CN114062838A - 直流配线故障定位方法、装置和中压直流配电设备 - Google Patents

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CN114062838A CN202111269557.1A CN202111269557A CN114062838A CN 114062838 A CN114062838 A CN 114062838A CN 202111269557 A CN202111269557 A CN 202111269557A CN 114062838 A CN114062838 A CN 114062838A
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Abstract

本申请涉及一种直流配线故障定位方法、装置和中压直流配电设备，实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值；根据电压值计算得到参考数据；当参考数据符合预设的故障判断条件时，根据电压值对直流配线进行故障定位。基于SCDCT内部直流电感端电压进行故障分析，保证故障判断的快速性，不受故障发生后的故障特征影响，精确判断与其相连的中压直流配线的故障发生位置，有效提高中压直流配电网直流配线故障定位准确性。

Description

直流配线故障定位方法、装置和中压直流配电设备
技术领域
本申请涉及电力电网技术领域，特别是涉及一种直流配线故障定位方法、装置和中压直流配电设备。
背景技术
在中压直流配电网中，直流变压器是完成电能传输与电压变换的关键设备。目前，为了满足直流配电网的故障清除需求，具有直流故障自清除能力的开关电容接入型直流变压器(Switched Capacitor based DC Transformer，SCDCT)被认为是有希望应用于中压直流配电网实际工程的关键拓扑之一。
与交流配电网类似，在中压直流配电网中，SCDCT要实现对低压侧直流微网的供电，必须通过直流配线接入中压直流母线。由于配电线路长度通常在几km到几十km，线路的等效电阻以及电感都非常小，使得传统的应用于直流输电线路的故障检测与定位的方法，如突变量识别法、纵联保护法及行波保护法等在中压直流配电网中应用时分别面临着受故障电阻及故障特性变化影响大、难以满足故障选择性以及难以实现波头捕捉与需求的采样频率高等缺陷。采用传统的故障定位方式进行中压直流配电网直流配线故障定位时，存在准确性低的缺点。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种能提高中压直流配电网直流配线故障定位准确性的直流配线故障定位方法、装置和中压直流配电设备。
一种直流配线故障定位方法，包括：
实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值；
根据所述电压值计算得到参考数据；
当所述参考数据符合预设的故障判断条件时，根据所述电压值对直流配线进行故障定位。
在其中一个实施例中，所述参考数据为所述SCDCT内部电感两侧的电压值的比值；所述故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值，小于设定保护值。
在其中一个实施例中，所述设定保护值的计算方式为：
Figure BDA0003327654940000021
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
在其中一个实施例中，根据所述电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure BDA0003327654940000022
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
在其中一个实施例中，当所述参考数据符合预设的故障判断条件时，还包括记录SCDCT内部电感两侧的电压值的步骤。
一种直流配线故障定位装置，包括：
数据监测模块，用于实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值；
数据处理模块，用于根据所述电压值计算得到参考数据；
故障定位模块，用于当所述参考数据符合预设的故障判断条件时，根据所述电压值对直流配线进行故障定位。
在其中一个实施例中，所述参考数据为所述SCDCT内部电感两侧的电压值的比值；所述故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值，小于设定保护值。
在其中一个实施例中，所述设定保护值的计算方式为：
Figure BDA0003327654940000031
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
在其中一个实施例中，所述故障定位模块根据所述电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure BDA0003327654940000032
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
一种中压直流配电设备，包括SCDCT、直流配线和故障定位装置，所述故障定位装置用于根据上述的方法进行直流配线故障定位。
上述直流配线故障定位方法、装置和中压直流配电设备，通过实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值，并根据电压值计算得到参考数据。在参考数据符合预设的故障判断条件时，根据参考数据对直流配线进行故障定位。基于SCDCT内部直流电感端电压进行故障分析，保证故障判断的快速性，不受故障发生后的故障特征影响，精确判断与其相连的中压直流配线的故障发生位置，有效提高中压直流配电网直流配线故障定位准确性。
附图说明
图1为一实施例中直流配线故障定位方法的流程图；
