本发明涉及直流配电网故障选线与定位
技术领域：
，具体涉及一种柔性直流配电网单极故障选线与区段定位方法及系统。
背景技术：
：随着电力电子器件的飞速发展和可再生能源的大量需求，基于电压源换流器的直流输电和配电技术快速发展。柔性中压直流(medium-voltagedc，mvdc)配电网具有线路损耗小、供电效率高、电能质量优等特点，在分布式电源并网、构筑城市直流电网等方面优势显著。由于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)开关频率低，损耗小，动静态均压优，因而在柔性直流工程中更受青睐。当前基于mmc的直流工程多采用自然双极、小电流接地方式，在深圳试点的±10kv直流配电工程采用换流变阀侧高阻接地方式。当小电流接地方式的直流配电网馈线发生单极故障时，其特征为：①故障极电压降为零，非故障极电压升高为原来2倍，对直流配电网的绝缘带来安全隐患；②故障极的故障电流非常小(仅为馈线的电容电流)，与正常负荷电流无明显差异，导致故障选线困难。类似交流配网发生单相接地故障后的运行方式，尽管发生单极故障后直流配电网仍可短时运行一段时间，但是由于故障未排除，仍旧需要快速、准确地选出故障的馈线及其故障区段，以便及时隔离故障馈线，保证非故障区域的安全运行。现有技术通过比较两电平vsc大电容处电流和相邻极线电流的相关性来判定区内外故障。然而，由于mmc电容分嵌在子模块中，单极接地时子模块电容没有放电回路，方法不适用。现有技术利用限流电抗器两端的电压变化率检测直流线路故障，但该方法在功率反转情况下保护阈值需重新整定，且在直流配电网中安装直流电抗器不具有普遍意义。现有技术利用最小二乘法计算等值电抗值，但在多分支系统中难以识别具体馈线。现有技术综合利用故障发生时首先达到故障电流门槛值的极性、两极故障电流到达门槛值的时间差和电流随时间的变化率三种判据来检测区内外故障，方法过于复杂。现有技术构建零模序网识别线路电容参数，能够有效地判别出故障的馈线，但难以定位故障馈线上的故障区段。现有技术利用小波变换进行多尺度分析，利用暂态量的高低频能量差异构造判据，能正确判断故障，但小波变换的计算结果易受到小波基选取以及噪声的影响。综上可知，现有直流电网单极故障识别方法各有特点，但没有可靠性强、不受过渡电阻等影响且灵敏度高的方法。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明公开了一种柔性直流配电网单极故障选线与区段定位方法及系统；当单极接地故障发生后，直流馈线上电流突变量来源于分布式电容的充放电电流。其中，故障馈线上正负极线电流突变量的波形呈负相关，而在非故障馈线上则呈正相关，由此构建了基于s变换特征频段(s-transformcharacteristicsfrequencyband，stcfb)和pearson相关系数的单极故障选线判据。根据正负极电流突变量特征频段能量的比值大小差异，构建了故障极的识别判据。此外，利用各区段两侧电流突变量特征频段的pearson相关系数，进行故障区段定位。本方法快速有效，故障位置、两端数据不同步以及过渡电阻等因素对判据几乎没有影响，灵敏可靠。为实现上述目的，本发明的具体方案如下：本发明的第一目的是公开一种柔性直流配电网单极故障选线与区段定位方法，包括以下步骤：采集直流配电线路各区段电流，对采集到的电流数据进行滤波处理；分别提取故障前后设定时间段内的电流突变量数据，对所述电流突变量信号进行s变换，得到电流突变量信号的复时频s矩阵；根据线路参数计算电流突变量的特征频率段；由于电流突变量是一种连续频谱信号，信号的低频部分易受负荷电流的影响，高频部分又极易因幅频特性达到谐振峰值而受到线路衰减。因此，为了提高识别方法的灵敏性，需要明确电流突变量的特征频率段；根据复时频s矩阵，计算电流突变量信号的stcfb及stcfb内s变换能量；根据s变换特征频段stcfb和pearson相关系数建立直流配电网的故障馈线识别判据，识别出故障馈线；对于识别出的故障馈线，比较正、负极电流突变量stcfb的暂态能量和，进行故障极的判断；根据stcfb和pearson相关系数识别故障馈线的故障区段，以完成区段定位。进一步地，根据线路参数计算电流突变量的特征频率段的上、下限值分别为500hz和4000hz。