CN114019413B - 基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法，根据正极和负极线路直流电压比来判断有无单极接地故障发生，当发生故障时，根据各端换流站检测到的时序变化顺序，快速确定故障线路；在不闭锁期间内选择某一相中数个处于投入状态且子模块输入电流方向为负的若干子模块或处于切除状态且子模块输入电流方向为正的子模块进行短时闭锁，在换流站出口处主动产生直流电压突变量进行故障测距，利用二分递推奇异值分解准确检测突变量的行波发射和到达时刻，通过其之间的时间差进行故障距离精确求解实现准确测距。本发明可多次重复测距以进一步提高测距结果的准确性。

Description

基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法
技术领域
本发明涉及的是一种电力控制领域的技术，具体是一种基于子模块短时主动闭锁的 MMC型直流配网单极接地故障测距方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流电网因损耗低、波形质量高已然成为当前输配电领域的研究热点。目前关于MMC型柔性直流电网故障测距的方法可参考现有直流输电或者基于两电平换流器VSC，直流线路故障定位方法根据原理可分为两大类：故障分析法和行波法。但现有的MMC型柔性直流电网故障测距的缺陷和不足包括：1)柔性直流电网保护技术要求高速动性，因此故障测距可用的数据少，增大了故障测距的难度。2)在故障分析法测距原理方面，MMC型系统不能借鉴原来现有直流的测距方法，因为 MMC结构的独特性，基于两电平换流站电容的放电过程和线路边界的测距方案也不能直接应用于MMC型系统。3)现有的测距方案不论故障分析法还是行波法，都没有充分发挥到MMC结构的高控制能力，需要探索基于换流器的主动式测距方案。
发明内容
本发明针对现有依靠故障点产生行波的测距方法由于故障产生行波的不确定性和不可控性，测距精度较低的缺陷，提出一种基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法，通过测量各端换流站出口正负极直流电压幅值比可靠判断故障发生极，接着通过检测各MMC直流侧极间电压突变量时序可以快速确定故障线路，通过测量脉冲发射和第一次反射接收时间实现单端重复测距，可多次重复测距以进一步提高测距结果的准确性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于子模块短时主动闭锁的MMC型直流配网单极接地故障测距方法，由于四端柔性直流电网发生单极接地故障后，故障极电压降近0，非故障极电压提升一倍；而当多端柔性直流电网发生双极短路故障后，正极和负极直流电压幅值由于电网接地方式的作用保持相等，因此根据正极和负极线路直流电压比来判断有无单极接地故障发生；当判断发生单极接地故障时，此时故障点电压会出现阶跃线路传播，由于故障点到各换流站的距离不同，因此阶跃信号到达各换流站直流出口处的时间有所差异，当某线路上发生单极接地故障时，该条直流线路连接的两端换流站率先检测到直流电压的变化率，因此根据各端换流站检测到的时序变化顺序，快速确定故障线路；在不闭锁期间内选择某一相中数个处于投入状态且子模块输入电流方向为负的若干子模块或处于切除状态且子模块输入电流方向为正的子模块进行短时闭锁，在换流站出口处主动产生直流电压突变量进行故障测距，利用二分递推奇异值分解准确检测突变量的行波发射和到达时刻，通过其之间的时间差进行故障距离精确求解实现准确测距。
所述方法具体包括以下步骤：
步骤一：测量直流电压突变量在直流线路上的波速，在柔性直流电网正常运行且已知线路长度的情况下，主站多次发射主动式行波，在测量到第一次反射行波波头到达时刻后即可求解出直流电压1模量的波速度
Figure BDA0003337453530000021
其中：Lline为两个基于模块化多电平换流器之间的直流线路的长度，Δt为第一次反射行波波头到达时刻与直流电压电压突变量发生时刻差值。
步骤二：测量正负极直流电压幅值比并进行接地故障判断：
Figure BDA0003337453530000022