图2为一实施例中与SCDCT连接的中压直流配电线路连接结构示意图；
图3为一实施例中与SCDCT连接的中压直流配线直流故障示意图；
图4为一实施例中直流配线故障定位装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，提供了一种直流配线故障定位方法，适用于对与SCDCT连接的中压直流配线进行故障定位。如图1所示，该方法包括：
步骤S100：实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值。
其中，具体可在SCDCT内部电感两侧设置电压传感器，通过电压传感器实时监测电感两侧的电压Udc1与Udc2，并发送至控制器。其中，电压Udc1为电感靠近中压直流配线一侧的电压，电压Udc2为电感远离中压直流配线一侧的电压。
步骤S200：根据电压值计算得到参考数据。
控制器在接收到SCDCT内部电感两侧的电压值后，根据两个电压值计算得到参考数据。参考数据的具体类型并不唯一，在一个实施例中，参考数据为SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2。
步骤S300：当参考数据符合预设的故障判断条件时，根据电压值对直流配线进行故障定位。
根据参考数据的类型不同，故障判断条件的具体内容也会有所不同。与参考数据为SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2对应，故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2，小于设定保护值Kset。控制器将SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2与设定保护值Kset进行比较，如果比值Udc1/Udc2<Kset，则可认为存在故障，根据当前采集到的电压Udc1与Udc2对直流配线进行故障定位，确定直流配线的故障位置。
其中，设定保护值Kset的取值也不是唯一的，可根据实际情况进行调整。在一个实施例中，设定保护值的计算方式为：
Figure BDA0003327654940000061
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，通常取1.2～1.3。L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
进一步地，在一个实施例中，根据电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure BDA0003327654940000062
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
此外，在一个实施例中，当参考数据符合预设的故障判断条件时，该方法还包括记录SCDCT内部电感两侧的电压值的步骤。具体地，在SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2<Kset时，控制器将当前采集到的电压Udc1与Udc2进行保存，方便后续进行数据汇总分析。
上述直流配线故障定位方法，基于SCDCT内部直流电感端电压进行故障分析，保证故障判断的快速性，不受故障发生后的故障特征影响，精确判断与其相连的中压直流配线的故障发生位置，有效提高中压直流配电网直流配线故障定位准确性。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
为便于更好地理解上述直流配线故障定位方法，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
近年来，由于中压交流配电网中可再生能源接入比例不断提高，电动汽车、数据中心及其他电力电子负荷迅速发展，传统交流配电网的发展面临着电能质量需提高、供电可靠性不足和输电容量待升级等缺陷。在上述背景下，借鉴于直流技术在输电层面的应用及成熟发展，中压直流配电网逐渐受到了研究及工程人员的青睐。在中压直流配电网中，直流变压器是完成电能传输与电压变换的关键设备。目前，为了满足直流配电网的故障清除需求，具有直流故障自清除能力的开关电容接入型直流变压器被认为是有希望应用于中压直流配电网实际工程的关键拓扑之一。
与交流配电网类似，在中压直流配电网中，SCDCT要实现对低压侧直流微网的供电，必须通过直流配线接入中压直流母线，这样，直流配线的故障与否便关系着SCDCT以及整个直流配电网的正常运行。也就是说，直流故障的检测与定位对于中压直流配电网至关重要。然而，由于配电线路长度通常在几km到几十km，线路的等效电阻以及电感都非常小，使得传统的应用于直流输电线路的故障检测与定位的方法如突变量识别法、纵联保护法及行波保护法等在中压直流配电网中应用时分别面临着受故障电阻及故障特性变化影响大、难以满足故障选择性以及难以实现波头捕捉与需求的采样频率高等缺陷。鉴于此，依据中压直流配电网及SCDCT自身的独特特征，实现直流配线故障的定位对于促进中压直流配电网的发展具有重要意义。
由上述背景技术所述可知，中压直流配线的故障定位对于促进中压直流配电网的保护技术发展具有重要意义。然而，由于中压直流配电网目前仍处于示范工程建设的初步阶段，现有研究均沿用了传统直流输电的故障定位方法，未对中压直流配线的长度很短这一事实进行充分的认识，同时也未对直流变压器在故障定位中的作用进行研究，使得对中压直流配线的故障定位并不准确，难以在实际应用中提供有效的信息。因此，本申请提出了一种利用SCDCT内部电压监测的方法，来精确判断与其相连的中压直流配线的故障发生位置，具体原理如下：
(1)构建与SCDCT连接的中压直流配电线路结构，如图2所示。中压直流配线的一端连接于中压直流电网，另一端连接于SCDCT的中压侧，同时，SCDCT的低压侧连接有低压直流电网。在SCDCT的内部，存在着一个直流电感连接着直流配电线路与电力电子功率变换主体。
(2)当直流线路上无故障时，由于SCDCT自身的工作原理，其内部电感两端的直流电压相近，即图1中的Udc1与Udc2存在以下关系：
