CN116298661A - 一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，所述故障测距方法具体为根据拓扑数据构建故障等效电路模型，根据故障等效电路模型构建故障测距方程，采集直流配电线路的电力数据，进行短路故障测距启动条件判断，在判断满足短路故障启动条件后，起动限流控制和主动探测信号注入控制策略，向直流线路注入特征频率的探测信号，基于测点处的电压电流提取特征频率下的电压相量和电流相量，求解故障测距方程，获取故障距离。本发明进行故障测距时，仅需要采集直流配电线路的单端电气量，能够有效避免对端系统助增作用的影响，提高故障测距结果的准确性，同时还能够大大降低故障测距的计算量，有效提高故障测距的效率。

Description

一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法
技术领域
本发明涉及直流配电系统故障测距技术领域，尤其是指一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法。
背景技术
随着半导体制造技术和电力电子技术的快速发展及其在电力系统中的广泛应用，直流输配电技术凭借易于实现新能源接入和便于提高电能质量而得到广泛研究。与传统的直流输配电技术相比，柔性直流输配电技术具备了可以避免无功补偿和换相失败问题以及可以快速解耦控制有功和无功功率等优势，具有更加广阔的应用前景。
在柔性直流配电网内线路出现故障，并执行相应的保护动作后，还需要通过进行故障测距来实现故障位置的精确定位，从而保障柔性直流配电网的运行安全。现有技术中常通过基于参数识别思想求解线性方程的系数来实现直流配电线路的故障测距，或是通过基于分布参数线路模型分析输电线路的沿线电压实现直流配电线路的故障测距。但无论是求解线性方程还是分析沿线电压的方式，在进行故障测距时，均需要采集配电线路的大量电气数据进行数据分析，使得故障测距的效率较低。且柔性直流配电网内线路大多为两端供电式拓扑结构，现有技术中的故障测距方法均需要获取柔性直流配电线路两端数据以实现故障测距的相关计算，其计算结果会受到对端系统的增助作用影响，故障测距结果的准确性不高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，通过在线路故障后注入特征频率的探测信号，基于构建的直流配电线路等效电路和测距方程根据特征频率下的电力数据求解故障距离，且在故障测距过程中仅需配电线路的单端电气量，能够解决现有故障测距方法中存在的所需采样数据量过大，故障测距效率较低，以及计算结果受对端系统增助作用影响，准确性不高的问题，使得故障测距的计算量大大降低，有效提高故障测距的效率和准确性。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，包括以下步骤：
步骤一，根据直流配电线路的拓扑数据构建故障等效电路模型，根据故障等效电路模型构建故障测距方程；
步骤二，采集直流配电线路的电力数据，根据采集的电力数据对直流配电线路进行短路故障测距启动条件判断；
步骤三，在判断满足短路故障测距启动条件后，起动限流控制和主动探测信号注入控制策略，向直流线路注入特征频率的探测信号；
步骤四，基于测点处的电压电流提取特征频率下的电压相量和电流相量，根据特征频率下的电压相量和电流相量求解故障测距方程，获取故障距离。
进一步的，步骤一中根据直流配电线路的拓扑数据构建故障等效电路模型时，先通过极模变换公式对直流配电线路进行解耦，再根据解耦结果构建故障等效电路模型。
进一步的，所述极模变换公式的表达式为：
Figure BDA0003838324910000031
其中：F0为直流配电线路零模电压电流故障暂态行波，F1为直流配电线路极模电压电流故障暂态行波，FP为直流配电线路P极电压电流值，FN为直流配电线路N极电压电流值。
进一步的，步骤一中根据故障等效电路模型构建故障测距方程的具体过程为：
(1)根据特征频率下故障等效电路模型，获取直流配电线路的传输方程，所述传输方程的表达式为：
Figure BDA0003838324910000032
且，
Figure BDA0003838324910000033
其中：
Figure BDA0003838324910000034
分别为测距端测量特征频率下的电压相量和电流相量，
Figure BDA0003838324910000035
分别为线路Lm在故障支路处的电压和电流，γ为线路的传播系数，Zc为线路的波阻抗，d为故障距离，rl、ll、cl和gl分别为线路单位长度下电阻、电感、对地电容和电导，ωdet为探测信号特征角频率；
(2)基于直流配电线路的传输方程，获取故障支路处电压、电流以及对应过渡电阻的关系式，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000036