进一步地，所述的计算电流突变量的stcfb，具体为：其中，将电流突变量信号的复时频s矩阵记为sa[p,q]，q为列向量，表示信号在某一时刻q的幅频特性；p为行向量，表示信号在某一频率p下时域特性；fmin、fmax分别取为特征频段上下限频率值；s[p,q]为特定时刻q输入信号在特定频率p下的s变换元素值；通过计算各个时刻的s[q]即可绘制出s变换特征频段波形；s[p,q]是一个p行q列矩阵，q为时间坐标，在本发明中代表数据窗2ms内的1到50个采样点；p则为频率坐标，在这里取500-4000共8个频率采样点。s[q]是一个数列，表示第q个采样点所对应的s变换特征频段stcfb，这里做了一个求和，就是s[q]＝s[500，q]+s[1000，q]+s[1500，q]….+s[4000，q]。把矩阵中在第q个时刻所对应的频率(p)从500到4000的所有数相加。q从1取到50，表示第几个采样点。进一步地，所述的计算电流突变量信号的特征频段内s变换能量，具体为：定义特定时刻输入信号q在特定频率p下的s变换元素值为s[p,q]，其暂态能量为：e(p,q)＝abs(s[p,q])基于采样值原理，对stcfb内所有采样点的暂态能量求和，得到信号在stcfb下s变换暂态能量和w：fmin、fmax分别取为特征频段上下限频率值，n代表数据窗内采样点的总数。进一步地，pearson相关系数具体为：其中，s1(q)，s2(q)分别为馈线正负极线电流突变量信号的s变换特征频段stcfb。进一步地，所述的根据s变换特征频段和pearson相关系数建立直流配电网的故障馈线识别判据，具体为：假设描述馈线正负极线电流突变量相似程度的pearson相关系数为ρfi，i＝1,2,3,4，则构造故障馈线选择判据如下：当满足：ρfi＜kf时，此馈线为故障馈线；反之，若：ρfi＞kf，则为非故障馈线。其中，kf为整定值。进一步地，所述的比较正、负极电流突变量特征频率段的暂态能量和，进行故障极的判断，具体为：计算正、负极线路的暂态能量和，分别记为wpi和wni；定义馈线首端测得的wpi和wni的比值为λi；当λi＞1+kwh时，判定馈线正极发生故障；当λi＜1-kwl时，判定馈线负极发生故障；其中，kwl、kwh分别表示可靠系数。进一步地，所述利用根据s变换特征频段和pearson相关系数识别故障馈线的故障区段，具体为：定义ρl为表征馈线段左右两侧s变换特征频段的pearson相关系数；当区段内故障时：ρl＞kl；当区段外故障时：ρl＜kl；其中，kl为设定门槛。本发明的第二目的是公开一种柔性直流配电网单极故障选线与区段定位系统，包括：服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：采集直流配电线路各区段电流，对采集到的电流数据进行滤波处理；分别提取故障前后设定时间段内的电流突变量数据，对所述电流突变量信号进行s变换，得到电流突变量信号的复时频s矩阵；根据线路参数计算电流突变量的特征频率段；根据复时频s矩阵，计算电流突变量信号的stcfb及stcfb内s变换能量；根据s变换特征频段stcfb和pearson相关系数建立直流配电网的故障馈线识别判据，识别故障馈线；对于识别出的故障馈线，比较正、负极电流突变量stcfb的暂态能量和，进行故障极的判断；利用stcfb和pearson相关系数识别故障馈线的故障区段，以完成故障区段定位。本发明的第三目的是公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行以下步骤：采集直流配电线路各区段电流，对采集到的电流数据进行滤波处理；分别提取故障前后设定时间段内的电流突变量数据，对所述电流突变量信号进行s变换，得到电流突变量信号的复时频s矩阵；根据线路参数计算电流突变量的特征频率段；根据复时频s矩阵，计算电流突变量信号的stcfb及stcfb内s变换能量；根据s变换特征频段stcfb和pearson相关系数建立直流配电网的故障馈线识别判据，识别故障馈线；对于识别出的故障馈线，比较正、负极电流突变量stcfb的暂态能量和，进行故障极的判断；利用根据stcfb和pearson相关系数识别故障馈线的故障区段，以完成区段定位。本发明的有益效果：(1)所提选线方法利用故障暂态电容电流特征选择故障馈线、定位故障区段，不借助直流线路边界，适应性较强；(2)在各种故障初始条件下可靠、快速地识别故障方向，过渡电阻、数据不同步以及故障位置等因素对判据几乎没有影响，可靠性、灵敏性高；(3)方法分析了电流突变量特征频率，综合利用数据窗内所有数据频率分量的相位信息和幅值信息，克服了利用单一信息检测故障时的易受干扰问题；(4)识别方法原理简单、清楚，识别准确，易于工程实现，具有较高的实用价值。