Figure BDA0003327654940000081
(3)当直流线路发生故障时，故障瞬间的SCDCT及直流配电线路等效电路如图3所示，其中，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
由于SCDCT在故障时仍处于解锁阶段，因此其中压侧将等效为直流电容的串联，从而可知：
Figure BDA0003327654940000082
式中，uC_SCDABi为SCDCT任意子模块i的电容电压值。
同时，由于SCDCT内部直流电感的存在，故障瞬间直流配电线路中的电流并不发生变化，根据图3的等效电路可知：
Udc1(0+)＝LeqIMVDC(0+)＝LeqIMVDC(0-)＝LeqIMVDC(稳态) (3)
基于式(2)与(3)可知，故障发生瞬间SCDCT中的Udc1与Udc2存在以下关系：
Figure BDA0003327654940000091
基于式(4)可知，故障发生瞬间，SCDCT内部直流电感两端的电压比将远小于1，且该值的大小与故障点的位置有关，即故障点距离SCDCT的端口距离为：
Figure BDA0003327654940000092
式中，L单位为线路单位长度的电感值，deq为故障点到SCDCT的距离。
基于式(1)～(5)可知，本申请所提出的基于直流变压器内部电压监测的直流配线故障定位方法具体实施方案如下：
(1)实时监测SCDCT内部直流电感两侧的电压值Udc1与Udc2，并在线计算二者的比值Udc1与Udc2。
(2)比较Udc1/Udc2与设定保护值Kset的大小，当Udc1/Udc2<Kset时，记录Udc1与Udc2的测量数据；否则，不记录测量数据。
为了能够保护线路全长Kset的具体取值原则如下：
Figure BDA0003327654940000093
式中，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长；α为保护裕度，通常取1.2～1.3。
(3)步骤(2)中记录的数据即为公式(5)中需要的Udc1(0+)与Udc2(0+),从而根据公式(5)可以计算出故障点的位置，完成故障定位。
为了进一步促进中压直流配电网保护技术的发展，提高中压直流配电网的安全性与供电质量，实现更快速地、有效地、经济地对中压直流配电线路故障的检测与定位，本申请提出了一种基于SCDCT内部直流电感端电压实时监测的故障保护方法。所提方法的主要特点如下：
1)无需通讯设备，仅依赖SCDCT内部直流电感的电压比信息即可完成对直流配电线路全长的保护。
2)对测量装置的采样率要求较低，保护系统更加具有经济性。
3)判断依据为故障发生时的电压比测量值，保证故障判断的快速性，不受故障发生后的故障特征影响。
本申请以SCDCT内部直流电感两端的电压测量信息为依据，提出了一种能够定位与其连接的直流配电线路故障位置的保护方法。依据所提出的保护方法，可以在实际的直流配电网中通过相关的继电保护系统及装置实现相应的故障定位技术。
在一个实施例中，还提供了一种直流配线故障定位装置，适用于对与SCDCT连接的中压直流配线进行故障定位。如图4所示，该装置包括数据监测模块100、数据处理模块200和故障定位模块300。
数据监测模块100用于实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值。具体可在SCDCT内部电感两侧设置电压传感器，通过电压传感器实时监测电感两侧的电压Udc1与Udc2。其中，电压Udc1为电感靠近中压直流配线一侧的电压，电压Udc2为电感远离中压直流配线一侧的电压。
数据处理模块200用于根据电压值计算得到参考数据。参考数据的具体类型并不唯一，在一个实施例中，参考数据为SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2。
故障定位模块300用于当参考数据符合预设的故障判断条件时，根据电压值对直流配线进行故障定位。根据参考数据的类型不同，故障判断条件的具体内容也会有所不同。与参考数据为SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2对应，故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2，小于设定保护值Kset。控制器将SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2与设定保护值Kset进行比较，如果比值Udc1/Udc2<Kset，则可认为存在故障，根据当前采集到的电压Udc1与Udc2对直流配线进行故障定位，确定直流配线的故障位置。此外，在一个实施例中，当参考数据符合预设的故障判断条件时，故障定位模块300还记录SCDCT内部电感两侧的电压值。具体地，在SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2<Kset时，将当前采集到的电压Udc1与Udc2进行保存，方便后续进行数据汇总分析。
其中，设定保护值Kset的取值也不是唯一的，可根据实际情况进行调整。在一个实施例中，设定保护值的计算方式为：
Figure BDA0003327654940000111
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，通常取1.2～1.3。L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
进一步地，在一个实施例中，故障定位模块300根据电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure BDA0003327654940000112
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
上述直流配线故障定位装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
