CN114384373A - 基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法 - Google Patents

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CN114384373A CN202111490182.1A CN202111490182A CN114384373A CN 114384373 A CN114384373 A CN 114384373A CN 202111490182 A CN202111490182 A CN 202111490182A CN 114384373 A CN114384373 A CN 114384373A
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陈水耀
裘愉涛
赵寿生
汤耀景
孔凡坊
陈晓刚
高策
龚列谦
李勇
周震宇
吴旭光
郑杨
李藻
方励云
田烨
肖禧超
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Abstract

本发明提出了一种基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，包括：当故障发生时，控制可控变流器输出两个不同预设频率的正弦电压；获取电缆线路首端在两个预设频率下的电压相量以及电流相量，利用电压相量以及电流相量构建电缆首端至故障点的电路方程组；对电路方程组联立求解，得到故障点到电缆首端的故障距离。本发明无需额外配置脉冲注入设备，也无需在电缆两端进行通信，适用于金属性故障和高阻故障，抗干扰能力强，计算简便，保证了故障定位的准确可靠的同时，能够基于现有的电缆配置结构实现故障定位，降低了实现成本。

Description

基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及一种基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法。
背景技术
相较于架空线路，电缆线路更加安全可靠、隐蔽耐用，在城市电网中获得了广泛应用。但是地下电缆发生故障后，故障巡线工作十分困难。因此，研究准确可靠的故障定位方案，对于降低巡线工作量、尽快恢复供电和提高供电可靠性都具有重要意义。
目前传统的故障定位方法主要分为双端故障定位和单端故障定位，双端故障定位主要是利用行波波头到达输电线路两端测量装置的时间差与输电线路的长度，以及行波在电缆线路中的传播速度来确定故障距离。可以看到，这种故障定位方案的准确性依赖于电缆线路两端高精度的时间校对，因此实现成本较高。而单端故障定位对采样环境有较高的要求，其基本原理是将电缆故障点用高压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号，采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号，通过分析判断电流行波信号在测量端和故障点往返一趟的时间来计算故障距离。但这种方法对采样频率要求较高，由于测距时故障点反射脉冲往往很难与干扰相区别，因此对噪声较为敏感，同时也需要额外配置脉冲注入设备。可见，现有的故障定位方案仍存在实现成本较高、效果不理想的弊端。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，并结合近年来高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备在电力系统中应用的情况，考虑利用系统中越来越多的可控设备，构造更加准确可靠的故障定位方案，基于此，本发明提出了一种基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，包括：
当故障发生时，控制可控变流器输出两个不同预设频率的正弦电压；
获取不同预设频率的正弦电压在电缆线路首端产生的电压相量以及电流相量，利用电压相量以及电流相量构建电缆首端至故障点的电路方程组；
对电路方程组联立求解，得到故障点到电缆首端的故障距离。
可选的，所述可控变流器包括主电路和控制系统，所述主电路用于实现电缆中的交直流转换，所述控制系统用于生成控制交直流转换的控制脉冲。
可选的，所述主电路包括整流电路、逆变电路、交流变换电路以及直流变换电路。
可选的，所述当故障发生时，控制可控变流器输出两个不同频率的正弦电压，包括：
在可控变流器的输入端处原有的基础控制信号上叠加附加控制信号；
通过可控变流器的控制系统根据基础控制信号和附加控制信号产生的叠加信号生成控制脉冲；
通过可控变流器的主电路，根据控制脉冲在可控变流器的输出端产生正弦电压；
将输出端产生正弦电压实时反馈至可控变流器的输入端，根据反馈结果调整附加控制信号，直至在输出端处产生两个不同预设频率的正弦电压。
可选的，所述获取不同预设频率的正弦电压在电缆线路首端产生的电压相量以及电流相量，包括：
在电缆首端分别采集电压信号和电流信号，基于傅里叶算法分别从电压信号、电流信号中提取出两个预设频率对应的电压相量以及电流相量。
可选的，所述利用电压相量以及电流相量构建电缆首端至故障点的电路方程组，包括：
在电缆首端分别获取频率p和频率q下故障相的电压相量Upa、Uqa，以及频率p和频率q下故障相的电流相量Ipa、Iqa；
建立电缆首端至故障点的电压降的电路方程组，将测量的电压相量、电流相量代入电路方程组中得到：