其中：
Figure BDA0003838324910000037
为流过故障支路的电流；/>
Figure BDA0003838324910000038
为流向后段线路的电流，Rf为直流配电线路等效电路内的过渡电阻；
(3)获取线路末端采集到的电压和电流向量，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000041
其中：
Figure BDA0003838324910000042
分别为线路Ln在线路末端的电压和电流向量，l为直流配电线路的总长度；
(4)获取MMC控制器在特征频率下的等值参数，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000043
其中：C0为MMC控制器内桥臂子模块的电容，L0为MMC控制器内桥臂子模块的电抗，R0为MMC控制器内桥臂子模块的损耗等效电阻，N为MMC控制器内桥臂子模块的总个数；
(5)联立以上公式，获取故障测距方程，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000044
进一步的，步骤二中通过判断是否接收到相应直流配电线路保护的动作指令或者是否满足突变量起动判据对直流配电线路进行短路故障测距启动条件判断。
进一步的，所述突变量起动判据包括直流电流突变量起动判断和直流电压突变量起动判断，所述直流电流突变量起动判断和直流电压突变量起动判断的表达式为：
Figure BDA0003838324910000045
其中：N为测距端在1ms内进行数据采样的测点个数，IdcN为直流额定电流，UdcN为直流额定电压，idc(i)为测距端第i个测点处采集到的直流电流，udc(i)为测距端第i个测点处采集到的直流电压。
进一步的，步骤三中通过MMC控制器进行限流控制，启动限流控制后，将MMC控制器的外环控制目标转换为确定MMC控制器内子模块的电容和电压维持不变，同时在MMC控制器调制层限制直流侧电流，直至直流侧电压达到直流侧电压参考值。
进一步的，步骤三中通过MMC控制器起动所述主动探测信号注入控制策略，通过MMC控制器起动所述主动探测信号注入控制策略的具体过程为：通过调节直流侧电压参考值控制MMC控制器，MCC控制器根据直流侧电压参考值改变子模块开通关断的数目，向直流配电线路注入特征频率的探测信号。
本发明的有益效果是：
所述配电直流系统等效电路为单电源系统，在基于单电源系统的配电直流系统等效电路进行故障测距时，仅需要采集配电线路的单端电气量，在后续的故障测距计算过程中，能够有效避免对端系统助增作用的影响，提高故障测距结果的准确性，同时还能够大大降低故障测距的计算量，有效提高故障测距的效率。
附图说明
图1是本发明的一种流程示意图；
图2是本发明实施例的一种直流配电线路的拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例的一种特征频率下的直流配电线路等效电路图；
图4是本发明实施例的一种MMC控制器的控制特性图；
图5是本发明实施例的一种附加控制特性图；
图6是本发明实施例的一种首端故障仿真结果波形图；
图7是本发明实施例的一种中点故障仿真结果波形图；
图8是本发明实施例的一种末端故障仿真结果波形图；
图9是本发明实施例的一种直流配电线路中点发生400Ω短路故障时的仿真结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例：
一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一，根据直流配电线路的拓扑数据构建故障等效电路模型，根据故障等效电路模型构建故障测距方程；
步骤二，采集直流配电线路的电力数据，根据采集的电力数据对直流配电线路进行短路故障测距启动条件判断；
步骤三，在判断满足短路故障测距启动条件后，起动限流控制和主动探测信号注入控制策略，向直流线路注入特征频率的探测信号；
步骤四，基于测点处的电压电流提取特征频率下的电压相量和电流相量，根据特征频率下的电压相量和电流相量求解故障测距方程，获取故障距离。
本实施例中所述短路故障具体为极间故障。
所述直流配电线路的拓扑结构如图2所示，其为两端供电式柔性直流系统，两端的MMC控制器均为伪双极接线方式，在伪双极运行方式下，直流配电网中点接地方式主要有电容中点直接接地、电容中点经电阻接地以及直流出口并联大电阻中点接地三种方式，本实施例中则具体采用了直流出口并联大电阻中点接地的方式。
步骤一中根据直流配电线路的拓扑数据构建故障等效电路模型时，先通过极模变换公式对直流配电线路进行解耦，再根据解耦结果构建故障等效电路模型。
所述极模变换公式的表达式为：
Figure BDA0003838324910000071
