CN115407160A - 一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统，首先根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡，并提出判别依据，若满足判别依据，则让换流器启动并依次注入极间电压和特征频率信号；随后换流器启动并注入极间电压，接着MMC控制器会通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量；然后换流器启动并注入特征频率信号，再分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流；本发明在配电网故障后利用电网既有设备等主动向配电网注入探测信号，基于该信号特征识别故障能在配电网小电流系统发生接地故障后准确地判断出故障线路以便及时排除故障，提高了故障识别的可靠性和灵敏度，适合被广泛推广和使用。

Description

一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统

技术领域

本发明涉及电力系统的配电网故障检测技术领域，具体涉及一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统。

背景技术

相比于传统交流配电网，直流配电网在新能源并网、直流负荷接入等方面具有优势，近年来得到了广泛研究。其中辐射状拓扑凭借其投资成本低及控制配合相对容易等特点成为目前工程实践中较为常用的结构。模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)因输出波形质量好、控制灵活、具备故障自清除能力，而逐渐成为直流配电网建设中理想的换流设备。

目前，基于MMC的柔性直流配电网大多采用直流侧经钳位电阻接地方式，当其发生单极接地故障时，在满足绝缘要求的前提下，允许系统带故障工作一段时间；但该接地方式下故障电流小，故障特征不明显，因此准确识别故障馈线具有较大难度，而国内外针对配电网小电流系统接地故障选线技术主要包括被动检测方法和主动探测方法2类，其中被动检测方法大多依靠配电网自带的并联电容或线路分布电容产生的故障特征识别故障线，而主动探测方法尚未形成成熟技术被应用于配电网小电流系统接地故障选线中；因此，需要设计一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，为更好的有效解决直流配电网小电流接地系统故障选线的问题，提供了一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统，其具有在配电网小电流系统发生接地故障后能准确地判断出故障线路以便及时排除故障的优点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统，包括以下步骤，

步骤(A)，根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡，并提出判别依据，若满足判别依据，则让换流器启动并依次注入极间电压和特征频率信号；

步骤(B)，换流器启动并注入极间电压，接着MMC控制器会通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量；

步骤(C)，换流器启动并注入特征频率信号，再分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流；

步骤(D)，对各馈线零模电流进行归一化处理；

步骤(E)，计算馈线零模电流参考值；

步骤(F)，引入皮尔森相关性系数，依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数；

步骤(G)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，完成故障选型作业。

优选的，步骤(A)，根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡，并提出判别依据，若满足判别依据，则让换流器启动并依次注入极间电压和特征频率信号，且具体判据如公式(1)所示，

u_dcP+u_dcN|>0.1U_dcB (1)

其中，u_dcP、u_dcPN分别为正极和负极直流母线对地电压幅值，U_dcB为直流侧额定电压。

优选的，步骤(B)，换流器启动并注入极间电压，接着MMC控制器会通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量，其中通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量是采用派克反变换方法进行获得，即得到abc三相坐标系下的差模电压参考值u_abcref，还通过环流抑制控制得到共模电压参考值u_comd，且u_{p_ref}、u_{n_ref}分别为直流侧正桥臂子模块参考电压值和负桥臂子模块电压参考值，u_in为注入的极间电压激励

的瞬时值。

优选的，步骤(C)，换流器启动并注入特征频率信号，再分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流，其中求得各馈线零模电流的具体步骤如下，

步骤(C1)，首先采集各条馈线首端的正负极电流i_Pk、i_Nk，再采用带通滤波器对测量得到的馈线电流滤波设置中心频率ω_in，且ω_in为探测信号的特定频率，则滤波后各馈线首端的正极和负极电流分别为i_Pk(ω_in)和i_Nk(ω_in)；

步骤(C2)，对滤波后的电流时域信号利用凯伦鲍尔变换求取各馈线零模分量，如公式(2)所示，

其中，i_0k为一个计算数据窗长内由线路k首端看入的零模电流值，即获得了各馈线零模电流。

优选的，步骤(D)，对各馈线零模电流进行归一化处理，其处理方法如公式(3)所示，

其中，i^* _0k为归一化的由线路k首端看入的零模电流值。

优选的，步骤(E)，计算馈线零模电流参考值，具体是将识别电流方向规定正方向，再根据各馈线归一化零模电流，即利用各馈线归一化零模电流相加后对相加结果进行归一化处理，如公式(4)和公式(5)所示

