一种直流配电网单极接地故障区段定位方法及系统与流程

1.本发明属于配电网故障区段定位技术领域，具体涉及一种直流配电网单极接地故障区段定位方法及系统。


背景技术：

2.直流配电网凭借其便于可再生能源并网、电能质量更好、供电半径更长、传输损耗更小的优势成为配电网领域的研究热点。多年的理论研究和工程实践表明，基于全桥mmc的双端直流配电网是一种理想的拓扑结构。
3.为保证供电可靠性，我国大部分
±
10kv直流配电网试点工程采用对称单极结构和交流侧中性点小电流接地方式，在这种情况下，由于单极接地故障特征微弱，为故障的检测和区段定位带来了挑战。
4.现有的单极接地故障检测方法可分为被动检测法和主动注入法。被动检测法基于系统的响应特性，有研究根据故障暂态信息计算线路的零模阻抗或转移电荷来定位故障区段；有研究基于具有特殊线路边界的故障暂态信息定位故障区段；交流配电网的被动检测法基于故障暂态信息或故障稳态信息识别故障。对于直流配电网，由于系统惯性常数较小，故障暂态信息持续时间太短，因此基于故障暂态信息的被动检测法保护原理可靠性较低。然而，对于单极接地故障，直流配电网缺乏故障稳态信息，因此基于故障稳态信息的被动检测法保护原理灵敏度较低。
5.主动注入法利用附加注入装置或对既有设备施加附加控制策略向电网注入探测信号。注入的信号为保护引入了新的故障信息，可以提高保护的灵敏度。同时，注入信号的持续时间可控，可以提高保护原理的可靠性。有研究提出安装主动附加注入装置，在故障后向电网注入探测信号，从而增强故障特征，提高故障区段定位性能。但这一方法需要许多附加注入装置，增加了电网的成本。而且，要同时满足金属故障和高阻故障的检测要求，注入装置的参数很难确定。有研究提出利用电力电子换流器和储能设备限制整个配电系统正常运行时电流的最大变化率，进而通过检测电流变化率的异常来识别故障。然而，该方案降低了电力电子换流器的调节速度，增加了系统运行成本，而且无法识别发展性故障。有研究采用换流器附加控制策略向电网注入脉冲，然后基于行波理论进行故障区段定位。采用既有设备的附加控制策略来注入信号的主动注入法，由于不需要附加注入装置，因而更具应用前景。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种直流配电网单极接地故障区段定位方法及系统，通过mmc附加控制策略协同投入谐振支路注入电流探测信号，然后，基于延时级差原则设置负荷开关/断路器的动作顺序，基于单端信息完成故障区段的定位和隔离。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种直流配电网单极接地故障区段定位方法，包括以下步骤：
9.s1、利用直流正负极电压不平衡判据启动对mmc的附加控制，同时闭合中性点并联谐振支路的投切开关，实现探测信号的注入；
10.s2、步骤s1附加控制启动延时δt后，各段线路上的测点分别采集各段线路首端和末端的正负极电流；
11.s3、采用n阶带通滤波器对步骤s2测量的各段线路首端和末端的正负极电流进行滤波，将各段线路首端和末端mmc预设的注入探测信号特征频率作为中心频率，得到滤波后各段线路首端和末端的正负极电流；
12.s4、采用快速傅里叶分解方法对步骤s3经过滤波后各段线路首端和末端的正负极电流进行处理，提取对应特征频率下的电流相量，解耦得到对应特征频率下的零模电流相量幅值；
13.s5、利用步骤s4获得的零模电流相量幅值结合延时级差配合策略定位故障区段，当对应测点处的零模电流相量幅值大于保护判据门槛值时，激活延时程序；如果不满足保护判据则延时清零，持续延时时间δtk后断开故障线路两端对应处的负荷开关/断路器；
14.s6、在步骤s5启动时间t后，各测点跳闸指令自动返回，实现故障区段的定位和故障隔离。
15.具体的，步骤s1中，直流正负极电压不平衡判据具体为：
[0016][0017]
其中，u
p
、un分别为对应测点处正、负极直流母线对地电压幅值，为直流额定电压。
[0018]
具体的，步骤s1中，mmc的附加控制函数为：
[0019][0020]
其中，u
ctrl
为注入探测信号，k
inj
为探测信号注入系数，ω
ctrl
为注入探测信号的角频率，t为时间，为注入探测信号的初相位。
[0021]
