CN114089122A - 一种基于直流断路器结构复用的故障测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于直流断路器结构复用的故障测距方法，所述测距方法利用典型直流断路器转移支路已有的充电电容、电感，在故障隔离后系统失电情况下，通过增设接地点、继电器和电感元件构成改造直流断路器，与线路故障点构成RLC衰减振荡回路。采用Prony算法提取并处理放电电流，得到测距回路的特征参数，建立故障测距算法，实现了故障距离的求解。所提方法能够准确、可靠定位直流线路单极接地故障和双极短路故障的故障点，原理简明，采样频率要求低，建设和改造成本低。

Description

一种基于直流断路器结构复用的故障测距方法

技术领域

本发明涉及一种基于直流断路器结构复用的故障测距方法，属于直流配电网继电保护领域。

背景技术

基于模块化多电平换流(Modular Multilevel Converter,MMC)技术的中压直流配电网具有低开关频率、高电能质量和高可靠性的特征，是解决城市配电网负荷快速增长、分布式可再生能源发电消纳等问题的有效方案。但是，直流配电网通常包含多个换流站和分布式电源，一旦发生故障会导致故障电流快速上升，对整个直流配电系统的安全稳定运行造成严重的影响。特别在直流配电网线路长度较短的情况下，对故障及时、精确的定位变得更加困难，准确的故障定位和测距较难实现。

目前对于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行波法、故障分析法、暂态量法和注入法，虽然实现了一定精度的故障测距功能，仍存在故障测距可靠性和快速性在应用中不满足保护要求，采样频率高，故障测距精度耐受过渡电阻能力差以及注入法测距附加模块建设成本高等问题。因此，需要对配电网进行主动故障识别，同时对测距附加设备的建设成本进行优化研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于直流断路器结构复用的故障测距方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于MMC型直流配电网的故障测距方法，包括以下步骤：

(1)当系统检测到配电线路发生故障时，触发故障线路两侧的断路器动作，隔离故障；

(2)控制首端断路器转移支路电容充电，继而控制接地开关，对故障线路放电构成RLC回路，采集放电电流；首端断路器放电结束后，末端断路器转移支路电容充放电，接地后通过故障点与线路构成放电回路，采集放电电流；

(3)将步骤(2)采集到的放电电流数据传输至数据中心，利用Prony算法提取放电的衰减系数和频率，然后根据故障类型按测距公式计算得到故障距离和过渡电阻。

可选地，所述直流断路器包括机械开关、转移支路与金属氧化物避雷器，所述金属氧化物避雷器与转移支路分别并联在所述机械开关上；所述转移支路包含电力电子开关S₂、转移支路电感L_tr、转移支路电容C_tr，电容充电回路由电容C_tr和充放电开关S₃组成。改造直流断路器在转移支路增设了接地点、继电器S₄，S₅，S₆和辅助电感L_f以实现故障测距。

可选地，所述机械开关的末端串接故障线路，所述故障线路包括：故障线路等效电阻R_line、故障线路等效电感L_line以及故障过渡电阻R_f。

本发明的有益效果：

有益效果：本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

本发明利用断路器失电阶段，通过典型直流断路器转移支路已有元件的结构复用测距电路模型构成改造直流断路器，降低了注入式测距方法所需附加模块的建设成本，利用RLC二阶电路响应构成测距方案；

本发明利用Prony算法提取测距放电电流的特征参数，对采样率要求较低，在20kHz的采样率下具有较高的测距精度；

本发明的断路器转移支路电容可重复充放电用于多次测量，提高了测距结果的可靠性，同时测距辅助电感的设置，提高了测距方案对过渡电阻的耐受性，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的双端直流配电系统示意图；

图2为本发明的一个示例的典型直流断路器示意图；

图3为本发明的另一个示例的改造直流断路器示意图；

图4为本发明的故障测距方案流程图。

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。

本发明提出一种基于直流断路器转移支路改造的故障测距方案，本发明适用于双端直流配电网。

采用的双端直流配电系统与直流断路器分别如图1与图2所示。所述双端直流配电网经模块化多电平换流器(MMC)、交流变压器连接至交流系统，直流线路两端均配置直流断路器。低压侧负荷与储能经过直流变压器与中压配电线路相连。所述的直流断路器主要包括快速机械开关、转移支路、控制开关、充放电回路、耗能支路等部分组成。改造直流断路器在转移支路增设了接地点、继电器和辅助电感以实现故障测距。

第一步，系统正常运行时，线路两侧断路器闭合。当系统检测到配电线路发生故障时，立刻触发故障线路两侧断路器动作，隔离故障。

典型直流断路器示意图中，S₁为主支路快速机械开关，转移支路(LC谐振支路)由控制开关S₂，电感L_tr，电容充电回路由电容C_tr和充放电开关S₃组成，耗能支路由金属氧化物避雷器(Metal Oxide Varistor,MOV)组成。改造直流断路器在转移支路增设了接地点、继电器S₄，S₅，S₆和辅助电感L_f以实现故障测距。

第二步，断路器断开后，经过200ms的去游离时间，根据故障类型，控制首端断路器转移支路电容充电，继而控制接地开关，对故障线路放电构成RLC回路，采集放电电流i₁；首端断路器放电结束后，控制末端断路器转移支路电容充放电，接地后通过故障点与线路构成放电回路，采集放电电流i₂。