其中：F0为直流配电线路零模电压电流故障暂态行波，F1为直流配电线路极模电压电流故障暂态行波，FP为直流配电线路P极电压电流值，FN为直流配电线路N极电压电流值。
并基于构建的直流配电线路1模等效电路图确定故障发生后，特征频率下的1模等效电路图，所述特征频率下的1模等效电路图如图3所示，其中，Km为测距端，Kn为线路对端；
Figure BDA0003838324910000072
为主动注入的特征频率的探测信号；/>
Figure BDA0003838324910000073
Figure BDA0003838324910000074
分别为测距端测量特征频率下的1模电压相量和电流相量；具体的，所述直流配电线路采用贝瑞隆模型表示；Lm、Ln分别为故障支路前段的线路和故障支路后段的线路；Rf为过渡电阻；/>
Figure BDA0003838324910000075
分别为线路Lm在故障支路处的1模电压和电流；/>
Figure BDA0003838324910000076
为流过故障支路的1模电流；/>
Figure BDA0003838324910000077
为流向后段线路的1模电流；
Figure BDA0003838324910000078
分别为线路Ln在线路末端的1模电压和电流；Rs、XLs、XCs分别为MMC控制器在特征频率下的等效电阻、感抗和容抗。
基于图3的直流配电线路1模等效电路，获取对应的电力线路的传输方程，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000081
其中，γ为线路的传播系数，Zc为线路的波阻抗，d为故障距离。
且，
Figure BDA0003838324910000082
其中，rl、ll、cl和gl分别为线路单位长度下1模的电阻、电感、对地电容和电导，ωdet为探测信号特征角频率。
基于直流配电线路等效电路和对应电路线路的传输方程，能够获取故障支路处电压、电流以及对应过渡电阻的关系式，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000083
相应的，根据电力线路传输方程，获取线路末端Kn采集的电压情况和电流情况，其电压和电流的表达式具体为：
Figure BDA0003838324910000084
其中，l为直流配电线路的总长度。
同时将MMC控制器在特征频率下的等效参数表示为：
Figure BDA0003838324910000085
其中，C0为MMC控制器内桥臂子模块的电容，L0为MMC控制器内桥臂子模块的电抗，R0为MMC控制器内桥臂子模块的损耗等效电阻，N为MMC控制器内桥臂子模块的总个数。
根据对端换流器MMC控制器在特征频率下的等值参数，可以知晓：
Figure BDA0003838324910000091
联立上述公式，得到故障测距方程，其表达式为：
Figure BDA0003838324910000092
其中：
Figure BDA0003838324910000093
为测距端特征频率下的电压相量，/>
Figure BDA0003838324910000094
为测距端特征频率下的电流相量，d为故障距离，Rf为直流配电线路等效电路内的过渡电阻。
所述故障测距方程为复数方程，在代入测距端测量得到的特征频率下的电压相量和电流相量后，分别求解其实部方程和虚部方程，即可获取对应的故障距离和过渡电阻。
步骤二中通过判断是否接收到相应直流配电线路保护的动作指令或者是否满足突变量起动判据对直流配电线路进行短路故障测距启动条件判断。
在接收到直流配电线路保护的动作指令，指示开展短路故障测距启动，或者是满足突变量起动判据的情况下，判断满足短路故障测距启动条件。
所述突变量起动判据包括直流电流突变量起动判断和直流电压突变量起动判断，所述直流电流突变量起动判断和直流电压突变量起动判断的表达式为：
Figure BDA0003838324910000095
其中：N为测距端在1ms内进行数据采样的测点个数，IdcN为直流额定电流，UdcN为直流额定电压，idc(i)为测距端第i个测点处采集到的直流电流，udc(i)为测距端第i个测点处采集到的直流电压。
MMC控制器具备高可控性，通过设置合理的附加控制策略，可以在故障后限制短路电流，进而注入具有特征频率的探测信号，为保护和故障测距等工作提供新的故障特征。具体的，MMC控制器的控制特性图如图4所示，其中，Udc、
Figure BDA0003838324910000101
分别表示直流电压的测量值和参考值，P、P*分别表示有功功率的测量值和参考值，Uac、/>
Figure BDA0003838324910000102
分别表示交流电压的测量值和参考值，Q、Q*分别表示无功功率的测量值和参考值。/>