具体的，步骤s1中，探测信号的频率f
det
为：
[0022][0023]
其中，t
mmc
为计及mmc控制特性的响应时间常数，f
line
(l
line
)为计及线路长度和对地阻抗支路影响的线路特征频率约束条件，n为自然数。
[0024]
具体的，步骤s1中，探测信号的幅值为：
[0025][0026]
其中，为直流额定电流，为定电流控制模式下探测信号幅值，为额定电压，为高阻故障时定电压控制下的探测信号幅值。
[0027]
具体的，步骤s1中，探测信号注入时长t为：
[0028]
t＝(k+2)δt
[0029]
其中，k为线路区段的测点总数，δt为附加控制策略启动延时。
[0030]
具体的，步骤s2中，附加控制启动延时δt为：
[0031]
δt＝t
cb
+t
se
+t
cal
+t0[0032]
其中，t
cb
为负荷开关/断路器的动作时间，t
se
为信号提取时间，t
cal
为保护判据的计算时间，t0为固有延时。
[0033]
具体的，步骤s5中，延时时间δtk为：
[0034]
δtk＝kδt
[0035]
其中，k为线路区段的测点总数，δt为附加控制策略启动延时。
[0036]
具体的，步骤s5中，保护判据门槛值设置为k
set
＝0.5％。
[0037]
第二方面，本发明实施例提供了一种直流配电网单极接地故障区段定位系统，包括：
[0038]
注入模块，利用直流正负极电压不平衡判据启动对mmc的附加控制，同时闭合中性点并联谐振支路的投切开关，实现探测信号的注入；
[0039]
测量模块，注入模块附加控制启动延时δt后，各段线路上的测点分别采集各段线路首端和末端的正负极电流；
[0040]
滤波模块，采用n阶带通滤波器对测量模块测量的各段线路首端和末端的正负极电流进行滤波，将各段线路首端和末端mmc预设的注入探测信号特征频率作为中心频率，得到滤波后各段线路首端和末端的正负极电流；
[0041]
提取模块，采用快速傅里叶分解方法对滤波模块滤波后各段线路首端和末端的正负极电流进行处理，提取对应特征频率下的电流相量，解耦得到对应特征频率下的零模电流相量幅值；
[0042]
计算模块，利用提取模块获得的零模电流相量幅值结合延时级差配合策略定位故障区段，当对应测点处的零模电流相量幅值大于保护判据门槛值时，激活延时程序；如果不满足保护判据则延时清零，持续延时时间δtk后断开故障线路两端对应处的负荷开关/断路器；
[0043]
输出模块，在计算模块启动时间t后，各测点跳闸指令自动返回，实现故障区段的定位和故障隔离。
[0044]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0045]
本发明一种直流配电网单极接地故障区段定位方法，利用直流配电网的 mmc协同投入中性点并联谐振支路主动注入探测信号，增强零模网络的故障特征；依据零模电流幅值识别故障方向，结合延时级差配合动作策略完成故障区段的定位和隔离，步骤s1中基于mmc附加控制策略协同投入谐振支路注入电流探测信号从而增强故障特征，步骤s2至步骤s4利用滤波和相量提取算法从测量信号中获取了对应特征频率下的探测信号，步骤s5至步骤s6基于时序极差原则设置负荷开关/断路器的动作顺序，从而仅需单端信息即可完成故障区段的定位和隔离。
[0046]
进一步的，在有区段发生单极接地故障时，故障极对地电压迅速跌落至接近于0，非故障极对地电压绝对值上升至接近于两倍额定电压，正、负极对地电压发生严重的不平衡。因此利用直流配电网保护中普遍配置的电压不平衡保护判据作为主动注入附加控制和后续故障判别的启动条件，具有灵敏度高、速动性快的优点。
[0047]
进一步的，在探测信号注入模式启动后，启动预先设置的附加控制策略，同时投入谐振支路，注入探测信号，并利用pi环节获取注入系数，能够稳定注入波形优质的探测信号。
[0048]
进一步的，计及mmc性能限制、线路频率特性、系统运行特性、互感器精度、信号提取窗长、负荷开关/断路器动作速度等因素，设置了最佳的探测信号频率选择依据，并确定了rl二阶谐振支路参数的选择依据，能够实现在满足设备性能约束的前提下使得响应特征差异最明显以便灵敏检测。
[0049]