Figure BDA0003398959450000031
其中，Ip0、Iq0分别为频率p和频率q下线路零序的电流相量，kpz、kqz分别为频率p和频率q对应的零序补偿系数，zp、zq分别为频率p和频率q下的线路正序阻抗，x为待求解的故障距离，y1、y2均为与电缆相关的未知实数参数，j表示虚数单位，ωp、ωq分别为频率p和频率q对应的角频率，RΣ为电缆的总电阻，LΣ为电缆的总感抗，RN为故障点到电缆末端的电阻，LN为故障点到电缆末端的感抗，Rf为过渡电阻。
可选的，所述对电路方程组联立求解，得到故障点到电缆首端的故障距离，包括：
以x、y1、y2为未知实数，将电路方程组转化为4个实数线性方程，所述实数线性方程为：
Figure BDA0003398959450000041
其中，real表示实部，imag表示虚部；
基于最小二乘法，求解出实数线性方程中的故障距离x。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
无需额外配置脉冲注入设备，也无需在电缆两端进行通信，适用于金属性故障和高阻故障，抗干扰能力强，计算简便，保证了故障定位的准确可靠的同时，能够基于现有的电缆配置结构实现故障定位，降低了实现成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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的附图。
图1为本发明实施例提出的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中可控变流器的控制原理图；
图3为本发明实施例中电缆的故障点处的电路原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。
应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。
取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
实施例一
如图1所示，本实施例提出了一种基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，包括：
S1：当故障发生时，控制可控变流器输出两个不同预设频率的正弦电压；
S2：获取不同预设频率的正弦电压在电缆线路首端产生的电压相量以及电流相量，利用电压相量以及电流相量构建电缆首端至故障点的电路方程组；
S3：对电路方程组联立求解，得到故障点到电缆首端的故障距离。
目前传统的故障定位方案的基本原理可以分为单端故障定位和双端故障定位。双端故障定位需要两侧通信并实现高精度的时间校对，成本较高。单端故障定位按故障定位算法又可以分为行波法和故障分析法，行波法对采样频率要求较高，对噪声较为敏感，需要额外配置脉冲注入设备，增加了实现成本；故障分析法简单经济、易于实现，但在高阻故障时面临信息不足而难以求解的问题。
因此针对上述弊端，本实施例考虑到近年来高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备在电力系统中应用，利用电缆线路中大量的可控变流器，构造更加准确可靠的故障定位方案。
在本实施例中，所述可控变流器包括主电路和控制系统，所述主电路用于实现电缆中的交直流转换，具体包括整流电路、逆变电路、交流变换电路以及直流变换电路。所述控制系统用于生成控制交直流转换的控制脉冲，具体为由微处理器构成的闭环反馈控制系统。
基于上述可控变流器的基本构造，当故障发生时，根据图2所示的反馈控制原理，控制可控变流器输出两个不同频率的正弦电压，包括：
在可控变流器的输入端处原有的基础控制信号上叠加附加控制信号；
通过可控变流器的控制系统根据基础控制信号和附加控制信号产生的叠加信号生成控制脉冲。通过可控变流器的主电路，根据控制脉冲在可控变流器的输出端产生正弦电压。具体的，在可控变流器中通过所述控制脉冲控制主电路中开关器件的关断，从而由主电路的输出端产生不同波形的正弦波，即在可控变流器的输出端控制产生相应频率的正弦电压。
将输出端产生正弦电压实时反馈至可控变流器的输入端，根据反馈结果调整附加控制信号，直至在输出端处产生两个不同预设频率的正弦电压。
本实施例中，两个不同的预设频率分别为100Hz和150Hz。在电缆首端分别采集电压信号和电流信号，由于电缆线路中存在100Hz和200Hz的激励源，即产生100Hz和150Hz正弦电压的可控变流器，因此测得的电压信号和电流信号中将会有稳定的100Hz和200Hz分量。本实施例基于常用的傅里叶算法即可提取100Hz和200Hz对应的电压相量Upa、Uqa以及电流相量Ipa、Iqa。
如图3所示的电缆线路中，电缆从首端到末端的总阻抗为RΣ+jωLΣ，假设距离电缆首端距离为x处发生故障，则从故障点到电缆末端的总阻抗为RN+jωLN，此时故障点处的过渡电阻为Rf，过渡电阻是一种瞬间状态的电阻，其含义为当电气设备发生相间短路或相对地短路时，短路电流从一相流到另一相或从一相流入接地部位的途径中所通过的电阻。基于图3所示的电路原理，分别列写两个p＝100Hz和q＝200Hz频率下的电缆首端至故障点的电路方程，具体为：
Figure BDA0003398959450000081