Figure BDA0003838324910000103
和id、iq分别表示dq轴电流的参考值和测量值，/>
Figure BDA0003838324910000104
和ud、uq分别表示dq轴电压的参考值和测量值，/>
Figure BDA0003838324910000105
Figure BDA0003838324910000106
表示经过派克反变换后的abc三相的电压参考值。MMC控制器能够通过外环功率控制和内环电流控制得到参考量，外环控制目标为直流电压(有功功率)以及交流电压(无功功率)。而内环控制器则通过设计前馈补偿实现对dq轴有功和无功控制量的解耦，再通过dq反变换，即得到abc相坐标系下的差模电压参考值。
通过MMC控制器实现限流控制策略和主动探测信号注入控制策略时，其附加控制特性图如图5所示，其中，uc_ref和uc_avg分别为需要保持的直流电压值和交流电压值，Udcref_Ilim为调节后的直流电压的测量值，idref和iqref为调节后的dq轴电流的测量值，
Figure BDA0003838324910000107
为经过派克反变换后的abc三相的电压参考值。
具体的，通过MMC控制器进行限流控制时，具体分为两步，一方面将其外环控制目标转变为维持子模块的电容和电压不变，另一方面则在MMC控制器的调制层限制直流侧电流，即控制内环控制器的前馈补偿，实现达到电压参考值的目的。
通过MMC控制器进行主动探测信号注入控制策略时，先通过调节直流侧电压参考值控制MMC控制器，MCC控制器根据直流侧电压参考值改变子模块开通关断的数目，向直流配电线路注入特征频率的探测信号。
改变MCC控制器子模块开通关断的数目后，能够对其触发脉冲的频率进行调节，将调节后的触发脉冲作为特征频率的探测信号注入直流配电线路。
基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建如图2所示拓扑结构的直流配电线路，其中直流配电线路的长度为50km，并具体采用贝瑞隆线路模型实现直流配电线路的仿真，所构建的直流配电线路仿真模型的主要参数如表1所示：
表1仿真模型主要参数
Figure BDA0003838324910000111
Figure BDA0003838324910000121
基于直流配电线路仿真模型，对不同位置的故障进行仿真，其仿真结果具体为：
(1)首端故障仿真结果
当直流配电线路首端发生金属性短路故障时，其仿真结果波形如图6所示，由图6可知，在故障发生后，线路内电流上升，极间电压跌落，在电流上升、极间电压跌落的同时，限流控制策略启动，故障电流被限制，并在实现限制故障电流后，注入特征频率的探测信号，得到测距结果。对于线路首端故障，能够准确定位故障距离，且测距时段内的平均相对测量误差在0.4％以内。
(2)中点故障仿真结果
当直流配电线路中点发生金属性短路故障时，仿真结果波形如图7所示，由图7可知，故障发生后，直流电压和电流的突变量明显，限流控制策略和特征频率的探测信号的注入会很快起动，得到对应的测距结果。对于中点故障，能够准确定位故障距离，且测距时段内的平均相对测量误差在0.5％以内。
(3)末端故障仿真结果
当直流配电线路中点发生金属性短路故障时，仿真结果波形如图8所示，由图8可知，故障发生后，直流电压和电流的突变量明显，限流控制策略和特征频率的探测信号的注入会很快起动，得到对应的测距结果。对于中点故障，能够准确定位故障距离，且测距时段内的平均相对测量误差在0.5％以内。
为了保障故障测距结果的准确性，还对过渡电阻对于测距结果的影响进行仿真分析。
具体的，以直流配电线路中点发生400Ω短路故障为例，直流配电线路仿真模型的仿真结果波形如图9所示，由图9可知，在过渡电阻的影响下，直流电压和电流突变量减小，但仍然满足起动判据，能够正常进行后续的故障测距，且故障测距结果精确，在测距时段内的平均相对测量误差在0.5％以内。
为了进一步确定过渡电阻对于故障测距结果的影响，对于不同故障距离下，不同阻值的故障过渡电阻进行故障测距仿真，其仿真结果如表2所示：
表2不同故障位置和过渡电阻下的仿真结果
Figure BDA0003838324910000131
Figure BDA0003838324910000141
由表2可知，在线路首端、中点或末端发生金属性故障时，无过渡电阻，或过渡电阻阻值为100Ω、200Ω或400Ω时，测距结果依旧能够保证准确，相对测量误差不大于0.5％。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据直流配电线路的拓扑数据构建故障等效电路模型，根据故障等效电路模型构建故障测距方程；
步骤二，采集直流配电线路的电力数据，根据采集的电力数据对直流配电线路进行短路故障测距启动条件判断；
步骤三，在判断满足短路故障测距启动条件后，起动限流控制和主动探测信号注入控制策略，向直流线路注入特征频率的探测信号；