进一步的，计及mmc性能限制、线路频率特性、系统运行特性、互感器精度、信号提取窗长、负荷开关/断路器动作速度等因素，设置了最佳的探测信号幅值的选择依据，并确定了rl二阶谐振支路参数的选择依据，能够实现在满足设备性能约束的前提下使得响应特征差异最明显以便灵敏检测。
[0050]
进一步的，设置最佳的探测信号注入时长的选择依据，并确定了rl二阶谐振支路参数的选择依据，能够实现在满足设备性能约束的前提下使得响应特征差异最明显以便灵敏检测。
[0051]
进一步的，由于从探测信号的注入到能够被可靠检测存在线路传播延时和设备测量延时等因素影响，因此附加控制策略启动后要经过一定延时保证探测信号已经稳定注入，其中，采取固定延时的方法，具有可靠简便的好处。
[0052]
进一步的，在零模等效电路中，注入的零模电流探测信号只存在于注入端和故障支路之间；对于对端，零模电路近似处于高阻状态，因此无法检测到足够大幅值的探测信号；若故障被隔离，零模注入等效电路变为近似开路，探测信号的电流减小为0；根据这一规律，设计了延时级差配合动作策略。
[0053]
进一步的，所有符合动作判据的断路器/负荷开关均按延时级差配合动作策略动作。断路器/负荷开关距离注入端越远，设置时间间隔越短；断路器/负荷开关距离注入端越近，设置时间间隔越长，从而保证故障区段的有效定位和隔离。
[0054]
综上所述，本发明能够在800ω过渡电阻下可靠识别发生在各段线路任意位置的单极接地故障，具有灵敏度高，可靠性强，无需双端通信，对测量和保护装置的采样率要求低的好处。
[0055]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0056]
图1为本发明探测信号注入原理示意图，其中，(a)为故障下的零模等效电路示意图，(b)为计及探测信号注入附加控制策略的mmc控制框图；
[0057]
图2为本发明所依托的直流电网拓扑结构图；
[0058]
图3为本发明注入效果仿真验证图，其中，(a)为两端注入的零模电流波形，(b)为电网零模电压波形；
[0059]
图4为本发明l2正极发生金属性接地故障时各段线路两端探测信号的幅值。
具体实施方式
[0060]
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。
[0061]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0062]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0063]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a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。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0064]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
[0065]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0066]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/ 层。
[0067]
本发明提供了一种直流配电网单极接地故障区段定位方法，通过mmc附加控制策略协同投入谐振支路注入电流探测信号，然后，基于延时级差原则设置负荷开关/断路器的动作顺序，基于单端信息完成故障区段的定位和隔离。主动注入探测信号有效增强了故障特征，基于mmc的注入方法结合故障识别方法避免了安装附加装置，具有灵敏度高、无需双端通信的特点。
[0068]
本发明一种利用注入电流信号的直流配电网单极接地故障区段定位方法，包括以下步骤：
[0069]
s1、利用式(1)所示的直流正负极电压不平衡判据启动对mmc的附加控制，控制函数如式(2)所示，同时闭合中性点并联谐振支路的投切开关，实现电流信号的注入，如图1所示；
[0070][0071]
[0072]
其中，u
ctrl
为注入探测信号，k
inj
为探测信号注入系数，ω
ctrl
为注入探测信号的角频率，t为时间，为注入探测信号的初相位。
[0073]
探测信号注入系数k
