平衡电流导致的高阻抗；I_{unb_max}表示正常不平衡电流，其值受互感器噪声、线路分布电容电流影响，取0.03倍的线路电流；

正常运行时，线路首末端电流近似相等，使得差动电流|I₁+I₂|小于I_{unb_max}，此时波动电阻R_wav等于K；

当发生早期故障f₁时，差动电流|I₁+I₂|等价于早期故障支路电流I_f，其值一般大于I_{unb_max}，此时根据上式，波动电阻R_wav近似等于早期故障电阻R_f；

当向柔性直流系统主动注入扰动电流时，若系统无早期故障，此时差动电流仍应小于I_{unb_max}，使得波动电阻R_wav等于K，其值与注入前一致；

若系统发生早期故障，则波动电阻R_wav将因早期故障电阻的变小而变小，故扰动电流注入前后，正常运行与早期故障状态下，波动电阻R_wav的变化存在差异，以此形成早期故障识别判据R，表示为：

R＝R_wavj-R_wavjn(n＝1,2)

式中，R_wavj表示扰动电流注入前的波动电阻；R_wavjn为第n次扰动电流注入后的波动电阻；

为提高早期故障识别的可靠性，连续注入两次，且均满足早期故障识别判据R大于0时，才判定系统发生了早期故障。

2.根据权利要求1所述基于主动注入的早期故障区段定位方法，其特征在于，所述方法还包括：

针对无启动条件下频繁注入导致的系统稳定性恶化和电能质量问题，根据早期故障时的差动电流特征，形成扰动注入启动判据，具体为：

当差动电流|I₁+I₂|大于所设不平衡电流，使得波动电阻R_wav不等于K时，则表示可能发生了早期故障，故启动扰动电流的注入。

3.根据权利要求1所述基于主动注入的早期故障区段定位方法，其特征在于，在步骤3中，柔性直流系统的早期故障处理方案具体为：

首先读取各测点处的电流数据，并计算出各区段的波动电阻R_wav；

若存在一区段的波动电阻R_wav不等于K，则启动扰动注入控制，即向该区段的DC/DC换流器发送扰动注入指令；

其后，该DC/DC换流器连续注入两次电流扰动，计算出波动电阻R_wav，并与注入前的波动电阻R_wav比较，若满足早期故障识别判据R大于0，则判断该区段为早期故障区段；

最后，向该早期故障区段负荷开关发送跳闸信号，及时清除故障，避免早期故障发展成极间短路，造成系统停运。