当线路发生单极接地短路，从断路器动作后，到重合闸动作之前，断开开关S₂，使得断路器线路端与系统端完全隔离，利用断路器已有的充电回路对电容C_tr进行充电，然后控制故障极继电器S₄和S₅合闸，保持S₆断开，将断路器转移支路中已有电容与电感接入故障线路形成回路，同时使电容放电，形成与附加测距模块等效的放电回路，首末两端断路器依次进行测距回路电容放电。

对于双极短路故障，控制正极断路器进行充放电操作，其操作与单极接地短路时相同，负极断路器控制继电器S₆合闸、保持S₄和S₅断开，使用负极线路直接与接地电感相连，与正极断路器的测距回路、正负极线路共同构成RLC回路，首末两端断路器依次进行测距回路电容放电。

第三步，将第二步中采集到的放电电流数据传输至数据中心，利用Prony算法提取放电电流的衰减系数和频率，然后根据故障类型按测距公式计算得到故障距离和过渡电阻。

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′为放电回路等效电阻，L′为放电回路等效电感。

接地点到两侧监测点的等效电阻R₁′、R₂′，线路总电阻可表示为：

R₁+R₂＝lr₀ (5)

其中，ω₂，δ₂分别为末端断路器放电回路振荡频率和衰减系数，l为直流线路全长，r₀为线路电缆单位长度电阻值，R_f为故障过渡电阻值，C₁′与C₂′为首端断路器与末端断路器至故障点的等效电感,R₁与R₂为首端断路器与末端断路器至故障点的线路等效电阻。

首端断路器测量点到故障点的故障距离及过渡电阻表达式分别为：

其中l₁为故障点距离首端断路器的线路长度。

对于双极短路故障，其原理与单极故障时的方法类似，同理用式(8)和式(9)对故障距离及过渡电阻进行求解。

故障测距方法流程图如图4所示。当故障发生时，首先进行故障判定，随后故障线路两端断路器动作隔离故障。对于单极接地故障，顺序控制首端、末端断路器故障极C_tr充放电，采集放电电流i₁与i₂；对于双极短路故障，顺序控制首端、末端断路器正极C_tr充放电，采集放电电流i₁与i₂。最后，根据Prony算法得到的放电电流振荡频率和衰减系数，利用测距公式计算故障距离与过渡电阻，完成故障测距。

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 (6)

1.一种用于MMC型直流配电网的故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)当系统检测到配电线路发生故障时，触发布置在故障线路两侧的断路器动作，隔离故障；

(2)控制首端断路器转移支路电容充电，继而控制接地开关，对故障线路放电构成RLC回路，采集放电电流；首端断路器放电结束后，末端断路器转移支路电容充放电，接地后通过故障点与线路构成放电回路，采集放电电流；

(3)将步骤(2)中采集到的放电电流数据传输至数据中心，利用Prony算法提取放电电流的衰减系数和频率，然后根据故障类型按测距公式计算得到故障距离和过渡电阻。

2.根据权利要求1所述的故障测距方法，其特征在于，

所述直流断路器包括机械开关、转移支路与金属氧化物避雷器，所述金属氧化物避雷器与转移支路分别并联在所述机械开关上；所述转移支路包含电力电子开关、转移支路电感与电容，所述电容和充放电开关组成充电回路，所述转移支路电感与电力电子开关之间设有接地线路，所述接地线路上设有辅助电感与继电器S₅，所述转移支路电感与所述继电器S₅之间设有继电器S₄，所述辅助电感与电容之间连接有继电器S₆。

3.根据权利要求1所述的故障测距方法，其特征在于，所述机械开关的末端串接故障线路，所述故障线路包括：故障线路等效电阻、故障线路等效电感以及故障过渡电阻。

4.根据权利要求2所述的故障测距方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当线路发生单极接地短路，从断路器动作后，到重合闸动作之前，断开电力电子开关S₂，使得断路器线路端与系统端完全隔离，利用所述充电回路对电容进行充电，故障极继电器S₄和继电器S₅合闸，保持继电器S₆断开，将断路器转移支路中已有电容与转移支路电感接入故障线路形成回路，同时使电容放电，形成与附加测距模块等效的放电回路，首末两端断路器依次进行测距回路电容放电。

5.根据权利要求2所述的故障测距方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对于双极短路故障，控制正极断路器进行充放电操作，负极断路器控制继电器S₆合闸、保持继电器S₄和继电器S₅断开，使用负极线路直接与接地电感相连，与正极断路器的测距回路、正负极线路共同构成RLC回路。

6.根据权利要求1所述的故障测距方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在提取两端放电电流的基础上，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，首端断路器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′为放电回路等效电阻，L′为放电回路等效电感。

接地点到两侧监测点的等效电阻R₁′、R₂′，线路总电阻可表示为：

R₁+R₂＝lr₀ (5)

其中，ω₂，δ₂分别为末端断路器放电回路振荡频率和衰减系数，l为直流线路全长，r₀为线路电缆单位长度电阻值，R_f为故障过渡电阻值，C₁′与C₂′为首端断路器与末端断路器至故障点的等效电感,R₁与R₂为首端断路器与末端断路器至故障点的线路等效电阻；

首端断路器测量点到故障点的故障距离及过渡电阻表达式分别为：

其中l₁为故障点距离首端断路器的线路长度。

对于双极短路故障，其原理与单极故障时的方法类似，同理用式(8)和式(9)对故障距离及过渡电阻进行求解。

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