inj
经过一个闭环控制器获取：
[0074][0075]
其中，pi和ti分别为闭环pi控制器的比例系数和积分时间常数，i
det_err
为注入信号幅值的偏差量，其计算方法如式(4)所示；
[0076][0077]
探测信号频率f
det
的选择依据为：
[0078][0079]
其中，t
mmc
为计及mmc控制特性的响应时间常数，f
line
(l
line
)为计及线路长度和对地阻抗支路影响的线路特征频率约束条件，n为自然数。
[0080]
探测信号幅值的选择依据为：
[0081][0082]
其中，探测信号幅值的下限考虑了互感器精度的限制，幅值的上限考虑了电网最大的电压偏差的限制。
[0083]
探测信号注入时长的选择依据为：
[0084]
t＝(k+1)δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0085]
其中，k为线路区段的测点总数。
[0086]
谐振支路参数的计算为：
[0087][0088]
其中，谐振支路为并联于配电网交流侧中心点接地电阻两端的lc二阶串联电路，cd为谐振支路电容，ld为谐振支路电感，rg为接地电阻阻值，bw为带宽，ω
p
为中心频率。
[0089]
s2、附加控制启动后延时δt，各段线路测点分别测量本地的电流信号，即采集如图1(a)所示的各段线路首端的正负极电流i
jstp
、i
jstn
，以及各段线路末端的正负极电流i
jndp
、i
jndn
，j表示第j条馈线，延时δt应保证探测信号已经稳定注入；
[0090]
δt＝t
cb
+t
se
+t
cal
+t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0091]
其中，t
cb
为负荷开关/断路器的动作时间，t
se
为信号提取时间，t
cal
为保护判据的计算时间，t0为固有延时。
[0092]
s3、采用n阶带通滤波器对步骤s2测量的各段线路首末端电流进行滤波，设置中心频率f
ch1
和f
ch2
分别为首端和末端mmc预设的注入电流信号的特征频率，得到滤波后的各条
线路首末端正负极电流i
jstp’、i
jstn’、i
jstp’、i
jstn’；
[0093]
s4、对步骤s3经过带通滤波后的各条线路首末端正负极电流采用快速傅里叶分解(fft)方法提取对应特征频率下的电流相量i
jstp
、i
jstn
，i
jndp
、i
jndn
；并利用凯伦鲍尔(karrenbauer)相模变换原理解耦，得到对应特征频率下的零模电流相量幅值|i
jst0
|、|i
jnd0
|；
[0094]
s5、利用步骤s4计算获得的零模电流相量结合延时级差配合策略定位故障区段，当对应测点处的零模电流相量幅值|i
jst0
|、|i
jnd0
|大于保护判据门槛值 (k
set
*i
*det
)时激活延时程序，不满足保护判据则延时清零，持续成立δtk时间后断开该处的负荷开关/断路器，延时时间δtk的设置如式(10)所示；
[0095]
δtk＝kδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0096]
s6、在步骤s5启动一段时间t后，各个测点的保护无论动作与否(测点的检测和判别算法及跳闸指令)，自动返回；
[0097]
s7、通过步骤s5的保护判据结合延时级差配合动作策略，能够确保故障线路两端的负荷开关/断路器率先断开，之后，其余测点的保护将不能同时满足步骤s5的保护判据结合延时判据进而返回，相应位置的负荷开关/断路器不动作，进而实现故障区段的定位和故障隔离。
[0098]
本发明再一个实施例中，提供一种直流配电网单极接地故障区段定位系统，该系统能够用于实现上述直流配电网单极接地故障区段定位方法，具体的，该直流配电网单极接地故障区段定位系统包括注入模块、测量模块、滤波模块、提取模块、计算模块以及输出模块。
[0099]
其中，注入模块，利用直流正负极电压不平衡判据启动对mmc的附加控制，同时闭合中性点并联谐振支路的投切开关，实现探测信号的注入；
[0100]
测量模块，注入模块附加控制启动延时δt后，各段线路上的测点分别采集各段线路首端和末端的正负极电流；
[0101]
