柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种柔性输电领域的检测技术，具体是一种柔性直流输电系统电缆单 极故障测距方法。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电（VSC-HVDC)是直流输电发展的趋势，其广泛应用于风力、光伏发电 和分布式能源中。不同于传统高压直流输电，由于采用了全控器件IGBT，其直流线路短路故 障电流通常会达到额定电流的2倍以上，所以柔性直流输电控制和保护在性能和快速性上 具有更高的要求。
[0003] 直流电缆的单极故障接地故障定位是VSC-HVDC保护研究的重点。目前直流输电 线路的故障测距主要依赖于行波理论。理论上，行波测距不受线路类型、接地电阻、故障类 型等因素的影响，具有较高的精度，但目前仍存在着一些技术问题：1)行波测距检测的是 波头，如果检测失败，将无法进行定位；2)考虑到传输线的波速略低于光速，故需要很高的 采样频率；3)行波测距易受到干扰，如雷击；4)定位的精度与波速度有关，实际电缆存在肌 肤效应，影响其波速。
[0004] 在传统高压直流系统中，线路较长，行波测距方法应用较为广泛。由于柔性直流输 电系统的输电容量一般较低、线路较短、采用全控性器件，基于行波理论的测距方式的应用 受到了很大的阻挠。所以亟待研究一种基于非行波理论的柔性直流输电系统的线路故障定 位方法。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于波形识别的柔性直流输电系 统电缆单极故障测距方法线路发生故障时，故障录波器启动录波。录波数据记录了保护安 装处电压量的波形数据，并利用此数据与包含暂态电压幅值的线路预想故障数据库逐一进 行对比，计算欧式距离，并选取欧式距离最小值对应的距离作为故障测距结果。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本发明涉及一种柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，通过预先构建线路预 想故障数据库，并在发生故障时，根据电压波形数据与数据库进行比对，从而得出故障测 距。
[0008] 所述的线路预想故障数据库由电压幅值样本组成，该初始样本u (1，t，r)表示在 距离1处，过渡电阻为r时，在t时刻的电压幅值。
[0009] 所述的线路预想故障数据库具体通过以下方式实现：
[0010] 1)根据实际电缆的参数计算出该电缆的电阻、电感、电容等直流参数；
[0011] 2)结合拉普拉斯域下的故障附加网络，得出三对角矩阵计算公式，求出不同故障 距离处、不同过渡电阻情况下的电压暂态量值。
[0012] 所述的拉普拉斯域下的故障附加网络包括：交流电压源和若干个级联的RLC网 络，每个RLC网络的电阻均为R、感抗均为sL，容抗均为|·。
[0013] 所述的线路预想故障数据库优选采用线性插值的方式扩展，在减少计算量的同时 保证了数据库的精度。
[0014] 所述的电压波形数据是指：故障录波器录波得到的电压暂态量，优选用一组η维 向里（X ml xm2…Xmn)表不。
[0015] 所述的比对是指：计算电压波形数据与数据库中各个样本之间的欧氏距离，通过 欧氏距离最短方式得出故障测距结果。 技术效果
[0016] 与现有技术相比，本发明通过简化技术问题，从均匀分布参数输电线路出发，直接 求解η个T型串联等值电路。在不考虑频变效应的情况下，用该方法计算值近似等效为相 域频变模型仿真值，从理论上说明了电压暂态量与距离的变化规律，并采用欧拉距离作为 相似度计算值。通过PSCAD对本发明方法进行仿真，验证了所提原理的准确性；为了校验该 原理的灵敏度，在线路参数波动的情形下进行了仿真，结果表明参数波动对测距结果影响 极小。
【附图说明】
[0017] 图1为双极柔性直流输电系统示意图；
[0018] 图2为VSC-HVDC直流电缆分布参数模型图；
[0019] 图3为拉式域下故障附加网络图；
[0020] 图4为拉式域下含过渡电阻的故障附加网络示意图；
[0021] 图5为故障测距算法流程图。
【具体实施方式】
[0022] 如图1所示，为本实施例模型示意，其中的电缆采用图2所示分布参数的均匀传 输线路模型表示，图中R、L、C为系统正常运行时，输电线路单位长度的电阻、电感和对地电 容；C 1S线路两侧并联稳压大电容。
[0023] 根据图2所示模型，当F处发生单极接地故障时，VSC-HVDC的换流阀立即闭锁，忽 略交流侧对M点（直流线路始端）处电压暂态量的影响。图3给出了拉普拉斯域下F、M、G 形成的故障附加网络。
[0024] 设s为复变量，电缆单位长度电容上的电压为Uls，U2s，……U ns，则M点在时域中的 对地电珏
（即故障前电压与故障附加网络形成电压之和），其中：V。为 系统正常稳定运行时，电缆正极对地电压。因为故障附加网络在发生故障时刻之前的电感 电流、电容电压均为〇,所以图3中电感、电容在拉式域中的大小分别为sL、1/sC，其中V(S) =-%/s，即拉普拉斯域下的阶跃响应。
[0025] 针对图3所示的简化模型，运用节点电压法，可得：
[0026]
[0027] 其中，Uls~Uns表示：线路均匀分成η个节点后，不同节点的电压；Y表示线路导纳 且Y = l/(R+sL) ;Β表示线路对地电纳且B = SQB1= SC1，上述物理量均在拉式域中表示。
[0028] 利用求三对角矩阵的递推公式，即可得到：
其中=X1= 1，X2 = 1-a2, - , Xn= X n !-a2Xn 2, a = -Y/ (2Y+B), b = -Y/ (Y+B^ , c = -Y · V (s) / (2Y+B) 〇