其中：Udcp为正极直流线路电压，Udcn为负极直流线路
电压；ksetn和ksetp分别为设定阈值；
步骤三：故障点电压会出现阶跃信号向四端直流线路传播，由于故障点到各换流站的距离不同，因此阶跃信号到达各换流站直流出口处的时间有所差异，当电压突变量到达某换流站时，会引起该站出口直流母线正极电压降低，选取最先发生电压突变的两个站，则故障点离这两个站最近，可判断直流故障发生在该条直流线路。
步骤四：选取故障线路两侧某端换流站主动产生电压突变量，利用二分递推奇异值分解法细节分量来检测突变量发射和第一次反射接收时刻，具体为：将直流线模电压进行二分递推奇异值分解法，其中细节分量中模极大值出现的位置即为第一次反射脉冲到达时刻，信号的奇异性常用李氏(Lipschitz)指数来刻画，当一个信号有间断点或是其导数有间断点，则该信号具有奇异点。当n≤α≤n+1，其中n为非负整数，存在多项式pn(t)，对于|t-t0|<σ，满足
Figure BDA0003337453530000023
Figure BDA0003337453530000024
时则称函数f(t)在t0点是Lipschitzα，其中t为时间，n为非负整数， pn(t)为多项式，α和K为李氏参数，f(t)为目标函数；当α＝1，则f(t)无奇异性，当α＝0，则f(t) 在t0有间断点，α越小说明函数f(t)在t0处变化越剧烈。当n≤α≤n+1，则称t0为函数n阶导函数的奇异点。SVD近似分量保留了原始离散信号的大致特征，细节分量反应了原始信号的细节变化，各层的细节分量产生了零交叉点和峰值。
步骤五：根据
Figure BDA0003337453530000025
计算平均故障距离并输出故障距离，其中：t2i和 t1i分别为第i次直流电压突变量第一次反射波到达换流站和发射时刻，n为电压突变量发射次数，v1为直流电压1模量的波速度，稍低于光速，1模量和0模量的传播波速度不同，因此需要单独测量。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过短时闭锁处于特定状态的子模块产生直流电压突变量的方法来进行故障测距，能够快速确定故障类型及故障线路并能实现测距；相比于现有依靠故障点产生行波的测距方法，本发明可多次重复测距，测距结果更加准确；本发明确定故障线路时，只需各端换流站检测到的时序变化顺序，无需精确时刻，因此对多端换流站通信要求较低且不受过渡电阻影响。
附图说明
图1图为本发明系统图；
图2为本发明流程图；
图3为二分递推奇异值分解法细节分量示意图；
图4为二分递推奇异值分解法分层示意图；
图5为直流架空线路杆塔结构示意图；
图6为柔性直流电网各段直流线路故障示意图；
图7为四端换流站输出有功功率示意图；
图8为四端换流站出口处正负极电压幅值比示意图；
图9为四端换流站出口处正负极间电压示意图；
图10为短时闭锁某子模块波形示意图示意图；
图11为MMC1出口直流电压1模量示意图；
图12为直流电压1模量各层细节分量示意图；
图13为电压突变量时刻检测示意图；
图中：a)为发射时刻检测，b)为第一次反射波到达时刻检测；
图14为直流电压1模量波形示意图；
图15为D2波形示意图；
图16为多故障点下MMC1出口直流电压1模量示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距系统，包括：单极接地故障判别单元、故障线路判别单元、主动突变量触发单元以及故障测距单元，其中：单极接地故障判别单元与故障线路判别单元相连并传输测量正负极直流电压幅值比与故障极信息，故障线路判别单元与主动突变量触发单元相连并传输...信息，主动突变量触发单元根据故障线路判别单元信息，进行选取MMC并产生主动突变量，故障测距单元根突变量反射信息，进行SVD处理并输测距结果。
本实施例在PSCAD/EMTDC中搭建了如图6所示的一个基于半桥子模块多电平换流器的四端环形柔性直流系统，系统级控制采取主从控制。该柔性直流电网的参数如表1所示，直流线路采用频率相关相域模型，直流架空线路杆塔结构示意图如图5所示。
表1四端环形柔性直流电网仿真系统参数
Figure BDA0003337453530000041