滤波模块，采用n阶带通滤波器对测量模块测量的各段线路首端和末端的正负极电流进行滤波，将各段线路首端和末端mmc预设的注入探测信号特征频率作为中心频率，得到滤波后各段线路首端和末端的正负极电流；
[0102]
提取模块，采用快速傅里叶分解方法对滤波模块滤波后各段线路首端和末端的正负极电流进行处理，提取对应特征频率下的电流相量，解耦得到对应特征频率下的零模电流相量幅值；
[0103]
计算模块，利用提取模块获得的零模电流相量幅值结合延时级差配合策略定位故障区段，当对应测点处的零模电流相量幅值大于保护判据门槛值时，激活延时程序；如果不满足保护判据则延时清零，持续延时时间δtk后断开故障线路两端对应处的负荷开关/断路器；
[0104]
输出模块，在计算模块启动时间t后，各测点跳闸指令自动返回，实现故障区段的定位和故障隔离。
[0105]
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实
施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0106]
仿真验证
[0107]
请参阅图2，利用pscad/emtdc搭建直流电网模型，验证所提方法的性能。该系统连接两个交流源。换流变压器网侧采用三角形接法，阀侧采用y型接法。中性点经过5000ω大电阻和并联谐振支路接地。线模型采用反映频变特性的分布参数模型。正常运行时，直流配网处于闭环运行状态。主换流站即 mmc1采用定电压和定无功控制策略；从换流站mmc2采用定功率和定无功控制策略。当直流电网因故障隔离而处于开环运行时，mmc2应切换到定电压控制方式。
[0108]
1.注入效果验证
[0109]
以线路l2上发生正极金属性接地故障为例，仿真结果如图3所示。
[0110]
设定故障发生在50ms。如图3(a)所示，在启动附加注入控制策略后，线路两端的mmc分别向电网注入幅值为5％i
*dc
的75hz和175hz零模电流探测信号。如图3(b)所示，所提出的差模注入方法保证了注入过程中极间直流电压保持为额定值，因此所提方法不影响网络供电。
[0111]
2.故障区段定位和隔离效果验证
[0112]
以线路l2上发生正极金属性接地故障为例，仿真结果如图4所示。
[0113]
探测信号仅存在于注入端与故障支路之间。因此，在故障支路左侧的k
1st
、 k
1nd
、k
2st
可检测到75hz的零模电流探测信号，在故障支路右侧的k
2nd
、k
3st
、 k
3nd
、k
4st
、k
4nd
可检测到175hz的零模电流探测信号。线路任意故障位置的仿真结果均满足这一分布特性。
[0114]
此外，设置不同故障位置，判别结果如表2所示，据表可知本发明能够可靠定位并隔离故障区段。
[0115]
表2仿真结果
[0116][0117]
仿真结果证明了本发明的有效性，本发明能够在800ω过渡电阻情况下可靠识别出故障线路/母线，具有一定的耐过渡电阻性能，且在40db白噪声的干扰下仍能正确识别故障，具有一定的抗噪性能，采用故障稳态的探测信号识别故障，对检测和保护设备采样率要求低。
[0118]
综上所述，本发明一种利用注入电流信号的直流配电网单极接地故障区段定位方法及系统，通过mmc附加控制策略协同投入谐振支路注入电流探测信号，然后，基于延时级差原则设置负荷开关/断路器的动作顺序，基于单端信息完成故障区段的定位和隔离，仿真结果表明，本发明能够在800ω过渡电阻下可靠定位并隔离发生在配网任意区段的接地故障，具有灵敏度高，可靠性强，无需双端通信，对测量和保护装置的采样率要求低的好处。
[0119]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。
[0120]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0121]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0122]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0123]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。