[0029] 最后利用拉普拉斯反变换，即可求得单端电压暂态量UM(；。
[0030] 2)过渡电阻对电压暂态量的影响
[0031] 考虑过渡电阻时，则有图4,其中R1为过渡电阻。
[0032] 为了比较的方便，在求解此故障附加网络时给出与上式相同阶数的关系式为：
[0034] 其中：U' ls~U' ns表示：线路均匀分成η个节点后，不同节点的电压；U' 。3表 示：过渡电阻与线路交接处的电压量。
[0035] 因为
札&+1)，即相当于在时域中将阶跃信号进行了延时，而时延因子1?1(：<<0。因此1]'。 ；3的 时域值U'。会在极快的时间内达到稳态，可见Uns与U' "3的时域值振荡周期基本相同。
[0036] 如图5所示，本实施例包括以下步骤：
[0037] 1)在数据库建立（准备）阶段：首先，利用实际电缆参数计算出其直流参数R、L、 C，并根据：
计算不同距离、 不同过渡电阻情形下的电压暂态量初始样本，图中初始样本U(1，t，r)表示在距离1处，过 渡电阻为r时，在t时刻的电压幅值。为了减少计算量，提高数据库的精度，本实施例提出 采用线性插值的方式对数据库进行扩展。
[0039] 2)由于VSC-HVDC直流电缆发生单极故障接地时，具有以下两个特征：i)不同故障 距离处，测得的单端电压暂态量不同，而电压暂态量与距离之间可能相关；ii)在同一故障 点，电压暂态量的振荡周期不受过渡电阻的影响，即基本一致。因此在相同故障点，不同过 渡电阻情况下的电压暂态量波形形态相似。因此在故障测距阶段，当柔性直流输电系统发 生单极故障时，保护录波装置测量并记录了故障发生后一段时间内的电压暂态量；并与数 据库中的电压暂态量对比，取最小欧氏距离所对应的距离作为故障测距的结果。
[0040] 由于欧式距离表示了高维空间内点到点之间的距离，因为电压暂态量的测量数据 多、维度高，所以采用欧式距离能够做到计算简单、精度高。
[0041] 所述的保护录波装置获得的电压暂态量为一组η维向量（Xnil Xni2…xj ;对应线 路预想故障数据库中的任意一组η维向量为（Xll X12…xln)，则两组η维向量的欧式距离 为
其中欧式距离Clnil越小，则两组向量越相似；若Cl nid= 0,则两组向 量相同。
[0042] 表1给出了不同距离处，不同过渡电阻情形下，在PSCAD仿真软件中的测距结果。 由表1结果可知，基于波形识别的测量距离与实际距离的相对误差基本小于1%，绝对误差 小于0. 5km，由此也可以看出线性扩展后的样本具有很高的精度。
[0043] 表1单极故障测距结果
[0044] 表2给出了在同一距离处，线路参数波动前后的在PSCAD软件仿真中的测距结果。 从表中可以看出，参数波动对测距结果影响不大；只有在近距离处，当线路电感变化时，其 测距结果稍大。
[0045] 表2参数波动前后的故障测距结果
[0046]
[0047] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同 的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所 限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
【主权项】
1. 一种柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，其特征在于，通过预先构建线路预 想故障数据库，并在发生故障时，根据电压波形数据与数据库进行比对，从而得出故障测 距； 所述的线路预想故障数据库由电压幅值初始样本组成，该初始样本U(1，t，r)表示在 距离1处，过渡电阻为r时，在t时刻的电压幅值。2. 根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，其特征是，所述 的电压波形数据是指：故障录波器录波得到的电压暂态量，通过一组η维向量（Χηι1 Χηι2… xmn)表不。3. 根据权利要求1或2所述的柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，其特征是，所 述的线路预想故障数据库采用线性插值的方式扩展，以减少计算量的同时提高数据库的精 度。4. 根据权利要求1所述的柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，其特征是，所述 的比对是指：计算电压波形数据与线路预想故障数据库中各个样本之间的欧氏距离，通过 欧氏距离最短方式得出故障测距。5. 根据权利要求4所述的柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，其特征是，所述 的欧氏距离，通过以下方式计算： 所述的保护录波装置获得的电压暂态量为一组η维向量（Χηι1Χηι2…xj;对应线路 预想故障数据库中的任意一组η维向量为（Xllx12…xln),则两组η维向量的欧式距离为，其中欧式距离cU越小，则两组向量越相似；若(!",= 0,则两组向量 相同。
【专利摘要】一种柔性直流输电系统电缆单极故障测距方法，基于均匀分布参数的故障附加网络，利用线路的直流参数，建立三对角矩阵，直接求解n个型串联等值电路，计算出单端电压暂态量，此理论计算值与PSCAD频变分布参数电缆模型仿真值基本一致。本发明可以实现VSC-HVDC5直流输电线路的快速、准确测距，不受线路参数波动等条件影响。
【IPC分类】G01R31/08
【公开号】CN105301447
【申请号】CN201510760891
【发明人】张希鹏, 邰能灵, 郑晓冬, 李珂, 王娴
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月10日