如图2所示，为本实施例涉及上述系统的基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法，具体包括：
步骤1)确定故障线路：
由于四端柔性直流电网发生单极接地故障后，故障极电压降至接近0，非故障极电压提升一倍；而当多端柔性直流电网发生双极短路故障后，正极和负极直流电压幅值由于电网接地方式的作用保持相等，可以根据正极和负极线路直流电压比来判断有无单极接地故障发生，判断依据为
Figure BDA0003337453530000042
其中：Udcp为正极直流线路电压，Udcn为负极直流线路电压；ksetn和ksetp分别为设定阈值，直流电网正常运行时，正极直流电压等于负极直流电压，考虑一定的裕度，可设ksetn＝1.2、ksetp＝0.8，满足(a)为负极线路单极接地故障，满足(b)为正极线路单极接地故障。
步骤2)故障测距方案
如图6所示，当线路1某处发生单极接地故障后，任选两端换流站中的一个，如主站MMC1换流器主动产生电压突变量，以波速v向相邻的两端换流站MMC2和MMC3传播，直流电压突变量首先到达故障点并反射回到MMC2，由于行波传播在直流线路上传播时幅值会衰减，为了便于检测，通过检测MMC1直流出口电压突变量发射时刻和第一个反射波到达时刻。为了减小测量误差，可以发挥主动探测式方法可重复测距的优点，因此故障距离
Figure BDA0003337453530000051
Figure BDA0003337453530000052
其中：t2i和t1i分别为第i次直流电压突变量第一次反射波到达换流站和发射时刻，n为电压突变量发射次数，v1为直流电压1模量的波速度，稍低于光速，1模量和0模量的传播波速度不同，因此需要单独测量。
本实施例设置直流电网在0s时刻进入稳态，设0.1s时刻直流线路1发生单极接地故障， 0.2s时刻主站MMC1产生一次直流电压突变量。如图7所示为四端换流站输出有功功率，由仿真图可以得到四端有功功率正常交换。
本实施例模型仿真步长为5μs，直流电压突变量持续时间设置为0.05ms，MMC中开关管的平均开关频率定义为在50个工频周期内的开通的次数，具体为：
Figure BDA0003337453530000053
其中：fsw，ave为开关管的平均开关频率，N为桥臂子模块数，non，k为第k个开关管在一个工频周期(工频为50Hz)内开通或者关断的次数，开关管的平均开关频率在2kHz以内。
本实施例选择某一相中若干处于投入状态且子模块输入电流方向为负的子模块进行短时闭锁来产生负直流电压突变量，在低压脉冲信号持续作用时间内，所选处于投入状态的子模块可能原本会变为切除状态，由上述分析可知，直流电压突变量持续时间远小于IGBT平均开关周期，因此在该持续时间范围内，有极少的子模块状态会发生改变，故不会对直流电压突变量产生影响。
设置直流线路1上距离MMC175km处发生正极接地故障，故障发射时刻为0.9s，过渡电阻为1Ω。各换流站出口处正负极电压幅值比如图8所示，可见各换流站出口正极和负极电压幅值比在故障后快速下降到设定值ksetp以下，可判断直流线路发生正极接地故障。各换流站出口处正负极间电压波形如图9所示，由直流线路长度可知故障点到各换流站的距离之间的大小关系：MMC2<MMC1<MMC4<MMC3，图中各换流站出口极间电压最先发生突变的是MMC1与MMC2，判断直流故障发生在直流线路1上。
如表2所示为不同故障情况下(不同故障线路和故障距离)的故障线路判断结果，仿真结果表明根据四端换流站出口处正负极电压幅值比和电压变化率时序均能可靠判断故障类型和故障线路。
表2不同故障情况下故障线路判断结果
Figure BDA0003337453530000061
单极接地故障测距：当直流电网0s时刻已进入稳态，直流线路1上四分之三位置处(距离主站75km处)发生正极接地故障，故障电阻为1Ω，故障发生时刻为0.9s，0.95s时刻主站主动产生负直流电压突变量。直流线路发生正极接地故障后，选择某一相中5个处于投入状态且子模块输入电流方向为负的子模块进行短时闭锁，这在期间选取某一子模块的T1触发信号、子模块输出电容电压和子模块输入电流波形，如图10所示，为了在图中能更直观地看出规律，子模块输出电容电压为标幺值，基准值为子模块额定电容电压，图中T1触发信号为1代表导通信号，0代表关断信号，闭锁持续时间为0.05ms，短时闭锁时间段内子模块输出电容电压突变为0，触发脉冲被解锁后子模块输出电容电压又恢复至电容额定电压，验证了理论的正确性。