其中，i_L为一个计算数据窗长内总的馈线零模电流参考值，i^* _L为归一化的馈线零模电流参考值，I_L为一个计算数据窗长内馈线零模电流参考值的幅值；

优选的，步骤(F)，引入皮尔森相关性系数，依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数，具体如公式(6)所示，

其中，ρ_k为一个计算数据窗长内线路k首端的归一化零模电流和馈线零模电流参考值的皮尔森相关性系数，cov(i^* _0k,i^* _L)为两电流之间的协方差，σ(i^* _0k)、σ(i^* _L)分别为归一化零模电流和馈线零模电流参考值的标准差。

优选的，步骤(G)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，完成故障选型作业，其中具体步骤如下，

步骤(G1)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，若获得的皮尔森波形相关性系数呈正强相关，则判别为健全线，负强相关判别为故障线；

步骤(G2)，若均为正强相关则进一步结合电压不平衡判据判别是否为母线故障，具体电压不平衡判据如公式(7)所示，

其中，ε_set为可靠系数，取-0.5。

本发明的一种主动式直流配电网单极接地故障选线系统，包括平衡判别模块、换流器注入模块、极间电圧处理模块、特征频率信号处理模块、归一化处理模块、引入处理模块和相关性判别模块，其中所述平衡判别模块用于根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡；

所述换流器注入模块用于在满足平衡判别依据后，依次注入极间电压和特征频率信号；

所述极间电圧处理模块用于在极间电圧注入后，通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量；

所述特征频率信号处理模块用于在特征频率信号注入后，分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流；

所述归一化处理模块用于对各馈线零模电流进行归一化处理，并计算馈线零模电流参考值；

所述引入处理模块用于引入皮尔森相关性系数，并依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数；

所述相关性判别模块用于判别获得的皮尔森波形相关性系数，并完成故障选型作业。

本发明的有益效果是：本发明的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统，首先在配电网故障后利用电网既有设备等主动向配电网注入探测信号，基于该信号特征识别故障，且无需额外注入装置，这样在配电网小电流系统发生接地故障后能准确地判断出故障线路以便及时排除故障，有效的提高了故障识别的可靠性和灵敏度，提升了电网供电可靠性，具有较好的应用前景，方法科学合理、适用性强和效果佳。

附图说明

图1是本发明的注入附加控制的控制框图；

图2是本发明的直流配网接地故障选线示意图；

图3是本发明的±10kV辐射型柔性直流配电网模型示意图；

图4是本发明的零模归一化电流波形示意图；

图5是本发明的皮尔森相关性系数示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统，包括以下步骤，

如图2所示，步骤(A)，根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡，并提出判别依据，若满足判别依据，则让换流器启动并依次注入极间电压和特征频率信号，且具体判据如公式(1)所示，

u_dcP+u_dcN|>0.1U_dcB (1)

其中，u_dcP、u_dcPN分别为正极和负极直流母线对地电压幅值，U_dcB为直流侧额定电压。

步骤(B)，换流器启动并注入极间电压，接着MMC控制器会通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量，其中通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量是采用派克反变换方法进行获得，即得到abc三相坐标系下的差模电压参考值u_abcref，还通过环流抑制控制得到共模电压参考值u_comd，且u_{p_ref}、u_{n_ref}分别为直流侧正桥臂子模块参考电压值和负桥臂子模块电压参考值，u_in为注入的极间电压激励

的瞬时值，如图1所示。

步骤(C)，换流器启动并注入特征频率信号，再分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流，其中求得各馈线零模电流的具体步骤如下，

步骤(C1)，首先采集各条馈线首端的正负极电流i_Pk、i_Nk，再采用带通滤波器对测量得到的馈线电流滤波设置中心频率ω_in，且ω_in为探测信号的特定频率，则滤波后各馈线首端的正极和负极电流分别为i_Pk(ω_in)和i_Nk(ω_in)；