附图说明图1为直流配电网简化等值电路；图2为直流线路单极故障时电容电流的分布图；图3为单极直流馈线简化等值网络；图4为本发明的故障识别原理框图；图5(a)-(d)分别为f1故障时各馈线正负极首端电流突变量的stcfb波形；图6(a)-(b)分别为f1故障时a1b1、b1c1区段内仿真结果；图7(a)-(b)分别为b2c2不同位置故障时a2b2、b2c2区段的ρl曲线。具体实施方式：下面结合附图对本发明进行详细说明：需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。为了解决
背景技术：
中存在的问题，本发明公开了一种柔性直流配电网单极故障选线与区段定位方法，如图4所示，包括以下步骤：(1)各馈线区段检测元件实时采集馈线段左右两侧电流；(2)将采集的电流滤波后，提取故障前0.5ms，故障后1.5ms的电流突变量；(3)各馈线段两侧检测元件对电流突变量进行s变换，得到各个信号的复时频s矩阵，分别求取各个信号的stcfb和能量w；(4)构造选线判据，根据描述各馈线正负极电流突变量相关程度的ρfi，完成基于电流突变量stcfb和pearson相关系数的故障馈线识别；故障馈线识别原理为：基于模块化多电平换流器的中压直流(mmc-mvdc)系统发生单极接地故障时，故障馈线和非故障馈线稳态电压相同，故障电流很小，仅采用稳态电压和电流无法有效识别接地馈线。需要对各馈线电流突变量进行分析。输电线路固有的频变参数特性使得mmc-mvdc单极接地时线路暂态电压产生衰减振荡过程，导致线路上分布的对地电容产生从接地点流入流出的电流。若图1配网发生单极接地故障，其馈线上的电容电流分布如图2所示，图中mmc采用直流侧钳位电阻接地方式。以馈线段b1c1正极或负极单极故障为例进行分析，以便得出故障馈线与正常馈线的暂态特征差异。图2中，{up,un}分别表示正负极母线电压，{ip1,in1},{ipk,ink}分别为故障馈线、健康馈线的正负极电流(k＝2，3，4)，il1,ilk分别为故障馈线、健康馈线末端的负荷电流。若b1c1段发生正极接地故障，如图2中f1点，正负极均产生负的压降即δu<0，此时正负极线路电容均需要放电，电容电流会由线路流向接地点；同理，负极发生故障时，如图2中虚线所示，正负极线路电容均需要充电，正负极线路电容电流会由接地点流向线路。上述分析表明，正负极电容电流相对于接地点流入流出的方向一致，并不互相抵消。由于接地故障时系统无故障回路，接地点故障电流仅由各直流馈线暂态对地电容电流构成，规定电流正方向为母线指向线路，对于故障点f1，根据基尔霍夫电流定律可得：式中，if为从线路流向故障点电流，ic1i、icki分别为故障馈线和非故障馈线对地电容电流。定义非故障馈线正、负极电流突变量分别为δipk、δink，则：其中，{iplk,inlk}分别为非故障馈线正负极线首端电流稳态分量。对于故障馈线，以正极故障为例，定义故障馈线正、负极首端电流突变量分别为δip1、δin1，令{ipl1,inl1}分别为故障馈线正负极线电流稳态分量。则：负极故障分析方法类似，不做赘述。可见，当馈线发生单极故障时，故障馈线正负极首端电流突变量方向相反，且故障极线首端电流突变量远大于非故障极线；而非故障馈线正负极首端电流突变量方向相同，大小近似相等，波形近似为正相关，可依此识别故障馈线及故障极。(5)若识别为故障馈线，计算特征频段内s变换暂态能量以及正负极能量比值，构造故障极识别判据；(6)计算故障极线各区段左右两侧电流突变量的pearson相关系数，构造故障区段识别判据；故障区段识别原理为：1)馈线段内故障。以图1中馈线1为例，可得如图3所示单极直流馈线简化等值电路。由于配电网负荷沿馈线分散接入，下游故障时应能保证上游馈线正常供电。依然以f1点发生正极故障为例，负极故障与此类似，不再赘述。为便于分析，依然以母线指向线路为正方向。根据叠加原理，b1c1正极故障时，等效于在故障点加上一个负的电压源δuf1，故障附加网络如图3所示。其中，δib1c1、δic1b1分别为b1、c1侧检测到的电流突变量，这也是由线路分布电容放电产生的。由于直流配电网馈线段长度较短，对电流突变量影响较小，因此根据规定正方向，r13、r14检测到的电流突变量波形近似为正相关。2)馈线段外故障。