CN115356593A - 基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统 - Google Patents

基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统 Download PDF

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CN115356593A CN202211043989.5A CN202211043989A CN115356593A CN 115356593 A CN115356593 A CN 115356593A CN 202211043989 A CN202211043989 A CN 202211043989A CN 115356593 A CN115356593 A CN 115356593A
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Abstract

本发明公开了一种基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，包括：获取线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；根据二分法假设故障点位置，根据信号幅值估算故障电阻阻值，计算故障点和首、末端折反射系数；选取与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，计算初始行波信号折返不同次数后的衰减信号波形；将折返不同次数后的衰减信号波形叠加为一个合成信号，利用皮尔逊相关系数计算合成波形与实测行波的相似度。本发明属于电网故障定位技术领域，具体是提供了有效性不受线路长度、过渡电阻及故障位置的影响，故障定位结果具有较高的准确度的直流配电网故障定位系统及方法。

Description

基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统
技术领域
本发明属于电网故障定位技术领域，具体是指一种基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统。
背景技术
为了适应可再生能源的大规模发展，电力系统正在向智能化方向迅速发展。直流电网中含有大量电力电子器件，是智能化电力系统的重要组成部分。短路故障保护是电力系统中的关键技术之一。电力系统中交流电网的故障保护研究已经十分成熟，而直流电网的故障保护研究仍处于发展阶段。一方面，直流电网是一个“低惯量”系统，直流输电线路阻抗远小于交流输电线路阻抗，短路故障发生后直流系统中的储能元件会迅速放电，故障电流也相应迅速上升，因此与交流电网相比，直流电网短路故障电流增长速度更快。另一方面，直流电网故障电流为直流电流，故障电流到达过零点时间较长，因此不能将交流电网中过零点开断线路的方法应用到直流电网的故障保护中。综合以上两点因素，直流电网故障保护面临着严峻的挑战。
做好直流配电网故障定位工作，对保障直流配电网健康持续运行、提高电力系统智能化、更大程度消纳分布式可再生能源、解决当前面临的能源危机环境污染问题具有重要意义。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统，有效性不受线路长度、过渡电阻及故障位置的影响，仿真结果表明所得故障定位结果具有较高的准确度。
本发明采取的技术方案如下：本发明一种基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，包括以下步骤：
S1：利用安装于配电网首末端的零模电压采集装置获取线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，选取波头到达时刻后5个毫秒时窗的波形，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；
S2：根据二分法假设故障点位置，根据信号幅值估算故障电阻阻值，基于故障等效电路求得故障点上、下游的信号传递函数，计算故障点和首、末端折反射系数；
S3：选取与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，根据故障点、首末端折反射系数和信号传递函数，计算初始行波信号折返不同次数后的衰减信号波形；
S4：将折返不同次数后的衰减信号波形叠加为一个合成信号，利用皮尔逊相关系数计算5个毫秒时窗的合成波形与实测行波的相似度，若首、末两端的波形相似度均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不满足要求，则通过比较首末端合成信号的幅值继续缩小故障区间，直至满足波形相似度要求。
作为优选方案，通过比较首末端合成信号的幅值并结合二分法继续缩小故障区间：
若首末端合成信号的幅值比大于实测信号幅值比，则选择后二分之一区间；
若首末端合成信号的幅值比小于等于实测信号幅值比，则选择前二分之一区间。
作为进一步阐述的方案，本发明还公开了一种基于电压行波相似度的直流配电网故障定位系统，包括零模电压采集装置、通信网络、信息汇集装置、存储介质和处理器；
所述零模电压采集装置安装在各区段线路首末端，用于采集各电缆区段首末端零模电压；
所述通信网络将所述零模电压采集装置、所述信息汇集装置与所述故障定位处理器通信连接；
所述信息汇集装置将其覆盖区域内的零模电压采集装置记录的数据进行汇集处理；
所述存储介质用于存储指令和数据；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行任一项所述故障定位方法的步骤。