步骤(C2)，对滤波后的电流时域信号利用凯伦鲍尔变换求取各馈线零模分量，如公式(2)所示，

其中，i_0k为一个计算数据窗长内由线路k首端看入的零模电流值，即获得了各馈线零模电流。

步骤(D)，对各馈线零模电流进行归一化处理，其处理方法如公式(3)所示，

其中，i^* _0k为归一化的由线路k首端看入的零模电流值。

步骤(E)，计算馈线零模电流参考值，具体是将识别电流方向规定正方向，再根据各馈线归一化零模电流，即利用各馈线归一化零模电流相加后对相加结果进行归一化处理，如公式(4)和公式(5)所示

其中，i_L为一个计算数据窗长内总的馈线零模电流参考值，i^* _L为归一化的馈线零模电流参考值，I_L为一个计算数据窗长内馈线零模电流参考值的幅值；

步骤(F)，引入皮尔森相关性系数，依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数，具体如公式(6)所示，

其中，ρ_k为一个计算数据窗长内线路k首端的归一化零模电流和馈线零模电流参考值的皮尔森相关性系数，cov(i^* _0k,i^* _L)为两电流之间的协方差，σ(i^* _0k)、σ(i^* _L)分别为归一化零模电流和馈线零模电流参考值的标准差。

步骤(G)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，完成故障选型作业，其中具体步骤如下，

步骤(G1)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，若获得的皮尔森波形相关性系数呈正强相关，则判别为健全线，负强相关判别为故障线；

步骤(G2)，若均为正强相关则进一步结合电压不平衡判据判别是否为母线故障，具体电压不平衡判据如公式(7)所示，

其中，ε_set为可靠系数，取-0.5。

本发明的一种主动式直流配电网单极接地故障选线系统，包括平衡判别模块、换流器注入模块、极间电圧处理模块、特征频率信号处理模块、归一化处理模块、引入处理模块和相关性判别模块，其中所述平衡判别模块用于根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡；所述换流器注入模块用于在满足平衡判别依据后，依次注入极间电压和特征频率信号；所述极间电圧处理模块用于在极间电圧注入后，通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量；所述特征频率信号处理模块用于在特征频率信号注入后，分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流；所述归一化处理模块用于对各馈线零模电流进行归一化处理，并计算馈线零模电流参考值；所述引入处理模块用于引入皮尔森相关性系数，并依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数；所述相关性判别模块用于判别获得的皮尔森波形相关性系数，并完成故障选型作业。

为更好的阐述本发明的使用效果，下面介绍本发明的一具体实施例。

本发明利用PSCAD/EMTDC搭建如图3所示的±10kV辐射型柔性直流配电网模型。

如图3所示，配电网直流母线电压为±10kV，MMC外环控制策略采用定直流电压控制和定无功功率控制；综合考虑负荷、分布式能源以及后续基于注入信号及其响应信号相关性的直流配网接地故障选线的验证，本实施例构建了含有四条馈线的辐射状直流配电网模型；其中Load1(4MW)模拟相对长距离恒功率负荷，线路L2模拟光伏发电(photovoltaic，PV)经过DC/DC变换器并网且自身带Load2(800ohm)的恒定电阻负荷，Load3(267ohm)模拟恒定电阻负荷，Load4(1MW)模拟相对短距离恒功率负荷。

以线路L1末端发生负极金属性接地故障为例，仿真结果如图4和图5所示。

此外，分别设置不同位置发生单极接地故障，其判别结果如表1所示。

表1馈线故障仿真结果

根据表1可知本文基于注入信号及其响应信号相关性的直流配网接地故障选线能够可靠识别出故障馈线。

综上所述，本发明的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法及其系统，首先在配电网故障后利用电网既有设备等主动向配电网注入探测信号，基于该信号特征识别故障，且无需额外注入装置，这样在配电网小电流系统发生接地故障后能准确地判断出故障线路以便及时排除故障，有效的提高了故障识别的可靠性和灵敏度，提升了电网供电可靠性，具有较好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(A)，根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡，并提出判别依据，若满足判别依据，则让换流器启动并依次注入极间电压和特征频率信号；

步骤(B)，换流器启动并注入极间电压，接着MMC控制器会通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量；

步骤(C)，换流器启动并注入特征频率信号，再分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流；

步骤(D)，对各馈线零模电流进行归一化处理；

步骤(E)，计算馈线零模电流参考值；

步骤(F)，引入皮尔森相关性系数，依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数；

步骤(G)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，完成故障选型作业。

2.根据权利要求1所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(A)，根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡，并提出判别依据，若满足判别依据，则让换流器启动并依次注入极间电压和特征频率信号，且具体判据如公式(1)所示，

u_dcP+u_dcN|>0.1U_dcB (1)