MMC1出口直流电压1模量如图11所示，在MMC1短时产生电压突变量之后，直流极间电压出现跌落后又迅速恢复到正常值，跌落值最大为额定直流电压的8％，行波到达故障点后发生反射又回到MMC1处，行波极性发生改变，直流极间电压有正的突变量，幅值有所下降，这是因为行波在传播过程中存在衰减效应，用二分递推奇异值分解法处理直流电压1模量数据并分解到第四层，各层的细节分量和第四层近似分量如图12所示。
二分递推奇异值分解法处理后的每层细节分量确定的电压突变量发射时刻和第一次反射波到达时刻如图13所示，各个分解层上检测到的奇异值信号结果不会发生偏移，图(a)中模极大值的两个点依次为产生电压突变量起始时刻t1s和终止时刻t1e，两者间隔为0.05ms，是电压突变量的持续时间，图(b)中模极大值的两个点依次为突变量到达故障点处的反射波到达 MMC1的起始时刻t2s和终止时刻t2s，直流电压突变量在直流线路传播的时间差Δt＝t2s- t1s＝t2e-t2e，在0.95秒后每隔0.1s发生一次电压突变量，共发生5次，经计算Δtave＝4.88×10-4s。
在MMC型柔性直流电网正常运行时，主站在0.65s时刻第一次主动产生电压突变量来进行波速测定，之后每次发生脉冲时间间隔为0.05s，总次数为5次，其中最后一次发生突变量时MMC1出口直流电压1模量如图14所示，取第二层细节分量D2模极大值进行脉冲波头到达时刻检测，如图15所示，图中四个极大值对应时刻按照时间先后依次为：发射脉冲起始时刻、发射脉冲结束时刻、反射脉冲起始时刻和反射脉冲结束时刻，各突变量起始和结束时间差均为脉冲持续时间0.05ms，各次波速测量结果如表3所示，选取测量各组波速平均值作为突变量波速，为3.0037×108m/s，故障距离计算为73.29km。
表3波速测量结果
Figure BDA0003337453530000071
在不同直流线路设置单极接地故障，故障定位结果如表4所示，仿真结果验证了所提方法的正确性。
表4故障测距结果
Figure BDA0003337453530000072
Figure BDA0003337453530000081
实际中可能出现多条直流线路均发生故障的情况，设置直流线路1上距离主站50km处发生正极接地故障，直流线路3上距离MMC325 km处发生正极接地故障，故障电阻均为1Ω，故障发生时刻均为0.9s，0.95s时刻主站主动产生负直流电压突变量，极间电压如图16所示，直流电压负突变量在各故障点处均发生反射现象，因此极间电压检测到两个正极性的行波波头。基于子模块短时闭锁的单极接地故障测距方法存在一定的测距死区，闭锁持续时间为0.05ms，此时间段内行波大约行进15km，因此当换流站出口处7.5km内发生单极接地故障时，前行波和经故障点的反射波会发生重叠，影响故障测距的准确性。
过渡电阻对测距结果的影响：本方法利用换流站产生电压突变量的折反射规律来测量故障点到换流站之间的距离来进行快速故障定位，对于单导线架空线路来说，其线路波阻抗为 500Ω，对于分裂导线来说，其线路波阻抗小于单导线，一般为300Ω，直流线路单极接地故障过渡电阻一般可高达数百欧姆，以下分析当行波传播到故障点时过渡电阻对该算法的影响。
当过渡电阻较小时，Rg//Zc<<Zc，由式(3)得折射系数α≈0，反射系数β≈-1，当直流电压突变量传播到故障点后近似发生全反射，行波又从反射点反射回换流站处，换流站直流电压能接收到反射信息，可以用于故障测距。
当过渡电阻较大时，直流电压突变量传播到故障点后会产生折射，被故障点分割的两段直流线路均有折反射现象，此时在故障点处有折射系数0<α<1，反射系数β<0。
综上在大接地电阻和小接地电阻情况下，行波在故障点处均会发生反射，并且有反射系数β小于0，又反射波在换流站处折射系数大于0，故换流站出口处检测到的直流电压突变量为正(当换流站产生负电压突变量)，由于行波在线路上传播其幅值按指数规律衰减，因此选择第一次反射到换流站处的直流电压突变量来进行故障测距。