本方案一种基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法及系统，采用上述方案本发明取得的有益效果如下：直流配电网早期故障通常持续时间较短，很难获取稳态信号，现有基于稳态信号的故障定位方法失效。行波波头故障特征明显，适合用于早期故障定位。考虑行波波头折反射特性，利用电缆首末端实测行波波头与合成行波波头的相似度实现故障精准定位，可同时适用于直流配电网早期故障和稳定性故障，有效性不受线路长度、过渡电阻及故障位置的影响。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本方案所提供的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法的流程图；
图2为本实施例中搭建的直流配电网仿真模型；
图3为行波折反射示意图。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
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。
实施例1
如图1-3所示，本发明一种基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，包括以下步骤：
(1)利用安装于配电网首末端的零模电压采集装置获取线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，选取波头到达时刻后5个毫秒时窗的波形，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；
对零模电压信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值的时刻则判定为行波波头到达时刻；
零模电压差分ΔU0(k)的计算公式如式(1)所示：
ΔU0(k)＝U0(k+1)-U0(k) (k＝0,1,…,n) 式(1)
式(1)中，U0(k)为测得的零模电压信号，k为采样点数；
故障发生的判据如式(2)所示：
|ΔU0(k)|＞U0N 式(2)
式(2)中，|ΔU0(k)|为计算的零模电压差分绝对值，U0N为设定的阈值。
其中，阈值U0N的获取方法为：基于仿真系统，仿真系统扰动的情况，获得不同扰动下零模电压的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值作为U0N。
(2)根据二分法假设故障点位置，根据信号幅值估算故障电阻阻值，基于故障等效电路求得故障点上、下游的信号传递函数，根据网络拓扑、线路参数、变压器参数和故障电阻估值计算电压行波折反射系数，计算故障点和首、末端折反射系数；
初始行波信号U0在线路上传播，幅值会衰减；在故障点和首末端发生折反射使波形出现畸变，幅值衰减；
以初始行波第一次从故障点向首末端传播为例，初始行波传播到首末端的波形变为：
UU1＝U0×HU 式(3)
UD1＝U0×HD 式(4)
式(3)中，HU为故障点上游传递函数，式(4)中，HD为故障点下游传递函数。
(3)选取与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，根据故障点、首末端折反射系数和信号传递函数，计算初始行波信号折返不同次数后的衰减信号波形；
折返不同次数后的衰减信号波形叠加为一个合成信号，计算公式如下式所示：
UU＝UU1+UU2+UU3+…+UUn 式(5)
UD＝UD1+UD2+UD3+…+UDn 式(6)
式(5)中，UU为首端行波叠加后的合成波形，式(6)中，UD为末端行波叠加后的合成波形，UUn、UDn分别为第n次到达首末端的波形，信号折反射次数依据线路长度选取。
(4)将折返不同次数后的衰减信号波形叠加为一个合成信号，利用皮尔逊相关系数计算5个毫秒时窗的合成波形与实测行波的相似度，利用皮尔逊相关系数分别计算UU、UD与线路首末端实测电压行波的相似度，若首、末两端的波形相似度均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不足要求，则继续缩小故障区间，直至满足波形相似度要求。
比较首末端合成行波与实测行波的相似度，若两端的相似度同时大于0.7，则认为假设故障点位置为实际故障点位置；否则，利用二分法继续缩小故障区间，直至两端行波波头相似度同时大于0.7。
(5)通过比较首末端合成信号的幅值并结合二分法继续缩小故障区间：
若首末端合成信号的幅值比大于实测信号幅值比，则选择后二分之一区间；
若首末端合成信号的幅值比小于等于实测信号幅值比，则选择前二分之一区间。
实施例2
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了基于电压行波相似度的直流配电网故障定位系统，包括零模电压采集装置、通信网络、信息汇集装置、存储介质和处理器；
所述零模电压采集装置安装在各区段线路首末端，用于采集各电缆区段首末端零模电压；
所述通信网络将所述零模电压采集装置、所述信息汇集装置与所述故障定位处理器通信连接；
所述信息汇集装置将其覆盖区域内的零模电压采集装置记录的数据进行汇集处理；
所述存储介质用于存储指令和数据；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述故障定位方法中任一项方法的步骤。
实施例3
如图2所示，为了验证本发明的可靠性和有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建如图2所示的直流配电网仿真模型，行波采样频率为100kHz，线路设置了5km、10km、20km三种长度，故障电阻分别为1Ω、100Ω，不同故障条件下的定位结果见表1。