以图3中b1c1为例，由于同一馈线各区段之间没有明确的边界，电流波几乎没有阻隔在a1b1、b1c1区段之间传播，r11、r12处电流波信号的形状应近似为负相关。当馈线区段内故障时，线路两侧的电流突变量波形近似为正相关；而馈线段外故障时，线路两侧的电流突变量波形近似为负相关。上述步骤中，系统两侧识别装置安装处对于故障馈线、故障极以及故障区段的识别流程为：故障发生后，当馈线的ρfi小于门槛值kwh时，判断馈线为故障馈线；当λ小于门槛值kwl时，判断负极故障，当λ大于门槛值kwh时，判为正极故障；当ρl大于门槛值kl时，判定馈线段为故障区段，小于门槛值kl时，判定馈线段为非故障区段。利用pscad构建柔性直流电网仿真模型，对所提方法进行仿真验证：1)建立模型为了使未来电力系统发展成为一个交直流混联的先进系统，直流配电的中压配电主干网将以±10kv网络为主，低压部分将以用户侧的±750v的工业负荷和400v的民用负荷为主。相比于双端和环状网络，辐射状结构在对可靠性要求相对较低的数据中心直流配电网和居民住宅直流配网更适用。因此建立了图1所示典型的含交直流负荷与分布式电源的辐射状直流配电网拓扑。在模型中设置不同位置的单极接地故障，以测试所提方法的性能。本文采样频率为25khz，数据窗为2ms，系统参数如表1所示，线路参数如表2所示。表1系统参数表系统参数名称数值交流电源电压/kv110交流额定电压/kv10换流站额定容量/mva5光伏额定容量/mva0.25储能装置/mw0.25换流器电平数11子模块电容/μf1000桥臂电抗/mh6.4表2线路参数表系统馈线参数数值线路阻抗ω/km0.125线路电感mh/km0.72线路对地电容μf/km0.0048akbk,bkck/km(k＝1,2,3,4)102)金属性单极故障仿真在b1c1区段中点f1设置正极金属性接地故障，各馈线正负极的stcfb波形如图5(a)-(d)所示。各馈线仿真结果如表3所示。表3f1故障时馈线仿真结果表4f1故障时故障极和故障区段仿真结果图5(a)-(d)中，{δip1,δin1},{δip2,δin2},{δip3,δin3},{δip4,δin4}分别代表馈线f1-f4正负极首端的电流突变量。从图5可以看出，馈线f2-f4正负极首端电流突变量的stcfb波形近似呈正相关，而馈线f1正负极首端电流突变量的stcfb波形近似呈负相关。由表3中ρf数据可知，馈线1为故障馈线。同时，馈线1的λ为4.4457，因此判定馈线1发生正极接地故障。对馈线1a1b1以及b1c1区段故障后两侧正极电流突变量的stcfb进行分析，故障极和故障区段仿真曲线如图6(a)-(b)所示，仿真数据如表4所示。从图中可以看出，a1b1两侧检测到的stcfb的波形近似呈负相关，b1c1两侧检测到的stcfb的波形近似呈正相关，由表4中ρl数据可以判断b1c1区段正极发生接地故障。3)不同故障初始条件的仿真与分析1)不同过渡电阻。在馈线b1c1负极f2处分别设置不同过渡电阻的故障，故障馈线判别结果如表5所示，故障极和故障区段判别结果如表6所示。表5不同过渡电阻下馈线仿真结果由表5可知，在不同过渡电阻情况下，均可判别馈线f1为故障馈线。对该馈线的故障极和故障区段检测结果如表6所示。表6不同过渡电阻下馈线仿真结果由表6中仿真数据可以得出结论：在不同过渡电阻情况下，系统两侧均能正确判断故障方向和故障极。2)数据不同步影响仿真。由于本方案需要馈线段两端进行数据通信，难免造成波形数据不同步。因此，在f2处设置20ω过渡电阻，分析数据不同步情况下馈线段a1b1以及b1c1两侧stcfb波形，得到表7所示结果。表7数据不同步情况下故障区段仿真结果由上表可以看出，波形数据不同步对ρl有一定影响，但影响很小，仍有较高灵敏度。3)不同故障位置仿真。在馈线段b2c2正极设置不同位置故障，取过渡电阻为20ω，对a2b2、b2c2左右两侧的stcfb的相关性进行分析，得到的仿真结果如图7(a)-(b)所示，横坐标表示故障点到b2的距离，由图7(a)-(b)知，在区段不同位置故障时，均可正确判断出故障区段，且灵敏度较高。4)交流侧故障。在交流母线f4处设置不同类型短路故障，仿真结果如表8所示。表8交流侧故障仿真由表8数据可知，对发生在交流侧的各种故障类型，都会判定为馈线外故障，判别结果准确。以上仿真结果表明，各种故障情况下，均能正确判别故障。验证了理论分析与选线判据的正确性。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。当前第1页12