在直流线路1中点处设置不同阻值的故障接地电阻，故障定位结果如表5所示，可以总结出故障接地电阻对所提方法影响很小。
表5不同过渡电阻下的测距结果
Figure BDA0003337453530000082
与现有技术相比，本方法通过短时闭锁处于特定状态的子模块产生直流电压突变量的方法来进行故障测距，能够快速确定故障类型及故障线路并能实现测距；相比于现有依靠故障点产生行波的测距方法，本发明可多次重复测距，测距结果更加准确，在不同直流线路设置单极接地故障小于等于1.41％；本发明确定故障线路时，只需各端换流站检测到的时序变化顺序，无需精确时刻，因此对多端换流站通信要求较低且不受过渡电阻影响，过渡电阻下误差小于等于1.04％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法，其特征在于，根据正极和负极线路直流电压比来判断有无单极接地故障发生，当发生故障时，根据各端换流站检测到的时序变化顺序，快速确定故障线路；在不闭锁期间内选择某一相中数个处于投入状态且子模块输入电流方向为负的若干子模块或处于切除状态且子模块输入电流方向为正的子模块进行短时闭锁，在换流站出口处主动产生直流电压突变量进行故障测距，利用二分递推奇异值分解准确检测突变量的行波发射和到达时刻，通过其之间的时间差进行故障距离精确求解实现准确测距。
2.根据权利要求1所述的基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法，其特征是，具体包括：
步骤一：测量直流电压突变量在直流线路上的波速，在柔性直流电网正常运行且已知线路长度的情况下，主站多次发射主动式行波，在测量到第一次反射行波波头到达时刻后即可求解出直流电压1模量的波速度
Figure FDA0003695452200000011
其中：Lline为两个基于模块化多电平换流器之间的直流线路的长度，Δt为第一次反射行波波头到达时刻与直流电压突变量发生时刻差值；
步骤二：测量正负极直流电压幅值比并进行接地故障判断：
Figure FDA0003695452200000012
其中：Udcp为正极直流线路电压，Udcn为负极直流线路电压；ksetn和ksetp分别为设定阈值；
步骤三：选取最先发生电压突变的两个站，判断直流故障发生在该条直流线路；
步骤四：选取故障线路两侧某端换流站主动产生电压突变量，利用二分递推奇异值分解法细节分量来检测突变量发射和第一次反射接收时刻；
步骤五：根据
Figure FDA0003695452200000013
计算平均故障距离并输出故障距离，其中：t2i和t1i分别为第i次直流电压突变量第一次反射波到达换流站和发射时刻，n为电压突变量发射次数，v为直流电压1模量的波速度，稍低于光速，1模量和0模量的传播波速度不同，因此需要单独测量。
3.根据权利要求2所述的基于子模块短时主动闭锁的单极接地故障测距方法，其特征是，所述的步骤四，具体为：将直流线模电压进行二分递推奇异值分解法，其中细节分量中模极大值出现的位置即为第一次反射脉冲到达时刻，信号的奇异性常用李氏Lipschitz指数来刻画，当一个信号有间断点或是其导数有间断点，则该信号具有奇异点；当m≤α≤m+1，其中m为非负整数，存在多项式pm(t)，对于|t-t0|＜σ，满足
Figure FDA0003695452200000021
f(t)-pm(t-t0)|≤K|t-t0|α时则称函数f(t)在t0点满足李氏连续条件，其中t为时间，m为非负整数，pm(t)为多项式，α和K为李氏参数，f(t)为目标函数；当α＝1，则f(t)无奇异性，当α＝0，则f(t)在t0有间断点，α越小说明函数f(t)在t0处变化越剧烈；当m≤α≤m+1，则称t0为函数m阶导函数的奇异点；SVD近似分量保留了原始离散信号的大致特征，细节分量反应了原始信号的细节变化，各层的细节分量产生了零交叉点和峰值。
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