步骤四，基于测点处的电压电流提取特征频率下的电压相量和电流相量，根据特征频率下的电压相量和电流相量求解故障测距方程，获取故障距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，步骤一中根据直流配电线路的拓扑数据构建故障等效电路模型时，先通过极模变换公式对直流配电线路进行解耦，再根据解耦结果构建故障等效电路模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，所述极模变换公式的表达式为：
Figure FDA0003838324900000011
其中：F0为直流配电线路零模电压电流故障暂态行波，F1为直流配电线路极模电压电流故障暂态行波，FP为直流配电线路P极电压电流值，FN为直流配电线路N极电压电流值。
4.根据权利要求1所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，步骤一中根据故障等效电路模型构建故障测距方程的具体过程为：
(1)根据特征频率下故障等效电路模型，获取直流配电线路的传输方程，所述传输方程的表达式为：
Figure FDA0003838324900000021
且，
Figure FDA0003838324900000022
其中：
Figure FDA0003838324900000023
分别为测距端测量特征频率下的电压相量和电流相量，/>
Figure FDA0003838324900000024
分别为线路Lm在故障支路处的电压和电流，γ为线路的传播系数，Zc为线路的波阻抗，d为故障距离，rl、ll、cl和gl分别为线路单位长度下电阻、电感、对地电容和电导，ωdet为探测信号特征角频率；
(2)基于直流配电线路的传输方程，获取故障支路处电压、电流以及对应过渡电阻的关系式，其表达式为：
Figure FDA0003838324900000025
其中：
Figure FDA0003838324900000026
为流过故障支路的电流；/>
Figure FDA0003838324900000027
为流向后段线路的电流，Rf为直流配电线路等效电路内的过渡电阻；
(3)获取线路末端采集到的电压和电流向量，其表达式为：
Figure FDA0003838324900000031
其中：
Figure FDA0003838324900000032
分别为线路Ln在线路末端的电压和电流向量，l为直流配电线路的总长度；
(4)获取MMC控制器在特征频率下的等值参数，其表达式为：
Figure FDA0003838324900000033
其中：C0为MMC控制器内桥臂子模块的电容，L0为MMC控制器内桥臂子模块的电抗，R0为MMC控制器内桥臂子模块的损耗等效电阻，N为MMC控制器内桥臂子模块的总个数；
(5)联立以上公式，获取故障测距方程，其表达式为：
Figure FDA0003838324900000034
5.根据权利要求1所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，步骤二中通过判断是否接收到相应直流配电线路保护的动作指令或者是否满足突变量起动判据对直流配电线路进行短路故障测距启动条件判断。
6.根据权利要求5所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，所述突变量起动判据包括直流电流突变量起动判断和直流电压突变量起动判断，所述直流电流突变量起动判断和直流电压突变量起动判断的表达式为：
Figure FDA0003838324900000041
其中：N为测距端在1ms内进行数据采样的测点个数，IdcN为直流额定电流，UdcN为直流额定电压，idc(i)为测距端第i个测点处采集到的直流电流，udc(i)为测距端第i个测点处采集到的直流电压。
7.根据权利要求1所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，步骤三中通过MMC控制器进行限流控制，启动限流控制后，将MMC控制器的外环控制目标转换为确定MMC控制器内子模块的电容和电压维持不变，同时在MMC控制器调制层限制直流侧电流，直至直流侧电压达到直流侧电压参考值。
8.根据权利要求1所述的一种基于主动探测原理的直流配电线路短路故障测距方法，其特征在于，步骤三中通过MMC控制器起动所述主动探测信号注入控制策略，通过MMC控制器起动所述主动探测信号注入控制策略的具体过程为：通过调节直流侧电压参考值控制MMC控制器，MCC控制器根据直流侧电压参考值改变子模块开通关断的数目，向直流配电线路注入特征频率的探测信号。
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