上述直流配线故障定位装置，基于SCDCT内部直流电感端电压进行故障分析，保证故障判断的快速性，不受故障发生后的故障特征影响，精确判断与其相连的中压直流配线的故障发生位置，有效提高中压直流配电网直流配线故障定位准确性。
在一个实施例中，还提供了一种中压直流配电设备，包括SCDCT、直流配线和故障定位装置，故障定位装置用于根据上述的方法进行直流配线故障定位。其中，直流配线具体为中压直流配线，故障定位装置可包括电压传感器和控制器，电压传感器实时监测电感两侧的电压Udc1与Udc2，并发送至控制器。控制器在接收到SCDCT内部电感两侧的电压值后，根据两个电压值计算得到参考数据。当参考数据符合预设的故障判断条件时，根据电压值对直流配线进行故障定位。
根据参考数据的类型不同，故障判断条件的具体内容也会有所不同。与参考数据为SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2对应，故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2，小于设定保护值Kset。控制器将SCDCT内部电感两侧的电压值的比值Udc1/Udc2与设定保护值Kset进行比较，如果比值Udc1/Udc2<Kset，则可认为存在故障，根据当前采集到的电压Udc1与Udc2对直流配线进行故障定位，确定直流配线的故障位置。
进一步地，故障定位装置还可包括连接控制器的显示器和/或存储器，控制器在确定直流配线的故障位置后，可将故障定位结果通过显示器显示，或将故障定位结果发送至存储器保存。此外，当参考数据符合预设的故障判断条件时，控制器还可将监测到的电压值保存在存储器中。
设定保护值Kset的取值也不是唯一的，可根据实际情况进行调整。在一个实施例中，设定保护值的计算方式为：
Figure BDA0003327654940000131
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，通常取1.2～1.3。L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
进一步地，在一个实施例中，根据电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure BDA0003327654940000132
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
上述中压直流配电设备，基于SCDCT内部直流电感端电压进行故障分析，保证故障判断的快速性，不受故障发生后的故障特征影响，精确判断与其相连的中压直流配线的故障发生位置，有效提高中压直流配电网直流配线故障定位准确性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种直流配线故障定位方法，其特征在于，包括：
实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值；
根据所述电压值计算得到参考数据；
当所述参考数据符合预设的故障判断条件时，根据所述电压值对直流配线进行故障定位。
2.根据权利要求1所述的直流配线故障定位方法，其特征在于，所述参考数据为所述SCDCT内部电感两侧的电压值的比值；所述故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值，小于设定保护值。
3.根据权利要求2所述的直流配线故障定位方法，其特征在于，所述设定保护值的计算方式为：
Figure FDA0003327654930000011
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
4.根据权利要求1所述的直流配线故障定位方法，其特征在于，根据所述电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure FDA0003327654930000012
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
5.根据权利要求1所述的直流配线故障定位方法，其特征在于，当所述参考数据符合预设的故障判断条件时，还包括记录SCDCT内部电感两侧的电压值的步骤。
6.一种直流配线故障定位装置，其特征在于，包括：
数据监测模块，用于实时监测SCDCT内部电感两侧的电压值；
数据处理模块，用于根据所述电压值计算得到参考数据；
故障定位模块，用于当所述参考数据符合预设的故障判断条件时，根据所述电压值对直流配线进行故障定位。
7.根据权利要求6所述的直流配线故障定位装置，其特征在于，所述参考数据为所述SCDCT内部电感两侧的电压值的比值；所述故障判断条件包括：SCDCT内部电感两侧的电压值的比值，小于设定保护值。
8.根据权利要求7所述的直流配线故障定位装置，其特征在于，所述设定保护值的计算方式为：
Figure FDA0003327654930000021
其中，Kset为设定保护值，d全长为与SCDCT连接的直流配线全长，α为保护裕度，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值。
9.根据权利要求6所述的直流配线故障定位装置，其特征在于，所述故障定位模块根据所述电压值对直流配线进行故障定位，包括：
Figure FDA0003327654930000022
其中，deq为故障点到SCDCT的距离，L单位为线路单位长度的电感值，Ldc为直流故障点到SCDCT中压侧的等效电抗值，Udc1(0+)与Udc2(0+)分别为SCDCT内部直流电感两侧的电压值。
10.一种中压直流配电设备，其特征在于，包括SCDCT、直流配线和故障定位装置，所述故障定位装置用于根据权利要求1-5任意一项所述的方法进行直流配线故障定位。
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