表1不同故障条件下的故障定位结果
Figure BDA0003821668190000071
由表1看出在不同线路长度、不同过渡电阻和不同故障位置下，本发明所提供的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法具有较高的定位精度。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用安装于配电网首末端的零模电压采集装置获取线路零模电压，根据零模电压突变量确定行波波头到达时刻，选取波头到达时刻后5个毫秒时窗的波形，利用快速傅里叶变换确定波头主频率；
S2：根据二分法假设故障点位置，根据信号幅值估算故障电阻阻值，基于故障等效电路求得故障点上、下游的信号传递函数，计算故障点和首、末端折反射系数；
S3：选取与波头主频率相同频率的方波作为初始行波信号，根据故障点、首末端折反射系数和信号传递函数，计算初始行波信号折返不同次数后的衰减信号波形；
S4：将折返不同次数后的衰减信号波形叠加为一个合成信号，利用皮尔逊相关系数计算5个毫秒时窗的合成波形与实测行波的相似度，若首、末两端的波形相似度均满足要求，则认为假设故障点为实际故障点，若不满足要求，则通过比较首末端合成信号的幅值继续缩小故障区间，直至满足波形相似度要求。
2.根据权利要求1所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：对零模电压信号做差分运算，差分绝对值大于所设定阈值的时刻则判定为行波波头到达时刻；
零模电压差分ΔU0(k)的计算公式如式(1)所示：
ΔU0(k)＝U0(k+1)-U0(k) (k＝0,1,…,n) 式(1)
式(1)中，U0(k)为测得的零模电压信号，k为采样点数；
故障发生的判据如式(2)所示：
|ΔU0(k)|＞U0N 式(2)式(2)中，|ΔU0(k)|为计算的零模电压差分绝对值，U0N为设定的阈值。
3.根据权利要求2所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：利用二分法假设故障点位置，根据信号幅值估算故障电阻阻值，结合线路参数构建故障点上游和下游的信号传递函数，根据网络拓扑、线路参数、变压器参数和故障电阻估值计算电压行波折反射系数。
4.根据权利要求3所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：初始行波信号U0在线路上传播，幅值会衰减；在故障点和首末端发生折反射使波形出现畸变，幅值衰减；
以初始行波第一次从故障点向首末端传播为例，初始行波传播到首末端的波形变为：
UU1＝U0×HU 式(3)
UD1＝U0×HD 式(4)
式(3)中，HU为故障点上游传递函数，式(4)中，HD为故障点下游传递函数。
5.根据权利要求4所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：折返不同次数后的衰减信号波形叠加为一个合成信号，计算公式如下式所示：
UU＝UU1+UU2+UU3+…+UUn 式(5)
UD＝UD1+UD2+UD3+…+UDn 式(6)
式(5)中，UU为首端行波叠加后的合成波形，式(6)中，UD为末端行波叠加后的合成波形，UUn、UDn分别为第n次到达首末端的波形，信号折反射次数依据线路长度选取。
6.根据权利要求5所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：利用皮尔逊相关系数分别计算UU、UD与线路首末端实测电压行波的相似度；比较首末端合成行波与实测行波的相似度，若两端的相似度同时大于0.7，则认为假设故障点位置为实际故障点位置；否则，利用二分法继续缩小故障区间，直至两端行波波头相似度同时大于0.7。
7.根据权利要求6所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过比较首末端合成信号的幅值并结合二分法继续缩小故障区间包括以下步骤：
若首末端合成信号的幅值比大于实测信号幅值比，则选择后二分之一区间；
若首末端合成信号的幅值比小于等于实测信号幅值比，则选择前二分之一区间。
8.根据权利要求7所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述故障定位方法适用于单极接地后故障的精确定位。
9.根据权利要求8所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法，其特征在于：所述阈值U0N的获取方法为：基于仿真系统，仿真系统扰动的情况，获得不同扰动下零模电压的最大差分绝对值，取最大差分绝对值中的最大值作为U0N。
10.根据权利要求9所述的基于电压行波相似度的直流配电网故障定位方法的故障定位系统，其特征在于：包括零模电压采集装置、通信网络、信息汇集装置、存储介质和处理器；
所述零模电压采集装置安装在各区段线路首末端，用于采集各电缆区段首末端零模电压；
所述通信网络将所述零模电压采集装置、所述信息汇集装置与所述故障定位处理器通信连接；
所述信息汇集装置将其覆盖区域内的零模电压采集装置记录的数据进行汇集处理；
所述存储介质用于存储指令和数据；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1-9中任一项所述方法的步骤。
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