其中，u_dcP、u_dcPN分别为正极和负极直流母线对地电压幅值，U_dcB为直流侧额定电压。

3.根据权利要求2所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(B)，换流器启动并注入极间电压，接着MMC控制器会通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量，其中通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量是采用派克反变换方法进行获得，即得到abc三相坐标系下的差模电压参考值u_abcref，还通过环流抑制控制得到共模电压参考值u_comd，且u_{p_ref}、u_{n_ref}分别为直流侧正桥臂子模块参考电压值和负桥臂子模块电压参考值，u_in为注入的极间电压激励

的瞬时值。

4.根据权利要求3所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(C)，换流器启动并注入特征频率信号，再分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流，其中求得各馈线零模电流的具体步骤如下，

步骤(C1)，首先采集各条馈线首端的正负极电流i_Pk、i_Nk，再采用带通滤波器对测量得到的馈线电流滤波设置中心频率ω_in，且ω_in为探测信号的特定频率，则滤波后各馈线首端的正极和负极电流分别为i_Pk(ω_in)和i_Nk(ω_in)；

步骤(C2)，对滤波后的电流时域信号利用凯伦鲍尔变换求取各馈线零模分量，如公式(2)所示，

其中，i_0k为一个计算数据窗长内由线路k首端看入的零模电流值，即获得了各馈线零模电流。

5.根据权利要求4所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(D)，对各馈线零模电流进行归一化处理，其处理方法如公式(3)所示，

其中，i^* _0k为归一化的由线路k首端看入的零模电流值。

6.根据权利要求5所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(E)，计算馈线零模电流参考值，具体是将识别电流方向规定正方向，再根据各馈线归一化零模电流，即利用各馈线归一化零模电流相加后对相加结果进行归一化处理，如公式(4)和公式(5)所示

其中，i_L为一个计算数据窗长内总的馈线零模电流参考值，i^* _L为归一化的馈线零模电流参考值，I_L为一个计算数据窗长内馈线零模电流参考值的幅值。

7.根据权利要求1所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(F)，引入皮尔森相关性系数，依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数，具体如公式(6)所示，

其中，ρ_k为一个计算数据窗长内线路k首端的归一化零模电流和馈线零模电流参考值的皮尔森相关性系数，cov(i^* _0k,i^* _L)为两电流之间的协方差，σ(i^* _0k)、σ(i^* _L)分别为归一化零模电流和馈线零模电流参考值的标准差。

8.根据权利要求7所述的一种主动式直流配电网单极接地故障选线方法，其特征在于：步骤(G)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，完成故障选型作业，其中具体步骤如下，

步骤(G1)，判别获得的皮尔森波形相关性系数，若获得的皮尔森波形相关性系数呈正强相关，则判别为健全线，负强相关判别为故障线；

步骤(G2)，若均为正强相关则进一步结合电压不平衡判据判别是否为母线故障，具体电压不平衡判据如公式(7)所示，

其中，ε_set为可靠系数，取-0.5。

9.一种主动式直流配电网单极接地故障选线系统，所述系统运行过程采用如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于：包括平衡判别模块、换流器注入模块、极间电圧处理模块、特征频率信号处理模块、归一化处理模块、引入处理模块和相关性判别模块，其中所述平衡判别模块用于根据采集的正极和负极电压判别系统是否平衡；

所述换流器注入模块用于在满足平衡判别依据后，依次注入极间电压和特征频率信号；

所述极间电圧处理模块用于在极间电圧注入后，通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量；

所述特征频率信号处理模块用于在特征频率信号注入后，分别采集各条馈线首端的正负极电流，并求得各馈线零模电流；

所述归一化处理模块用于对各馈线零模电流进行归一化处理，并计算馈线零模电流参考值；

所述引入处理模块用于引入皮尔森相关性系数，并依次求取各馈线归一化零模电流与馈线零模电流参考值的皮尔森波形相关性系数；

所述相关性判别模块用于判别获得的皮尔森波形相关性系数，并完成故障选型作业。

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