其中，Upa、Uqa分别为在电缆首端获取的频率p和频率q下故障相的电压相量，Ipa、Iqa分别为在电缆首端获取的频率p和频率q下故障相的电流相量，Ip0、Iq0分别为频率p和频率q下线路零序的电流相量，kpz、kqz分别为频率p和频率q对应的零序补偿系数，zp、zq分别为频率p和频率q下的线路正序阻抗，x为待求解的故障距离，Ipf、Iqf分别为频率p和频率q下故障点处的电流相量。
根据故障点电流分布关系，有：
Figure BDA0003398959450000082
其中，ωp、ωq分别为频率p和频率q的角频率，由于线路和系统的总电抗一般远大于电阻，尤其是在频率较高时，因此，略去高阶小量，将式(2)代入式(1)中可简化为以下电路方程组：
Figure BDA0003398959450000083
其中，y1、y2均为与电缆相关的未知实数参数，j表示虚数单位，RΣ为电缆的总电阻，LΣ为电缆的总感抗，RN为故障点到电缆末端的电阻，LN为故障点到电缆末端的感抗。
再将式(3)视为关于x、y1、y2的复数线性方程组，因此本实施例中将电路方程组(3)转化为4个实数线性方程：
Figure BDA0003398959450000091
其中，real表示实部，imag表示虚部。式(4)中，电压、电流的相关变量都是在电缆线路中测量得到的已知量，线路正序阻抗zp、zq以及零序补偿系数kpz、kqz都是已知的电缆线路参数，只有x、y1、y2是未知变量。最后，以x、y1、y2为未知实数，基于最小二乘法，求解出实数线性方程中的故障距离x。最小二乘法是一种数学优化技术，其原理是通过构建最小化误差的平方和，以寻找线性方程组的最优解，本实施例采用matlab实现最小二乘法求解方程组的目的。
本实施合理利用了新型电力系统中的可控设备，考虑了过渡电阻，合理简化了系统阻抗模型，构造了更加准确可靠的故障定位方案。同时，本实施例提出的故障定位方法无需额外的脉冲注入设备，无需两端通信，适用于金属性故障和高阻故障，抗干扰能力强，采用较低的采样频率即可实现，计算简便，保证了故障定位的准确可靠。
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述主动探测式电缆故障定位方法包括：
当故障发生时，控制可控变流器输出两个不同预设频率的正弦电压；
获取不同预设频率的正弦电压在电缆线路首端产生的电压相量以及电流相量，利用电压相量以及电流相量构建电缆首端至故障点的电路方程组；
对电路方程组联立求解，得到故障点到电缆首端的故障距离。
2.根据权利要求1所述的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述可控变流器包括主电路和控制系统，所述主电路用于实现电缆中的交直流转换，所述控制系统用于生成控制交直流转换的控制脉冲。
3.根据权利要求2所述的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述主电路包括整流电路、逆变电路、交流变换电路以及直流变换电路。
4.根据权利要求2所述的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述当故障发生时，控制可控变流器输出两个不同预设频率的正弦电压，包括：
在可控变流器的输入端处原有的基础控制信号上叠加附加控制信号；
通过可控变流器的控制系统根据基础控制信号和附加控制信号产生的叠加信号生成控制脉冲；
通过可控变流器的主电路，根据控制脉冲在可控变流器的输出端产生正弦电压；
将输出端产生正弦电压实时反馈至可控变流器的输入端，根据反馈结果调整附加控制信号，直至在输出端处产生两个不同预设频率的正弦电压。
5.根据权利要求1所述的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述获取不同预设频率的正弦电压在电缆线路首端产生的电压相量以及电流相量，包括：
在电缆首端分别采集电压信号和电流信号，基于傅里叶算法分别从电压信号、电流信号中提取出两个预设频率对应的电压相量以及电流相量。
6.根据权利要求1所述的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述利用电压相量以及电流相量构建电缆首端至故障点的电路方程组，包括：
在电缆首端分别获取频率p和频率q下故障相的电压相量Upa、Uqa，以及频率p和频率q下故障相的电流相量Ipa、Iqa；
建立电缆首端至故障点的电压降的电路方程组，将测量的电压相量、电流相量代入电路方程组中得到：
Figure FDA0003398959440000021
其中，Ip0、Iq0分别为频率p和频率q下线路零序的电流相量，kpz、kqz分别为频率p和频率q对应的零序补偿系数，zp、zq分别为频率p和频率q下的线路正序阻抗，x为待求解的故障距离，y1、y2均为与电缆相关的未知实数参数，j表示虚数单位，ωp、ωq分别为频率p和频率q对应的角频率，RΣ为电缆的总电阻，LΣ为电缆的总感抗，RN为故障点到电缆末端的电阻，LN为故障点到电缆末端的感抗，Rf为过渡电阻。
7.根据权利要求6所述的基于可控变流器的主动探测式电缆故障定位方法，其特征在于，所述对电路方程组联立求解，得到故障点到电缆首端的故障距离，包括：
将电路方程组转化为4个实数线性方程，所述实数线性方程为：
Figure FDA0003398959440000031
其中，real表示实部，imag表示虚部；
以x、y1、y2为未知实数，基于最小二乘法，求解出实数线性方程中的故障距离x。
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